синтез информационно-энергетических связей в структурах

СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
В СТРУКТУРАХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
А.Б. Бушуев
Для получения новых функций технических систем предложен метод синтеза прямых и обратных связей,
увеличивающий информационно-энергетическую проводимость систем.
В изобретательской практике для анализа и синтеза структуры технических
систем используются функциональные схемы [1]: конструктивные и потоковые.
Конструктивная схема отражает элементный состав системы и основные функции,
выполняемые элементами. Потоковая схема представляет модель преобразования
информационных и энергетических потоков функциональными элементами системы.
Эти схемы составляются на основе признаков в формуле изобретения-прототипа и
описания его действия.
В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), в частности, в вепольном
анализе [2], информационно-энергетическая модель технической системы представляет
цепочку веполей или комплексный веполь. Веполь – это простейшая ячейка структуры,
состоящая из двух элементов (веществ) и поля, причем поле понимается в широком
смысле, как любое действие одного элемента на другой. Поэтому вепольная структура
технической системы представляет собой совокупность элементов, связанных
причинно-следственными связями.
Задача синтеза нового технического решения ставится следующим образом.
Задана структура исходной технической системы в виде одной из рассмотренных выше
схем. Система предназначена для выполнения определенной функции. Целью синтеза
является получение на базе исходной структуры новой системы, которая должна
выполнять новые функции. В этом заключается главное отличие от известного
подхода, в частности, в патентном праве, где изобретение и его прототип должны
выполнять одну и ту же функцию.
Постановки задачи частично вытекает из закона увеличения степени идеальности
технических систем [2]. По этому закону развитие систем идет в направлении
увеличения количества и качества функций, выполняемых системой, т.е. одновременно
с новой функцией система продолжает выполнять старую функцию. В поставленной
задаче старая функция может пропасть, зато появляется множество новых систем,
выполняющих новые функции.
Цель достигается
изменением структуры исходной технической системы.
Определим направления возможного изменения структуры, исходя из закона
энергетической проводимости [2] технических систем.
Закон энергетической проводимости определяет небходимое условие
принципиальной жизнеспособности технической системы: сквозной проход энергии по
всем частям системы. Так как каждая часть системы (элемент) может быть разной
физической природы, то поток энергии, проходя через систему, преобразуется по виду.
Поскольку одновременно с преобразованием энергии через систему передается
информация, а передача информации невозможна без передачи энергии, то содержание
закона необходимо уточнить, т.е. говорить об сквозной информационноэнергетической проводимости системы. Информационно-энергетическая проводимость
между двумя элементами системы означает их функциональную связь, т.е. при
изменении выхода первого элемента согласованно меняется вход второго элемента.
До синтеза исходная структура заведомо признается обладающей неполной
информационно-энергетической
проводимостью.
Повышение
проводимости
достигается проведением новых прямых и обратных связей, соединяющих
информационно-энергетические выходы и входы элементов и всей системы в целом.
278
Широко известное замыкание системы с выхода на вход по петле отрицательной
обратной связи не всегда дает новую функцию. Поэтому необходимо выявить новые
информационно-энергетические входы и выходы, не существующие в исходной
структуре.
Воспользуемся для этого признаками, используемыми в патентном праве для
характеристики объектов изобретений: устройств, способов, веществ [3]. Например,
для характеристики устройства, наряду с другими, используются признаки: форма
выполнения элемента, в частности геометрическая форма, параметры и другие
характеристики элемента, материал, из которого выполнен элемент. Для
характеристики способа используется признаки: порядок выполнения действий во
времени, режим выполнения действий и другие. Для характеристики вещества
применяются признаки, характеризующие физико-химический состав вещества.
Для каждого элемента исходной системы назначаем новые информационноэнергетические входы и выходы в виде признаков, котороми этот элемент может быть
описан в формуле изобретения. Далее, в простейшем случае попарно, перебором,
соединяем разные выходы и входы разных элементов. При каждом соединении
получаем множество новых систем, выполняющих новые функции, причем до синтеза
эти функции обычно неизвестны. Таким образом, по способу выбора связей этот метод
относится к морфологическому анализу [1], и для бинарных связей оформляется в виде
морфологической таблицы, а для многомерных связей - в виде морфологического
ящика.
Если структурная модель исходной системы задана в виде цепочки веполей, то
для образования новых информационно-энергетических входов и выходов
используются вещественно-полевые ресурсы.
После синтеза производится анализ полученных решений, чтобы определить,
какие новые функции появились у системы, и
возможности их технической
реализации.
Недостатки метода заключаются в необходимости анализа большого количества
новых решений и отсутствие направленности поиска.
Достоинствами метода
являются множество новых решений, их оригинальность, неочевидность, что связано с
применением устройств, способов, веществ по новому назначению.
Пример
В качестве исходной системы задан асинхронный двухфазный электрический
двигатель с короткозамкнутым ротором. В функциональной схеме системы управления
двигатель имеет два входа: информационный – обмотка управления и энергетический –
обмотка возбуждения; информационно-энергетический выход – вал ротора. Двигатель
преобразует электрическое напряжение на обмотке управления в механическую
скорость вращения вала ротора (информационный выход) или момент на валу
(энергетический выход). Замыкание двигателя отрицательной обратной связью от
информационного выхода на информационный вход известно, и дает лишь повышение
качества выполнения старой функции.
Поставим задачу – на структуре двигателя синтезировать новую систему,
выполняющую новую, пока неизвестную функцию.
Признаками двигателя являются статор, ротор, обмотки, их расположение и связь,
форма и материал статора и ротора, число витков, сечение проводов и т.п. Выберем в
качестве нового информационного входа форму ротора и свяжем этот вход с уже
существующим информационным выходом. Таким образом, в новой системе в
зависимости от скорости вращения ротора должна меняться его форма.
В простейшем случае ротор представляет собой алюминиевый стаканчик. При
вращении на ротор действует центробежная сила, и тем больше, чем больше скорость
279
вращения ротора. Чтобы форма ротора могла меняться от действия центробежной
силы, он должен быть из материала, обладающего большой подвижностью.
Следовательно, изменение формы влечет и изменение материала ротора. Следующим
материалом по степени внутренней подвижности после твердого вещества является
жидкость, поэтому ротор изготавливаем из жидкости. Чтобы при вращении жидкость
не разлеталась, наливаем ее в сосуд, который располагаем вертикально. Сосудом может
быть уже существующий стаканчик ротора. Таким образом, двигатель с вертикальной
осью приводит во вращение свой ротор, заполненный жидкостью.
При вращении свободная поверхность жидкости образует идеальную параболу с
изменяемой кривизной, т.е. прогиб верхнего торца ротора зависит от скорости
вращения. Для случая прозрачности жидкости и дна ротора система является линзой, в
противном случае - зеркалом. Чтобы при вращении менялась не только форма торца, но
и стенки ротора, в стенках вырезаем отверстия, закрытые эластичным материалом.
Тогда при изменении скорости вращения будет меняться также и уровень жидкости.
Получаем оптическую систему с быстро перестраиваемым фокусным расстоянием.
Техническое решение оказалось патентнопригодным и защищено как способ и
устройство [4].
Литература
1. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. М.: Машиностроение, 1988.
2. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1991.
3. Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на
изобретение. М.:ВИНИТИ,1994.
4. Бушуев А.Б. Способ управления оптической системой и управляемая оптическая
система. Патент России № 2012911, кл. G02B 26/06, 15.09.94.
280