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(共38张PPT)
3.3系统设计优化与实现
第三单元系统及其设计
知识
梳理
系统含义
01
系统构成条件
02
系统的基本特性
03
系统由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的，具有特定功能的有机整体，系统根据一定的标准可划分为若干个子系统
1.至少有两个或者两个以上的要素(部分) 才能组成系统；
2.要素(部分)之间相互联系、相互作用， 按照一定方式形成一个整体；
3.这个整体具有的功能是各个要素(部分) 的功能中所没有的。
知识
梳理
系统分析
04
为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，就是系统分析。
系统分析一般过程
05
明确问题
设立目标
收集资料
制定方案
分析计算
评价比较
检验核实
作出决策
是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。用建模的形式对系统进行分析和研究的方法是系统分析的基本方法。
系统分析的方法
06
系统分析的基本原则
07
整体性原则、科学性原则、综合性原则
知识
梳理
系统设计
08
系统设计是在系统分析的基础上，设计出满足预定目标的系统的过程
系统设计应该考虑的主要问题
09
1、系统设计的目的与要求
2、系统各部分之间的相互关系与相互作用
系统设计一般步骤
10
（1）将系统分解为若干子系统；
（2）确定各子系统的目标、功能及其相互关系；
（3）对子系统进行技术设计和评价；
（4）对系统进行总体设计和评价。
完成了系统分析与设计以后，下一步要做什么呢？
3.3 系统设计优化与实现
系统设计的实现是在系统分析与设计的基础上，对所提出的多个方案进行比较、权衡和优化，最终形成满足预定目标的最佳系统及物化的过程。
P91【案例分析】——农作物种植系统的优化（农业间作套种）
【任务一】优化系统设计的方案
根据农作物的生长特性、天气、气候等，利用农作物生长的季节差、时间差，把相同或不同类的农作物种植在一起，有“麦、棉、瓜”、“麦、棉、菜”“麦、瓜、棉、玉米”等多种套种模式供选择，实现增产、增收，提高土地利用率。
某地区因地制宜地选择了“麦、棉、瓜、红薯”的套种模式，在正常天气条件下，按照套种的技术要求操作，夏季可收小麦350～400千克/亩、红薯2 500千克/亩、无籽西瓜5000千克/亩，秋季产籽棉225千克/亩，平均每亩收入超过3000元，比原先提高了近五成。
讨论：在你所在的地区，可采取哪些措施提高农作物的产量？
果园套种蔬菜
玉米套种大豆
葡萄套种蔬菜
稻田养鱼
在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。
优化的目标
最小成本获得最大利润
最少能耗生产更多产品
单位面积上收获更多的作物
充分利用土地、阳光、水分资源
农业生产为什么要采取“农业间作套种”技术？
系统优化
进行系统优化应考虑的三个要素
目标与目标函数：
约束条件：
影响因素：
目标函数是目标与土地的单位面积农作物收益总和之间的关系。
对目标函数起限制作用，不能人为调节的因素，
如：农作物的生长特性、天气、气候等因素
对目标函数产生影响，可人为调节的因素。如：套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等
目标是增产增收和提高土地利用率
（1）请连线下列四项解释与对应的名词
优化目标
影响因素
约束条件
A.实现增产、增收，提高土地利用率。
B.农作物的生长特性、天气、气候等。
目标函数
C.优化目标与土地单位面积收益之间的关系。
D.套种的技术水平、田间管理、病虫害防治等。
（2）约束条件与影响因素有什么不同？
可以人为调节
不能人为调节
【案例分析】P92——利润问题
优化目标：利润最大值(Smax)
某家具厂要安排一周的生产计划，产品是桌子和椅子。制作一张桌子需4 m'木板及20h的工时，制作一把椅子需6 m木板及18h的工时；每周能使用的木材板料是600 m，可利用的工时是400h；每张桌子的利润是50元，每把椅子的利润是60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5把椅子，并假定所有产品都能够销售出去。那么，该厂每周生产桌子和椅子的数量分别为多少时，获得的利润最大？
【最优解与满意解】 通常，我们通过优化的目标与决策变量之间的关系(数学模型)，计算出目标值,所得到的就是最优解。对有些问题，如果我们不能确切地描述目标函数，则可以通过定性的估计或推断，得到较为满意的解(也称满意解)。
【最优化方法】为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法，系统优化的方法是多样的，有的运用数学模塑求解，有的通过科学的估算、试验等方法实现。但无论运用怎样的优化方法，都需要经过若干次完善和验证，才能得出最优解或满意解。
方案1 楼房屋面和校园地面相互独立收集雨水，分别给楼房和绿地供水。两处收集的雨水多余部分都独立排入观赏水池。系统模型如下：
马上行动：对校园雨水收集系统的是三个方案进行优化
方案2 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。系统模型如下：
方案3 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。在楼房屋面收集的雨水进入中水处理子系统之前安装水力发电子系统。系统模型如下：
方案 优点 缺点
方案1
方案2
方案3
结合系统的设计框图模型，对校园雨水收集系统三种方案分析和比较，并提出系统优化的最终方案。
楼面和屋面雨水收集系统各自独立运行，各自山风挥功能，简单易行
楼面和屋面雨水收集系统共同收集雨水，汇合到中水处理系统统一处理，统一调配使用
利用收集到的雨水 在系统中附加了水力发电子系统.即利用水的势能发电还能供水 实现效益最大化
要投入两套雨水净化与存储子系统，重复建设。成本较高，且不能相互补水
所有的雨水汇合收集 需要附加设施把低处的水系到高处，汇到一起，用于楼房 绿地 水池供水
需要把低处的地面的水 系到高处储水装置 才能利用水的势能发电
系统分析一般过程
明确问题
设立目标
收集资料
制定方案
分析计算
评价比较
检验核实
作出决策
综合各方案优、缺点，以及成本、安全性等，确定第4种方案为最终方案。方案4中，将地下石油蕴涵的天然气转化为甲醇加到原油中，降低原油的熔点，增加流动性，从而用普通的管道就可以同时输送原油和天然气，仅管道铺设费就可以节省近60亿美金。如果仅仅在前面3个方案上优化，无论如何都得不到方案4的巨大效益。分析人员运用其专业知识，将石油中的原油和天然气的运输作为一个整体进行系统分析，获得了成功，体现了系统分析的实际价值。
系统分析的基本原则
整体性原则、科学性原则、综合性原则
教材P100
要服务于系统整体功能和优化目标来进行优化系统的设计方案，要对各方案中的优点进行比较权衡，要考虑目标函数、决策变量、约束条件的共同作用效果，达到系统优化的总目标。
【任务二】——实现校园雨水收集与利用系统的设计方案
系统设计的实现
设计方案的呈现
模型或原型的制作与测试
实物模型的设计
加工图纸
加工材料和工艺的选择
加工制作过程
模型的最终呈现
对模型的测试是对系统进行总体技术设计评价。评价有多种形式，对于实体系统设计而言，需要对模型或原型进行实际运行测试和评价。
最大功率P=800w+1500w+4500w+1300w+ 5 × 1500ww=15600w
系统分析发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程
P101
杨挥家用电负荷最大值约为15.6kw，通过最大电流15600w/220v=70.9A,电流过大各线路必须采用单独的电路回路。室内配电系统采用多回路形式，本例设计有照明回路、插座回路、空调回路，对于厨房、浴室设立单独回路。
系统设计是在系统分析的基础上，设计出满足预定目标的系统的过程,系统设计应该考虑的主要问题1、系统设计的目的与要求2、系统各部分之间的相互关系与相互作用
配电箱内应设动作电流30mA的漏电保护器
一般情况下，照明10A，插座16A，柜式空调20A，进户40-60A。
1．智能系统：在住宅电气线路设计中应预埋电话线、有线电视信号线、视频线、网络线，在客厅和三间睡房预埋电话线、有线电视信号线、视频线、选择其中一间睡房作为书房，预埋网络线。
2．照明回路：在睡房、客厅、饭厅、厨房、浴室、凉台室安装一个主光源吊灯，在睡房和客厅的墙壁上安装辅助光源壁灯。
3．功能电路：厨房放置冰箱、电饭堡、电热水器，排气扇电源插座，浴室安装淋浴器、洗衣机的电源插座，睡房和客厅安装空调的电源插座，书房安装娱乐电视机、音响、电脑等的电源插座都是独立的电源回路。
系统设计的实现，包括设计方案的呈现和模型或原型的制作与测试。
第1题：根据《住宅建筑规范》50368-2005第8.5.5强制性条文“住宅套内的电源插座与照明，应分路配电……”把照明与插座作为同一回路进行设计，首先违犯了技术规范原则。其次，《住宅建筑规范》规定插座回路必须安装漏电保护断路器。在安装了漏电保护断路器后，插座和照明使用同一回路，如果干线截面积能够带动所有的负荷，只是故障时的停电范围较大，给检修带来一些不方便；如果干线截面积不能带动所有的负荷，当负荷过大时，漏电保护断路器工作，照明与插座回路同时断电。
第2题：以房间为一个独立同路进行没计，回路少，布线简单，经济，出现故障时容易检修。但是这种做法违反了技术规范原则，而且每个回路的负荷不同，需要使用不同规格的导线，每个回路的漏电保护断路器的额定电流由该同路最大负荷决定，如果房间照明线路发生短路，漏电保护断路器可能无法发挥作用，产生危险。
P103
系统分析→系统设计→系统实现
思考参考答案：
可以将洗手池与地面雨水净化储存装置连接，洗手池的水汇人地面雨水净化储存装置，加以利用。
P105
这种说法不正确。在一个系统中，即使每个要素都不是十分完善，但它们也可以协调、综合成为具有良好功能的系统；反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，就不能称之为最优的系统。
小结：系统的优化
方 法
数学模型求解
科学的估算、试验
目标函数：
约束条件：
影响因素：
目标与收益总和之间的关系；
不能人为调节
可人为调节。
练习
1、舟山跨海大桥于2009年12月25日正式通车，大桥建成后，使舟山更紧密地融入长三角经济圈。大桥设计要求最大能抗17级超强台风，最大通航等级为5万吨级，使用年限为100 年。在大桥施工时为了保证质量、缩短工期、降低成本，需要对工程进行优化。下列属于影响系统优化的因素是( )
A.抗台风等级 B.最大通航等级
C.工程项目的管理水平 D.使用年限
C
练习
小通准备对家里的电路系统进行升级改造并制定了优化目标。他请装修公司完成该优化工程，双方签订合同，工程款总额为10000元。请回答2、3题。
2、装修公司根据用电器功率的大小分别计算出每路电线的粗细规格，该方法遵循了系统分析的(　　)
A．科学性原则 B．综合性原则
C．整体性原则 D．安全性原则
3、在该系统优化过程中，总额10000元属于(　　)
A．优化目标 B．约束条件
C．目标函数 D．影响优化的因素
B
A
练习
1、仿生机械蜜蜂的身上带有传感器、电机和摄像头等部件，它能在传感器、电机的帮助下控制机械蜜蜂飞行，完成摄影和摄像等工作。以下关于该系统表述不正确的是(　　)
A．机械蜜蜂用久之后，会出现老化变坏，这体现出系统的动态性
B．当传感器失效，蜜蜂就会失控，不能完成预定的任务，体现出系统的整体性
C．传感器获得数据要通过控制部件让电机状态发生改变，体现出系统的相关性
D．遇到大雨等天气的影响，飞行路线会出现偏差，体现出系统的目的性差
D
环境适应性
练习
2、一堆沙子、钢筋、水泥等等材料散放在一起没什么意义，但是将它们按照一定的结构形式造成一座桥梁，就具有了交通的功能，这说明系统最基本的特性是：（ ）
A、目的性 B、动态性 C、整体性 D、环境适应性
C
整体是由部分组成的
练习
3、赵同学家所在的街道在一年内进行了铺设通讯线路、煤气管道、下水管道修理三次施工，给市民带来了生活的不便，这说明对于道路的改造不符合哪种系统分析的原则（ ）
A．人性化设计的原则 B．科学性原则
C．综合性原则 D．整体性原则
D
没有从全局出发，没有放眼未来
练习
4、感应式IC卡出人管理控制系统(简称门禁系统)具有对用户出人控制、实时监控、保安防盗报警等多种功能,主要方便内部员工出人，杜绝外来人员随意进出。如图所示是门禁控制系统的工作原理图,由进门读卡器、出门读卡器、开门按钮、烟雾检测器输人信号,门禁控制器通过继电器控制各个电插锁、声光报警器进行工作。从系统角度分析，下列说法中不正确的是（ ）
A.门禁控制器出现故障,门禁控制系统便无法正常工作,体现了系统的整体性
B.读卡器时间久了会出现无法正常读卡现象,体现了系统的动态性
C.增加温度检测器和布置多个传感器可以提高检测的准确性
D.既要控制制造成本,又要保证检测的准确性,体现了系统的综合性
D
系统没有综合性，系统分析有综合性原则
练习
5、第一代弹跳鞋的承重能力不足，设计师对其材料进行优化，设计出如图所示的第二代袋鼠弹跳鞋，材料是该系统优化的(　　)
A．干扰因素 B．影响因素
C．约束条件 D．目标函数
B
可以调节
课后探究
探究一：结合教材P98-99马上行动，提出校园雨水收集与利用的最优方案，并绘制系统方框图。
探究二：完成教材P106练习第一题“可调孔径的分选装置的改进设计”
，并绘制设计草图。

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