Диаграммы состояний

Диаграммы состояний (state diagrams)

Диаграммы состояний являются хорошо известным средством описа­ния поведения систем. Они определяют все возможные состояния, в кото­рых может находиться конкретный объект, а также процесс смены состояний объекта в результате влияния некоторых событий.

На рис. 13.1 показана диаграмма состояний UML, отражающая поведение отчета в системе управления проектами. На диаграмме изображены различные состояния, в которых может находиться отчет.

Рис 13.1 Диаграмма состояний UML, отражающая поведение отчета в системе управления проектами

Процесс начинается с начальной точки, затем следует самый первый переход в состояние «Проверка даты отчета». В поведении объекта в системе можно выделить действия, отображаемые переходами, и деятельности, отображаемые состояниями. Хотя и то и другое — это процессы, реализуемые, как правило, некоторым методом класса «Отчет», они трактуются различным образом. Действия связаны с переходами и рассматриваются, как мгновенные и непрерываемые. Деятельности связаны с состояниями и могут длиться достаточно долго. Деятельность может быть прервана в результате наступления некоторого события.

Переход может содержать метку. Синтаксически метка перехода состоит из трех частей, каждая из которых является необязательной: <Событие> /<Действие>. Если метка перехода не содержит никакого события, это означает, что переход происходит, как только завершается какая-либо деятельность, связанная с данным состоянием. Из состояния «Проверка даты отчета» возможны два перехода. Метка одного из них включает условие. Условие — это логическое условие, которое может принимать два значения: «истина» или «ложь». Условный переход выполняется только в том случае, если условие принимает значение «истина», в противном случае выполняется переход, не помеченный условием.

Из конкретного состояния в данный момент времени может быть осуществлен только один переход; таким образом, условия являются взаимно исключающими для любого события. Существует два особых состояния: вход и выход. Любое действие, связанное с событием входа, выполняется, когда объект входит в данное со­стояние. Событие выхода выполняется в том случае, когда объект выходит из данного состояния. Диаграммы состояний хорошо использовать для описания поведения некоторого объекта в нескольких различных вариантах использования. Они не слишком пригодны для описания поведения ряда взаимодействующих объектов.

Рекомендуется строить диаграммы состояний только для тех классов, поведение которых влияет на общее поведение системы, например для классов пользовательского интерфейса и управляющих объектов.

1.3 Процесс кристаллизации сплавов

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однородный раствор (исключение: Fe- Pb, Cu- Pb).

Кристаллизация в сплаве начинается только при переохлаждении, с образованием зародышей и их последующего роста.

Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерофазные (по плотности) флуктуации, но и флуктуации концентрации (рис.1).

Рисунок 1.

Флуктуациями концентрации называют временно возникающие отклонения химического состава сплава в отдельных малых объёмах жидкого раствора от среднего его состава. Такие флуктуации возникают вследствие диффузионного перемещения атомов вещества.

Как научиться

Здесь мы попытались предоставить как можно более простой способ изучения диаграммы состояний языка UML.

Как и многие другие языки он использует для описания набор знаков. Смысл этих знаков вы найдете в таблице в разделе «Замечания (описание)». Каждый знак имеет свое наименование (термин) и написание. Также каждый термин снабжен кратким пояснением, чтобы быстро уяснить его основную суть.

Далее мы бы рекомендовали перейти в раздел «Примеры» диаграмм состояний, чтобы попробовать свои силы в чтении разных диаграмм. Затем стоит изучить раздел «Применение», так как, хотя и количество типов диаграмм в UML невелико, максимум преимуществ от их использования вы сможете получить только если будете применять соответствующие диаграммы по назначению.

Как применять технику креативности

Диаграммы состояний UML хороши для описания поведения одного объекта в нескольких прецедентах. Но они не очень подходят для описания поведения, характеризующегося взаимодействием множества объектов. Поэтому имеет смысл совместно с диаграммами состояний применять другие технологии. Например, диаграммы взаимодействия (глава 4) прекрасно описывают поведение нескольких объектов в одном прецеденте, а диаграммы деятельности UML хороши для показа основной последовательности действий нескольких объектов в нескольких прецедентах.

Не все считают диаграммы состояний естественными. Понаблюдайте, как специалисты работают с ними. Вполне возможно, что члены вашей команды не думают, что диаграммы состояний подходят для их стиля работы. Это не самая большая трудность; вы должны не забывать совместно использовать различные приемы работы.

Если вы применяете диаграммы состояний, то не старайтесь нарисовать их для каждого класса системы. Такой подход часто применяется в целях формально строгой полноты, но почти всегда это напрасная трата сил. Применяйте диаграммы состояний только для тех классов, которые проявляют интересное поведение, когда построение диаграммы состояний помогает понять, как все происходит.

Многие специалисты считают, что редактор UI и управляющие объекты имеют функциональные средства, полезные при отображении с помощью диаграммы состояний.

2.1 Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы

Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях в зависимости от концентрации и температуры дана на рис.1.

Рисунок 1. Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствора Ж (L) и твердого раствора (a). Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация не наблюдается при постоянной температуре и горизонтальной линии на диаграмме нет.

При температуре выше линии t_Ааt_В, называемой линией ликвидус, существует только жидкая фаза Ж. В этой области свободная энергия жидкой фазы Fж ниже свободной энергии твердого раствора F_a, состоящего из компонентов А и В.

В области ниже линии t_Абt_В, называемой линией солидус, устойчив a — твердый раствор, так как F_a< F_ж.

Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся жидкая фаза и a-твердый раствор.

Диаграмма состояния строится методом термического анализа.

Кристаллизация чистого компонента А: равномерное понижение температуры до значения t_А (температура плавления компонента А), при которой компонент А затвердевает (до t_А — С = 1 + 1 — 1 = 1). На кривой отмечается остановка (горизонтальная линия), так как согласно правилу фаз только при этой температуре одновременно могут существовать две фазы — твердая и жидкая (С=1+1-2=0). После затвердевания (Ф = 1), температура снова равномерно понижается С = 1 + 1 — 1 = 1. Аналогично для компонента В (рисунок 1).

При охлаждении сплава I температура понижается до t₁ (C=2+1-1=2), при которой начинается кристаллизация, на кривой охлаждения наблюдается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Начиная от температуры t₁, из Ж-фазы кристаллизуется твердый раствор. Процесс кристаллизации идет при понижающейся температуре (С=2+1-2=1), существует две фазы: Ж и a.

При достижении t₂ сплав затвердевает и при более низких температурах существует только a — твердый раствор.

Если найденные точки перенести на диаграмму, и одноименные точки соединить плавными линиями, то получится диаграмма состояния системы сплавов А и В, образующих непрерывный ряд твердых растворов (рисунок 1).

В интервале температур между линиями ликвидус и солидус две фазы — жидкий сплав и a- твердый раствор.

1.4 Построение диаграмм состояния

Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплавов в зависимости от температуры (P= const) и концентрации.

Если в системе имеется два компонента, то диаграмма будет иметь два измерения: первое — температурная шкала, второе — концентрация сплава (рисунок 2).

Рисунок 2.

Каждая точка на оси абсцисс соответствует определённому содержанию каждого компонента. Общее содержание компонентов в сплаве — 100%.

Крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними — двойным сплавам.

Через точку С проходит сплав содержащий 35% компонента В и, соответственно, 65% компонента А.

Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой.

Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.

Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, то есть, растворимы ли они в жидком и твердом состоянии, образуют ли химические соединения и так далее.

Обычно диаграммы состояния строят, экспериментально используя термический анализ, то есть строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращений. Эти температуры называют критическими точками.

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

Имея достаточное количество сплавов, и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.

Рисунок 3. Построение кривых охлаждения

Диаграмма состояния показывает, какую структуру будет иметь медленно охлажденный сплав при любой температуре.

1.2 Правило фаз

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное состояние сплавов, то есть после того как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (Т С; Р, МПа) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

С = К — Ф + 2,

где С — число степеней свободы системы (или вариантность);

К — число компонентов, образующих систему;

2 — число внешних факторов (Т и Р);

Ф — число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

При нормальных условиях изменяется только один фактор -ТС, Р =const, тогда:

С=К — Ф + 1.

Число степеней свободы не может быть меньше нуля, тогда К-Ф+1>0, а Ф<К+1, то есть число фаз в сплаве, не может быть больше чем число компонентов плюс единица. Таким образом, в двойной системе может быть не более трёх фаз.

При С = 0 — существует в равновесии сразу три фазы — имеется нонвариантное равновесие (безвариантное). При таком равновесии сплав может существовать только при условии — постоянная температура и определённый состав всех фаз, находящихся в равновесии. То есть кристаллизация (или превращение) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Если С =1 или 2, то кристаллизация или превращение протекает с течением времени в интервале температур.

Подборки

Армейские ПесниКлассика пианиноМузыка из рекламыДетские песни из мультфильмовМузыка для аэробикиСборник песен 70х годовДля любимого человекаКлассика в современной обработкеКлубные миксы русских исполнителей3D ЗвукДальнобойщикиЗарубежный рэп для машиныТоповые Клубные ТрекиМощные БасыДискотека 2000Песни про папуХристианские ПесниЗимняя МузыкаМузыка Для МедитацииРусские Хиты 90ХГрустная МузыкаRomantic SaxophoneТанцевальный хип-хопНовогодние песниЗарубежные хиты 80 — 90Песни про покемонаРомантическая МузыкаМотивация для тренировокМузыка для сексаМузыка в машинуДля силовых тренировокПремия «Grammy 2017»

Линия — солидус

Ниже линии солидуса ECF ( 1130 С) чугуну находятся в двухфазном метастабильном равновесии: структура их — аустенит и цементит.
 

На линии солидуса ECF происходит одновременная кристаллизация а — и Р — фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз. Механическая смесь двух ( или более) ЕНДОВ кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называется эвтектикой.
 

Определение линии солидуса производилось с той же навеской, которую использовали для определения линии ликвидуса, или точно так же приготовлялась новая.
 

Трансляция линий солидуса систем в область тройного состава, как уже описано при рассмотрении системы простого эвтектического типа, однозначно определяется линиями двойных выделений.
 

Между линиями равновесного и неравновесного солидуса имеется не только количественная разница в температурах, но и важное качественное различие. Линия равновесного солидуса обладает двумя функциями: во-первых, она является геометрическим местом точек температур конца кристаллизации сплавов и во-вторых, она одновременно является геометрическим местом точек состава твердой фазы, равновес-с жидкой фазой в интер-кристализации

Линия неравновесного солидуса является только геометрическим местом точек температур конца кристаллизации сплавов в конкретных условиях охлаждения. Следовательно, нельзя, как это иногда делают, определять по линии неравновесного солидуса системы средни состав твердого раствора, сосуществующего с жидкой фазой.
 

Предполагалось, что линии солидуса и ликвидуса являются прямыми в этой области концентрации примеси, так, что величина kt для данной системы постоянна и не зависит от концентрации. Если Ci — концентрация растворенного вещества в жидкой фазе, тогда kiCi — концентрация растворенного вещества в твердой фазе, которое находится в равновесии с жидкостью.
 

Предполагается, что линии солидуса и ликнидуса в этом случае будут прямыми линиями.
 

Линия AECF есть линия солидуса. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область диаграммы, ограниченная линиями АС, СЕ, ЕА, представляет сплавы, состоящие из твердых кристаллов аустенита и жидкого сплава; область диаграммы, ограниченная линиями DC. CF, FD, включает сплавы, состоящие из твердых кристаллов цементита и жидкого сплава.
 

При температурах ниже линии солидуса ( линии CD, LG) система находится в твердом состоянии. Степенью свободы в этих состояниях является только температура, так как все участники в твердом состоянии взаимно нерастворимы и понятие концентрации теряет смысл.
 

В случае 4 линии солидуса и ликвидуса являются гиперболами с асимптотами, пересекающимися в одной точке на оси соединения. Рассматриваемые диаграммы могут быть и не симметричными, поэтому максимумы, при которых состав жидкой и твердой фаз совпадают, в общем могут не совпадать с точками, отвечающими сте-хиометрическому составу. В работе Ходкинсона приведено аналогичное объяснение этого явления на основе молекулярной модели разупорядочения.
 

Замечания (описание)

Здесь представлен основной набор символов диаграммы состояний , необходимый для того, чтобы суметь прочитать диаграмму. После ознакомления с другими разделами («Пример», «Применение») вы сможете составлять диаграммы состояний самостоятельно!

Термин	Изображение	Описание
Начальное псевдосостояние (initial pseudostate)		Начальное состояние системы
Переход		Переход (transition) означает перемещение из одного состояния в другое.
Состояние		Обозначает выполняемые системой действия (могут включать возможные варианты), приводящие к наблюдаемым актёрами результатам.
Состояние активности (activity state)		Сложный шаг в прецеденте можно представить другим прецедентом. В терминах языка UML мы говорим, что первый прецедент включает (includes) второй.
Конечное состояние		Позволяет обозначить границы систем или подсистем.
Внутренние активности (internal activities)		Случай когда состояния могут реагировать на события без совершения перехода, и в этом случае событие, защита и активность размещаются внутри прямоугольника состояния.
Входная активность		Входная активность выполняется всякий раз, когда вы входите в состояние
Выходная активность		Выходная активность – выполняется всякий раз, когда вы покидаете состояние.
Суперсостояние		Часто бывает, что несколько состояний имеют общие переходы и внутренние активности. В таких случаях можно их превратить в подсостояния (substates), а общее поведение перенести в суперсостояние (superstate).
Параллельные состояния		Состояния могут быть разбиты на несколько параллельных состояний, запускаемых одновременно.

Упражнения

Упражнение 1. Создание диаграммы состояний для класса CourseOffering

Для создания диаграммы состояний:

1. Щелкните правой кнопкой мыши в браузере по нужному классу.
2. Выберите пункт New > Statechart Diagram в открывшемся меню.

Для того чтобы добавить состояние:

1. На панели инструментов нажмите кнопку State.
2. Щелкните мышью на диаграмме состояний по тому месту, куда хотите поместить состояние.

Все элементы состояния можно добавить с помощью вкладки Detail окна спецификации состояния. Для того чтобы добавить деятельность:

1. Откройте окно спецификации требуемого состояния.
2. Перейдите на вкладку Detail.
3. Щелкните правой кнопкой мыши по окну Actions.
4. Выберите пункт Insert в открывшемся меню.
5. Дважды щелкните по новому действию.
6. Введите действие в поле Actions.
7. В окне When укажите Do, чтобы сделать новое действие деятельностью.

Для того чтобы добавить входное действие, в окне When ука­жите On Entry. Для того чтобы добавить выходное действие, в окне When укажите On Exit. Послать событие можно с помощью следующих операций:

1. Откройте окнр спецификации требуемого состояния.
2. Перейдите на вкладку Detail.
3. Щелкните правой кнопкой мыши по окну Actions.
4. Выберите пункт Insert в открывшемся меню.
5. Дважды щелкните по новому действию.
6. В качестве типа действия укажите Send Event.
7. В соответствующие поля введите событие (event), аргументы (arguments) и целевой объект (Target).

Для того чтобы добавить переход:

1. Нажмите кнопку Transition панели инструментов.
2. Щелкните мышью по состоянию, откуда осуществляется переход.
3. Проведите линию перехода до того состояния, где он завершается.

Чтобы добавить рефлексивный переход:

1. Нажмите кнопку Transition to Self панели инструментов.
2. Щелкните мышью по тому состоянию, где осуществляется рефлексивный переход.

Для того чтобы добавить событие, его аргументы, огражда­ющее условие и действие:

1. Дважды щелкните по переходу, чтобы открыть окно его спецификации.
2. Перейдите на вкладку General.
3. Введите событие в поле Event.
4. Введите аргументы в поле Arguments.
5. Введите ограждающее условие в поле Condition.
6. Введите действие в поле Action.

Для отправки события:

1. Дважды щелкните по переходу, чтобы открыть окно его спецификации.
2. Перейдите на вкладку Detail.
3. Введите событие в поле Send Event.
4. Введите аргументы в поле Send Arguments.
5. Задайте цель в поле Send Target.

Для указания начального или конечного состояния:

1. На панели инструментов нажмите кнопку Start State или End State.
2. Щелкните мышью на диаграмме состояний по тому месту, куда хотите поместить состояние.

Уточнение ассоциаций: некоторые ассоциации (семантические, структурные, устойчивые связи по данным) могут быть преобразованы в зависимости (неструктурные, временные связи отражают видимость), а агрегации — в композиции (рис. 13.3).

Для преобразования агрегации в композицию:

1. Щелкните правой кнопкой мыши по тому концу агрегации, который упирается в класс-часть (см. рис.13.2 — Schedule).
2. Выберите пункт Containment в открывшемся меню.
3. Укажите метод включения By Value. Значение By Value предполагает, что целое и часть создаются и разрушаются одновременно, что соответствует ком­позиции. Агрегация (By Reference) предполагает, что целое и часть создаются и разрушаются в разное время.

Рис. 13.3 Пример преобразования ассоциаций и агрегаций

Уточнение обобщений: в случае ситуации с миграцией под­классов (студент может переходить с очной формы обучения на вечернюю) иерархия наследования реализуется так, как показа­но на рис. 13.4. Такое решение повышает устойчивость системы (не нужно модифицировать описание объекта).

Рис. 2.55. Преобразование обобщения

Диаграммы растворимости

При отсутствии в системе твердых фаз диаграмма состояния состоит из области существования одной жидкой фазы (так называемой области гомогенности) и области сосуществования двух насыщенных жидких растворов разного состава, образующих несмешивающиеся друг с другом слои (рис. 7). Кривая, разделяющая эти области, называется бинодалью. Так, при температуре Т₁ в равновесии находятся раствор компонента В в А (его состав отвечает точке С) и раствор А в В (его состав отвечает точке D). Если однородный раствор 1 охладить до температуры Т₁, он распадется на две жидкие фазы.

Рис. 7 Диаграмма растворимости двойной системы, компоненты которой А и В ограниченно растворимы друг в друге; 1 — область существования однородного раствора, 2 — область сосуществования двух насыщенных растворов; ECKDF — бинодаль, CD — нода, К — верхняя критическая точка растворимости.

Обычно при повышении температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается, поэтому по своим свойствам оба насыщенных раствора, составы которых изменяются по отрезкам бинодали ЕК и KF, сближаются. Наконец, при температуре T_к различие между ними исчезает; эта температура называется критической температурой растворимости (смешения), выше нее может существовать лишь одна жидкая фаза. Большинство систем с расслоением растворов характеризуются только одной критической температурой растворимости, чаще всего верхней, т.е. на диаграмме состояния имеют незамкнутую снизу бинодаль. Если в таких системах не образуются химические соединения, область сосуществования двух жидких фаз ограничена снизу кривой кристаллизации одного из компонентов при температуре превращения жидкая фаза 1 → жидкая фаза 2 + твердая фаза. Такое трехфазное равновесие называется монотектическим; оно по своей термодинамической природе аналогично эвтектическому или эвтектоидному. При синтектическом трехфазном равновесии две жидкие фазы взаимодействуют с образованием твердого соединения Такое равновесие аналогично перитектическому. В некоторых системах бинодаль имеет форму замкнутой кривой (овал), т.е. система имеет две температуры смешения — верхнюю и нижнюю.