資源簡介

(共25張PPT)
第三章系統(tǒng)及其設(shè)計
教材p61-p70
日常生活中,人們常提及“某系統(tǒng)”，如水利工程系統(tǒng)、塑料棚室生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、智能化大樓管理系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、人體生理系統(tǒng).太陽系星體系統(tǒng)等。可仔細想想,好多系統(tǒng)似乎一時看不清、摸不透，有種神秘的感覺。那么，究竟什么是系統(tǒng) 系統(tǒng)有什么特性 怎樣設(shè)計系統(tǒng)呢
學前沙龍
為學校運動會賽事系統(tǒng)做設(shè)計
我國的學校、團體、機關(guān)乃至農(nóng)村，大多數(shù)會定期舉辦體育運動會。運動會已成為一種特色文化，受到人民群眾的普遍歡迎。
運動會項目豐富，比賽精彩紛呈，健兒們雄姿勃發(fā)，啦啦隊與觀眾群情激昂。“發(fā)展體育運動，增強人民體質(zhì)”深入人心。
運動會賽事系統(tǒng)，只是整個運動會的子系統(tǒng)。賽事的進程，猶如各軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)，需要合理安排。學校決定，下一屆的運動會賽事系統(tǒng)由我們班來設(shè)計。如何做好這個設(shè)計呢
要做好學校運動會賽事系統(tǒng)設(shè)計，首先要學會系統(tǒng)基本特性分析、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計方法等基礎(chǔ)知識和基本技能。我們將努力做好學校運動會賽事系統(tǒng)設(shè)計,包括方案設(shè)計、論證分析、評價與優(yōu)化，為學校開好下一屆的運動會貢獻我們的聰明才智。
第一節(jié)揭開系統(tǒng)的面紗
問題思考
學校運動會的組織實施一般由檢錄組、裁判組、田賽組、徑賽組、宣傳組、保衛(wèi)組等共同完成。能夠把這些組看成是運動會的子系統(tǒng)嗎 你校運動會系統(tǒng)由哪些子系統(tǒng)組成
一、系統(tǒng)實例
實例1都江堰水利工程系統(tǒng)
都江堰水利工程系統(tǒng)是在岷江的都江堰市段北部建造的引水工程,用于灌溉成都平原。該工程系統(tǒng)由魚嘴、飛沙堰和寶瓶口三大工程子系統(tǒng)組成，如圖3-1所示。
魚嘴，是江中建造的分水堤（金剛堤)最前端（迎著上游江水)的部分,因形如魚嘴而得名,如圖3-2所示。它將眠江一分為二，形成兩江:東側(cè)河道為內(nèi)江,主灌溉﹔西側(cè)河道為外江，主排洪驅(qū)沙。魚嘴,按四六比例自動分水流，按二八比例自動分沙流。每年的枯水期時，組織人工對內(nèi)江淘挖，使之比外江河床低,使得枯水期江水不流入外江而流人內(nèi)江，保證枯水期灌溉之需。豐水季節(jié)，江水的表層（清水）會搶進內(nèi)江,江水的底層（帶有泥沙的濁水）就流入外江，在很大程度上解決了泥沙淤塞內(nèi)江的問題。
飛沙堰，位于金剛堤尾后,看似一段凹槽灘地，如圖3-3所示。所謂堰，和堤的共同點是都會攔水,區(qū)別在于堤必不讓水漫過，面堰既可攔水又能讓大水流漫過。飛沙堰具有泄洪排沙功能，即遇洪水情況時,多余的水自行由此溢出;同時，巧妙利用離心力作用將江水挾帶來的泥、沙、石塊拋入外江,謂之“飛沙”,確保內(nèi)江暢通。可見,飛沙堰是確保成都平原不受水災(zāi)的關(guān)鍵所在。
寶瓶口，形似瓶口而功能奇特,故名“寶瓶口”，古時又稱為“金灌口”，是內(nèi)江水進入灌區(qū)的咽喉,如圖3-4所示。寶瓶口有三大作用:一是引水人下游灌區(qū),作灌溉、航運、城市生活用。二是限制過量洪水流人灌區(qū)，洪水季節(jié)，寶瓶口猶如瓶口一樣，嚴格控制著江水進人成都平原的流量，當寶瓶口的進水量飽和后，無論岷江發(fā)生多大的洪水，寶瓶口也將其拒之“口”外。洪水不能一涌而入，在寶瓶口前產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，使過量洪水漩回飛沙堰和人字堤堰口（即人字堰）而泄入外江，對飛沙堰和人字堤堰口的泄洪發(fā)揮作用。三是排沙，內(nèi)江水流量超過1000 m3/s時，離堆前的壅水現(xiàn)象使內(nèi)江以下的底流流速顯著降低，大量沙石不能繼續(xù)前行，大部分由飛沙堰排出，一部分沉積在河道內(nèi)，待“淘挖”時清除。
總之，魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三者有機結(jié)合，協(xié)調(diào)運行，科學地解決了江水自動分流、自動排沙、控制灌區(qū)的進水量等問題，達到消除水患、控灌天府的目的。
開眼界
都江堰水利工程
都江堰為戰(zhàn)國末期蜀郡郡守李冰率眾創(chuàng)建的大型水利工程，至今仍舊運轉(zhuǎn)不輟。經(jīng)歷代的治理和完善，都江堰已由最初以防洪、航運和灌溉為主要功能的古代水利工程，演變?yōu)楝F(xiàn)在具有更完備的分流、排沙、泄洪、灌溉和工業(yè)用水等功能的綜合性水利工程，使原來旱澇無常的成都平原變咸天府之國。都江堰水利工程被譽為“世界水利文化的鼻祖”“活的水利博物館”。
作為現(xiàn)今世界上年代最久、唯一留存并造福人類的大型古代水利工程，都江堰水利工程在世界科學技術(shù)史上獨樹一幟，顯示了中華民族的偉大智慧和創(chuàng)造力。德國地理學家李希霍芬(Richthofen）曾稱贊“都江堰灌溉方法之完善，世界各地無與倫比”。2000年，都江堰與鄰近的青城山一起被聯(lián)合國教科文組織列入《世界遺產(chǎn)名錄》，被世界遺產(chǎn)委員會評價為:都江堰是全世界至今為止，年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程，至今仍發(fā)揮重要作用。李冰治水，利在千秋。都江堰不愧為聞名世界的偉大杰作，造福人民的偉大水利工程。
實例2塑料大棚溫室生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)
1.棚室作物生長環(huán)境
你見過大棚溫室嗎 你了解它所蘊含的技術(shù)嗎 大棚溫室采用了多種技術(shù)，人工營造出適于作物生長的小環(huán)境，避免了極端天氣對棚內(nèi)作物的危害。將光照、溫度、土壤、氣體等條件的綜合,稱為棚室作物生長生態(tài)環(huán)境。大棚溫室內(nèi),作物生機勃勃,一片盎然,如圖3-5所示。
2.棚室生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的組成
棚室生態(tài)環(huán)境,需要由一些調(diào)節(jié)設(shè)備來營造。這些設(shè)備各具特定功能，它們相互配合，共同營造出作物正常生長的生態(tài)環(huán)境。
作物生長的生態(tài)環(huán)境，又稱為環(huán)境系統(tǒng)。有時，將上述那些設(shè)備的組合也稱為系統(tǒng)。實際上，它們是環(huán)境系統(tǒng)下面的小系統(tǒng)，稱為環(huán)境系統(tǒng)的子系統(tǒng)。可見，系統(tǒng)有大有小，一個大系統(tǒng)可以包含若干個小系統(tǒng)。棚室生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的組成如圖3-6所示。
由圖3-6可見，棚室生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)由加溫采暖系統(tǒng)等6個部分組成。其中，加溫采暖系統(tǒng)等6個部分，相對于整個環(huán)境系統(tǒng)而言，都是小的系統(tǒng)，即環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)包含了6個子系統(tǒng)。加溫采暖系統(tǒng)等6個子系統(tǒng)相互區(qū)別,或加溫，或通風，或灌溉……又相互依存，相互配合，既能保持合適的溫度，又能恰當通風、灌溉……共同構(gòu)成滿足需求的棚室生態(tài)環(huán)境。在棚室所處的外部條件變化時，環(huán)境系統(tǒng)（人工)營造出合適的內(nèi)部環(huán)境，以滿足作物生長的需要（目的)。總之，棚室環(huán)境系統(tǒng)是由相互依存的若干部分(6個子系統(tǒng)）組成的，是具有特定功能的有機整體。
實例3智能化大樓管理系統(tǒng)
智能化大樓是現(xiàn)代建筑與高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是將結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理4個基本要素進行優(yōu)化組合的建筑,也稱為智能建筑，為人們提供幽雅舒適、便利快捷、高度安全的工作、學習與生活環(huán)境。
北京的學院國際大廈,是5A智能大樓,也是一座人性化的新時代大樓(圖3-7)。
1.智能化大樓管理系統(tǒng)的組成
智能化大樓管理系統(tǒng)可由5A組成，如圖3-8所示，也有由3A組成的，如圖3-9所示。
BAS.OAS.CAS又分別由它們所屬的下層系統(tǒng)組成。以BAS為例,它由中央管理站、各種控制器、各類傳感器、執(zhí)行機構(gòu)組成。BAS的主要組成如圖3-10所示。
圖3-10中，6~10的下層沒有再畫出。
由圖3-8至圖3-10可見，智能化大樓管理系統(tǒng)是由相互依存的若干子系統(tǒng)(5A或3A)組成，每個子系統(tǒng)又分別由它們所屬的下層系統(tǒng)或裝置組成;各層系統(tǒng)的最后一層，分別由各計算機、各種控制器、各類傳感器、各執(zhí)行機構(gòu)組成;各子系統(tǒng)間結(jié)合成有機整體，實現(xiàn)安全、舒適和便捷的服務(wù)功能。
由上可知:智能化大樓管理系統(tǒng)具有層次關(guān)系，即系統(tǒng)可以分解為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可以層層往下分解，得到下一級子系統(tǒng)……最后的層次稱為元素。顯然，元素是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的最小單元。
2.智能化住宅小區(qū)系統(tǒng)的組成
在智能化寫字樓實現(xiàn)之后，逐步擴展到智能化住宅上。智能化住宅小區(qū)是現(xiàn)代住宅建設(shè)的發(fā)展趨勢。智能化住宅小區(qū)“3A”系統(tǒng)的組成如圖3-11所示。
圖3-11所示的系統(tǒng)，同樣可層層分解，直到元素。以SAS下屬各系統(tǒng)為例，紅外線防盜探測器、煙傳感器與溫度傳感器、煤氣泄漏報警器、監(jiān)控攝像機、簽到器、保安對講機等，均為系統(tǒng)的元素〔圖中未畫出)
閱讀材料
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國自行研制的自主發(fā)展、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其建設(shè)目標是:獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠、覆益全球。
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成如圖3-12所示。
BDS是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)( GLONASS)之后，第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。BDS建成后可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航、授時服務(wù)。其定位精度為10m,測速精度為0.2 m/s,授時精度為10ns (納秒)。
BDS是由多個子系統(tǒng)組成的有機整體，各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，相互依存。該系統(tǒng)具有明確的目的和目標，具有強大的功能和先進的技術(shù)性能，具有良好的太空適存性。
BDS是中國科技人的驕傲，是中華民族的驕做!
開眼界
人體生理系統(tǒng)
人體生理系統(tǒng)，簡稱人體系統(tǒng)，它不同于上述的幾個系統(tǒng)實例，屬于高級的自然系統(tǒng)。
1.人體系統(tǒng)的組成
人體是高級、精密系統(tǒng)。在當今技術(shù)世界中，人體系統(tǒng)具有重要啟示作用。
人體系統(tǒng)由運動系統(tǒng)等多個系統(tǒng)和感覺器官共同組成;而每個系統(tǒng)又分別由若干部分組成，如人體的運動系統(tǒng)由骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部分組成。
組成人體的每個系統(tǒng)，各具相應(yīng)的功能，它們之間相互作用、相互依賴。
2.人體系統(tǒng)構(gòu)成的層次關(guān)系人體系統(tǒng)的構(gòu)成具有層次關(guān)系，即人體可以分解為若干個子系統(tǒng)，而每個子系統(tǒng)又可以層層分解。
(1)系統(tǒng)與子系統(tǒng)。
一個較大的系統(tǒng)(如人體系統(tǒng)),可以由若干個子系統(tǒng)(如運動系統(tǒng)等)構(gòu)成。同理，子系統(tǒng)還可以由若干個其他子系統(tǒng)或元素構(gòu)成。
(2)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)。
子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間，是相互區(qū)別、相互作用和相互依賴的。
人體運動系統(tǒng)的高級活動，像語言、書寫等，都是在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，由肌肉收縮實現(xiàn)的。運動系統(tǒng)的簡單運動，也是在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，一些肌肉收縮，另一些肌肉則予以協(xié)調(diào)配合，甚至有些處于對抗地位的肌肉，此時則適度放松緊張度，使得動作平穩(wěn)、準確，起到相輔相成的作用。
可見，人體是一個多么高級的系統(tǒng)。再先進的機器人，它的運動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)之間的相互配合程度，也遠不及真人!
(3)子系統(tǒng)與元素。
子系統(tǒng)也可層層分解。在人體系統(tǒng)中，如果將骨、肌肉、心臟、肺、胃、腸等看成是分解的最后層次和最小單元，那么它們就是完成人體系統(tǒng)功能的諸元素。
3.人體是復雜而優(yōu)化組合的系統(tǒng)
從上面的分析可知:人體是高級系統(tǒng)，高于任何其他系統(tǒng)，是復雜而優(yōu)化組合的系統(tǒng)。許許多多的仿生系統(tǒng)，都是從人體系統(tǒng)中激發(fā)出的靈感、獲取的啟示，這是當今技術(shù)迅速發(fā)展的一個重要特點。你能列舉出一些仿生系統(tǒng)的實例嗎
人體系統(tǒng)的某些奧秘，至今還鮮為人知，正等著大家去探究、去揭示!
二、系統(tǒng)的含義與分類
(一）系統(tǒng)的含義
前文述及的三個實例都是實際系統(tǒng)，人體也是系統(tǒng)。從浩瀚的銀河系到原子，它們都是系統(tǒng)。
系統(tǒng)是由相互依存的若干個部分組成的、具有特定功能的有機整體。或者說，系統(tǒng)是由相互依存、相互作用的若干個元素構(gòu)成的,并完成特定功能的統(tǒng)一體。
（二）系統(tǒng)的分類
系統(tǒng)不僅有大有小，而且其結(jié)構(gòu)、功能、行為和環(huán)境也不盡相同，系統(tǒng)可按不同的標準和需要分類:
1.自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)
由自然力而非人力所形成的系統(tǒng),稱為自然系統(tǒng)，如人體系統(tǒng)等。
由人工建造、加工而構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為人造系統(tǒng)，也稱為人工系統(tǒng)，如人造地球衛(wèi)星、橋梁（不包括天生橋)、房舍等。它們的基本元素（如零件）和整體多是人類文明與科技進步的產(chǎn)物。
由自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)復合而成的系統(tǒng)，稱為復合系統(tǒng)，如城市系統(tǒng)、村落系統(tǒng)等。
2.實體系統(tǒng)和抽象系統(tǒng)
由看得見、摸得著的具體實體為元素所構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為實體系統(tǒng)，也稱為硬系統(tǒng)。如機器中的傳動系統(tǒng)、棚室中的采暖加溫系統(tǒng)等。
由一些概念、原理、方法、制度、程序等元素所構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為抽象系統(tǒng)，也稱為概念系統(tǒng)、軟系統(tǒng)，如班主任老師為我們?nèi)姘l(fā)展成才制定的培養(yǎng)規(guī)劃系統(tǒng)、智力競賽軟件系統(tǒng)等。
3.靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)
按系統(tǒng)的狀態(tài)與時間的關(guān)系，可以分為靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，不隨時間的推移延續(xù)而變化,稱為靜態(tài)系統(tǒng)，如棚室環(huán)境系統(tǒng)等。
根據(jù)物質(zhì)運動的普遍規(guī)律，決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)具有產(chǎn)生、變化與發(fā)展、消亡過程的,稱為動態(tài)系統(tǒng),如城市系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。
絕大多數(shù)系統(tǒng)屬動態(tài)系統(tǒng)。靜態(tài)系統(tǒng)是有條件的、暫時（階段性)的和相對的。
4.開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)
客觀上，系統(tǒng)總要存在于環(huán)境之中，互相進行物質(zhì)、能量和信息的交換。
與環(huán)境相互發(fā)生聯(lián)系、交換的系統(tǒng)，稱為開放系統(tǒng)。絕大多數(shù)的系統(tǒng)，都屬于開放系統(tǒng)，如人體系統(tǒng)，它需要從外界攝取食物、氧氣和水，又要向外界排出廢物。
不與環(huán)境發(fā)生聯(lián)系的系統(tǒng)，稱為封閉系統(tǒng)。例如，停建或緩建的工程，可以看作是暫時的封閉系統(tǒng)﹔密閉容器中的化學反應(yīng)，在一定初始條件下，各反應(yīng)物在容器中經(jīng)反應(yīng)達到一個平衡態(tài),這也是一個到閉系統(tǒng)。
系統(tǒng)與環(huán)境之間不斷地、廣泛地交換，不斷地輸入、輸出，系統(tǒng)才會更具有生命力。絕對的封閉系統(tǒng)是少見的。
開眼界
系統(tǒng)的其他分類方法
1.簡單系統(tǒng)與復雜系統(tǒng)
簡單系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的子系統(tǒng)或元素的數(shù)量很少，因而它們之間的關(guān)系也比較簡單，或者盡管子系統(tǒng)數(shù)量多或巨大，但它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系比較簡單。按照子系統(tǒng)的數(shù)量級，簡單系統(tǒng)還可分為小系統(tǒng)（子系統(tǒng)數(shù)量為幾個、十幾個),大系統(tǒng)(子系統(tǒng)數(shù)量為幾十個、上百個）和簡單巨系統(tǒng)（子系統(tǒng)數(shù)量成千上萬、上百億、萬億等)。
復雜系統(tǒng)的最主要的特征是具有眾多的狀態(tài)變量，反饋結(jié)構(gòu)復雜，輸入與輸出呈現(xiàn)非線性特征，或者說是高階次、多回路、非線性的。如果復雜系統(tǒng)中的子系統(tǒng)數(shù)量極大，種類很多，它們之間的相互關(guān)系叉很復雜，則稱為復雜巨系統(tǒng)。盡管這類系統(tǒng)具有客觀的確定規(guī)律，但子系統(tǒng)的差別造成了規(guī)律的多樣化。如人體系統(tǒng)、地理系統(tǒng)、城市系統(tǒng)等都是復雜巨系統(tǒng)。目前對復雜巨系統(tǒng)的研究還處于探索階段,方法還不成熟。
2．黑色系統(tǒng)、白色系統(tǒng)與灰色系統(tǒng)
信息完全明確的系統(tǒng)稱為白色系統(tǒng)，信息完全不明確的系統(tǒng)稱為黑色系統(tǒng)，信息部分明確、部分未知的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。如果把學校看作一個系統(tǒng)，顯然學校內(nèi)的教工、學生、固定資產(chǎn)等信息完全明確，即為白色系統(tǒng)。相反，遙遠的星球，也可看作一個系統(tǒng)，雖然知道其存在，但體積多大、質(zhì)量多少、距地球多遠等信息完全不知道,就像是一個“黑洞”,這類系統(tǒng)即為黑色系統(tǒng)。一個城市系統(tǒng)，如對其經(jīng)濟發(fā)展、交通規(guī)劃及與環(huán)境保護之間的相互關(guān)系等尚未完全搞清，則為灰色系統(tǒng)。

展開更多......

收起↑