Функционирование технической теории

Анализ и синтез схем

Функционирование технической теории осуществляется "челночным", итерационным путем. Сначала формулируется инженерная задача создания определенной технической системы. Затем она представляется в виде идеальной конструктивной (т.е. структурной) схемы, которая преобразуется в схему естественного процесса (т.е. поточную схему), отражающую функционирование технической системы. Для расчета и математического моделирования этого процесса строится функциональная схема, отражающая определенные математические соотношения. Инженерная задача переформулируется в научную проблему, а затем в математическую задачу, решаемую дедуктивным путем. Этот путь называется анализом схем.

Обратный путь - синтез схем - позволяет на базе имеющихся конструктивных элементов (вернее соответствующих им абстрактных объектов) по определенным правилам дедуктивного преобразования синтезировать новую техническую систему (точнее, ее идеальную модель, теоретическую схему), рассчитать ее основные параметры и проимитировать функционирование. Решение, полученное на уровне идеальной модели, последовательно трансформируется на уровень инженерной деятельности, где учитываются второстепенные, с точки зрения идеальной модели, инженерные параметры и проводятся дополнительные расчеты, поправки к теоретическим результатам. Полученные теоретические расчеты должны быть скорректированы в соответствии с различными инженерными, социальными, экологическими, экономическими и т.п. требованиями. Это может потребовать введения соответствующих новых элементов в состав теоретических схем, которые можно рассматривать как коннотации (дополнительные сопутствующие признаки) этих схем и одновременно как ограничения, накладываемые на эти схемы

их конкретиной реализацией. Формулировка системы коннотаций и ограничений, которые вводятся в виде особых элементов в состав теоретических схем технической теории, может привести к необходимости многократного возвращения на предыдущие стадии, составление новых, с учетом данных коннотаций и ограничений, поточных и функциональных схем, проведение новых эквивалентных преобразований и расчетов.

Таким образом, нижний слой абстрактных объектов в технической теории (структурные схемы) непосредственно связан с эмпирическими (конструктивно-техническими и технологическими) знаниями и ориентирован на использование в инженерном проектировании. Одна из основных задач функционирования развитой технической теории заключается в тиражировании типовых структурных схем с учетом всевозможных инженерных требований и условий, формулировка практико-методических рекомендаций проектировщику, изобретателю, конктруктору и т.д. Тогда решение любых инженерных задач, построение любых новых технических систем данного типа будет заранее теоретически обеспеченным. В этом состоит конструктивная функция технической теории, ее опережающее развитие по отношению к инженерной практике. Этим последним фактом и определяется во многом специфика технической теории, которая имеет практическую направленность: ее абстрактным объектам обязательно должен соответствовать класс гипотетических технических систем, которые еще не созданы. Поэтому в технической теории важен не только анализ, но и синтез, теоретических схем технических систем. Обе задачи в принципе являются сходными, поскольку синтез новой технической системы, как правило, связан с анализом уже существующих аналогичных систем.

В практической инженерной деятельности синтез в чистом виде встречается редко: определенные параметры технической системы и ее элементов, как правило, уже заданы в условиях задачи, и синтез зачастую сводится лишь к модернизации старой системы. Кроме того, в инженерной практике всегда существуют традиционные эмпирически полученные структурные схемы, которые обычно берутся готовыми. Поэтому синтез в этом случае сводится к анализу и требуется определить лишь некоторые неизвестные параметры вновь проектируемой системы. В условиях массового и серийного производства технические системы создаются из стандартных элементов, поэтому и в теории задача синтеза заключается в связывании типовых идеализированных элементов в соответствии со стандартными правилами преобразования теоретических схем.

Франц Рело следующим образом формулирует задачи анализа и синтеза кинематических схем в теории механизмов и машин. Кинематический анализ заключается в разложении

существующих машин на составляющие их механизмы, цепи, звенья и пары элементов, т.е. в определении кинематического состава данной машины. Конечным результатом такого анализа является выделение кинематических пар элементов (предел членения). Кинематический синтез - это подбор кинематических пар, звеньев, цепей и механизмов, из которых нужно составить машину, производящую требуемое движение.

В.В. Добровольский и А.А. Артоболевский - специалисты, которыми было завершено построение математизированной теории механизмов, в своей работе "Структура и классификация механизмов", опубликованной в 1939 г., рассуждают следующим образом. Анализ механизма начинается с разработки его кинематической (поточной) схемы на основе конструктивной (структурной) схемы. Кинематическая схема позволяет исследовать естественный процесс - движение элементов, пар, цепей и отдельных точек механизма. Для решения этой задачи используются так называемые планы механизма, т.е. его схематические изображения в каком-любо положении, представляющие собой функциональные (математические) схемы. В теории механизмов разработаны также планы скоростей и ускорений механизма и соответствующие им векторные диаграммы. На основе этих планов, в свою очередь, составляются системы уравнений, устанавливающие математические зависимости между перемещениями, скоростями и ускорениями звеньев механизма. С помощью графических и аналитических методов расчета определяется положение каждого звена, перемещения точек и звеньев по заданному закону движения начального звена. Для расчета сложных механизмов осуществляются их эквивалентные преобразования в более простые схемы и лишь затем производится определение их звеньев, пар и элементов. Синтез механизмов представляет собой их проектирование по заданным условиям. Наиболее распространенным является приближенный синтез, в результате которого определяются размеры механизма, отвечающие заданным условиям в пределах допустимых отклонений.

Аппроксимация теоретического описания технической системы

Функционирование технической теории направлено на аппроксимацию полученного теоретического описания технической системы, его эквивалентное преобразование в более простую и пригодную для проведения расчетов схему, сведение сложных случаев к более простым и типовым, для которых существует готовое решение. Поэтому главное внимание в технической теории направлено на разработку типовых способов решения инженерных задач, стандартных методик проведения инженерных

расчетов как можно более простыми средствами. Этим определяется в значительной степени и характер технической теории, доказывающей правомерность такого рода эквивалентных преобразований и аппроксимаций.

Слово "аппроксимация" в своем первоначальном значении в математике означает замещение каких-либо математических

… … …

(336-344) пропущено, сканер

функций или расчетных схем другими, приближенно выражаю­щими их, эквивалентными им в определенном отношении, а также более простыми функциями или расчетными схемами, для которых уже существуют или могут быть получены известные решения. В технических науках это понятие получило более широкое толкование как процедура решения инженерных задач на теоретических схемах с помощью ряда их эквивалентных за­мен и упрощений. Сущность метода аппроксимации заключа­ется в компромиссе между точностью и сложностью расчетных схем. Точная аппроксимация обычно приводит к сложным ма­тематическим соотношениям и расчетам. Слишком упрощенная эквивалеятная схема технической системы снижает точность расчетов. Немецкий инженер А. Ридлер еще в начале XX столе­тия подчеркивал, что "точное" решение задачи, конечно, явля­ется наилучшим, но только если оно соответствует всем практи­ческим условиям данного случая. В этом, собственно говоря, коренится различие чисто математического доказательства и приближенного вычисления в технике, где запутанные доказа­тельства и пространные вычисления могут только помешать проникнуть в суть дела и решить задачу. Эту особенность при­менения математики в инженерном деле отмечал еще создатель теории корабля академик А. Н. Крылов. Он критиковал тот суе­верный страх перед приближенными вычислениями, который прививается в высших учебных заведениях будущим инженерам. Аппроксимирующие выражения и схемы должны по возможно­сти точно выражать характер аппроксимирующей функции или схемы и в то же время быть как можно проще, чтобы и матема­тические решения были более простыми. Надо подчеркнуть, что для одного режима функционирования технической системы может оказаться предпочтительнее один вид аппроксимации, для других режимов — другие виды.

Таким образом, в технической теории заданы и специально нормированы не только правила соответствия функциональных, поточных и структурных схем, т.е. эквивалентные преобразова­ния их друг в друга, но и правила преобразования абстрактных объектов, в рамках каждого такого слоя теоретических схем. При этом ведущую роль в технической теории играют структур­ные схемы, описывающие в идеализированной форме конструк­цию технической системы, поскольку именно через них полу­ченные теоретически результаты решения инженерных задач

транслируются в область инженерной практики. В естественной науке подобные схемы выполняют вспомогательную роль — обобщенного описания экспериментальных ситуаций — и, как правило, в процессе систематического изложения теории, на­пример, в учебниках или совсем опускаются, или приводятся лишь в качестве иллюстративных примеров.

Весьма показательно в этом плане сравнить первый учебник по радиотехнике "Научные основания беспроволочной телегра­фии", изданный А.П. Петровским в Санкт-Петербурге в 1913 г., и опубликованный им примерно в то же время курс физики. Написанные одним и тем же автором и посвященные, по сути дела, одного и того же рода физическим явлениям эти книги демонстрируют различия технической и физической теорий уже теми акцентами, которые делает автор в изложении учебного материала. В учебнике по радиотехнике Петровский большое внимание уделяет анализу и развитию различных конструктив­ных схем радиотехнических устройств (таких, как схема с зазем­ленной сеткой, регенеративный и суперрегенеративный прием­ники, супергетеродин, рефлексивные схемы и т.д.). Наряду с описанием разделов классической электродинамики и элементов электротехники, в этом учебнике содержится первичная клас­сификация радиотелеграфных станций по типам схем и техни­ческим характеристикам, попытка их обобщенного рассмотре­ния и разработка специального концептуального аппарата для их описания (структурные схемы). Конкретное же описание ра­диотелеграфных станций концентрируется в особых работах, не претендующих на теоретическое рассмотрение. Детальное изло­жение физической теории также выносится здесь за скобки, поскольку оно должно содержаться в соответствующем курсе физики. Это изложение автор дает в своем учебнике по физике, где мы находим традиционное изложение электродинамики, бе­зотносительно к радиотехнике, не считая, правда, формального упоминания передачи энергии на расстояние. Однако и те раз­делы электродинамики, которые вошли в учебник по радиотех­нике, описываются уже с ориентацией на решение определен­ных задач. В нем различаются физические параметры электро­магнитных волн и соответствующие им характеристики процес­са передачи, т.е. искусственно воссозданного в функционирова­нии радиотехнического устройства электродинамического про­цесса (поточные схемы). Одновременно происходит формирова­ние функциональных (математических) схем радиотехники. Уже второе издание учебника А. А. Петровского в значительной сте­пени основано на применении математического аппарата. В этом издании приводятся наряду с традиционным для физичес­кой науки доказательством теорем различные расчеты (главным образом с применением графических методов), типовые числовые

примеры, искусственные приемы, а также образцы матема­тического решения инженерных задач. По словам самого авто­ра, к этому времени радиотелеграфия превратилась в новый от­дел науки, изучающий применение электричества и магнетизма

в практике.

Основные различия естественнонаучной и технической тео­рий проявляются прежде всего в плане особого видения мира, т.е. универсума исследуемых в данной теории объектов и спосо­бов их теоретического представления. В естественной науке это видение выражается в научной картине мира, в которой любые реальные объекты рассматриваются как естественные, незави­сящие от человеческой деятельности. В технических науках раз­виваются иные принципы онтологизации, связанные с жесткой ориентацией на инженерную деятельность.

Поскольку инженер обычно ограничен в выборе конструк­тивных элементов и способов их изготовления, конструктивные и технологические параметры оказывают существенное влияние на выбор структурной и соответствующей ей поточной схем тех­нической системы, а это, в свою очередь, определяет и те мате­матические средства, которые могут быть использованы для ее расчета. Поэтому техническая теория содержит несколько тео­ретических слоев, ориентированных на различные реализации технической системы. Например, для теоретической радиотех­ники это будут теория радиопередатчиков,' теория усилителей (выделяемые по функциональному признаку); импульсная тех­ника, техника сверхвысоких частот (выделяемые по типу есте­ственного процесса, протекающего в технической системе); тео­рия электронных и ионных приборов, теория полупроводников (выделяемые по конструктивно-технологическому принципу) и тд. Каждая такая теория более полно учитывает особенности тех или иных режимов функционирования и конструктивно-технические и технологические параметры технических систем и их элементов. Однако все вышеназванные теории опираются на одну базовую техническую теорию, исследующую общие свой­ства электродинамических процессов в радиотехнических уст­ройствах, т.е. получение, передачу, распространение в простран­стве, прием и различные преобразования электромагнитных волн в разных физических средах. Эта базовая техническая тео­рия генетически определяется соответствующей базовой есте­ственнонаучной теорией, в данном случае — электродинамикой. Базовый естественный процесс для всех этих теорий один, хотя для описания действия конструктивных элементов данной тех­нической системы применяются и другие естественнонаучные теории, основанные на иных физических процессах (квантовая теория излучения, электромагнитная теория Лоренца и т.д.).

Таким образом, функционирование технической теории за­ключается в решении определенного типа инженерных задач с помощью развитых в теории методик, типовых расчетов, удоб­ных для применения в различных более специальных научно-технических и инженерно-проектных исследованиях и разработ­ках. Создание же новых таких методик, выработка правил и до­казательство теорем об адекватности эквивалентных преобразо­ваний и допустимых аппроксимаций, конструирование новых типовых теоретических схем и моделей относится к развитию технической теории. Но вначале остановимся на особенностях формирования технических теорий.