1、系统的设计

第三单元系统与设计,3.2-3.3系统的分析及优化、设计（P76-94）,普通高中课程标准实验教科书通用技术必修2,我们每个人都会在日常生活中遇到系统设计，系统设计运用的案例比比皆是，例如：,家庭室内装修设计假期旅游行程设计个人形象设计班级管理系统设计,什么是系统分析？,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进行调查、分析、比较、试验、计算，从而拟定一套有效的处理步骤和程序，或对原有系统提出改进方案的过程。,系统案例应用：田忌赛马,战国时代，齐王常与他的大将田忌赛马，双方约定每场各出一匹马，分三场进行比赛。齐王的马有上、中、下三等，田忌的马也有上、中、下三等，但每一等都比不上齐王同等的马，于是田忌屡赛屡输。一日，田忌的宾客、对军事颇有研究的孙膑就给田忌出了一个主意，结果以二比一赢了齐王。,系统分析的一般步骤：,明确问题设立目标,收集资料制定方案,分析计算评价比较,检验核实作出决策,明确问题设立目标,收集资料制定方案,分析计算评价比较,检验核实作出决策,赢得赛马,6种比赛方案,1.田上马王上马田中马王中马田下马王下马0：3,3.田上马-王中马田中马王下马田下马王上马2：1,2.田上马王下马田中马王上马田下马王中马1：2,4.,第3方案,第3方案,系统分析的主要原则,整体性原则科学性原则综合性原则,丁渭修宫殿,挖沟（取土）,引水入沟（水道运输）,填沟（处理垃圾）,取土困难运输困难垃圾清理困难,案例解析：丁渭修宫殿,要着眼于系统整体，树立全局观念，立足整体，统筹全局，实现整体的最优目标。,整体性原则,丁谓在建设施工的过程中，运用了整体的解决方案，使三项工程任务协调起来在总体上得到了最佳效果。,这个故事告诉了我们什么道理？,系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面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。,阅读：优选法,2）科学性原则,系统分析的原则,优选法是快速寻找最佳方案的科学方法。具体的优选法有很多，如“黄金分割法”、“分数法”、“对分法”等。“黄金分割法”也称“0.618法”。,系统分析的原则,1.“两面针”牙膏：采用优选法科学生产大幅度降低铝材消耗，每年节约铝材几吨；结果打了3年漂亮仗2.著名数学家华罗庚教授在他晚年时，在全国讲学，介绍他的优选法。当时广东有5个水泥厂，经过优选法的改良，生产出6个水泥厂的产量，少建1个水泥厂，这个贡献就很大。这就是说知识、健康带来的财富，可以估算的和不可估算的都是很巨大的。3.优选法使得新西兰培育出世界上最好的肉牛和奶牛。为了发展羊毛和肉类生产，新西兰采用先进的培育技术，改进当地羊只的品种，使其具有国外引进种群的特殊优点,系统分析的原则,3）综合性原则,注重研究系统各部分之间的相互联系和相互作用，既注重研究各部分间的横向联系，也注重研究各部分间的纵向关系。,系统分析的原则,要致富，先砍树,过去，有些地区的群众都有“靠山吃山”的思想观念，且群众收入的60%是靠砍伐树木。,系统分析的原则,综合性原则,这个案例告诉我们，毁林虽然能致富，但造成水土流失，危害很大，通过这个案例我们发现既要提高群众的经济水平，又要保护生态环境。如果片面强调一方面就会产生偏差，只有进行综合分析，才能实现双丰收。,“村长”的做法错在哪里？,系统化的方法要求我们用综合的思维方式来认识事物。既要又要,系统分析的原则,综合性原则,系统分析总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干目标时，就需要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。,系统分析的原则,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）。不同的目标，对应着不同的优化结果。,系统优化的概念：,系统优化,目标与目标函数：约束条件：影响因素：,目标与收益总和之间的关系,对目标函数起限制作用，不能人为调节,产生影响，可人为调节。,进行系统优化应考虑的三个要素：,系统优化,案例分析：利润问题,目标：家具销售获取最大利润约束条件：材料、劳动力、合同影响因素：椅子数量x1、桌子数量x2。（决策变量）,三个要素：,目标函数：Smax=50 x1+60 x2约束条件：4x1+6x2600（材料）20 x1+18x2400（工时）x18，x25（合同）最优方案：,建立关系：,系统优化,“化繁为简，个个击破”,将系统分解为若干子系统,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,系统设计的基本思路,手电筒的照明电路是怎样的？（照明电路设计）,结构怎样设计让照明器的随时随地使用？（通用结构设计）,如何自发电？操作的方便性如何实现？（发电结构设计）,怎样组合起来形成一个整体（无缝联接）？（集成设计）,系统可否进一步优化？（系统优化设计）,系统设计,手柄,齿轮组,小灯泡,发电机,1设计目标：设计一个自动发电手电筒，用发电机代替干电池进行供电。2手电筒系统的各要素：,系统设计,3工作原理：用手摇动手柄，使齿轮转动，带动由磁铁和线圈组成的发电机旋转，线圈在磁场中转动时切割磁感线产生感应电流，将机械能转化为电能，输出电流，使小灯泡发光。,实施器材：玩具电动机、小灯泡、粗棉线、导线。模拟过程：（1）在电动机的接头上连接小灯泡。（2）在电动机的转轴上绕十几圈的棉线。（3）用力快速抽动棉线，使电动机的转子迅速转动，观察小灯泡发光情况。总结：当外力使电动机转子迅速旋转时，转子线圈中产生感应电流，小灯泡发光。玩具电动机经改装可以发电。,系统设计,问：你们在设计和制作时遇到哪些问题及解决方法？,问：对手电筒的设计方案怎样进行优化的？,系统设计,东京市民家庭收集雨水的设施示意图,屋顶的雨水也可以回灌入地去补充地下水,谢谢!,普通高中课程标准实验教科书通用技术必修2,如在炼钢时需加入某种元素来增加钢材强度，若将试验点取在这一元素用量区间的0.618处，获得理想用量的试验次数将大大减少。实验证明，对一个因素的问题，用优选法做16次试验，就可达到“对分法”做2000余次试验的效果。,系统分析及其一般步骤,系统分析的原则,什么是系统分析,系统优化的涵义及方法,系统设计及简单系统设计的实现,小结,系统分析的目的是：寻求解决问题的最佳决策。运用系统分析的方法处理具体问题时，应该遵循哪些原则呢？,整体性原则：先着眼于系统整体，再看某一阶段。,综合性原则：为实现系统目标服务。当存在若干目标时，应排出优先次序，在尽可能不损害第一个目标的前提下完成下一个目标。,科学性原则：运用科学方法和数学工具进行定量分析。,“定性分析”是指用“语言”来描述一件事物的特性。“定量分析”是指用“数字”来描述一件事物的特性。,1.什么是系统分析?2.系统分析的一般步骤：明确问题，设立目标。收集资料，制定方案。分析计算，评价比较。检验核实，作出决策。3.系统分析的主要原则整体性原则科学性原则综合性原则。4.系统的优化1)系统优化的意义2）数学建模3）最优化方法4）系统优化的意义5）系统优化的实现,小结,课后对自己设计在结构、联接、外观、电路等细节方面一进完善，并进一步根据设计方案制作出来模型或原型。如何减少学生就餐的排队时间？利用系统设计的思路分析并提出解决这一问题的几种途径，再选择一种最经济、最有效可行、最容易实现的办法。一幢楼房节水系统设计（雨水收集利用，水的循环利用，如洗手水、洗衣水利用）。,系统设计,项目1：手电筒照明供电部分的设计,项目2：“室内住宅电气系统设计”,P88页手电筒系统由以下几部分组成：图,系统设计,田忌齐威王,上等上等中等中等下等下等,上等上等中等中等下等下等,田忌齐威王,结果:3败3胜,1败2胜2败1胜,田忌赛马,田忌,齐威王,策略是很重要，策略运用不当，以致失败。采用的策略适当，就有可能在似乎一定会失败的情况下取得胜利的结果。,农作物种植系统的优化农业间作套种。,案例分析：p081,你认为在你所在地区，可采取那些提高农作物产量的措施？,系统优化,目的：实现增产、增收、提高土地的利用率。条件：农作物的生长特性、天气、气候。手段：利用农作物生长的季节差、时间差。约束条件：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。套种的技术水平田间管理病虫害防治对产量有直接影响，并可以人为调节。可优化。,系统优化,建筑材料的改进也是一项优化技术，以往建筑物的墙体多采用实心砖，现在采用了空心砖，在保证强度、隔热隔音效果的同时，节省了材料。飞机制造中大量使用复合材料来减轻重量，提高了飞机的结构强度、飞行性能、节省燃油等。,系统优化,上例中，优化的目标是增产增收和提高土地的利用率，这一目标与土地的单位面积农作物收益总和之间的关系就称为目标函数。,目标函数是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。,系统优化,农作物的生长特性、天气、气候等因素对作物套种起到限制作用，并且是不能人为调节的，称为约束条件。,约束条件是对系统的功能起着限制作用、并且是不能人为调节的因素。,系统优化,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。,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。,系统优化,用数学公式或图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。,2）数学建模,系统优化,在江边一侧有A、B两个厂，它们到江边的距离分别是2km和3km，设两厂沿江方向的距离是3.5km，现在要在江边修建一个码头，使得两厂的产品能够顺利过江，问码头应建在什么位置，才能使运输路线最短？,分析：根据要求可画出上图，在江边DE上求一点C，使C到A、B两厂的距离之和为最短。,数学模型为：Smin=AC+BC,最佳方案：码头建在与A厂到江边垂直距离位置相距1.4km处，运输路线最短。,课堂探究：码头位置的选择,（1）运用数学模型求解。能够通过优化建立数学模型的，得到的解就是最优解,3）最优化方法：,系统优化,（2）通过科学的估算、试验实现不能够确切描述目标函数的，通过推算或推断得到满意解,系统优化,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，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。,系统优化,实现系统的最优化，就可以在一定资源条件下，取得最佳的经济效果，而投入的人力、物力、财力达到最小。,4）系统优化的意义,系统优化,5）系统优化的实现：,案例：装修施工的组织优化,影响因素：施工时间、装修队数量、设备数量、管理能力,目标：对资源的利用是最为合理,约束条件：水电、木工、油漆依次序装修,你还能想到什么方案？综合分析各种方案，你认为最合理的方案是哪一种？,系统优化,【案例】：阿拉斯加原油输送方案,（1）明确问题，设立目标。,任务：由阿拉斯加东北部的普拉德霍湾油田向美国本土运输油田。,系统优化,（2）收集资料，制定方案。,环境：油田处于北极圈内，海湾常年处于冰封状态，陆地最低气温达-50。当前采用的一般方案：方案1由海路用油船运输方案2用带加温系统的油管输送,（3）分析计算，评价比较。,处理策略：考虑到安全和供油的稳定性，暂时把方案2作为参考方案作进一步的细致研究。同时继续考虑新的方案。,系统优化,提出方案3：把含1020氯化钠的海水加到原油中去，使在低温下的原油成乳状液，仍能畅流，这样就可以用普通的输油管道运送了。提出方案4：将地下石油蕴涵的天然气转化为甲醇加到原油中，降低原油的熔点，增加流动性，从而用普通的管道就可以同时输送原油和天然气，仅管道铺设费就可以节省近60亿美金。综合各方案优、缺点，以及成本、安全性等，确定第4种方案为最终方案。,系统优化,（4）检验核实，做出决策。,反思：如果仅仅在前面3个方案上优化，无论如何都得不到方案4的巨大效益。分析人员运用其专业知识，将石油中的原油和天然气的运输作为一个整体进行系统分析，获得了成功，体现了系统分析的实际价值。,系统优化,.,系统设计,具体设计要求,可自发电的通用型多功能照明器,台灯（手电筒）的照明电路是怎样的？（照明电路设计）,结构怎样设计让照明器的随时随地使用？（通用结构设计）,如何自发电？操作的方便性如何实现？（发电结构设计）,怎样组合起来形成一个整体（无缝联接）？（集成设计）,系统可否进一步优化？（系统优化设计）,系统设计,实施器材：小马达、小灯泡、粗棉线、导线、齿轮、手摇柄。模拟过程：（1）在小马达的接头上连接小灯泡。（2）在小马达的转轴上绕十几圈的棉线。（3）用力快速抽动棉线，使小马达的转子迅速转动，观察小灯泡发光情况。（4)加上齿轮和手摇柄，手摇转动马达，观察小灯泡发光情况。思考：如何上发电操作更方便，如何让小灯光发光稳定,系统设计,归纳总结,系统设计应