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(共47张PPT)
系统及其设计
三、 系统设计的优化与实现
第三单元
优化系统设计的方案
优化系统设计的方案
优化系统设计的方案
【项目情境】孙宇同学在设计了简易屋面雨水收集供水系统，通过集雨 实现供水，达到节约用水的目的后，他认为校园地面同样可以设计类似 的雨水收集供水系统。其中雨水净化与储存子系统的工作过程如下：雨 水收集子系统的水经引水管流入过滤装置过滤，过滤后的水经净水装置 二次净化，最终流入蓄水池。
A. 该系统能够收集雨水、过滤雨水、净化雨水，体现了系统的目的性
B. 该系统由引水管、净化装置、过滤装置及蓄水池等组成，体现了系统的整体性
C. 经过一段时间的使用，引水管内壁有杂质沉积，体现了系统的动态性
D. 设计该系统时，既要考虑蓄水池的大小，又要考虑过滤装置的过滤效果，体现了系统分析的科学性原则
【解析】 对系统分析采取定量分析属于系统分析的科学性原则，其他说法错误。
A. 选用型号更小的引水管
B. 选用容量较小的地面雨水收集子系统
C. 选用筛孔尺寸较小的过滤网
D. 定时清理过滤网
【解析】 过滤大颗粒杂质时，筛网网眼小，成本低又有效。
A. 杂物的大小 B. 沉淀排污桶的大小
C. 引水管的直径 D. 孙宇的设计能力
【解析】 杂质大小不是人为可调的，因此是约束条件，其他情况在设计系统时都可人为选择合适的。
A. 选择不同精度的传感器，是该系统的约束条件
B. 该系统具有缺水保护的作用，体现了系统的目的性
C. 水箱的供水水压是该控制系统的影响因素
D. 选择主控板时，既要考虑电机功率，又要考虑多种传感器等，体现了系统分析的综合性原则
【解析】 A选项可人为调节，是影响因素；C选项供水水压不能人为调 节，是约束条件；D选项考虑的两个因素不是系统的目标，只是组成系 统的要素，不能体现系统分析的综合性原则。
【知识札记】本题涉及的知识有系统的基本特性与系统优化的影响因素 和约束条件。
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A. 使用一段时间后，该水龙头复位时间变长，体现了系统的动态性
B. 可避免忘记关水龙头造成水资源浪费，体现了系统的目的性
C. 当内部弹簧断裂时，水龙头无法正常出水，体现了系统的整体性
D. 该水龙头精致小巧，节约用水，体现了良好的环境适应性
【解析】 D选项体现系统的目的性。
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A. 该系统优化以控制用水量为目的
B. 自来水管道的水压是该系统优化的影响因素
C. 设计时，先考虑延时供水功能，再兼顾成本，体现了系统分析的综 合性原则
D. 系统分析的出发点是为了发挥系统的整体功能，目的是寻求解决问 题的最佳决策，而生产和生活中的一些问题，往往存在着许多相互 关联的因素和一些不确定的因素，所以最佳决策只是在若干方案中 寻求到的相对令人满意的方案
【解析】 管道水压是系统优化的约束条件，因为不能人为调节。
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A. 图像识别模块无法细分为更小的子系统
B. 该系统设计需要用到计算机视觉、控制工程等学科的 知识，体现了系统分析的综合性原则
C. 环境光对图像识别模块的识别效果没有影响
D. 垃圾的尺寸和质量是该系统优化的约束条件
【解析】 A选项模块一般由许多零部件组成，可以再分；B综合运用多 门学科的知识，体现了技术的综合性。
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A. 当土壤湿度低于设定湿度时能自动灌溉，使土壤湿度保持在一定范 围内，体现系统的目的性
B. 过滤器能过滤水中的杂质，使喷头出水流畅且不堵塞，体现系统的 环境适应性
C. 土壤不需要时刻保持这个湿度，为了节约水资源，可以增加定时 器，实现系统优化
D. 当系统需要维护时可以切断电源，关闭截流闸阀
【解析】 B选项体现系统的相关性。
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A. 飞行控制处理器的性能属于该系统优
化的约束条件
B. 方向舵机损坏时无人机无法转向，体
现了系统的整体性
C. 该系统可在刮风、潮湿、日晒等环境
下正常使用，体现了系统的环境适应性
D. 该系统可以使无人机一键返航，体现了系统的目的性
【解析】 系统分析时组成系统的要素及其性能都可人为调节，是影响因素。
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a
b
A. 改变杆2和杆3的长度，可以实现皮带的不同舒张程度，体现了系统的目的性
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
【解析】 底座不稳定可以人为调节，是影响因素。
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A. 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对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
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【解析】 该系统的功能就是找到不合格电容的位置并进行切断处理， 因此不合格电容的位置不可人为调节，是约束条件。
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A. 设置光源的目的是能采集到清晰地图像，体现了系统的目的性
B. 采用高分辨率的显示器，能更加清晰地显示瑕疵细节，体现了系统的相关性
C. 图像处理中心对图像进行自动分割，按区域进行分类比对，体现了系统分析的科学性原则
D. 系统优化时可根据需要选择不同规格的显示器，显示器属于系统优化的影响因素
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【解析】 光源是该系统的组成部分，它的功能不能体现系统的目的 性，A错误；部分影响整体，体现了系统的整体性，B错误；分析和计 算的主体是图像中心，不是人在进行系统分析，C错误；系统优化时， 显示器属于人为能改变的，它属于系统优化的影响因素。
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A. 电磁阀出现故障会影响系统的清洗效果，体现了系统的整体性
B. 车辆检测器的目的是检测车辆是否到达指定位置，体现了系统的目的性
C. PLC的控制精度属于系统优化的影响因素
D. 设计时根据水箱容量等数据匹配合适功率的清洗电机，体现了系统分析的科学性原则
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【解析】 车辆是否到达指定位置不是系统的目的，是系统实现目标的 前提，B不正确。
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A. 系统设计应以创建适合鱼群生长的最优环境为主要目标
B. 系统设计应考虑鱼缸外部环境对鱼缸内部环境的影响
C. 设计水温控制子系统时不用考虑水位子系统对它的影响
D. 选用静音抽水泵有利于系统噪声指标的优化
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【解析】 水温控制子系统与水位控制子系统具有相关性，设计时应该 考虑它们的相互影响。
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A. 套筒上的弹簧弹性变差，影响了蒸汽机转速的控制精度，体现了系统的整体性
B. 通过计算重球的质量、弹簧的劲度系数来确定杠杆的力臂，体现了系统分析的科学性原则
C. 蒸汽机的性能属于该系统优化的约束条件
D. 该系统可以使蒸汽机以恒定的转速运行，体现了系统的目的性
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【解析】 A是要素的性能影响整体功能，体现整体性；B项的内容需要 用数学工具计算得到，体现了科学性原则；C提高蒸汽机的性能是该系 统要实现的目标，是目标函数；D体现目的性。
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A. 低电量设定值可设计成允许司机自
行更改，以满足不同路况下的驾驶 需求
B. 电池电量低于设定值时，自动启动
内燃机以保证电力供应，体现了系 统的环境适应性
C. 该系统由增程式电量控制子系统、能量回收子系统及停车充电子系 统组成，体现了系统的整体性
D. 内燃机驱动的发电模块是影响该电池电量管理系统优化的因素
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【解析】 动力电池属于本系统的一部分，自动启动内燃机以保证电力 供应是本系统的一个基本功能，不属于环境，所以B说法不恰当。
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A. 能不断修正导弹的飞行姿态，直至击中目标，体现了系统的环境适应性
B. 动力装置的性能是影响该系统优化的因素
C. 系统能通过计算机进行分析计算，体现了系统分析的科学性原则
D. 采用雷达、红外线、激光或图像跟踪装置进行检测，体现了系统分析的综合性原则
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【解析】 A选项能不断修正导弹的飞行姿态，直至击中目标，体现了系 统的目的性； C选项，遵循系统分析的科学性原则的是设计者，而不是 系统，C错；系统分析的综合性原则综合的是目标，而不是综合其功能 或采用的设备，D选项也错误。B选项，动力装置的性能在本系统中是 可优化的因素，B正确。
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A. 该系统可在高温、潮湿、日晒等环境下正常使用，体现了系统的环境适应性
B. 电子阀门损坏时门禁系统无法控制电锁的通断，体现了系统的整体性
C. 电子阀门的性能属于该系统优化的约束条件
D. 该系统在门内不需要刷卡，只需按出门按钮就可打开电锁，体现了系统的目的性
【解析】 电磁阀门是组成系统的要素，系统设计时可人为调节，是影 响因素。
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A. 选择码垛机器人夹爪时，考虑了
成品的刚度与质量
B. 传送带工作一段时间后，需要重
新进行校正，体现了系统的动态
性
C. 控制中心通过分析和计算成品位
置偏差来实现抓取，体现了系统
分析的科学性原则
D. 成品的规格是码垛运输系统控制优化的约束条件
【解析】 系统具备分析计算功能，而不是人在进行系统分析。
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A. 温度传感器的性能属于该系统优化的影响因素
B. 设计该系统时，要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的
C. 设计时需要对系统的各个参数进行求解和校验，体现了系统分析的科学性原则
D. 水泵、计量阀或加热器不正常，都会影响热水控制的功能，体现了系统的动态性
【解析】 D选项体现了系统的整体性。
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17. 如图所示所示为孙宇同学设计的地面雨水收集供水系统示意图。
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任务一：请你根据示意图完成以上雨水收集供水系统的系统框图模型：
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任务二：孙宇同学在设计地面雨水收集供水系统后经测试发现，雨水收 集子系统会有较多的杂质沉积，时间长了会堵塞引水管甚至损害雨水净 化与储存子系统，需要再设计沉淀净化子系统来沉淀杂质，再将水收集 至雨水收集子系统。另外，当天气干燥缺水时，接入自来水补水系统为 雨水净化与储存子系统提供补给；当雨水过多时，可将雨水净化与储存 子系统的雨水直接引入溢水子系统。请你根据以上构思，进行系统优 化，并用系统框图表达。
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【拓展项目】
项目名称：校园雨水收集供水系统
学习目标：
①经历简单系统设计方案的优化过程，阐明系统优化的意义，探究影响 系统优化的因素。
②能通过简单系统设计方案的实现，概述系统设计的基本方法，增强系 统与工程思维的能力。
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【情境任务】
　　终于，孙宇同学经过了思考，设计完成了由屋面雨水收集供水系统 （如图a所示）与地面雨水收集供水系统（如图b所示）组成的校园雨水 收集供水系统。请思考并完成以下任务：
a　屋面雨水收集供水系统
b　地面雨水收集供水系统
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任务一：请从系统的基本特性这一角度对地面雨水收集供水系统进 行评价。
【答案】 地面雨水收集供水系统由地面雨水收集子系统、雨水净化与 储存子系统等组成，体现了系统的整体性；雨水净化与储存子系统供水 不足会影响绿地用水子系统，体现了系统的相关性；使用一段时间后， 雨水净化效果变差，体现了系统的动态性；暴雨天气不会影响系统的正 常运行，体现了体统的环境适应性，描述合理即可。
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任务二：屋面雨水收集供水系统与地面雨水收集供水系统是否存在相互 关联？若存在，请说出关联的影响关系。
【答案】 当雨水过多时，屋面雨水收集供水系统可溢水至地面，由地 面雨水收集子系统来收集和净化。
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【技术体验】
孙宇同学经过上述分析后，尝试对校园雨水收集供水系统再次进行 优化，充分地利用好水资源与设备，完成供水目标。
体验一：从供水目标考虑，楼房用水和绿地用水的水质要求是否一致？
【答案】 楼房用水的水质要求高于绿地用水，绿地用水对雨水简单沉 淀，初步净化即可，两子系统还是以相对独立使用为主，但也存在上述 相互关联。
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体验二：对该系统进行优化的影响因素有哪些？可举例加以说明。
【答案】 系统优化时，组成系统的所有子系统的性能都是影响因素， 都可人为调节。
体验三：对该系统进行优化的约束条件有哪些？
【答案】 雨水的量，雨水中的杂质都属于系统优化的约束条件。
体验四：为了实现充分利用好水资源，完成供水，系统优化的有效措施 有哪些？
【答案】 屋面雨水收集供水系统的溢水部分可直接引流至地面雨水收 集子系统，而地面雨水收集供水系统溢出的水可流入学校的鱼池。
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【学以致用】
应用一：请用框图的方式画出优化后的校园雨水收集供水系统的系统模 型，并简单地说明各子系统之间的相互关系：
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应用二：请简述该系统的优化过程中，如何体现系统分析的主要原则。
【答案】 在系统优化的过程中，先考虑系统整体的收集雨水和利用雨 水的总功能，再去考虑成本，净化效果等目标，这是系统分析的整体性 原则；同时，既考虑净化效果，又考虑投入成本，属于系统分析的综合 性原则；在优化的过程中根据当地气候条件的历史数据，合理地设计系 统的净化能力及蓄水池的大小，属于系统分析的科学性原则。
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