資源簡介

專題七 系統與設計
知識框架
系統與設計 系統的含義 系統的含義
系統的基本特性
系統的分析 系統分析的基本方法
系統分析的一般步驟
系統的設計 系統分析的主要原則
簡單系統方案設計
系統的優化 系統優化的意義
影響系統優化的因素
復習要點
1．理解要素、部分、結構、功能之間的區別與聯系，了解構成系統具備的三個條件。
2．了解系統由哪些要素構成，有沒有子系統，其內在的關系如何，系統的功能是什么：在系統功能中，哪些要素或子系統在起主要的作用。
3．通過簡單的系統案例分析，理解系統的基本特性。理解系統的整體性在系統基本特性巾的地位，區別系統的動態性與環境適應性的區別。
4．初步掌握系統分析的基本方法，了解系統分析的一般步驟，了解系統分析的主要原則。
5．通過簡單的系統設計分析，了解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、了解系統設計應考慮的主要問題。了解系統設計的一般步驟。
6．了解簡單系統的方案設計所包含的幾個環節。
7．掌握系統優化的概念，了解系統優化的意義。
8．了解影響系統優化的因素。
重點提示
1．系統的觀點一般包含下列幾個方面：
(1)系統是一個整體，不是各個要素的簡單相加。
(2)系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的。
(3)任何一個要素發生變化或出現故障，都會影響整體功能的發揮。
(4)系統的整體功能大于組成系統的各部分功能之和，即通常所說的：1+1>2。
(5)不能離開整體去分析系統的任何一個組成部分。
(6)系統的各要素之間或系統與部分之間的相互作用、相互聯系。
(7)任何系統都具有特定的功能。
(8)任何系統都是一個動態的系統，處在運動變化和發展之中。
(9)一個系統與其所處的環境之間通常都有物質、能量和信息的交換，外界環境的變化會引起系統特性的改變，并相應地引起系統功能和系統內各部分相互關系的變化。
2．動態性與環境適應性的比較
動態性是系統本身的運動特性，強調自身運動變化，系統本身是引起系統變化的主要原因，動態性是系統中體現運動變化的永恒的規律；環境適應性強調的是外部環境對系統的影響，是外在因素促使內部變化，或者說由于外部的物質能量發生變化，系統被動地適應著周圍環境的變化。從這兩個方面可以看出，系統本身是運動的，同時也可以隨環境的變化而運動。動態性與環境適應性實際上是系統運動變化的兩種不同的方式。
3．系統分析的整體性與系統特性中的整體性
系統的整體性是指系統總是以一個整體的形式存在，而且總是發揮著整體的功能。盡管它是由各要素部分組成，但最后所表現的總是整體的特征。因此說整體性是系統本身的一個屬性，是系統各要素構成的整體的意義指向，更多的側重于系統產生的效果。 系統分析是對系統進行科學決策時的一種方法，整體性原則就是要求我們用整體而不是孤立的觀點看問題。
4．系統優化的方法與方案
在系統優化中，目標函數：給定一個“函數”F(x)，以及自變量x應滿足的一定條件，求x取怎樣的值時，F(x)取得最大值或最小值。通常，稱F(x)為目標函數，x應滿足的條件為約束條件。從系統優化層面上來說，即是實現目標與限制條件之間的函數關系式。在多數技術設計中，需要對這個目標函數進行周密的運算，找出最合理的方法和方案。
約束條件：對目標函數產生影響而非人為調節的限制條件。
例題解析
【例1】下列關于系統要素與系統功能的敘述，正確的是( )
A．要素的功能決定系統的功能 B．系統的功能決定要素的功能
Ｃ．要素的變化引起系統的功能變化 D．系統功能發生變化，要素必然變化
（分析）本題考查要素與系統的關系。系統是由要素構成的，要素是構成系統的最主要的元素。系統是一個整體，它不是各個要素的簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的。系統的任何一個要素發生變化時，都會影響其他要素的發揮，同時影響系統的整體功能。 答案：C
【例2】機器零件的胡亂堆積構不成機器系統，只有當它們按照一定的裝配關系組合起來時，才能構成機器系統。這表明了系統的( )
A．整體性 B．動態性 Ｃ．結構性 D．相關性
（分析）本題考查“系統的基本特性”。系統是一個整體，它不是各個要素的簡單相加，而是按照一定的關系組合成的一個整體．系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的。而相關性是強調各要素之間及系統和要素之間的相互作用、相互聯系。 答案：A
【例3】小張發現自己騎車特別費力。于是，他對自行車系統的各組成部分進行分析與研究，從車圈到輪胎，從鏈輪到腳蹬，最后排除了故障。下列選項與上面的案例無關的是( )
A．小張考慮到系統的整體性 B．小張對系統進行了整體性分析
Ｃ．小張對自行車系統進行了優化 D．小張進行了系統設計
（分析）本題考查系統的特性、系統分析的主要原則及系統的優化等內容。系統的整體性表示系統的最基本特性，它不是各個要素之和，系統的整體性是各要素所沒有的。由于系統存在著整體性，于是就出現了系統的整體分析方法。對系統的優化是指在給定的條件下，根據系統的優化的目標，采取一定的手段和方法，使系統的目標值達到最大化。本案例應該說與系統設計無關。 答案：D
【例4】 趙偉在家里看見母親在陽臺上曬衣服很不方便，就決定用自己學過的知識設計一個升降式晾衣架。他查閱資料，又對商店里的成品進行分析研究，最后采用圖所示的設計圖。請你用系統分析的方法來分析此晾衣架，指出不足之處，提出優化的方法．
[提示]圖示的升降式晾衣架是一個系統，主要由三個部分組成：動力部分(搖手)、傳動部分(繩索與滑輪)、目標部分(兩根曬衣桿)。這三個部分組成一個晾衣架是有欠缺的，至少還缺少另外一個部分：制動部分。如果沒有制動部分，那么，晾衣架就根本無法懸在空中。另外，當搖手一搖時，兩根曬衣桿同時升降，這在操作上存在嚴重缺陷的。因此，還必須考慮兩根曬衣桿分開控制。要在整體上實現功能的優化，在設計的時候必須充分考慮其科學性與實用性，可以進行以下幾個方面的優化處理：
(1)制動部分應該與搖手連在一起．采用一種既操作方便、靈活，又容易實現控制的結構。而搖手應該是折疊式的，而且是內置式的結構。(如圖所示)
(2)采用兩桿分別控制，所以用兩個搖手來分別控制。
(分析)本題主要考查學生是否能用系統分析的方法來進行具體的分析，讓學生了解系統分析法是怎樣進行分析，同時，還必須有理論聯系實際的能力，實現具體的優化。系統分析的方法，其實就是用整體的聯系的觀點分析系統，發揮系統功能，實現系統目標的分析方法。如果要分析某個系統，就必須了解該系統的整個工作過程，了解實現其功能過程中可能會產生什么情況。
自主練習
一、基本題
1．臺燈是一個系統．它由燈泡、支撐架、燈罩、開關、底座等五個部分組成。其中燈泡不能被稱為系統的( )
A．環節 　 B．子系統 　　 Ｃ．部分 　 D．要素
2．盡管杭州的道路建設年年有大的投入，但是，隨著私家車的不斷增加，杭州的道路反而變得越來越擁擠了。市政府對整個交通系統進行分析后，決定建設地鐵．下列說法正確的是 ( )
A．有了地鐵就能對交通系統實現優化
B．因為地鐵速度快。才實現對交通系統的優化
C．因為地鐵在地下運行，才實現對交通系統的優化
D．必須與其他交通工具及基礎設施配套，才能實現優化
3．每個系統都由兩個或兩個以上的要素構成，而每個要素之問都有相關性。下列對系統相關性的理解．正確的是( )
A．各要素在系統的地位平等 　 B．各要素在系統的作系統的作用相同
C．各要素對系統整體功能的影響相似 　 D．各要素對系統的作用不同，但相互影響
4．阿基米德式螺旋抽水機是古希臘科學家阿基米德在公元前3世紀為了將水從大船的船艙中排出而發明的。這個系統屬于( )
A．自然系統和人造系統 　　　　　 B．實體系統和抽象系統
C．自然系統和社會系統 　　　　　 D．人造系統和實體系統
5．系統論的創立者是( )
A．美國科學家維納 　　　　　 B．美國數學家申農
Ｃ．美籍生物學家貝塔朗菲 　　　　　 D．美籍數學家馮-諾依曼
6．下列成語其含義與整體性無關的是( )
A．盲人摸象 　　　　　 B．只見樹木，不見森林
C．頭痛醫腳，腳痛醫頭 　　　　　 D．見風使舵
7．認為“系統要素好，整體性能一定好，以局部說明整體”的機械論觀點違反了系統的( )
A．整體性原則 B．目的性原則 C．相關性原則 D．功能性原則
8．水分子也可以看成一個系統，而水分子的性質與H、O的性質不同。這說明( )
A．系統要素之間相互影響 　　　 B．要素的性質影響系統整體
Ｃ．整體的性質不是要素所具備的 　　　 D．要素的性質可以分析出整體的性質
9．系統是由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素組成的具有特定功能的有機整體，它與系統外環境的關系是( )
A．環境適應系統的變化 　　 B．環境決定系統的變化
Ｃ．系統決定環境的變化 　　 D．系統適應環境的變化
10．計算機鼠標是一個完整的系統。下列敘述中，不作為鼠標構成系統的條件的是( )
A．內部由電路及光電感應傳感器等要素構成 B．有具體鼠標的功能
Ｃ．鼠標內部的要素都是相互關聯的 D．鼠標的外形設計符合人機關系
11．進行系統分析的出發點是為了發揮系統的整體功能，目的是( )
A．了解系統結構 　　　　　 B．明白系統的原理
Ｃ．熟悉系統的運行過程 　　　　　 D．尋求最佳決策
12．一般來說，進行系統分析的初始環節是( )
A．收集資料，制訂方案 　　　 B．分析計算．評價比較
Ｃ．明確問題，設立目標 　　　 D．檢驗核實．作出決策
13．某包裝公司為某一個產品設計紙箱，在決定紙箱的大小、厚度、材質時．需研究各個方面的因素：產品的自重與外形特征，產品的濕度及抗壓性要求，產品的存放、搬運要求．集裝箱空間的適配，產品的制造特點，成本及國家的一些技術規范，等等。如果我們把設計紙箱作為一個系統工程，那么這個研究過程稱為( )
A．系統的認識 　　 B．系統的優化 　 C．系統的分析 　 D．系統的設計
14．下列針對汽車發動機起動系統的說法，錯誤的是( )
A．起動系統具有系統的所有特性 　　 B．整體性是起動系統的重要特性
C．組成起動系統的各部分是相關的 　　 D．起動系統的環境適應性就是動態性
15．分析題 笛卡兒方法論的主要觀點是把復雜的問題分割成若干個簡單的問題進行分析處理。他的理論對西方近代科學的飛速發展起到了巨大的促進作用。但直到阿波羅號登月工程的實施，科學家才發現，有的復雜問題無法分解，必須以復雜的方法來對待，因此導致系統工程的創生。請你用系統的觀點分析，笛卡兒的方法論主要違背了系統理論中的什么原則。
二、拓展題
16．時鐘由于運行時間久，內部齒輪磨損，動力不足，就會產生報時的偏差。這說明系統是（ )
A．動態的 B．綜合的 Ｃ．適應環境 D．穩定的
17．時鐘結構中的任何一個齒輪的損壞都會影響時鐘的正常功能，這說明( )
A．要素決定系統 B．要素發生變化．影響整體功能
C．系統是各要素之和 D．整體功能大于各要素功能之和
18．某公司為了節約能源，計劃設計一個在冬天能夠供熱而在夏天能降溫的地熱泵技術系統，如圖。該系統主要由地熱泵、地下管道、冷熱輸出器及控制器組成。該公司在設計中不需要首先考慮的是( )
A．查閱國外地熱泵技術系統的相關資料
B．實現熱泵技術的可行性
C．系統的科學性
D．系統裝置進行技術試驗
19．新研制的汽車下線后，必須用檢測系統進行完整的檢測。該檢測系統是指( )
A．管理部 B．技術部門 Ｃ．檢測設備 D．檢測流程
20．“二戰”期間，美軍的運輸船要通過日軍控制的海域，有被日本空軍擊沉的危險。如果在運輸船上時裝高射炮，可以使日軍的飛機不敢低空飛行，從而有效降低被擊沉的可能性，但由于加裝高炮后會使每艘船的運輸量減少，客觀上運輸船通過該海域的頻次不得不增多，這義將增加被擊沉的可能性。這個事例可以說明，系統優化的實現需要( )
A．減少約束條件 B．降低目標函數 C．降低影響因素 D．綜合各種因素
2l．評價題 某中學生對自己家里的分離式水龍頭(注：此水龍頭主要用在公共場所，水龍頭的旋扭部分與閥門部分可以隨意分開，如圖)進行仔細的觀察、分析、研究后．結合掛鎖與鑰匙的結構特點(鎖開時不能取出鑰匙，鎖合時才能取出鑰匙)，發明了“鎖式活動水龍頭”。這種水龍頭突出的優點是：當拔出旋鈕時水龍頭必然關閉水閥，如果正常使用時，則旋鈕無法與龍頭分離。這種設計有效地解決了因為停水時不知道閥門是否關閉(旋扭已經被取下)而造成大量水的浪費。
請結合系統的“整體性、相關性和目的性’’三個特性對該“鎖式活動水龍頭”系統進行評價。
22．分析題 從掛鎖這個系統實例，來分析系統的整體性、相關性、目的性、動態性和環境適應性五個基本特性。
【資料】鐵掛鎖主要是由鎖芯、彈子、鎖舌、鑰匙構成。鎖芯和鎖體之間有一排等徑的小孔，每個小孔中裝有兩只彈子，上面加彈簧。當鑰匙插入時，每個孔中的兩個彈子正好分在鎖芯和鎖體之間的結合面兩邊，從而帶動鎖舌滑動，鎖也就打開了。當鑰匙拔出或插入別的鑰匙時．彈子在彈簧和鑰匙的作用下參差不齊地穿插在鎖芯和鎖體之間的結合面上，因此，鎖芯不能轉動，鎖也就打不開了。所有的彈子只要有一個蹩在鎖芯和鎖體之間的結合面上，鎖就打不開。
23．巴蜀中學李雙江、陳力維兩位同學在第22屆重慶市青少年科技創新大賽中展出了“交通信號夜間工作系統”，如圖。發明者認為，深夜里信號燈的“黃閃”，車輛和行人都可以通過．對雙方都不安全。而他們設計的系統，就是在紅綠燈前一定距離的路面上安裝地感線圈的同時，在斑馬線兩邊裝上紅外線探頭。紅外線探頭的作用就是感應是否有人在等待通過紅綠燈。當地感線圈感應到有車輛過來時，如果紅外線探頭也感應到有人在等待通過紅綠燈．它便會通過電路等設施，將信號傳輸到紅綠燈，此時便會亮起紅燈，并響起“請快速通過”的語音提示。而紅燈亮的時間會根據斑馬線的長短來設定。如果沒有人等待通過， 車輛就會在紅綠燈下“暢通無阻”。請簡要對該系統進行分析，指出該系統在具體控制過程中的不足．從而提出新方案對該系統進行優化設計。
專題七 系統與設計
1 A 2 D 3 D 4 D 5 C 6 D 7 A 8 C 9 D l0 D l1D 12 C 13 C 14 D
l5.笛卡爾的方法論主要觀點是把復雜的問題分割成若干簡單的問題進行分析處理，他這種理論主要違背系統論中的：(1)整體性原則：系統分析首先著眼于系統整體要先分析整體，再分析部分。把組成系統的各要素分析，也就無視系統的最大性質：整體性的存在、 (2)相關性原則：系統的各要素是相互聯系，相互影響．相互制約的，如果拋開系統的相關性，那么也就無法得到系統的統一性．笛卡兒把復雜問題分割成若干簡單問題，就無視這種相關性的存在。 (3)科學性原則：把-一個整體分成若干個簡單部分，這種貌似簡單實質是機械的方法完全沒有科學性。系統論認為，要素之和大于整體；系統的功能是各要素所沒有的。 16. A 17. B 18. D 19．C 20. D
21．鎖式活動水龍頭是一個系統。對一個系統的評價。必然需要從系統實現的功能情況，系統本身的運行情況來分析。根據題意，該中學生對原來的分離式水龍頭進行了優化設計，使功能更適合實際的需要。應該說，該系統已經解決了“因為停水時不知道閥門是否關閉(旋扭已經被取下)而造成大量水浪費”的系統優化目標，而且操作簡單，切實可行，想法新穎，制作方便，易把設計轉變為產品。
22．鐵掛鎖是一個完整的系統，從這個系統中，我們可以完整的得到系統的五個基本特性。
(1)整體性：鐵掛鎖由鎖芯、彈子、鎖舌、鑰匙等要素構成，鐵掛鎖的功能是各要素所沒有的。而系統的任何一個要素發生變化或出現故障，都將影響系統功能的發揮。
(2)相關性：相關性表現的是各要素之間是相互關聯的。像鎖芯、彈子、鎖舌、鑰匙是相互關聯互相影響的。
(3)目的性：該系統的目標就是實際“鎖”的功能。
(4)動態性：隨著時間的推移，鎖的性能將受到影響，功能也受到影響。
(5)環境適應性：外界環境的條件的變化，會引起系統功能的變化。如在高溫與低溫的條件下，鎖的功能受到了很大的影響。
23．系統分析：該系統屬于一個控制系統，系統的目標是：當地感線圈感應到有車輛過來，同時紅外線探頭也感應到有人在等待通過信號燈時，它便會通過電路等設施，將信號傳輸到信號燈，此時便會亮起紅燈，并響起“請快速通過”的語音提示。這樣就實現了行人能安全通過人行道。如果地感線圈感應到車輛而紅外線沒有感應到人通過時，則信號燈保持為綠燈，保證車輛順利通過。該系統由四個部分組成：信號感覺器、信號分析器、信號傳輸器及信號執行器。該系統的控制的不足：紅燈亮的時間根據斑馬線的長短來設定。 系統的優化：紅外線探頭在設計的時候，當探測到有人進來的時候，必須在另一端或同一端檢測到人已經不在斑馬線上，才允許信號燈亮綠燈，讓車輛通過。
搖手

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