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课时3　系统设计的优化与实现
第三章　系统及其设计
目 录
CONTENTS
任务清单与知识构建
01
案例导学厘清重难点
02
随堂达标检测
03
课时分层训练
04
任务清单与知识构建
1
任务　优化系统设计的方案
1.系统优化：在给定的条件(或约束条件)下，根据系统的____________，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到___________________________。
2.____________：是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。
3.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__________________的因素。
优化目标
最大化(或最小化)
目标函数
可以人为调节
4.约束条件：对系统优化起着限制作用，并且__________________的因素。
5.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。为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为_______________。
不能人为调节
最优化方法
案例导学厘清重难点
2
重难点　约束条件与影响系统优化的因素
区别 实例
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 ①农作物的生长特征、天气、气候等因素对农作物套种起着限制作用，是不能人为调节的。
②约束条件是不可改变的限制因素，在设计的一般过程“明确问题”中，要求明确各类限制因素，包括来自设计产品本身(各种标准、设计要求等)和设计者(能力、资金等)，这些对于一个项目来说，往往是不可更改的。
③签订的合同中的工程款总额。
④大楼建设项目中要求大楼有五级抗震能力、委托人提出的大楼功能划分需求，需要在一年内向委托人交付大楼。
⑤水龙头出水量控制中自来水的水压。
⑥大桥系统的使用年限、抗台风等级、最大通航等级
区别 实例
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 ①套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等对套种的产量产值有直接影响，这些是增产增收的影响因素，可以人为调节、可优化。
②调配大楼建设的施工人员。
③充电桩系统的供给电压、系统的电路性能、充电桩的检查维护。
④工程项目的管理水平
系统 优化 的措 施 紧紧围绕系统优化的“目标” ①为了提高液位控制系统的液位控制精度，有效的优化措施是提高传感器灵敏度。
②自助银行系统以安全为目标的优化措施有：增加取钞、退卡语音提示功能、设置智能监控系统、采用伪钞识别新技术
C
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，体现了系统的目的性
C.增压泵的性能是约束条件
D.油罐清洗的洁净程度是该系统的优化目标
解析　选项A：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，体现系统的相关性，选项正确；选项B：能清洗大小不同的油罐是该储油罐清洗系统的功能，体现系统的目的性，选项正确；选项C：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，选项错误；选项D：该系统的主要目的是清洗储油罐，油罐清洗的洁净程度是系统的优化目标，选项正确。
A.库存的力传感器的灵敏度是该系统优化的约束条件
B.优化前后的两种控制系统都可分为检测、控制和执行子系统
C.系统的优化手段是改变张力检测和放卷速度控制形式
D.优化时先考虑力传感器的灵敏度，再考虑印刷质量，体现了系统分析的整体性原则
D
解析　选项A：传感器的选择属于影响因素，但指定传感器则属于约束条件，选项正确；选项D：没有体现先整体，再部分，是先部分，再整体，不体现整体性原则，选项错误。
例2 如图所示是一款感应飞行器，其控制部分可分为机翼转速控制子系统和碰撞机翼停转子系统。机翼转速控制子系统工作过程：打开电源开关，小黄人通过脚下红外线发射和接收装置检测在其正下方障碍物(如：手、纸片等)的距离。当距离较小时控制电路控制电机，电机通过齿轮组带动机翼高速转动，小黄人升空；当检测到和正下方障碍物的距离较大时，机翼转速下降，小黄人缓慢落下。当小黄人飞行过程中发生碰撞时，传感器检测到振动信号，机翼停转。从系统的角度，下列分析中正确的是(　　)
解析　A是整体性，B是目的性，D是综合性原则。
C
A.内部齿轮组发生故障，小黄人就无法飞行，体现了系统的相关性
B.顶部机翼采用了双平衡杆，使飞行更稳定，体现了系统的动态性
C.电机性能是影响该系统优化的因素
D.设计时，既要考虑飞行器的成本，又要兼顾其功能和趣味性，体现了系统分析的整体性原则
变式训练2 如图所示铝型材末端淬火实验装置图，将铝型材试样A、B、C加热到520 ℃后快速安放在支架上，打开控制阀，水泵抽取水池中的水，其流速可根据流量计来调节，喷嘴对铝型材试样末端进行喷水冷却，温度采集仪通过热电偶将3个特征点的温度变化曲线在计算机中记录下来，利用反热传导程序计算型材与介质表面的换热系数。从系统角度分析，以下分析合理的是(　　)
D
A.实验装置由喷水控制子系统、水温控制子系统、温度采集子系统和计算处理子系统组成
B.冷却水可循环利用，体现了系统的环境适应性
C.系统分析时需兼顾实验效果及安全性，体现了系统分析的科学性原则
D.喷嘴与试样的距离属于系统优化的影响因素
解析　选项A：实验装置不包含水温控制子系统，选项错误；选项B：冷却水可循环利用，是系统的功能，体现了系统的目的性，选项错误；选项C：系统分析时需兼顾实验效果及安全性，体现了系统分析的综合性原则，选项错误；选项D：喷嘴与试样的距离，没有限定，可以改变，属于影响因素，选项正确。
例3 堪称全球最长、创意最独特的港珠澳大桥，主体由桥梁、海底隧道和人工岛组成。大桥的设计采取了一系列优化措施，下列措施中，以提高大桥安全性为目标的是(　　)
解析　人工岛周围投放石头形成斜坡，如果船太靠近就会搁浅，是从大桥安全角度考虑的。
D
A.大桥在伶仃西航道和铜鼓航道段采用海底隧道方案，不影响通航
B.设计了中华白海豚观赏区和海上观景平台
C.在珠澳人工岛上设有大型停车场，以缓解澳门本岛的交通压力
D.人工岛周围投放石头形成斜坡，如果船太靠近就会搁浅
变式训练3 自助银行是指由客户自己完成整个业务流程的银行。为了给客户提供更好的服务，对自助银行系统进行以下优化，其中不属于以安全为目标的优化是(　　)
A.增加取钞、退卡语音提示功能
B.设置智能监控系统
C.采用伪钞识别新技术
D.使用触摸屏新技术
解析　触摸屏新技术体现了良好的人机交互功能，不是为了安全方面目标优化的。
D
随堂达标检测
3
A.设计时应该以实现TEC制冷片的恒定温度控制为主要目标
B.设计时应该考虑系统的各软件、硬件之间是否兼容
C.电源驱动器的可靠性对系统工作的稳定性有影响
D.PID控制器的算法是系统控制性能优化的影响因素
A
解析　根据选项间的排除法并结合答案，A的错误在于控制的并不是TEC制冷片的恒定温度，应该是区间温度控制或是控制温度由输入的正弦温度参数决定，而不是恒定某个值。
A.车道监视摄像机能在雨雾天气工作，保持较高识别率，体现了系统的环境适应性
B.路侧显示器和龙门显示装置故障，导致系统运行效率降低，体现了系统的整体性
C.各设备之间的距离、参数要经过匹配和建模分析，体现了系统分析的科学性原则
D.新能源车、传统燃油车、特种车辆等不同颜色的车牌属于该系统优化的影响因素
D
解析　选项D：ETC系统的工作原理是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换，所以车牌的颜色与本控制系统无关，不是系统优化的影响因素，选项错误。
A.在系统分析的基础上，完成该系统的设计
B.飞机仰俯角的变化会影响升降舵的偏转
C.陀螺仪电位器的参数与飞机仰俯角的设定有关
D.阵风和气流属于该系统优化的影响因素
D
解析　影响系统优化的因素是指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。阵风和气流会影响飞机的俯仰角，且不能人为调节的，是系统优化的约束条件而不是影响因素。所以选D。
A.兼顾剔除效率及准确率，体现了系统分析的综合性原则
B.剔除次品从而提高合格率，体现了系统的相关性
C.需定期检查液压伸缩推杆的工作稳定性，体现了系统的动态性
D.液压伸缩推杆的性能是系统优化的影响因素
B
解析　选项A：同时兼顾效率和准确率两个目标，体现了综合性原则，选项正确；选项B：体现了系统的目的性，选项错误；选项C：系统需要定期检查和维护，体现了系统的动态性，选项正确；选项D：液压伸缩推杆的好坏影响自动剔除台系统的工作效果，又可以人为调节，属于影响因素，选项正确。
A.执行机构根据控制装置的控制命令及时调整控制量，体现了系统的相关性
B.能将板带材厚度控制在允许偏差范围之内，体现了系统的目的性
C.测厚仪的精度是影响该系统优化的因素
D.借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变轧辊的位置、张力或轧制速度，体现了系统分析的科学性原则
D
解析　选项D：使用系统不属于系统分析的范畴，选项错误。
A.改变杆2杆3的长度，可以实现皮带的不同舒张程度，体现系统的目的性
B.丝杠螺纹长度的确定要考虑到杆2和杆3的长度，体现了系统的相关性
C.底座的稳定性不属于系统优化的影响因素
D.皮带的弹性属于系统优化的约束条件
C
解析　C项：底座的稳定性对皮带舒张控制的可靠性存在影响；D项：对于给定的皮带，其弹性不会改变，在皮带舒张控制系统的优化过程中属于约束条件。
4
课时分层训练
基础巩固篇
素养提升篇
A.城乡规划
B.工人师傅根据划线锯割三角铁　
C.全国第六次列车提速
D.网上银行及自动存、取款机的应用
B
解析　工人师傅根据划线锯割三角铁，没有在原有基础上改进的问题，选项B错误。
A.两个子系统的设计要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的
B.卷辊上纸张的多少影响着活塞的推力大小，体现了系统的相关性
C.设计时既要考虑纸张卷绕整齐，又要兼顾生产效率，体现系统分析的综合性原则
D.油泵和油缸的性能是优化纠偏控制子系统的约束条件
D
解析　选项A：系统设计以系统整体功能的最优为目的，选项正确；选项B：卷辊与活塞是构成系统的要素，两者之间存在着力的作用联系，体现了系统的相关性，选项正确；选项C：系统分析的综合性原则是指系统分析总是为实现系统目标服务的，这就需要综合分析系统目标，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大，选项正确；选项D：约束条件是指不能人为调节的因素，油泵和油缸是可以选择的，所以性能是可以改变择优的，选项错误。
A.由蓄水池、水泵、PLC等组成，是构成系统的条件之一
B.系统运行过程中，蓄水池水位会发生变化，体现了
系统的目的性
C.备用泵损坏，用户用水量少时系统仍能正常工作，
体现了系统的整体性
D.新小区规划时，蓄水池的大小、位置是影响该系统优化的因素
B
解析　A选项符合构成系统的条件之一：两个或两个以上要素；B选项，蓄水池水位变化不是目的，供水才是目的，不能说明目的性；C选项，体现部分与整体的关系，属于整体性；D选型，在规划时，蓄水池的大小、位置根据需要可以人为调整，已实现最优。
4.网箱养鱼是一种科学养鱼方法。它是利用网片装配成一定形状的箱体，设置在较大的水体中，通过网眼进行网箱内外水体交换，使网箱内形成一个适宜鱼类生活的活水环境。利用网箱养鱼，不仅提高了水面的利用率，而且提高了鱼产量。下列说法正确的是(　　)
A.增加系统的要素，就能使系统得到优化
B.增加了网箱，其实是增加了系统的约束条件
C.采用网箱养殖，对系统的目标函数产生了显著的影响
D.网箱养殖，是系统优化的必然选择
C
解析　选项C：采用网箱养殖，改变了影响因素，提高了鱼产量，对系统的目标函数产生了显著的影响，选项正确。
A.该系统有PLC、温度变送器、调压器等部分组成，体现了系统的整体性
B.该系统可以保持温度恒定，体现了系统的目的性
C.系统在使用过程中需要对获得温度与设定温度进行分析计算，确定加热时间，体现了系统分析的整体性原则
D.在系统优化的过程中，加热器功率、热电偶的型号属于影响因素
C
A.LED灯的颜色会根据用水量变化而变化，体现了系统的环境适应性
B.水量感应器故障会导致水量提示系统无法正常工作，体现了系统的整体性
C.设计时，通过计算得出发电装置能提供的稳定发电量，体现了系统分析的科学性原则
D.为了提高水量提示的准确度，水量感应器的性能是该系统优化的影响因素
A
解析　LED灯的颜色会根据用水量的变化而变化，这不是为了适应环境，而是该系统的功能，体现了系统的目的性。
7.如图所示是一款智能快递柜，柜体与控制系统一起构成智能快递终端系统。快递员通过特定的身份识别卡进入配送模式，通过快递柜上的扫码枪扫描邮件上的条形码，获取邮件的相关信息，控制系统自动打开空闲柜子，快递员将邮件放入后关闭柜门，系统将包含有快递的信息发送至收件人手机，完成配送任务。收件人收到信息后，到相应的快递柜处取件，输入事先收到的验证密码，由系统识别后自动打开对应的柜门，完成取件任务。下列关于智能快递柜的说法正确的是(　　)
D
A.无法当面签收，可能导致货物运送过程中存在破损隐患，说明系统目的性不明确
B.无接触配送和用户自助取件大幅提升了物流末端的配送效率，体现了系统的整体性
C.设计该智能快递柜时，先考虑柜子的数量和大小，再考虑保障快递包裹的安全性，体现了系统分析的整体性原则
D.为了兼容不同大小的快递包裹要对系统进一步优化，柜子的容积大小是影响系统优化的因素
解析　A选项货物运送过程中存在破损隐患与智能快递柜无关，因此没有系统的目的性，错误；B选项无接触配送和用户自助取件大幅提升了物流末端的配送效率，只能体现系统的目的性，与整体性无关，错误；C选项设计该智能快递柜时，先考虑柜子的数量和大小，再考虑保障快递包裹的安全性，体现了系统分析综合性原则，与整体性原则无关，错误。
8.手机在拍摄视频时，稳定非常重要。很多摄影师在拍摄的时候，会使用手机稳定器。稳定器主要由稳定控制器、陀螺仪模块和三个伺服电机构成，这三个电机各保持一个轴向的稳定，分别是航向(左右)方向、横滚方向、俯仰方向。工作原理是：在稳定器系统里提前设定平衡初始值，通过陀螺仪模块检测稳定器三个维度的姿态变化，当姿态发生变化时，稳定控制器输出补偿偏差信号，控制伺服电机的方向、转速，从而纠正画面的倾斜，实现稳定拍摄。下列关于该稳定器系统的分析中正确的是(　　)
A
A.陀螺仪模块的灵敏度会影响稳定器使用效果，体现了系统的整体性
B.内部的电机长时间使用会损坏，体现了系统的环境适应性
C.路面的起伏是影响该系统优化的因素
D.设计系统时先要考虑稳定效果，再要考虑制作成本，体现了系统分析的整体性原则
解析　A.陀螺仪模块是该稳定器系统的一个部分，它的灵敏度会影响稳定器的使用效果，这是部分影响整体的功能，体现系统的整体性，正确；B.内部电机长时间使用会损坏，体现系统的动态性，错误；C.路面起伏是约束条件，错误；D.先考虑稳定效果再考虑制造成本是考虑两个目标这是系统分析的综合原则，错误。
A.应变片传感器的灵敏度是该系统优化的影响因素
B.优化前后的两种控制系统都可分为检测、控制和执行子系统
C.将混联杠杆改为电子控制是该系统优化的手段
D.优化时先考虑应变片传感器灵敏度，再考虑控制精度，体现系统分析整体性原则
D
解析　选项A：应变片传感器设计中可以选择，属于影响因素，选项正确。选项B：控制系统是用混联杠杆做的机械控制，后来改进为电子控制，但都可分为检测、控制和执行三个子系统，选项正确。选项D：系统优化时，先考虑应变片传感器，再考虑控制精度，不能体现系统分析的整体性原则，选项错误。
A.数控装置出现故障，导致机床工作不正常，体现了系统的整体性
B.数控机床能用于加工改型频繁、型面复杂的工件，体现了系统的目的性
C.主轴与轴承等部位要经常添加润滑油，体现了系统的相关性
D.数控机床的行业规范是该系统优化的约束条件
C
解析　选项C：主轴与轴承等部位要经常添加润滑油，体现了系统的动态性，选项错误。
11.自吸增压水压控制系统如图所示，可以实现自来水、太阳能热水器等用水时水压不足情况下的增压功能。开启水龙头时，流量感应器检测水管中的流量，同时压力感应器检测水管中的水压，经智能PC控制芯片与设定值比较后决定电机是否工作。从系统的角度分析，下列说法中正确的是(　　)
B
A.采用了降噪处理，降低工作时的噪音，体现了系统的动态性
B.采用压力罐设计，具有防止使用过程中的频繁启停的作用，体现了系统的目的性
C.自来水的供水水压是该控制系统的影响因素
D.选择电容器时，既要考虑电机功率，又要考虑多种感应器等，体现了系统分析的综合性原则
解析　选项A：降低工作时的噪音，体现了系统的目的性，选项错误；选项C：自来水的供水水压是该控制系统的约束因素，选项错误；选项D：在设计时选择电容器，既要考虑电机功率，又要考虑多种感应器等，体现了系统分析的科学性原则，选项错误。
A.摆杆保持竖直倒立状态是该系统的控制目的
B.精密电位器长时间使用后，其精度下降，体现了系统的动态性
C.单片机根据比较差值，计算出旋臂所需的摆动速度，体现了系统分析的科学性原则
D.精密电位器的精度是该系统优化的影响因素
C
解析　选项C：单片机根据比较差值，计算出旋臂所需的摆动速度是属于系统的控制过程，而不是在做系统分析，选项错误。
C
A.该系统可以自动显示满载率、早晚点时间及路口拥堵状态等多源数据，体现了系统的目的性
B.系统的夜间成像同样清晰，体现了系统的环境适应性
C.在系统设计时，先要考虑到车内人员包括司机的信息交互，再考虑到车外车辆人员的信息传递，体现了系统分析的整体性原则
D.该系统中，车内人员和路口信息是系统优化的约束条件
解析　选项C：考虑多个功能，体现了系统分析的综合性原则，选项错误。
14.小明老家种了十亩猕猴桃，他设计了一种如图1所示的灌溉器，利用村镇自来水对田间进行灌溉来实现对土壤湿度的控制。在实际使用过程中，小明发现该装置在中午、晚饭时段容易受干扰，从而影响灌溉效率。为此，他进行了如图2所示的改进设计。从系统的角度，下列选项中分析正确的是(　　)
C
A.在改进过程中，既要考虑自动灌溉器的功能，又要考虑制作成本和组装难度，体现了系统分析的相关性原则
B.改进后的系统工作时，系统能精准探测土壤湿度并进行计算、比较，做出调整，体现了系统分析的科学性原则
C.湿度传感器放置在不同的位置所检测到的土壤湿度会不一样，所以传感器放置位置是该系统优化的影响因素
D.不同的植物对土壤湿度的要求不同，所以植物是该系统优化的影响因素
解析　选项A：没有相关性原则，体现了综合性原则，选项错误；选项B：系统工作时的计算不属于系统分析范畴，选项错误；选项D：植物的生长特性属于约束条件，选项错误。
A.钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置科学分工、精密配合，实现了在月球表面采集土壤，体现了系统的整体性
B.光照、电源、热控这些条件是系统优化的影响因素
C.系统能在月球表面高温的工作环境下运行，体现了系统的环境适应性
B
解析　选项B：光照、电源、热控这些条件是系统优化的约束条件，选项错误。
D.设计系统时，要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的
A.该系统由电磁线圈、活塞、曲轴、连杆、飞轮等部分组成，体现了系统的整体性
B.适当使用润滑油能够降低机械损耗，延长零件寿命，体现了系统的动态性
C.该系统中要能实现气缸做往复直线运动，需要考虑活塞的运动曲线、曲轴、连杆尺寸，体现了系统分析的综合性原则
D.在系统优化的过程中，电磁线圈的圈数、飞轮片的大小等属于影响因素
答案　C
解析　选项C：体现了系统分析的科学性原则，选项错误。
A.反应釜配料定量控制系统和
反应釜温度控制系统存在一定
的联系，体现系统的相关性
B.设计反应釜温度控制系统时，将夹套设计成具有较好隔热能力，体现系统环境适应性
C.流量计的灵敏度是反应釜温度控制系统优化的影响因素
D.该系统能精确控制反应配料量和温度，体现系统的目的性
答案　C
解析　选项C：流量计的灵敏度是反应釜定量控制系统优化的影响因素，选项错误。
B
2.如图所示为小乐家房顶配置的水塔供水系统。当水池水位低于下限时，控制中心控制打开电磁阀，进水开始，到达上限水位时，自动关闭水阀；当水塔水位低于下限，并且水池水位高于下限时，控制中心启动水泵给水塔加水。关于该系统，下列说法中正确的是(　　)
A.该系统的主要目的是为了控制水池的水位
B.水泵出现故障会影响水塔的进水，体现了系统的整体性
C.选择水泵的功率时既要考虑水池的容量大小又要考虑水塔的容量大小，体现了系统分析的综合性原则
D.系统优化时需要考虑进水的流量，因此进水流量是该系统优化的影响因素
解析　选项A：该系统叫“水塔供水系统”，目的是控制水塔水位，而不是水池水位，选项错误；选项B：水泵故障影响水塔进水，体现了要素对整体功能的影响，是整体性的体现，选项正确；选项C：“水池容量大小”和“水塔容量大小”是约束条件，无法改变，并不是系统的目标，所以不是综合性原则的体现，选项错误；选项D：进水的流量是设计系统时不能改变的，属于约束条件而不是影响因素，选项错误。
D
A.行进驱动子系统影响采摘控制子系统的工作，
体现了系统的相关性
B.果实筐长期使用会变形，需要更换，体现了系统的动态性
C.提高对成熟番茄的识别率是该系统优化的目标
D.工控机显示器的分辨率是该系统优化的约束条件
解析　选项A：行进驱动子系统和采摘控制子系统都是采摘智能机器人系统的子系统。他们相互关联，相互影响，故体现系统的相关性，选项正确；选项B：系统长期使用后，会损坏磨损，需要定期维护保养，体现系统的动态性，选项正确；选项C：系统优化目标为达到最优的效果，成熟番茄识别是该系统关键性问题，选项正确；选项D：约束条件：对系统优化起限制作用，并且不可人为调节的，选项错误。
A.该装置能实现定量给料自动控制，体现了
系统的目的性
B.输送机皮带长期使用后张力会发生变化，
体现了系统的动态性
C.速度传感器的性能属于系统优化的影响因素
D.需要同时考虑物料重量和给料速度，体现了系统分析的整体性原则
答案　D
解析　系统分析有整体性原则，为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，再看某一阶段；先看长远，再看当前。因此选项D错误。
B
5.如图所示为一款网球发球机。储球箱用于盛放网球，下球装置可对网球进行搅动，使球落入导球管后进入滚道，通过电机驱动的摩擦飞轮加速后从滚道出口发射出去。电机驱动控制器中的单片机通过设定的参数控制调速模块产生相应的脉冲信号，进而控制电机的转速，实现网球球速的控制。下列关于网球发球机系统的分析中正确的是(　　)
解析　选项A：机架的结构(要素)影响发球机(整体)的强度和稳定性，体现系统的整体性，选项错误；选项C：系统中各构件通常都是可以调整精度和尺寸调节的，选项错误；选项D：体现科学性原则，选项错误。
A.机架的结构影响发球机的强度和稳定性，体现系统的动态性
B.摩擦飞轮过度磨损会影响发球效果，体现系统的整体性
C.导球管的粗细是该系统优化的约束条件
D.在确定飞轮与滚道间距时充分考虑网球大小和摩擦力等参数，体现系统分析的综合性原则
B
A.若水泵故障，可能导致水井水位高于上限，体现了系统的整体性
B.该系统可调节传感器位置以设定液位面高度，体现了系统的动态性
C.该控制系统可以分为水塔水位控制子系统和水井水
位控制子系统
D.水井内水量的季节性变化规律属于系统优化的约束条件
解析　选项B：描述该控制系统可以调节液位面高度这一功能，属于系统的目的性，选项错误。
C
A.伺服驱动器的性能是影响该系统优化的因素
B.伺服控制器长期使用后控制精度降低，体现了
系统的动态性
C.选择伺服控制器时，既要考虑转角和速度检测
元件，又要考虑伺服驱动器等，体现了系统分析的综合性原则
D.伺服控制器根据转动角度和速度偏差值控制伺服电机转动，体现了系统的相关性
解析　选项C：强调伺服控制器与转角和速度检测元件及伺服驱动器之间的相互关系，体现了系统的相关性，选项错误。
B
A.由传感器、处理器、报警器等组成，体现
了系统的整体性
B.能感知高危性碰撞，体现了系统的动态性
C.设计该系统时，既要考虑成本，又要考虑功能的实现，体现了系统分析的综合性原则
D.处理器的运算速度是该系统优化的因素
解析　选项B：能感知高危性碰撞，是系统的主要功能，体现了目的性，选项错误。
B
9.如图所示为物料自动混合控制系统示意图，其中物料A是一种粒度比较小的固体物料，当物料A下落到电子皮带上时，压力传感器将测得的数据传送到PLC与给定值进行比较。根据比较结果调节变频电机M1的转速，从而控制物料A的给料量。物料B为液体物料，液位传感器将检测到的液位信号传送到PLC，由PLC控制调节阀的开度，从而控制物料B的给料量。搅拌电机M2能根据搅拌器中液位变化，实时调整电机的转速。关于该物料自动混合控制系统，下列分析中正确的是(　　)
A.压力传感器的精度影响着物料A的给料量，体现了系统的动态性
B.变频电机M1的性能是系统优化的影响因素
C.搅拌电机M2能根据液位变化，实时调整电机转速，这体现了系统的环境适应性
D.确定电机M2的功率时，需要考虑容器的大小和物料A与物料B的配比，体现了系统分析的综合性原则
解析　选项A：压力传感器的精度影响着物料A的给料量，体现了系统的要素之间是相互联系和制约的，体现系统的相关性，选项错误；选项B：变频电机M1的性能改变能影响系统的运行，属于可调节的又对系统产生显著影响的因素，是系统优化的影响因素，选项正确；选项C：搅拌电机M2能根据搅拌器中液位变化，实时调整转速，体现了系统的目的性、相关性和动态性，但没有体现环境适应性，选项错误；选项D：确定电机M2的功率时，需要考虑容器的大小和物料A与物料B的配比，体现了系统分析的科学性原则，选项错误。
A
10.感应水龙头的原理是通过红外感应开关接通电磁阀控制感应水龙头自动开关。当人的手进入感应范围时，传感器探测到人手信号，开关自动接通电磁阀，水龙头出水；在感应区域内无动作，开关延时(时间可调5 s～120 s)自动关闭电磁阀。关于该感应水龙头控制系统，下列分析中正确的是(　　)
A.传感器出现故障，感应水龙头无法自动出水，体现了系统的整体性
B.随着人体信号的变化，改变电磁阀的接通情况，体现了系统的环境适应性
C.设计该系统时，既要考虑传感器，又要考虑电磁阀，体现了系统分析的综合性原则
D.传感器的灵敏度是该系统控制精度优化的约束条件
解析　选项B：该水龙头能感应人体信号的变化，从而改变电子阀的接通情况，实现了一定的功能和目的，体现系统的目的性，选项错误；选项C：综合性原则的一层意思是出现多个目标的时候综合处理，传感器和电磁阀不是目标，选项错误；选项D：约束条件和影响系统优化因素的区别在于是否可以人为调节，传感器的灵敏度在这里属于可人为调节，所以不是约束条件，选项错误。
A
A.为了优化摄像头安装位置，网球场地的大小是影响系统优化的因素
B.高速摄像系统和3D即时成像系统是即时回放系统的两个子系统
C.系统能在10秒内完成数据的采集和结果的演示，体现了系统的目的性
解析　网球场地的大小是约束条件，故选A。
D.通过定量分析，确定需设置8台高速摄像头，体现了系统分析的科学性原则
A.可以精确控制施肥量，体现了系统的目的性
B.流量传感器的灵敏度是该系统优化的影响因素
C.过滤网使用一段时间后要进行更换，体现了系统的动态性
D.设计该系统既要考虑显示器，又要考虑压力泵等，体现了系统分析的综合性原则
答案　D
解析　定量注肥控制子系统不包含显示器，故D选项错误。
B
A.水位变送器的灵敏度影响着调节阀的开度，体现了系统的相关性
B.当用户蒸汽流量需求变大时，该系统能维持汽包水位在一定的范围内，体现了系统的环境适应性
C.省煤器的设置，是为了实现对系统的优化
D.设计系统时，对给水流量、蒸汽流量进行了定量分析，体现了系统分析的科学性原则
解析　选项B：维持汽包水位在一定的范围内，体现了系统的目的性，选项错误。
C
A.涡流传感器的精度影响着钢水液面的控制精度，体现了系统的整体性
B.电动阀门的性能是影响该系统优化的因素
C.PLC根据涡流传感器的电流大小分析计算出对应液面高度，体现系统分析的科学性原则
D.钢水液面的控制精度是该系统的优化目标
解析　选项C：PLC根据涡流传感器的电流大小分析计算出对应液面高度，使用系统不属于系统分析范畴，选项错误。
A
15.如图所示的羽毛球捡球机器人，具有自动寻球、捡球、堆码的功能。控制器对摄像头采集到的图形进行分析和处理，得出羽毛球和机器人的坐标差，将差值与夹持手的捡球范围进行比较，控制电机2转动，带动万向轮使机器人移至捡球区域；然后由电机1驱动夹持手捡球并沿着导轨移动至球筒上方。由于羽毛球具有头重脚轻的特点，夹持手松开后，羽毛球即在球筒内自动堆码。关于该羽毛球捡球机器人，下列分析正确的是(　　)
A.羽毛球的形状和尺寸是系统优化的约束条件
B.具有自动寻球、捡球、堆码的功能，体现了系统分析的综合性原则
C.羽毛球捡球机器人由控制器、电机、导轨、支架等组成，体现了系统的相关性
D.只能捡羽毛球，不能捡乒乓球，说明系统的动态性差
16.如图所示为国内某科研团队研发的智能核酸检测机器人，装有“视觉与力控”子系统，可以保证刮拭足够的采样面积，刮拭力度可以控制在0.15 N以内，降低人体的不适感。在视觉子系统中，视觉传感器获取人脸原始图像并传输到控制器，由控制器对图像数据进行加工，提取口腔、喉咙和扁桃体位置，将结果以信号的方式输送到相连的PLC；在力控子系统中，力传感器将获得的受力信息反馈给PLC，PLC将实际力值与目标力值进行比较，发出指令给电机，由电机驱动机械臂调节位置姿态来达到力的目标值，使刮拭动作轻柔。从系统的角度分析，下列说法中正确的是(　　)
A.控制器的图像处理精度是影响该系统优化的约束条件
B.当视觉传感器发生故障，会导致机械臂的位置发生偏差，体现了系统的动态性
C.设计该系统时，既要考虑采样效率，又要考虑刮拭力度，体现了系统分析的综合性原则
D.能够代替人工完成核酸采样的全过程，体现了系统的整体性
答案　C
解析　选项A：控制器的图像处理精度是可以人为改变的，是影响该系统优化的条件而不是约束条件；选项B：当视觉传感器发生故障，会导致机械臂的位置发生偏差，体现了系统的相关性而不是动态性；选项C：设计该系统时，既要考虑采样效率，又要考虑刮拭力度，多个目标综合考虑，体现了系统分析的综合性原则；选项D：能够代替人工完成核酸采样的全过程，体现了系统的目的性而不是整体性。所以选C。
D
A.该系统优化的目标为车辆能够顺畅进出停车场
B.停车场现有通道是该系统优化的约束条件
C.在停车场出入口加装车辆进出实时信息提示装置以实现优化
D.系统优化时，先考虑优化所需的成本，再考虑车辆进出的效率，体现了系统分析的整体性原则
解析　系统分析整体性原则是指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，再看某一阶段；先看长远，再看当前。而“所需的成本”与“车辆进出的效率”是系统优化所需考虑的两个目标，而不是整体和局部的关系，需要综合分析统筹兼顾，体现了系统分析的综合性原则。所以选D。
B
A.切刀使用一段时间后，刀头变钝，体现了系统的动态性
B.不合格电容的位置是该系统进行优化时的影响因素
C.探针的检测会影响切刀的工作，体现了系统的
相关性
D.工控机对电容检测数据的计算比较，不能体现系统
分析的科学性原则
解析　不合格电容的位置对电容检测切断系统无关，选项B错误。课时3　系统设计的优化与实现
任务　优化系统设计的方案
1.系统优化：在给定的条件(或约束条件)下，根据系统的____________，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到________________。
2.____________：是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。
3.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________________的因素。
4.约束条件：对系统优化起着限制作用，并且________________的因素。
5.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。为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为______。
重难点　约束条件与影响系统优化的因素
区别 实例
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 ①农作物的生长特征、天气、气候等因素对农作物套种起着限制作用，是不能人为调节的。 ②约束条件是不可改变的限制因素，在设计的一般过程“明确问题”中，要求明确各类限制因素，包括来自设计产品本身(各种标准、设计要求等)和设计者(能力、资金等)，这些对于一个项目来说，往往是不可更改的。 ③签订的合同中的工程款总额。 ④大楼建设项目中要求大楼有五级抗震能力、委托人提出的大楼功能划分需求，需要在一年内向委托人交付大楼。 ⑤水龙头出水量控制中自来水的水压。 ⑥大桥系统的使用年限、抗台风等级、最大通航等级
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 ①套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等对套种的产量产值有直接影响，这些是增产增收的影响因素，可以人为调节、可优化。 ②调配大楼建设的施工人员。 ③充电桩系统的供给电压、系统的电路性能、充电桩的检查维护。 ④工程项目的管理水平
系统 优化 的措 施 紧紧围绕系统优化的“目标” ①为了提高液位控制系统的液位控制精度，有效的优化措施是提高传感器灵敏度。 ②自助银行系统以安全为目标的优化措施有：增加取钞、退卡语音提示功能、设置智能监控系统、采用伪钞识别新技术
例1 (2021年1月选考真题)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。下列关于油罐清洗系统的分析中不正确的是(　　)
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，体现了系统的目的性
C.增压泵的性能是约束条件
D.油罐清洗的洁净程度是该系统的优化目标
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
变式训练1 (2020年7月选考真题)如图a所示是印刷机中纸筒放卷张力控制系统示意图。该系统采用机械方式检测与控制纸的张力，控制精度不高，导致印刷时套印不准。企业为了提高印刷质量，采用库存的力传感器、伺服电机等将控制系统改装成图b所示。从系统的角度，下列分析中不正确的是(　　)
A.库存的力传感器的灵敏度是该系统优化的约束条件
B.优化前后的两种控制系统都可分为检测、控制和执行子系统
C.系统的优化手段是改变张力检测和放卷速度控制形式
D.优化时先考虑力传感器的灵敏度，再考虑印刷质量，体现了系统分析的整体性原则
例2 如图所示是一款感应飞行器，其控制部分可分为机翼转速控制子系统和碰撞机翼停转子系统。机翼转速控制子系统工作过程：打开电源开关，小黄人通过脚下红外线发射和接收装置检测在其正下方障碍物(如：手、纸片等)的距离。当距离较小时控制电路控制电机，电机通过齿轮组带动机翼高速转动，小黄人升空；当检测到和正下方障碍物的距离较大时，机翼转速下降，小黄人缓慢落下。当小黄人飞行过程中发生碰撞时，传感器检测到振动信号，机翼停转。从系统的角度，下列分析中正确的是(　　)
A.内部齿轮组发生故障，小黄人就无法飞行，体现了系统的相关性
B.顶部机翼采用了双平衡杆，使飞行更稳定，体现了系统的动态性
C.电机性能是影响该系统优化的因素
D.设计时，既要考虑飞行器的成本，又要兼顾其功能和趣味性，体现了系统分析的整体性原则
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
变式训练2 如图所示铝型材末端淬火实验装置图，将铝型材试样A、B、C加热到520 ℃后快速安放在支架上，打开控制阀，水泵抽取水池中的水，其流速可根据流量计来调节，喷嘴对铝型材试样末端进行喷水冷却，温度采集仪通过热电偶将3个特征点的温度变化曲线在计算机中记录下来，利用反热传导程序计算型材与介质表面的换热系数。从系统角度分析，以下分析合理的是(　　)
A.实验装置由喷水控制子系统、水温控制子系统、温度采集子系统和计算处理子系统组成
B.冷却水可循环利用，体现了系统的环境适应性
C.系统分析时需兼顾实验效果及安全性，体现了系统分析的科学性原则
D.喷嘴与试样的距离属于系统优化的影响因素
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例3 堪称全球最长、创意最独特的港珠澳大桥，主体由桥梁、海底隧道和人工岛组成。大桥的设计采取了一系列优化措施，下列措施中，以提高大桥安全性为目标的是(　　)
A.大桥在伶仃西航道和铜鼓航道段采用海底隧道方案，不影响通航
B.设计了中华白海豚观赏区和海上观景平台
C.在珠澳人工岛上设有大型停车场，以缓解澳门本岛的交通压力
D.人工岛周围投放石头形成斜坡，如果船太靠近就会搁浅
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变式训练3 自助银行是指由客户自己完成整个业务流程的银行。为了给客户提供更好的服务，对自助银行系统进行以下优化，其中不属于以安全为目标的优化是(　　)
A.增加取钞、退卡语音提示功能
B.设置智能监控系统
C.采用伪钞识别新技术
D.使用触摸屏新技术
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1.如图所示为一种正弦温度控制系统。通过计算机或函数信号发生器均可以向PID控制器输入正弦温度的参数，两种输入方式由开关切换。PID控制器通过一定的算法处理传感器的检测结果与输入参数的偏差，从而发出指令。双向电源驱动器根据指令输出双通道电流，电流流过TEC制冷片，使其温度符合输入的目标参数。下列关于该系统的设计与分析，不恰当的是(　　)
A.设计时应该以实现TEC制冷片的恒定温度控制为主要目标
B.设计时应该考虑系统的各软件、硬件之间是否兼容
C.电源驱动器的可靠性对系统工作的稳定性有影响
D.PID控制器的算法是系统控制性能优化的影响因素
2.如图所示为高速入口的ETC专用通道，汽车驶入高速时，车辆检测装置和路侧无线装置检测汽车账户和位置信息，车道服务器在核实信息后，控制装置将自动栏杆升起，允许车辆驶入。车道监视摄像机同时识别车牌信息，提供更可靠的识别准确性。下列关于该系统的说法中不正确的是(　　)
A.车道监视摄像机能在雨雾天气工作，保持较高识别率，体现了系统的环境适应性
B.路侧显示器和龙门显示装置故障，导致系统运行效率降低，体现了系统的整体性
C.各设备之间的距离、参数要经过匹配和建模分析，体现了系统分析的科学性原则
D.新能源车、传统燃油车、特种车辆等不同颜色的车牌属于该系统优化的影响因素
3.如图所示是飞机仰俯角自动控制原理图，它通过控制飞机升降舵的偏转，改变飞机的仰俯角，其工作过程是：当垂直陀螺仪检测到飞机的仰俯角与设定角度不同时，陀螺仪电位器有电压信号输出，放大器放大电压信号驱动舵机，舵机推动升降舵偏转，稳定飞机的仰俯角。下列关于飞机仰俯角自动控制系统的设计与分析不恰当的是(　　)
A.在系统分析的基础上，完成该系统的设计
B.飞机仰俯角的变化会影响升降舵的偏转
C.陀螺仪电位器的参数与飞机仰俯角的设定有关
D.阵风和气流属于该系统优化的影响因素
4.如图所示为次品自动剔除台，传感器实时检测传送带上产品信息，并与产品标准信息比对，若判定为次品，则通过电控液压伸缩推杆将其推出传送带。下列关于次品自动剔除台系统的分析中不正确的是(　　)
A.兼顾剔除效率及准确率，体现了系统分析的综合性原则
B.剔除次品从而提高合格率，体现了系统的相关性
C.需定期检查液压伸缩推杆的工作稳定性，体现了系统的动态性
D.液压伸缩推杆的性能是系统优化的影响因素
5.如图所示是板带材轧制过程中的厚度控制系统。通过测厚仪对板带材实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变轧辊的位置、张力或轧制速度，把板带材厚度控制在允许偏差范围之内。下列关于板带材轧制厚度控制系统的分析中不正确的是(　　)
A.执行机构根据控制装置的控制命令及时调整控制量，体现了系统的相关性
B.能将板带材厚度控制在允许偏差范围之内，体现了系统的目的性
C.测厚仪的精度是影响该系统优化的因素
D.借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变轧辊的位置、张力或轧制速度，体现了系统分析的科学性原则
6.如图所示的皮带舒张控制系统部分结构，当旋转丝杠向左运动时，皮带处于张紧状态，如图a所示；当旋转丝杠向右运动时，皮带松开，如图b所示。以下有关皮带舒张控制系统的分析中不合理的是(　　)
A.改变杆2杆3的长度，可以实现皮带的不同舒张程度，体现系统的目的性
B.丝杠螺纹长度的确定要考虑到杆2和杆3的长度，体现了系统的相关性
C.底座的稳定性不属于系统优化的影响因素
D.皮带的弹性属于系统优化的约束条件
课时3　系统设计的优化与实现
任务清单与知识构建
任务
1.优化目标　最大化(或最小化)
2.目标函数
3.可以人为调节
4.不能人为调节
5.最优化方法
案例导学厘清重难点
例1　C　[选项A：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，体现系统的相关性，选项正确；选项B：能清洗大小不同的油罐是该储油罐清洗系统的功能，体现系统的目的性，选项正确；选项C：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，选项错误；选项D：该系统的主要目的是清洗储油罐，油罐清洗的洁净程度是系统的优化目标，选项正确。]
变式训练1　D　[选项A：传感器的选择属于影响因素，但指定传感器则属于约束条件，选项正确；选项D：没有体现先整体，再部分，是先部分，再整体，不体现整体性原则，选项错误。]
例2　C　[A是整体性，B是目的性，D是综合性原则。]
变式训练2　D　[选项A：实验装置不包含水温控制子系统，选项错误；选项B：冷却水可循环利用，是系统的功能，体现了系统的目的性，选项错误；选项C：系统分析时需兼顾实验效果及安全性，体现了系统分析的综合性原则，选项错误；选项D：喷嘴与试样的距离，没有限定，可以改变，属于影响因素，选项正确。]
例3　D　[人工岛周围投放石头形成斜坡，如果船太靠近就会搁浅，是从大桥安全角度考虑的。]
变式训练3　D　[触摸屏新技术体现了良好的人机交互功能，不是为了安全方面目标优化的。]
随堂达标检测
1.A　[根据选项间的排除法并结合答案，A的错误在于控制的并不是TEC制冷片的恒定温度，应该是区间温度控制或是控制温度由输入的正弦温度参数决定，而不是恒定某个值。]
2.D　[选项D：ETC系统的工作原理是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换，所以车牌的颜色与本控制系统无关，不是系统优化的影响因素，选项错误。]
3.D　[影响系统优化的因素是指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。阵风和气流会影响飞机的俯仰角，且不能人为调节的，是系统优化的约束条件而不是影响因素。所以选D。]
4.B　[选项A：同时兼顾效率和准确率两个目标，体现了综合性原则，选项正确；选项B：体现了系统的目的性，选项错误；选项C：系统需要定期检查和维护，体现了系统的动态性，选项正确；选项D：液压伸缩推杆的好坏影响自动剔除台系统的工作效果，又可以人为调节，属于影响因素，选项正确。]
5.D　[选项D：使用系统不属于系统分析的范畴，选项错误。]
6.C　[C项：底座的稳定性对皮带舒张控制的可靠性存在影响；D项：对于给定的皮带，其弹性不会改变，在皮带舒张控制系统的优化过程中属于约束条件。]

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