資源簡介

(共38張PPT)
3.3系統設計優化與實現
第三單元系統及其設計
知識
梳理
系統含義
01
系統構成條件
02
系統的基本特性
03
系統由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素或部分組成的，具有特定功能的有機整體，系統根據一定的標準可劃分為若干個子系統
1.至少有兩個或者兩個以上的要素(部分) 才能組成系統；
2.要素(部分)之間相互聯系、相互作用， 按照一定方式形成一個整體；
3.這個整體具有的功能是各個要素(部分) 的功能中所沒有的。
知識
梳理
系統分析
04
為了發揮系統的功能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案的過程，就是系統分析。
系統分析一般過程
05
明確問題
設立目標
收集資料
制定方案
分析計算
評價比較
檢驗核實
作出決策
是指把要解決的問題作為一個系統，對系統各要素及其之間的相互關系進行綜合分析，找出解決問題的可行方案。用建模的形式對系統進行分析和研究的方法是系統分析的基本方法。
系統分析的方法
06
系統分析的基本原則
07
整體性原則、科學性原則、綜合性原則
知識
梳理
系統設計
08
系統設計是在系統分析的基礎上，設計出滿足預定目標的系統的過程
系統設計應該考慮的主要問題
09
1、系統設計的目的與要求
2、系統各部分之間的相互關系與相互作用
系統設計一般步驟
10
（1）將系統分解為若干子系統；
（2）確定各子系統的目標、功能及其相互關系；
（3）對子系統進行技術設計和評價；
（4）對系統進行總體設計和評價。
完成了系統分析與設計以后，下一步要做什么呢？
3.3 系統設計優化與實現
系統設計的實現是在系統分析與設計的基礎上，對所提出的多個方案進行比較、權衡和優化，最終形成滿足預定目標的最佳系統及物化的過程。
P91【案例分析】——農作物種植系統的優化（農業間作套種）
【任務一】優化系統設計的方案
根據農作物的生長特性、天氣、氣候等，利用農作物生長的季節差、時間差，把相同或不同類的農作物種植在一起，有“麥、棉、瓜”、“麥、棉、菜”“麥、瓜、棉、玉米”等多種套種模式供選擇，實現增產、增收，提高土地利用率。
某地區因地制宜地選擇了“麥、棉、瓜、紅薯”的套種模式，在正常天氣條件下，按照套種的技術要求操作，夏季可收小麥350～400千克/畝、紅薯2 500千克/畝、無籽西瓜5000千克/畝，秋季產籽棉225千克/畝，平均每畝收入超過3000元，比原先提高了近五成。
討論：在你所在的地區，可采取哪些措施提高農作物的產量？
果園套種蔬菜
玉米套種大豆
葡萄套種蔬菜
稻田養魚
在給定的條件（或約束條件）下，根據系統的優化目標，采取一定的手段和方法，使系統的目標值達到最大化（或最小化）。
優化的目標
最小成本獲得最大利潤
最少能耗生產更多產品
單位面積上收獲更多的作物
充分利用土地、陽光、水分資源
農業生產為什么要采取“農業間作套種”技術？
系統優化
進行系統優化應考慮的三個要素
目標與目標函數：
約束條件：
影響因素：
目標函數是目標與土地的單位面積農作物收益總和之間的關系。
對目標函數起限制作用，不能人為調節的因素，
如：農作物的生長特性、天氣、氣候等因素
對目標函數產生影響，可人為調節的因素。如：套種的技術水平、套種的田間管理、病蟲害防治等
目標是增產增收和提高土地利用率
（1）請連線下列四項解釋與對應的名詞
優化目標
影響因素
約束條件
A.實現增產、增收，提高土地利用率。
B.農作物的生長特性、天氣、氣候等。
目標函數
C.優化目標與土地單位面積收益之間的關系。
D.套種的技術水平、田間管理、病蟲害防治等。
（2）約束條件與影響因素有什么不同？
可以人為調節
不能人為調節
【案例分析】P92——利潤問題
優化目標：利潤最大值(Smax)
某家具廠要安排一周的生產計劃，產品是桌子和椅子。制作一張桌子需4 m'木板及20h的工時，制作一把椅子需6 m木板及18h的工時；每周能使用的木材板料是600 m，可利用的工時是400h；每張桌子的利潤是50元，每把椅子的利潤是60元。按合同每周至少要交付8張桌子和5把椅子，并假定所有產品都能夠銷售出去。那么，該廠每周生產桌子和椅子的數量分別為多少時，獲得的利潤最大？
【最優解與滿意解】 通常，我們通過優化的目標與決策變量之間的關系(數學模型)，計算出目標值,所得到的就是最優解。對有些問題，如果我們不能確切地描述目標函數，則可以通過定性的估計或推斷，得到較為滿意的解(也稱滿意解)。
【最優化方法】為使系統達到最優的目標而提出的求解方法稱為最優化方法，系統優化的方法是多樣的，有的運用數學模塑求解，有的通過科學的估算、試驗等方法實現。但無論運用怎樣的優化方法，都需要經過若干次完善和驗證，才能得出最優解或滿意解。
方案1 樓房屋面和校園地面相互獨立收集雨水，分別給樓房和綠地供水。兩處收集的雨水多余部分都獨立排入觀賞水池。系統模型如下：
馬上行動：對校園雨水收集系統的是三個方案進行優化
方案2 樓房屋面和校園地面收集的雨水集中匯集到中水處理子系統，然后由中水處理子系統分別按需供給樓房和綠地。中水處理子系統收集的雨水多余部分排入觀賞水池。當中水處理子系統儲水不足時，城市供水系統自動補充。系統模型如下：
方案3 樓房屋面和校園地面收集的雨水集中匯集到中水處理子系統，然后由中水處理子系統分別按需供給樓房和綠地。中水處理子系統收集的雨水多余部分排入觀賞水池。當中水處理子系統儲水不足時，城市供水系統自動補充。在樓房屋面收集的雨水進入中水處理子系統之前安裝水力發電子系統。系統模型如下：
方案 優點 缺點
方案1
方案2
方案3
結合系統的設計框圖模型，對校園雨水收集系統三種方案分析和比較，并提出系統優化的最終方案。
樓面和屋面雨水收集系統各自獨立運行，各自山風揮功能，簡單易行
樓面和屋面雨水收集系統共同收集雨水，匯合到中水處理系統統一處理，統一調配使用
利用收集到的雨水 在系統中附加了水力發電子系統.即利用水的勢能發電還能供水 實現效益最大化
要投入兩套雨水凈化與存儲子系統，重復建設。成本較高，且不能相互補水
所有的雨水匯合收集 需要附加設施把低處的水系到高處，匯到一起，用于樓房 綠地 水池供水
需要把低處的地面的水 系到高處儲水裝置 才能利用水的勢能發電
系統分析一般過程
明確問題
設立目標
收集資料
制定方案
分析計算
評價比較
檢驗核實
作出決策
綜合各方案優、缺點，以及成本、安全性等，確定第4種方案為最終方案。方案4中，將地下石油蘊涵的天然氣轉化為甲醇加到原油中，降低原油的熔點，增加流動性，從而用普通的管道就可以同時輸送原油和天然氣，僅管道鋪設費就可以節省近60億美金。如果僅僅在前面3個方案上優化，無論如何都得不到方案4的巨大效益。分析人員運用其專業知識，將石油中的原油和天然氣的運輸作為一個整體進行系統分析，獲得了成功，體現了系統分析的實際價值。
系統分析的基本原則
整體性原則、科學性原則、綜合性原則
教材P100
要服務于系統整體功能和優化目標來進行優化系統的設計方案，要對各方案中的優點進行比較權衡，要考慮目標函數、決策變量、約束條件的共同作用效果，達到系統優化的總目標。
【任務二】——實現校園雨水收集與利用系統的設計方案
系統設計的實現
設計方案的呈現
模型或原型的制作與測試
實物模型的設計
加工圖紙
加工材料和工藝的選擇
加工制作過程
模型的最終呈現
對模型的測試是對系統進行總體技術設計評價。評價有多種形式，對于實體系統設計而言，需要對模型或原型進行實際運行測試和評價。
最大功率P=800w+1500w+4500w+1300w+ 5 × 1500ww=15600w
系統分析發揮系統的功能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案的過程
P101
楊揮家用電負荷最大值約為15.6kw，通過最大電流15600w/220v=70.9A,電流過大各線路必須采用單獨的電路回路。室內配電系統采用多回路形式，本例設計有照明回路、插座回路、空調回路，對于廚房、浴室設立單獨回路。
系統設計是在系統分析的基礎上，設計出滿足預定目標的系統的過程,系統設計應該考慮的主要問題1、系統設計的目的與要求2、系統各部分之間的相互關系與相互作用
配電箱內應設動作電流30mA的漏電保護器
一般情況下，照明10A，插座16A，柜式空調20A，進戶40-60A。
1．智能系統：在住宅電氣線路設計中應預埋電話線、有線電視信號線、視頻線、網絡線，在客廳和三間睡房預埋電話線、有線電視信號線、視頻線、選擇其中一間睡房作為書房，預埋網絡線。
2．照明回路：在睡房、客廳、飯廳、廚房、浴室、涼臺室安裝一個主光源吊燈，在睡房和客廳的墻壁上安裝輔助光源壁燈。
3．功能電路：廚房放置冰箱、電飯堡、電熱水器，排氣扇電源插座，浴室安裝淋浴器、洗衣機的電源插座，睡房和客廳安裝空調的電源插座，書房安裝娛樂電視機、音響、電腦等的電源插座都是獨立的電源回路。
系統設計的實現，包括設計方案的呈現和模型或原型的制作與測試。
第1題：根據《住宅建筑規范》50368-2005第8.5.5強制性條文“住宅套內的電源插座與照明，應分路配電……”把照明與插座作為同一回路進行設計，首先違犯了技術規范原則。其次，《住宅建筑規范》規定插座回路必須安裝漏電保護斷路器。在安裝了漏電保護斷路器后，插座和照明使用同一回路，如果干線截面積能夠帶動所有的負荷，只是故障時的停電范圍較大，給檢修帶來一些不方便；如果干線截面積不能帶動所有的負荷，當負荷過大時，漏電保護斷路器工作，照明與插座回路同時斷電。
第2題：以房間為一個獨立同路進行沒計，回路少，布線簡單，經濟，出現故障時容易檢修。但是這種做法違反了技術規范原則，而且每個回路的負荷不同，需要使用不同規格的導線，每個回路的漏電保護斷路器的額定電流由該同路最大負荷決定，如果房間照明線路發生短路，漏電保護斷路器可能無法發揮作用，產生危險。
P103
系統分析→系統設計→系統實現
思考參考答案：
可以將洗手池與地面雨水凈化儲存裝置連接，洗手池的水匯人地面雨水凈化儲存裝置，加以利用。
P105
這種說法不正確。在一個系統中，即使每個要素都不是十分完善，但它們也可以協調、綜合成為具有良好功能的系統；反之，即使每個要素都是良好的，但作為整體卻不具備某種良好的功能，就不能稱之為最優的系統。
小結：系統的優化
方 法
數學模型求解
科學的估算、試驗
目標函數：
約束條件：
影響因素：
目標與收益總和之間的關系；
不能人為調節
可人為調節。
練習
1、舟山跨海大橋于2009年12月25日正式通車，大橋建成后，使舟山更緊密地融入長三角經濟圈。大橋設計要求最大能抗17級超強臺風，最大通航等級為5萬噸級，使用年限為100 年。在大橋施工時為了保證質量、縮短工期、降低成本，需要對工程進行優化。下列屬于影響系統優化的因素是( )
A.抗臺風等級 B.最大通航等級
C.工程項目的管理水平 D.使用年限
C
練習
小通準備對家里的電路系統進行升級改造并制定了優化目標。他請裝修公司完成該優化工程，雙方簽訂合同，工程款總額為10000元。請回答2、3題。
2、裝修公司根據用電器功率的大小分別計算出每路電線的粗細規格，該方法遵循了系統分析的(　　)
A．科學性原則 B．綜合性原則
C．整體性原則 D．安全性原則
3、在該系統優化過程中，總額10000元屬于(　　)
A．優化目標 B．約束條件
C．目標函數 D．影響優化的因素
B
A
練習
1、仿生機械蜜蜂的身上帶有傳感器、電機和攝像頭等部件，它能在傳感器、電機的幫助下控制機械蜜蜂飛行，完成攝影和攝像等工作。以下關于該系統表述不正確的是(　　)
A．機械蜜蜂用久之后，會出現老化變壞，這體現出系統的動態性
B．當傳感器失效，蜜蜂就會失控，不能完成預定的任務，體現出系統的整體性
C．傳感器獲得數據要通過控制部件讓電機狀態發生改變，體現出系統的相關性
D．遇到大雨等天氣的影響，飛行路線會出現偏差，體現出系統的目的性差
D
環境適應性
練習
2、一堆沙子、鋼筋、水泥等等材料散放在一起沒什么意義，但是將它們按照一定的結構形式造成一座橋梁，就具有了交通的功能，這說明系統最基本的特性是：（ ）
A、目的性 B、動態性 C、整體性 D、環境適應性
C
整體是由部分組成的
練習
3、趙同學家所在的街道在一年內進行了鋪設通訊線路、煤氣管道、下水管道修理三次施工，給市民帶來了生活的不便，這說明對于道路的改造不符合哪種系統分析的原則（ ）
A．人性化設計的原則 B．科學性原則
C．綜合性原則 D．整體性原則
D
沒有從全局出發，沒有放眼未來
練習
4、感應式IC卡出人管理控制系統(簡稱門禁系統)具有對用戶出人控制、實時監控、保安防盜報警等多種功能,主要方便內部員工出人，杜絕外來人員隨意進出。如圖所示是門禁控制系統的工作原理圖,由進門讀卡器、出門讀卡器、開門按鈕、煙霧檢測器輸人信號,門禁控制器通過繼電器控制各個電插鎖、聲光報警器進行工作。從系統角度分析，下列說法中不正確的是（ ）
A.門禁控制器出現故障,門禁控制系統便無法正常工作,體現了系統的整體性
B.讀卡器時間久了會出現無法正常讀卡現象,體現了系統的動態性
C.增加溫度檢測器和布置多個傳感器可以提高檢測的準確性
D.既要控制制造成本,又要保證檢測的準確性,體現了系統的綜合性
D
系統沒有綜合性，系統分析有綜合性原則
練習
5、第一代彈跳鞋的承重能力不足，設計師對其材料進行優化，設計出如圖所示的第二代袋鼠彈跳鞋，材料是該系統優化的(　　)
A．干擾因素 B．影響因素
C．約束條件 D．目標函數
B
可以調節
課后探究
探究一：結合教材P98-99馬上行動，提出校園雨水收集與利用的最優方案，并繪制系統方框圖。
探究二：完成教材P106練習第一題“可調孔徑的分選裝置的改進設計”
，并繪制設計草圖。

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