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第三单元　系统及其
设计
知识体系
一、系统及其特性
二、系统分析与设计
三、系统设计的优化与实现
教材解读
一、系统及其特性
一、认识系统及其构成
1.系统的定义: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。
2.构成系统必须具备的三个条件
(1)至少要有两个或两个以上的要素(部分)。
(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)所不具备的。
3.子系统:系统有大有小,有简单有复杂。大型的复杂系统又可以划分为若干子系统。系统与子系统的界定和划分根据研究的需要而确定。
二、辨析系统的基本特性
1.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。系统的任何一个要素(部分)发生变化或出现故障时,都会影响其他要素(部分)或整体功能的发挥。
2.相关性:组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。
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。系统的目的一般通过更具体的目标来体现。
4.动态性:任何事物都是不断变化的。系统都是动态的,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,外界环境的变化会引起系统特性的改变,并相应地引起系统功能和系统内各部分相互关系的变化。
二、系统分析与设计
一、探究系统分析的一般过程和基本方法
1.系统分析一般是从系统的整体功能出发,全面地思考与解决问题。
(1)系统分析的目标:发挥系统的功能,实现系统的目标。
(2)系统分析采用的方法:运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验。
(3)系统分析的结果: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。
2.系统分析的一般过程:①明确问题、设立目标;②收集资料、制订方案;③分析计算、评价比较;④检验核实、做出决策。
3.系统分析中常用的模型
数学 模型 ①含义:用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型。
②特点: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
框图 模型 ①含义: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。
②最简单的系统框图模型:输入—输出模型,也叫系统的概念模型。它把系统内在的要素与结构简化为一个矩形方框,把环境对系统的作用统称为输入,把系统对环境的作用统称为输出。
输入→ 系统 →输出
从系统运行的角度来看,系统和环境之间是一种刺激和响应关系,输入是环境对系统的刺激,输出是系统对这种刺激做出的响应,描述系统就是在描述这种刺激和响应的关系。
外部刺激是条件,响应是系统回应环境的行为对策,人们描述系统所关注的就是条件与对策之间的各种可能的对应关系,即如果外部出现什么情况,系统就回应以相应行动
4.系统分析的主要原则
(1)整体性原则:系统分析要着眼于系统整体,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,要综合分析,统筹兼顾,不可顾此失彼,因小失大。
二、体验简单系统设计的过程
系统设计是对各种各样的系统进行调查分析、筹划研究、评价实施、运行改善等,直到完成一个能协调工作的实际系统的过程。
1.系统设计应考虑的主要问题
(1)系统设计的目的与要求:系统设计要从整体出发,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:系统设计要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。依据系统的动态性、环境适应性,既要考虑当前,也要考虑长远。
2.系统设计的步骤主要包括:将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,对子系统进行技术设计和评价,对系统进行总体技术设计和评价等。
三、系统设计的优化与实现
一、优化系统设计的方案
系统优化 的含义 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)
目标函数 目标函数就是目标值与变量之间的函数关系
约束条件 对系统起着限制作用,并且不能人为调节的因素
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
最优解 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
满意解 不能确切地描述目标函数,则可以通过定性的估算、试验,得到较为满意的解
最优化方法 为使系统达到最优的目标而提出的求解方法
系统优化 的方法
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。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
二、实现校园雨水收集与利用系统的设计方案
系统设计的实现包括:设计方案的呈现和模型或原型的制作与测试。模型或原型的制作与测试包括实物模型的设计,加工图纸、加工材料和工艺的选择,加工制作过程及模型的最终呈现等,对模型的测试是对系统进行总体技术设计评价。
典例变式
[典例1] (2025·浙江6月选考)如图所示是一种鲐鱼鱼体姿态控制系统的示意图,其工作过程是:鱼体以随机姿态逐条送入传送带,ARM单片机根据工业相机采集的鱼体图像判断出鱼体姿态,并发送信号给Arduino单片机。当光电传感器检测到鱼体到达作业位置时,发送信号给Arduino单片机,Arduino单片机结合鱼体姿态,通过继电器模块驱动电磁阀来控制相应机构将鱼体调整成设定姿态。
下列从系统角度进行的分析中,恰当的是(　 　)
A.专门用于鲐鱼鱼体姿态的调整,体现了系统的环境适应性
B.ARM单片机能判断鱼体姿态,体现了系统的目的性
C.从系统分析的整体性原则出发,先考虑姿态判断,再考虑姿态调整
D.从系统分析的科学性原则出发,通过试验获得相关参数后计算确定系统处理速度
D
解析:本题考查系统的特性和系统分析的一般原则。专门用于鲐鱼鱼体姿态的调整,体现了系统的目的性;ARM单片机是系统的组成部分,属于要素的功能,没有体现系统的目的性;系统分析的整体性原则体现在先分析整体再分析局部。鱼体姿态判断和姿态调整是系统的两个部分,考虑他们的先后没有体现系统分析的整体性原则。系统分析的科学性原则体现在决策的过程中,运用科学方法和数学工具。通过试验获得相关参数后计算确定系统处理速度,体现了系统分析的科学性原则。
[变式1] (2025·浙江1月选考)如图所示的激光除草车中,激光除草系统主要包括计算机、摄像机和激光器等,其工作原理是:计算机根据摄像机获取的图像信息,辨识出杂草并计算其位置,据此控制电机调整激光的角度,并通过继电器控制激光器发射激光将杂草烧焦,完成除草。下列关于激光除草系统的分析中不恰当的是(　 　)
A.摄像机的分辨率会影响该系统除草的准确性,体现了系统的环境适应性
B.摄像机的拍摄速度与计算机的运算速度需要匹配,体现了系统的相关性
C.设计时经过计算和试验确定激光器的功率,体现了系统分析的科学性原则
D.设计时在保证除草效果的前提下,还考虑了提高速度、降低成本等目标,体现了系统分析的综合性原则
A
解析:本题考查系统分析。摄像机的分辨率会影响该系统除草的准确性,要素影响整体功能,体现了系统的整体性,A错误。
[典例2] (浙江选考真题)如图a所示是某自动对位控制系统的示意图,其工作过程:摄像机连续获取被测物体的实时位置信息(如图b所示),工控机将收到的位置信息不断与设定位置进行比较,计算出被测物体的偏移值,控制平台驱动器驱动平台移动和转动,使被测物体运动到设定位置(如图c所示)。
关于该自动对位控制系统,下列分析中不恰当的是(　 　)
A.具有自动对位功能,体现了系统的目的性
B.摄像机长期使用后清晰度降低,体现了系统的动态性
C.X、Y平台的移动精度会影响θ平台的定位精度,体现了系统的相关性
D.可应用于印刷、电子加工等行业,体现了系统的整体性
D
解析:本题考查系统的基本特性。具有自动对位功能,反映的是系统的功能、用途、目的,体现了系统的目的性,故选项A正确;动态性体现的是系统经过一段时间以后出现的各种变化,故选项B正确;相关性体现的是系统各要素之间的相互影响、相互联系、相互作用,X、Y平台是对位控制系统的要素,两者的移动精度影响另一要素θ平台的定位精度,符合相关性的定义,故选项C正确;应用于印刷、电子加工等行业没有体现出系统的整体性,故选项D错误。
[变式2] (浙江选考真题)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:对于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;对于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;对于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;对于D,该系统的主要目的是清洗储油罐,因此油罐清洗的洁净程度就是该系统的优化目标。
[典例3] (2023·浙江1月选考)如图所示的装配系统,包含工件输送子系统和机械手装配子系统,其工作过程:工件A整齐排列在传送带Ⅰ上,当位置检测传感器检测到工件A时,传送带Ⅰ暂停;工件B放置在传送带Ⅱ上,当工件B进入相机的拍摄范围时,传送带Ⅱ暂停;相机拍摄工件B的图像并传送到工控机,工控机根据工件B相对于基准位置的偏差确定工件B的坐标,控制机械手抓取工件A并装配到工件B上。
下列关于该装配系统的设计与分析中不恰当的是(　 　)
A.工控机的运行速度会影响工件装配效率
B.位置检测传感器的可靠性对装配系统工作的稳定性没有影响
C.设计系统时需要根据产能要求计算传送带和机械手的运行速度
D.选择机械手时需要考虑工件A的质量大小
B
解析:本题考查系统的设计与分析。选项A中,工控机的运行速度关系到其运行所用的时间,时间过长的话,机械手的反应时间也会变长,直接影响工件装配效率,故选项A正确;选项B中,工件输送子系统和机械手装配子系统是相互作用,相互影响的,若位置检测传感器的可靠性低,很可能出现工件A未到达指定位置时,传送带就停止,导致机械手无法在指定位置成功抓取工件A,最终影响到装配系统工作的稳定性,故选项B错误;选项C中,产能是指单位工作时间内良品的产出数,与系统各部分的运行速度和系统工作的稳定性有关,指定了产能要求后,才能计算出各部分相应的运行速度,故选项C正确;选项D中,机械手是用于抓取工件A的,工件A的质量是选择机械手的重要指标,故选项D正确。
[变式3] (2024·浙江1月选考)如图所示是调压铸造炉的压力控制系统。铸造炉内抽真空及加热后,控制器控制先导阀接通控制气路,经减压阀1减压的氩气驱动背压阀接通主气路,经减压阀2减压的氩气大流量、快速进入铸造炉。压力计检测炉内压力,当压力达到设定值时背压阀断开主气路,低于设定值时背压阀接通主气路充气,使炉内压力保持稳定。下列关于压力控制系统的分析中正确的是(　 　)
A.压力计安装靠近铸造炉,是为了更准确检测炉内压力变化
B.高压气源的压力不影响炉内压力达到设定值的时间
C.该系统的目的是用氩气来驱动背压阀接通和断开主气路
D.控制气路和主气路可共用一个减压阀
A
解析:本题考查系统的设计与分析(调压铸造炉系统,工作常识与机理)。选项A该系统的目的是控制铸造炉内的压力,因此压力计要靠近铸造炉以准确检测压力变化。选项B高压气源的压力影响进入铸造炉内氩气的流速,进而影响充气时间。选项C该系统的目的是控制铸造炉内的压力。选项D根据题目描述,主气路相对于控制气路,“氩气大流量、快速进入铸造炉”,所以可以推断两个减压阀的减压效果不同。
[典例4] 如图所示为停车收费系统示意图,该系统由入口控制子系统和出口控制子系统组成。当入口处的地感检测到有车辆驶入,车位显示器会显示可以停靠的车位,入口控制器控制道闸开启。当出口处的地感检测到有车辆驶出,出口控制器计算出停车费用并在费率显示器上显示,收费完成后道闸开启,放车辆出行。停车收费系统与公共交通控制系统联网,可以引导需要停车的车主到停车场停车。
(1)将上述停车收费系统用下面方框图表示,在方框中“　　　　”处填写系统中的相应内容;
出口控制子系统
出口控制器
费率显示器
道闸
解析:(1)根据题中“当出口处的地感检测到有车辆驶出,出口控制器计算出停车费用并在费率显示器上显示,收费完成后道闸开启,放车辆出行”的描述可知出口控制子系统的组成。
(2)如果该停车收费系统与公共交通控制系统联网,则这两个系统之间,
　　　　　　　　是　　　　　　　　　　的子系统(在“　　　”处填
写相应的内容)。
停车收费系统
公共交通控制系统
解析:(2)如果该停车收费系统与公共交通控制系统联网,则前者成为后者的一个组成部分,前者是后者的子系统。
[变式4] 如图所示是家庭安全报警系统示意图,探测器探测到非安全信号后,主机控制声音报警器发出声音报警,并通过电信网络向主人设定的通信工具发送报警信息。请根据示意图,完成系统的组成方框图。
探测器
主机
声音报警器
通信工具
1.系统分析的主要原则
重难拓展
案例 系统分析 原则 概念解析 案例解析
丁谓修复皇宫 整体性 原则 要先分析整体,再分析部分;先看全局,再看局部;先看全过程,再看某一个阶段;先看长远,再看当前。做事要有大局观 先挖土烧砖,后清理废墟
优选法 科学性 原则 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。做事要实事求是 快速寻找最佳方案的科学
方法
雨水回收和 利用 系统 综合性 原则 系统分析总是为实现系统目标服务的。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。做事要讲中庸之道 既要考虑雨水的收集,又要考虑雨水的净化
2.分析影响系统优化的因素
案例 项目 概念解析 案例解析
目标函数(y) 目标值与变量之间的函数关系 田地年经济收入
约束条件(b) 不能人为调节的限制条件,但前提是能起到对目标函数的调节作用 田地面积,
气候条件,
农作物的
生长周期
影响因素(x) 可以通过人为调节对系统优化产生实质影响的因素。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 种植作物的品种、
田间管理、
栽培技术等
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