02章系统原理-2讲

华北电力大学工业工程主讲：戴庆辉教授机械系统设计先进设计系统2第2章系统原理先进设计系统先进设计系统机械系统设计第1章绪论第2章系统原理第3章设计原理第4章动力系统第5章运动系统第6章操纵系统第7章控制系统第8章……第2章系统原理2.1系统的原理与定律2.2系统的相关性2.3系统方法的原理★2.1系统的原理与定律2.1.1系统的6个原理2.1.2系统的3条定律★5第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(1)整体性原理(Principleofsystemintegrality)。系统的整体性的主要表现在于：系统的性质、功能和运动规律只有从整体上才能显示出来。整体与部分相对应，整体是各个部分综合的产物。系统整体不等于部分和，表现出了系统的非加和性，即要素的相互作用具有非线性。整体性至少有两层含义：①要素联系不能分割。②要素服从整体功能。6第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(2)结构性原理(Principleofsystemstructure)。系统的结构性是指要素与要素、要素与整体的相互联系、相互作用的特性。结构性又称为系统内部的相关性。结构是系统保持整体性和目的性的内在根据。任何系统都是时空结构系统。结构是功能的基础，功能是结构的表现。结构决定功能，功能又反作用于结构。7第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(3)开放性原理(Principleofopenpropertiesofsystem)系统的开放性是指系统与环境发生交换关系的属性。开放性又称为系统外部的相关性，它是由系统内在结构所决定的。输入与输出是表征系统开放性的两个方面。系统需要开放，是由于系统的存在和发展离不开环境。开放性是在与环境的相互作用中实现的。环境选择系统，系统也选择环境。系统世界应该是一个和谐发展的世界。8第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(4)动态性原理(Principleofdynamicpropertyofsystem)。任何具体系统都要经历产生、发展、稳定、老化和衰亡的过程，系统状态是时间的函数，这就是系统的动态性。运动是系统的存在方式。系统内部各要素的相互作用是系统运动的内因，系统与环境的相互作用是系统运动的外因。系统的发展方式：直线式、阶段式、飞跃式和振荡式等。系统动态性的表现形式:平衡式、过渡式和周期式。9第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理系统具有绝对的动态性，并不否认系统具有相对的稳定性(stability)。系统的稳定性是指系统在外界干扰和内部故障的作用下，持续保持结构、功能和性质的恒定性和有序性。相对稳定性是系统存在和发展的必要条件。系统抵抗干扰和故障以保存自身的属性，称为整体稳定性。10第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理动态性对设计工作的启示：①要以发展变化的观点来研究问题，把握设计对象的发展趋势和变化规律，在实践中防止退化，促成进化。②由于系统的动态变化，就会出现这样或那样的时机可以利用。因此，要认识时机，抓住时机。③要保持系统的稳定有序状态，必须在动态中平衡系统。在条件具备时，平衡是可以打破的。打破之后要在新的基础上建立新的动态平衡，以维持新的稳定有序状态。11第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(5)层次性原理(Principleofsystemlevels)系统的层次性是指系统的一种垂直结构，即，系统由一定的要素组成，这些要素是由低一级要素组成的子系统，而系统本身又是高一级系统的组成要素。系统层次性的基本内容有3点：①任何系统都具有层次结构。②任何系统从简单到复杂的发展过程是分层次的。③不同层次的系统之间是相互影响的。高层次系统与低层次系统形成一种纵向联系。在同—层次的各(子)系统之间形成复杂的横向联系。12第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理(6)目的性原理(Principleofsystempurposiveness)系统的目的性是指系统以追求有序稳定结构为目的的特性。目的是行为的结果。系统要实现一定的功能是系统自身存在的目的。如果系统不具备有序稳定结构，就不具有保持自身的能力，就会在外力和内力的影响下分解、崩溃。任何系统都具有内部(结构)和外部(功能)的二重性。13第2章系统原理先进设计系统2.1.1系统的6个原理自组织:系统自发地从无序状态组织成一种有序结构的过程。系统的目的性并不是超自然的神秘力量，而是系统自组织的结果。系统在自组织的过程中，总是处于内部相互作用以及与环境的相互作用中。系统吸收相互作用所产生的信息，并通过信息反馈来协调内部关系以及它与环境的关系，从而使系统从无序状态走向稳定有序的结构，这样就表现出自组织这种目的性。正是相互作用，导致了系统的自组织，系统的自组织过程则显示出系统的目的性。14第2章系统原理先进设计系统2.1.2系统的3条定律1.系统论第一定律系统的属性种类总是多于组成它的各个事物在孤立状态时的属性种类之和，对于可量度的某具体属性的值，系统可能起到放大或缩小作用，也可能不发生变化，究竟起何作用取决于该属性的本质、系统的结构以及系统内协同作用的强弱。15第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续1)系统的属性种类总是多于组成它的各个事物在孤立状态时的属性种类之和，设某系统由m个要素组成，Ai为第i个要素的所有功能及属性集合，A为该系统的所有功能及属性的集合，则且可见，有些属性有可能是系统与组成要素所共有的。A包含A1A2与Am的和集（∪）miiAA1miiAA116第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续2)对于可量度的某具体属性的值，系统可能起到放大或缩小作用，也可能不发生变化假定属性可度量。首先考虑属性是可累加的。设ai是组成系统的第i个要素的关于该属性的量度值，a是整个系统关于该属性的量度值，则以下三种情形都可能出现(1)a＞这是经常出现的情形。(2)a＝(3)a＜注意它常造成对系统不利的后果。miia117第2章系统原理先进设计系统图2-1上海某棉纺织厂的织布车间(1)a＞例2-1某纺织车间有mn台同类型纺织机，配备n个维修工，有两种管理模式：①每个维修工独立负责指定的m台机器的维修工作，即n个小系统。②n个维修工相互协作，维修工可修任何有故障机器，即一个大系统。机器的完好率，①＜＜②；车间停工时间及经济损失，①＞＞②。图2-1某棉纺织厂的织布车间miia118第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续4)(3)a＜例2-2若将两支相同的白炽电灯串联安装，则每支电灯上的电压仅有额定电压的一半，发光效率大大降低，两支灯泡的亮度之和反而不及一支灯泡亮。miia119第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续5)究竟起何作用取决于该属性的本质、系统的结构以及系统内协同作用的强弱。若所讨论的具体属性虽然可以量度，但不能累加，则有(4)a＞max{ai，i＝1，2，…，m}(5)a＜min{ai，i＝1，2，…，m}(6)minai＜a＜maxai20第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续6)例2-3设某电路网由m个元件构成，且只要有一条线路能工作则整个系统就能工作，并设元件可靠性不因联接方式而改变。若元件qi的可靠性为ai，全系统的可靠性为a，则串联a＝，0＜ai＜1∴a＜minai并联a＝1-，a＜ai＜1∴a＞maxai并串联混合，则有可能出现minai＜a＜maxaiΠπpaimiia1miia1121第2章系统原理先进设计系统1.系统的第一定律(续7)第一定律揭示了系统与要素在功能及属性上的关系。遵循本定律，如果希望系统具有新的功能或属性，常常可以通过将各个事物组成系统来达到此目的。例2-5将电厂联成电网，整个电网就能进行调节安排，发电设备能按时检修，又能保证用户持续用电。设计机械系统时，要注意对属性的本质进行研究，要研究什么样的结构会放大或缩小该属性的值，再根据对该属性的值的追求目标(极大化或极小化)选用合理的结构。22第2章系统原理先进设计系统2.1.2系统的3条定律2.系统的第二定律在保证实现环境允许系统达到的功能的前提下，整个系统对空间、时间、物质、能量和信息的利用率将趋于最高。该定律又称之为五率最高原则。23第2章系统原理先进设计系统2.系统的第二定律(续1)如果一个系统没有使上述五率达到最高，那么这个系统是不稳定的，必然是下列两种情况之一：⑴系统本身不变化，或变化的速度太慢，五率远未达到条件所许可的程度，这类系统在与五率更高的系统的竞争中必然趋于毁灭；⑵系统的要素与结构发展变化，不断提高五率，在这个过程中，系统由低级到高级，由简单到复杂不断完善。24第2章系统原理先进设计系统2.系统的第二定律(续2)注意：⑴第二定律指的系统对空间、时间、物质、能量和信息的利用率达到最高，是这五者的综合利用率达最高，而不是片面地追求某一个。因此，在设计一个机械系统时，决不可片面追求某种功能或属性。例2-5考核一个企业的工作，其产值、环保、职工福利等等都很重要，但是过去曾片面强调产值，往往以产值是否完成计划来评定企业的工作成绩，结果使许多企业只顾产值，不顾效益，甚至赔钱以增大产值，虽然年年超额完成产值任务，但经济效益却越来越差。也有的企业追求高度自动化，盲目模仿国外“无人化工厂”(图2-2)，投资过大，加大就业难度，不合国情，经济效益和社会效益都不好。25第2章系统原理先进设计系统图2-2日立公司的无人加工车间图2-2日立公司的无人加工车间26第2章系统原理先进设计系统2.系统的第二定律(续4)⑵系统在不同的环境条件下对空间、时间、物质、能量和信息的利用率是不相同的。例2-6一个机械系统，即使在当时是先进的，但随着时间的推移，市场、能源、消费水平及其它各种条件变化了，也会不适应而落伍。许多成功的企业在产品开发上，往往是生产第一代，研制第二代，构想第三代，这正是对系统论第二定律的自觉运用。27第2章系统原理先进设计系统2.1.2系统的3条定律3.系统的第三定律不同的系统在某种意义上存在着一定程度的相似性，从一个系统上得出的规律，可以推广或还原到与之相似的其它系统上去。28第2章系统原理先进设计系统2.系统的第三定律(续1)例2-7洗衣机与电冰箱是两个无论在要素、结构还是功能上都有很大差别的机械系统，但是从所使用的能源的角度看，两者都使用电能，因而都遵循电器的一些基本规律。当洗衣机不能工作时，有经验的人知道应首先检查电源是否正常。显然，当电冰箱不能工作时，这个人虽然可能并不懂制冷原理，但他一定会知道检查电源。29第2章系统原理先进设计系统图2-3洗衣机和冰箱的结构示意洗涤桶兼脱水桶（a）涡卷式全自动洗衣机（b）间冷式冰箱图2-3洗衣机和冰箱的结构示意波轮电动机蒸发器风扇风门冷藏室冷冻室30第2章系统原理先进设计系统3.系统的第三定律(续2)运用第三定律，可以使我们节省大量的人力物力，而且对一些巨型的复杂的不可能进行实地实验和分析的系统，可以通过对相似系统的试验和分析，而推知其规律。例2-8要想检查一批建筑材料的抗压强度，总是要先随机从中抽取少量有代表性的样品进行破坏性试验，测出它所能承受的最大压力。显然，不可能也不应该对这批建筑材料全部进行这种破坏性试验。2.2系统的相关性2.2.1系统内部的关系2.2.2系统外部的关系★32第2章系统原理先进设计系统2.2.1系统内部的关系1.系统要素与要素之间的关系系统要素与要素之间的是相互作用。恩格斯说：“相互作用是事物的真正的终极原因。”系统通过要素的相互作用，形成了全新的整体效应，有新质产生。作用各方一般没有明显的对称性，即具有非线性关系。要素之间存在多种复杂的关系，如支配与从属、激励与响应、控制与反馈、催化与被催化等关系。33第2章系统原理先进设计系统2.