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第三章 系统及其设计
第三节 系统的优化
教学内容
学习目标
从技术应用的角度理解系统的含义和基本构成。
通过对简单技术系统的分析，理解系统的主要特性。
通过系统案例分析，学习运用系统的思想方法。
结合实例进行系统分析，学会系统分析的基本方法。
理解系统优化的意义，通过技术探究，分析影响系统优化的因素。
初步学会简单系统设计的基本方法。
增强系统思考和工程思维的能力。
引入
取水问题分析：
系统分析：
第1个打水的时间，后面4个同学在等待
第2个打水的时间，后面3个同学在等待
……
总的等待时间要少，容器小的先打水
未优化的系统：
同学按照随机的顺序打水
优化的系统：
容器小的在容器大的前面打水
5位同学同时拿着大小不同的容器去取水，但取水处只能容一个人站立。
每人取水后就马上回营地工作。
有什么办法使5个人总的取水时间最少？要考虑什么因素？（等候时间少）
陶瓷窑炉的优化
隧道窑是现代陶瓷工业广泛使用的窑炉，窑体像一条隧道，里面铺有轨道。
由于窑车等输送设备影响了窑炉的气密性，窑内上下温度不均匀，因此焙烧时间长。窑车及衬砖在升温、冷却的过程中，也浪费了大量热能。
辊道窑是用连续平行排列的辊子造成辊道，通过传动系统使辊子转动，坯件依次通过预热带、烧成带和冷却带出窑。
由于辊子上下可直接加热，窑内温度均匀，大大缩短了制品烧成时间，在保证质量的同时，提高了产量。减少了窑车等热耗设备，有效提高了热利用率，与隧道窑比较，单位产品能耗节省了一半以上。
一、系统优化的意义
分析：
陶瓷窑炉通过什么关键技术设备的改进，实现了窑炉的优化？
上述技术设备的改进有什么意义？
系统的优化就是在给定条件下，通过一定的手段和方法，使系统获得更佳功能或更佳效益的过程。
实现系统的最优化，就可以在一定资源条件下，取得最佳的效果，而投入的人力、物力、财力达到最小。
一、系统优化的意义
什么是系统优化：
案例分析：
千烟洲立体生态农业
系统优化的目标：
改善生态环境，提高农业生产经济效益，帮助农民脱贫致富。
系统优化的约束条件：
亚热带红壤丘陵地区的地形、气候、生物生长习性等。
影响系统优化的因素：
直接影响生态环境和农业生产效益的因素。
二、影响系统优化的因素
思考：影响千烟洲生态农业系统优化有哪些因素。
实践活动：模型飞机的优化
目的和要求
材料及工具准备
知识准备
设计及优化过程
画出飞机设计草图，制作模型飞机。
分组比赛，测试飞行状态和距离。
修改设计方案，重新制作模型。
系统优化是一个不断验证、完善的过程。
二、影响系统优化的因素
实践活动：模型飞机的优化
力的名称 应该增加或减少的力 如何增加或减少这种力 主要依据的科学原理
重力
升力 伯努利原理
推力和反冲力 牛顿第三定律
阻力
飞机性能测试记录
飞行次数 事故记录 飞行距离 /m 优化方法
构件脱落 机头着地 机身翻倒 其他 第一次
第二次
第三次
二、影响系统优化的因素
飞机飞行时所受的力
实践活动：模型飞机的优化
影响系统优化的因素：
可以通过哪些部件的优化，增加模型飞机直线滑翔的距离？
模型飞机是否越轻越好？为什么要加上配重物（回形针）？
一般模型飞机机翼的外形设计都是呈窄长形的，为什么？
飞机出现构件脱落、机头着地、机身滚转甚至翻到的情况，主要原因是什么？
系统的优化不仅要注重系统中组成部分（要素）的优化，还要注重组成部分（要素）之间、组成部分（要素）与整体之间的协调和连接的有序性。
二、影响系统优化的因素
案例分析：养殖区优化
系统的优化在未能建立优化目标与影响因素的数学关系的情况下，无法得出量化的目标值，只能通过定性的分析或估计寻求较为满意的结果。
而系统的最优化通常是解决在一定约束条件下，寻求系统的优化目标达到最大值或最小值的问题，这往往需要通过建立数学模型去解决。
利用数学方法优化系统：
分析优化的目标和约束条件。
建立这个问题的数学模型。
求解过程。
确定系统优化方案。
二、影响系统优化的因素
实践活动：优化产品配额
桌子和柜子各生产多少，才能获取最大利润？
产品 所需木料/m3 利润/元
第一种 第二种 桌子 0.18 0.08 60
柜子 0.09 0.28 100
建立此问题的数学模型
决策变量：桌子 x 个，柜子 y 个
目标函数：
60x+100y最大
约束条件：
0.18X+0.09y≤72
0.08x+0.28y≤56
二、影响系统优化的因素
习题
将废水深埋地下。
禁止造纸工厂生产，通过进口满足市场需求。
改进生产工艺，通过污水处理系统处理废水。
将工厂搬迁到无人区。
只要有先进的机车，就能提速。
不仅需要有先进的机车，还需要道路、桥梁、隧道等基础设施的配套改进。
只有使用“动车组”才能提速。
只有重新铺设铁路，才能提速。
2．列车提速是对铁路运输系统的优化。下列说法正确的是？（　　）
1．造纸工厂会产生大量废水，为减少对环境的影响，该如何对造纸生产系统进行优化？ （　　）
C
B
习题
纸上谈兵
守株待兔
一字千金
田忌赛马
优化的目标
约束条件
决策变量
目标函数
4．你想做一个小台灯，初步计划的预算大约20元，这在系统优化过程中属于（　　）
3．下列的典故，哪个通过优化改变了系统功能（　　）
D
B
总结
谢谢!

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