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第三章 系統(tǒng)及其設(shè)計
第三節(jié) 系統(tǒng)的優(yōu)化
教學(xué)內(nèi)容
學(xué)習(xí)目標(biāo)
從技術(shù)應(yīng)用的角度理解系統(tǒng)的含義和基本構(gòu)成。
通過對簡單技術(shù)系統(tǒng)的分析，理解系統(tǒng)的主要特性。
通過系統(tǒng)案例分析，學(xué)習(xí)運(yùn)用系統(tǒng)的思想方法。
結(jié)合實例進(jìn)行系統(tǒng)分析，學(xué)會系統(tǒng)分析的基本方法。
理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義，通過技術(shù)探究，分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素。
初步學(xué)會簡單系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。
增強(qiáng)系統(tǒng)思考和工程思維的能力。
引入
取水問題分析：
系統(tǒng)分析：
第1個打水的時間，后面4個同學(xué)在等待
第2個打水的時間，后面3個同學(xué)在等待
……
總的等待時間要少，容器小的先打水
未優(yōu)化的系統(tǒng)：
同學(xué)按照隨機(jī)的順序打水
優(yōu)化的系統(tǒng)：
容器小的在容器大的前面打水
5位同學(xué)同時拿著大小不同的容器去取水，但取水處只能容一個人站立。
每人取水后就馬上回營地工作。
有什么辦法使5個人總的取水時間最少？要考慮什么因素？（等候時間少）
陶瓷窯爐的優(yōu)化
隧道窯是現(xiàn)代陶瓷工業(yè)廣泛使用的窯爐，窯體像一條隧道，里面鋪有軌道。
由于窯車等輸送設(shè)備影響了窯爐的氣密性，窯內(nèi)上下溫度不均勻，因此焙燒時間長。窯車及襯磚在升溫、冷卻的過程中，也浪費(fèi)了大量熱能。
輥道窯是用連續(xù)平行排列的輥子造成輥道，通過傳動系統(tǒng)使輥子轉(zhuǎn)動，坯件依次通過預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶出窯。
由于輥子上下可直接加熱，窯內(nèi)溫度均勻，大大縮短了制品燒成時間，在保證質(zhì)量的同時，提高了產(chǎn)量。減少了窯車等熱耗設(shè)備，有效提高了熱利用率，與隧道窯比較，單位產(chǎn)品能耗節(jié)省了一半以上。
一、系統(tǒng)優(yōu)化的意義
分析：
陶瓷窯爐通過什么關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)，實現(xiàn)了窯爐的優(yōu)化？
上述技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)有什么意義？
系統(tǒng)的優(yōu)化就是在給定條件下，通過一定的手段和方法，使系統(tǒng)獲得更佳功能或更佳效益的過程。
實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化，就可以在一定資源條件下，取得最佳的效果，而投入的人力、物力、財力達(dá)到最小。
一、系統(tǒng)優(yōu)化的意義
什么是系統(tǒng)優(yōu)化：
案例分析：
千煙洲立體生態(tài)農(nóng)業(yè)
系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)：
改善生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，幫助農(nóng)民脫貧致富。
系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件：
亞熱帶紅壤丘陵地區(qū)的地形、氣候、生物生長習(xí)性等。
影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素：
直接影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的因素。
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
思考：影響千煙洲生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化有哪些因素。
實踐活動：模型飛機(jī)的優(yōu)化
目的和要求
材料及工具準(zhǔn)備
知識準(zhǔn)備
設(shè)計及優(yōu)化過程
畫出飛機(jī)設(shè)計草圖，制作模型飛機(jī)。
分組比賽，測試飛行狀態(tài)和距離。
修改設(shè)計方案，重新制作模型。
系統(tǒng)優(yōu)化是一個不斷驗證、完善的過程。
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
實踐活動：模型飛機(jī)的優(yōu)化
力的名稱 應(yīng)該增加或減少的力 如何增加或減少這種力 主要依據(jù)的科學(xué)原理
重力
升力 伯努利原理
推力和反沖力 牛頓第三定律
阻力
飛機(jī)性能測試記錄
飛行次數(shù) 事故記錄 飛行距離 /m 優(yōu)化方法
構(gòu)件脫落 機(jī)頭著地 機(jī)身翻倒 其他 第一次
第二次
第三次
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
飛機(jī)飛行時所受的力
實踐活動：模型飛機(jī)的優(yōu)化
影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素：
可以通過哪些部件的優(yōu)化，增加模型飛機(jī)直線滑翔的距離？
模型飛機(jī)是否越輕越好？為什么要加上配重物（回形針）？
一般模型飛機(jī)機(jī)翼的外形設(shè)計都是呈窄長形的，為什么？
飛機(jī)出現(xiàn)構(gòu)件脫落、機(jī)頭著地、機(jī)身滾轉(zhuǎn)甚至翻到的情況，主要原因是什么？
系統(tǒng)的優(yōu)化不僅要注重系統(tǒng)中組成部分（要素）的優(yōu)化，還要注重組成部分（要素）之間、組成部分（要素）與整體之間的協(xié)調(diào)和連接的有序性。
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
案例分析：養(yǎng)殖區(qū)優(yōu)化
系統(tǒng)的優(yōu)化在未能建立優(yōu)化目標(biāo)與影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下，無法得出量化的目標(biāo)值，只能通過定性的分析或估計尋求較為滿意的結(jié)果。
而系統(tǒng)的最優(yōu)化通常是解決在一定約束條件下，尋求系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到最大值或最小值的問題，這往往需要通過建立數(shù)學(xué)模型去解決。
利用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化系統(tǒng)：
分析優(yōu)化的目標(biāo)和約束條件。
建立這個問題的數(shù)學(xué)模型。
求解過程。
確定系統(tǒng)優(yōu)化方案。
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
實踐活動：優(yōu)化產(chǎn)品配額
桌子和柜子各生產(chǎn)多少，才能獲取最大利潤？
產(chǎn)品 所需木料/m3 利潤/元
第一種 第二種 桌子 0.18 0.08 60
柜子 0.09 0.28 100
建立此問題的數(shù)學(xué)模型
決策變量：桌子 x 個，柜子 y 個
目標(biāo)函數(shù)：
60x+100y最大
約束條件：
0.18X+0.09y≤72
0.08x+0.28y≤56
二、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素
習(xí)題
將廢水深埋地下。
禁止造紙工廠生產(chǎn)，通過進(jìn)口滿足市場需求。
改進(jìn)生產(chǎn)工藝，通過污水處理系統(tǒng)處理廢水。
將工廠搬遷到無人區(qū)。
只要有先進(jìn)的機(jī)車，就能提速。
不僅需要有先進(jìn)的機(jī)車，還需要道路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的配套改進(jìn)。
只有使用“動車組”才能提速。
只有重新鋪設(shè)鐵路，才能提速。
2．列車提速是對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化。下列說法正確的是？（　　）
1．造紙工廠會產(chǎn)生大量廢水，為減少對環(huán)境的影響，該如何對造紙生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化？ （　　）
C
B
習(xí)題
紙上談兵
守株待兔
一字千金
田忌賽馬
優(yōu)化的目標(biāo)
約束條件
決策變量
目標(biāo)函數(shù)
4．你想做一個小臺燈，初步計劃的預(yù)算大約20元，這在系統(tǒng)優(yōu)化過程中屬于（　　）
3．下列的典故，哪個通過優(yōu)化改變了系統(tǒng)功能（　　）
D
B
總結(jié)
謝謝!

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