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第三单元 系统及其设计
课标导引
考点 课标要求 学业水平要求
系统及其特性 (1)认识系统及其构成 (2)辨析系统的基本特性 从技术应用的角度理解系统的含义、基本构成及主要特性
水平二
水平二
系统分析与设计 (1)探究系统分析的一般过程和基本方法 (2)体验简单系统设计的过程 通过对简单系统的设计实践,学会简单系统设计的一般过程,结合实例学会系统分析的基本方法,增强系统与工程思维的能力
水平三
水平二
系统设计的优化与实现 (1)优化系统设计的方案 (2)实现校园雨水收集与利用系统的设计方案 通过技术探究,分析影响系统优化的因素
水平三
水平二
教材研析
知识点一　系统及其构成
1.含义
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,称为系统。
2.构成系统的三个条件
(1)至少要有两个或两个以上的要素(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)整体具有的功能是各个要素(部分)所不具备的。
3.子系统和要素
系统有大有小,有复杂有简单。对于大型的复杂系统,根据需要,按照一定的标准可以划分为若干子系统。
(1)子系统:相对大系统而言,是大系统中相对独立且具有一定功能的组成部分。如地球生态系统由海洋生态子系统、森林生态子系统、陆地生态子系统等子系统构成。
任何系统又是更大系统的子系统。
(2)要素:组成系统的最主要元素。
知识点二　系统的基本特性
1.整体性
整体性是系统最基本的特性,也是观察和分析系统最基本的思想和方法,它侧重于“要素(部分)影响整体”。
系统是一个整体,它不是各个要素(部分)的简单相加,系统的整体功能是各要素(部分)在孤立状态下所没有的。系统的任何一个要素(部分)发生变化或出现故障,都会影响其他要素(部分)或整体功能的发挥。系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。系统的要素配合好才能发挥系统的整体功能,换句话说,要素好,系统整体性能未必好。
2.相关性
侧重于“在整体完好的情况下,要素(部分)与要素(部分)之间的关联”,构成系统的各要素(部分)之间是相互联系、相互作用、相互依赖、相互影响的关系,是彼此相关的。
3.目的性
任何系统都服务于某种目的,都要实现一定的功能,这是区别不同系统的标志。
4.动态性
物质都是不断变化的,因此系统是动态的,处在运动变化和发展之中。
5.环境适应性
一个系统与其所处的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换,系统必须适应外部环境的变化。
知识点三　系统分析的一般过程和基本方法
1.系统分析一般步骤
(1)决策方法:经验决策和科学决策。
(2)系统分析的含义: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,并在此基础上拟定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。
(3)一般步骤
步骤 要求
明确问题 设立目标 明确所分析的系统及其结构,确定所要研究问题的性质和范围,提出所要达到的目标,明确约束条件
收集资料 制订方案 收集相关资料,制订解决问题的各种备选方案,进行多目标的权衡与分析,并明确技术实践路线
分析计算 评价比较 对系统进行整体分析,对各子系统进行分析,对系统进行建模与推演,将各种方案进行评价对比
检验核实 作出决策 通过实证对方案的实施效果做出评判。如果对方案不够满意,还可按上述程序进行反复,直到获得满意的方案为止
2.系统分析方法——建模
系统分析方法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科学的基本方法。
模型的三个特征:①它是现实系统的抽象或模仿;②它是由那些与所分析问题有关的要素构成的;③它表明了有关要素间的相互关系。技术领域系统分析中较为常用的是系统的数学模型和框图模型等。
(1)数学模型
用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型,称为数学模型。数学模型突出事物的主要因素,舍弃事物的次要因素,便于抓住事物的本质进行分析研究。
(2)框图模型
用一个个封闭的小框图代表系统的各个要素或子系统,在框图内或框图边注明要素或子系统的名称,按照系统的结构模式把它们排列安置于适当位置,用无向线段或有向线段把这些小框图连接起来,以表示系统的基本结构框架,再用无向线段或有向线段表示系统与环境的联系,这样形成的图形就叫系统的框图模型。最简单的系统框图模型是输入—输出模型,也叫系统的概念模型,如下图所示。
3.系统分析的主要原则
(1)整体性原则:系统分析首先要着眼于系统整体,要先分析整体,再分析部分;先看全局,后看局部;先看全过程,再看某一个阶段;先看长远,再看当前。
(2)科学性原则:系统分析一方面要有严格的工作步骤,另一方面应尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析,使决策的过程和结果更具说
服力。
(3)综合性原则:当系统存在若干个目标时,需要综合分析,统筹兼顾,不可顾此失彼,因小失大。
知识点四　简单系统设计的过程
1.系统设计
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。它既包含了对某个系统进行技术设计本身的内容,同时又需要运用系统的思想和方法对其设计过程进行分析和设计。
2.系统设计应考虑的主要问题
(1)系统设计的目的与要求。要从整体出发,以系统整体功能的最优为目的。
(2)系统各部分之间的相互联系与相互作用。运用系统的思想综合考虑各部分之间的关联、冲突,注重各部分的横向、纵向联系。
(3)系统设计的步骤。把系统分解为若干子系统,确定各子系统的目标、功能及其相互关系,对子系统及系统进行技术设计和评价等。
知识点五　优化系统设计的方案
1.含义
系统的优化是指在给定的条件(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)。
2.影响系统优化的因素和约束条件
(1)影响系统优化的因素:对系统的目标函数产生显著影响,并且可以人为调节的因素。
(2)约束条件:对系统优化起着限制作用,并且不能人为调节的因素。
3.系统优化的方法
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,有的运用数学模型求解,有的通过科学的估算、试验等方法实现。
(1)最优化方法通常是指在一定的人力、物力和财力资源条件下,使经济效益(如产值、利润等)达到最大,并使投入的人力、物力和财力达到最小的方法。
利用最优化方法解决问题的一般步骤:提出需要进行最优化处理的问题,收集有关资料和数据;建立求解最优化问题的有关数学模型,确定变量,列出有关约束条件,分析模型;选择合适的最优化方法;求解方程;最优解的验证和实施。
(2)数学描述是系统分析常用的一种方法。对于比较复杂的系统,人们对其特性了解不够,所以需要运用一定的数学方法,将系统的原型抽象为数学模型,并运用已知的数学方法分析求解得出数学结论,再运用这一结论来解决实际系统中的问题,进而找到合适的解决方案。
问题详解
典例1 系统的特性的理解
典例2 系统中某个概念
典例3 系统分析、设计、概念
典例4 运用系统知识进行系统设计分析
典 例 1
(2022年浙江1月学考)如图所示,土壤
湿度控制系统示意图。湿度传感器采
集土壤湿度信息,当土壤湿度低于设定
值时,喷头打开,喷淋一段时间后自动关
闭。从系统的角度分析,下列说法不正
确的是(　　)
A.系统由控制器、湿度传感器和喷头等组成,体现了系统的环境适应性
B.系统能自动调节土壤湿度,体现了系统的目的性
C.喷头容易损坏,需要定期更换,体现了系统的动态性
D.湿度传感器发生故障会影响喷头开启,体现了系统的相关性
A
解析 系统由控制器、湿度传感器和喷头等组成,体现了系统的整体性。环境适应性是指一个系统与其所处的环境之间有物质、能量、信息的交换,外界环境变化会引起系统特性的改变。
A.热泵系统是供排水管路系统的子系统
B.温控系统损坏时影响热泵系统的运行,体现了系统的相关性
C.在不同天气、不同季节热水器均能正常运行,体现了系统的环境适应性
D.实现高效节能目标,体现了系统的目的性
解析 热泵系统和供排水管路系统都是太空能热水器系统的子系统。
变式训练
1.一款太阳能—空气能(简称太空能)热水器如图所示。太空能
热水器系统由太阳能集热系统、热泵系统、供排水管路系统
和温控系统组成。热水器优先利用太阳能加热,当阴雨天气、
寒冷冬季水温达不到设定要求时,热泵自动投入运行,从而实
现高效节能目标。以下对太空能热水器系统的说法不正确的
是(　　)
A
2.太阳能光伏发电系统是将太阳能直接转换为电能的
一种发电系统,由光伏组件、布线系统和逆变器系统
等组成,运行成本较低,易维护。太阳能光伏发电系统
常常在高温和强紫外线的环境下工作,布线系统必须
采用有保护套的专用电缆。下列关于该系统的说法
不正确的是(　　)
A.太阳能光伏发电系统应具有较好的环境适应性
B.布线系统是太阳能光伏发电系统的子系统
C.如果未能采用有保护套的专用电缆,将会影响到整个系统的使用寿命,体现了系统的整体性
D.太阳能光伏发电系统运行成本较低,易维护,体现了系统的相关性
D
解析 太阳能光伏发电系统运行成本较低,易维护,体现了系统的目的性。
典 例 2
小明同学用小方木和圆棒搭建的自承式桥梁模型如图所示。下列关于该模型的说法不正确的是(　　)
A.该模型属于框架结构
B.该模型属于自然系统
C.圆棒是该模型的一个要素
D.若模型的一根小方木断裂,模型会坍塌,体现了系统的整体性
解析 该模型属于人造系统。
B
变式训练
方舱医院的一种设计方案如图所示:各病区呈放射状布置,医护人员办公区设在中心,使医护人员到病床的活动路线最短;每个病区采用不同的颜色划分;六边形的角落处设置卫生间,并保证通风。这使方舱医院在总体上得到了高效应用。该方案主要体现了系统分析的(　　)
A.整体性原则 B.标准化原则 C.科学性原则 D.综合性原则
解析 先考虑整体后考虑局部属于系统分析的整体性原则。
A
典 例 3
(2021年浙江1月学考)如图所示,经改进的某储油罐清洗系统,其控制部分可分为喷水控制子系统和抽水控制子系统。喷水控制子系统工作过程:PLC根据检测装置检测到的污水中的含污量,控制增压泵产生高压水,通过喷头冲洗油罐。抽水控制子系统中,PLC控制真空泵将油罐中的污水抽到污水箱。下列关于储油罐清洗系统的分析不正确的是(　　)
A.检测装置的精度影响着增压泵的工作,体现了系统的相关性
B.能清洗大小不同的油罐,体现了系统的动态性
C.增压泵的性能是影响该系统优化的因素
D.油罐清洗的洁净程度是该系统的优化目标
B
解析 储油罐清洗系统中部分(检测装置)对另一部分(增压泵)的影响,体现了系统的相关性,A正确;能清洗大小不同的油罐是该储油罐清洗系统的功能,体现了系统的目的性,B错误:系统优化过程中,可选择不同性能的增压泵,增压泵的性能又能影响最终的优化目标,也就是清洗效果,因此属于影响系统优化的因素,C正确;该系统的主要目的是清洗油罐,因此油罐清洗的洁净程度就是该系统的优化目标,D正确。
变式训练
1.我国首座“超级镜子电站”如图所示。在控制系统中
植入了太阳运动轨迹程序,当系统运行时,根据太阳的
位置信息,由减速机自动调整反射镜角度,使太阳光能
够持续地反射到集热器上,对熔盐进行加热,其中一部
分热熔盐通过蒸汽发生器产生蒸气进行发电,另一部
分热量存储在熔盐罐中供日落后发电使用。从系统
的角度分析,下列说法不正确的是(　　)
A.能经受风沙、冰雹等极端天气考验,有较好的环境适应性
B.部分反射镜损坏,集热器吸收到的能量减少,体现了系统的整体性
C.太阳的位置改变,反射镜角度跟随改变,体现了系统的相关性
D.工程师经过大量数据测定和科学计算,将太阳运动轨迹程序植入控制系统,体现了系统分析的科学性原则
C
解析 系统能够适应不同的环境,保持系统原有的特性,体现了系统的环境适应性,A正确;系统反射镜这一要素的损坏,影响系统集热功能,体现了系统的整体性,B正确;太阳位置发生改变,系统随之改变,未体现系统各个要素间的相互影响,没有体现系统的相关性,C错误;工程师在系统分析的时候,采用了科学方法和数学工具,体现了系统分析的科学性原则,D正确。
2.消防机器人作为特种消防设备,可代替消防队员完成
火场侦察、化学检测和灭火救援等工作。下列说法正
确的是(　　)
A.消防机器人系统属于自然系统
B.消防机器人可代替消防救援人员进入有毒、缺氧等危险灾害现场进行灭火
C.现场指挥人员根据消防机器人在灾害现场侦察与化学检测等的反馈,对灾情作出科学判断和正确决策的过程不属于系统分析
D.消防机器人在高温黑暗、有毒等灾害现场均能完成灭火救援任务,体现了系统的相关性
B
解析 消防机器人系统属于人造系统;现场指挥人员根据消防机器人在灾害现场侦察与化学检测等的反馈,对灾情作出科学判断和正确决策的过程属于系统分析;消防机器人在高温黑暗、有毒等灾害现场均能完成灭火救援任务,体现了系统的目的性。
3.植保无人机可通过地面遥控或导航飞控,实施喷
洒药剂种子等作业。下列关于植保无人机的说法
正确的是(　　)
A.植保无人机可增加GPS姿态模式,在有风天气悬停的精度不会受到影响,属于系统的优化
B.通过对植株计数、土壤湿度检测以及水分利用分析等来帮助提高土地利用效率和农作物产量,体现了系统分析的综合性原则
C.除了可实施喷洒作业,其采集的农业数据还可以用于科研等其他方面,体现了系统分析的整体性原则
D.作业区块的风向、风速等气象变化,不属于飞行控制系统的干扰因素
A
解析 通过对植株计数、土壤湿度检测以及水分利用分析等来帮助提高土地利用效率和农作物产量,体现了系统分析的科学性原则;采集的农业数据还可以用于科研等其他方面,没有体现系统分析的整体性原则;作业区块的风向、风速等气象变化,属于飞行控制系统的干扰因素。
典 例 4
(2022年浙江7月学考)在校园农业劳动实践中,同学们为植物栽培设计了一个营养液循环控制系统(图a为系统框图模型,图b为控制系统示意图),该系统包括微控制器、环境感知部分、调节部分等。温度传感器、液位传感器、pH传感器和流速计均安装在栽培槽中。根据微控制器发出的指令,加热器与制冷器、蠕动泵、水泵联合调节栽培槽中营养液的温度、pH、液位和流速。下列关于该系统设计与分析的说法不合理的是(　　)
C
图a
图b
A.系统设计要从整体出发,以创建植物生长的最优营养液环境为目标
B.系统设计要考虑液位控制与pH控制之间的相互影响
C.不能将该系统分解为温度、液位等子系统进行设计
D.系统分析过程中建立了系统框图模型,属于建模的分析方法
解析 可以将该系统分解为温度、液位等子系统进行设计,一般系统都可以分解成更小的子系统。
变式训练
(2023年浙江6月选考)如图所示,一种给布染色的卷染机系统示意图。将待染色的布装在右滚筒上,电机驱动左滚筒转动,带动布从右滚筒卷绕到左滚筒上,经过染色池完成染色。染色前将右滚筒上布的厚度输入工控机,染色时编码器实时测量电机和滚筒的转动信号,工控机根据转动信号计算出转速、卷绕圈数、布卷直径,并通过变频器来调节电机转速,使布保持稳定的线速度。右滚筒上的阻尼器使布保持一定的张力。下列关于该卷染机的分析,不恰当的是(　　)
C
A.要定时给染色池添加染液
B.电机功率的选择需要考虑阻尼器的阻尼大小
C.染色过程中右滚筒的转速随着左滚筒转速的减小而减小
D.可以对不同厚度的布进行染色
解析 染色过程中右滚筒的转速随着左滚筒转速的减小而增大。

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