01章设计绪论-1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先进设计系统第1章绪论课程目的和任务目的：在机械零件设计基础上学会整机设计，提供先进设计系统的的基本理论和技术。任务：获得技术系统分析和设计的基本训练，具有从事整机设计和创新设计的初步能力。3先进设计系统第1章绪论教学基本要求通过本课程的课堂教学和实践教学，树立系统的观点，掌握系统设计的方法；理解产品整机设计的规律和特点；掌握现代产品设计的基本方法和技术；具有综合运用理论和知识进行创新设计的能力。4先进设计系统第1章绪论教材和参考书教材：《先进设计系统》，戴庆辉电子工业出版社，2009参考书：（1）《机械系统设计》(第二版)，朱龙根机械工业出版社,2005（2）《机械系统设计》(第二版)，赵韩高等教育出版社,20115先进设计系统第1章绪论考核方式采用综合方式：开卷笔试+上机实训+平时成绩。⑴开卷笔试60%。⑵上机内容的考试（20%）分为课内操作和课外撰写实习报告。⑶平时成绩20%。根据课堂测验、课堂参与、作业，创新表现等来评定。6先进设计系统第1章绪论先进设计系统（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1章绪论1.1系统的基本概念1.2先进设计系统的概念1.3现代工程对设计人员的要求★1.1系统的基本概念1.1.1系统的定义与分类1.1.2系统科学与系统工程1.1.3人工系统的分类★9先进设计系统第1章绪论1.1.1系统的定义与分类1.古代系统思想2.系统定义3.系统分类10先进设计系统第1章绪论1.古代系统思想图1-1伏羲古太极图伏羲古太极图蕴涵了古代中国人的系统思想（见图1-1）。《易经》试图用阴阳五行八卦论来说明统一的世界，或把五行（金木水火土）作为构成万物的基本要素，或把八卦（从自然界中找出的8种事物：天地雷风水火山泽）看作万物之源。战国时的子思、孟子提出了“天人合一”的思想。这些学说都把宇宙看作一个整体。古希腊思想家亚里士多德提出了著名论点“整体大于它的各部分的总和”。图1-1伏羲古太极图11先进设计系统第1章绪论图1-2万里长城例1-1图1-2万里长城始建于公元前7世纪楚国，秦始皇（公元前221-前210）时期有30万人连接了各国长城，明代（1368-1644）万历年间又大规模修筑。全长6700公里，是世界上最长的城墙建筑。具有防御、通讯和保护交通的功能，从工程计算、建筑材料到施工管理均体现了系统思想12先进设计系统第1章绪论图1-3都江堰例1-2图1-3都江堰建于公元前256-前251年，是世界上历史最长的无坝引水工程。将鱼嘴分洪、宝瓶口引水、飞砂堰分洪排沙合三为一，具有灌溉、防洪、引水、排沙、航运、信息反馈等功能。在规划、设计、施工、维护等方面都体现了系统思想。如今都江堰灌区达1100万亩13先进设计系统第1章绪论2.系统定义1994年我国《系统科学大辞典》的系统（System）定义：系统是由相互联系、相互作用的要素组成的，具有一定结构和功能的有机整体。1986至1998年汪应洛院士给出的系统定义是：系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。构成一个系统必须具备三个条件：①系统由两个以上的要素组成；②要素之间存在着相互联系、相互作用（interaction）；③系统具有不同于各个组成要素的整体功能。14先进设计系统第1章绪论1.系统的定义系统包含了以下6个基本概念：图1-4（1）要素。又称元素。是系统的组成部分，又称为子系统。（2）结构。系统各个要素相对稳定的相互联系、相互作用的方式（3）功能。系统整体在内部与外部的联系中表现的作用和能力（4）边界。系统所包含的要素的界限，结构表明须有确定边界（5）环境。存在于系统外与系统发生作用的各种因素的总体。功能表明系统需要与环境发生关系。（6）输入。通过边界进入到系统的事物。输出。通过边界进入到环境的事物。15先进设计系统第1章绪论图1-4系统的概念（1）ElementsComponentsSubsystem（2）Structure（3）Function（4）Boundary（5）environment（6）Input/Output边界要素联系系统环境输出输入图1-4系统的概念功能：转换结构16先进设计系统第1章绪论表1-1系统的分类划分依据系统类型实例系统起源自然系统Naturalsystems海洋系统，天体系统，生物系统人工系统Artificialsystems工程系统，社会系统，管理系统要素性质物质系统Physicalsystems矿藏系统，生物系统，技术系统概念系统Conceptualsystems法律系统，文学系统，艺术系统与时间关系动态系统Dynamicsystems气象系统，生物系统，生产系统静态系统Staticsystems建筑物，地图要素数量和结构简单系统Simplesystems原子系统，简单工具复杂系统Complexsystems生命系统，生产系统，社会系统与外界的作用孤立系统Islandsystems宇宙飞船的密封仓封闭系统Closedsystems外加磁/电场中的磁/电介质系统开放系统Opensystems生命系统，经济系统，社会系统认识论黑色系统Blacksystems银河系外遥远星座，待设计产品白色系统Whiteningsystems可拆卸的机器，已解决的问题灰色系统Greysystems农业系统，人体系统2.系统的分类系统形态的分类如表1-1所示。17先进设计系统第1章绪论3.系统的分类2.系统的分类系统形态的分类如表1-1所示。复合系统（Compoundsystems）是指几种类型的系统互相重合和嵌套所组成的系统。大多数系统是自然系统与人工系统的复合系统。在多数情况下物质系统和概念系统是结合的。设计系统既包括概念系统，也包括物质系统。1.1系统的基本概念1.1.1系统的定义与分类1.1.2系统科学与系统工程1.1.3人工系统的分类★19先进设计系统第1章绪论1.1.2系统科学与系统工程1.系统科学的体系1.系统科学（Systemscience）的体系系统科学是以系统为研究和应用对象的一个科学技术的门类。它是现代科学技术体系中的一大门类。中国著名科学家钱学森于20世纪70年代末提出了系统科学体系的三个层次结构，如图1-5所示。①工程技术层次是直接优化客观世界的知识。②技术科学层次是指导工程技术的理论。③基础科学层次是研究系统的基本属性与一般规律的学科。系统科学通向哲学的桥梁是系统论。20先进设计系统第1章绪论图1-5系统科学的体系图1-5系统科学的体系系统学运筹学控制论系统工程自动化技术信息论通信技术←技术科学←工程技术←基础科学系统科学21先进设计系统第1章绪论2.系统工程的内涵系统工程（Systemengineering）中的系统与工程均有其特殊的含义。系统是只包括属于人工系统及复合系统这类性质的系统，不包括自然系统。工程是指造物的学问，即“工程学”的简称。不是指造物的工作过程。1971年日本寺野寿郎认为系统工程学就是使从无到有的创造过程合理化的科学。1975年美国科学技术辞典的定义是：系统工程是研究彼此密切联系的许多要素所构成的复杂系统的设计的科学。1994年我国《系统科学大辞典》的定义是：系统工程是—门统筹全局综合协调研究系统的科学技术，是系统开发、设计、实施和运用的工程技术。2.系统工程的内涵★系统工程的研究对象主要是复杂的人工系统。系统工程作为一种科学方法，最初是在20世纪40年代由美国贝尔电话公司在设计电话通讯网络时提出的。系统工程作为一种工程技术，包括两大技术:系统分析是对已有的系统用系统方法进行定量分析以帮助进行有效决策。系统设计是设计出能满足预定目标要求的新的系统。23先进设计系统第1章绪论案例3“阿波罗”载人登月系统工程的典型运用是美国阿波罗工程（Apolloproject）。工程开始于1961年5月，至1972年12月第6次成功登月结束，历时11年，耗资255亿美元，仅科研课题就有5万多项。在项目高峰期，参加研制的有2万多家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人，使用大型计算机600台。共发射了17枚飞船。阿波罗飞船全部构件达300多万个。如此庞大而复杂的系统，如果有一个环节发生故障或延时完成，都会使登月飞船无法按期发射。正是由于采用了系统工程的方法，才顺利完成了计划。它是复杂系统工程的光辉典范。24先进设计系统第1章绪论例1-3图1-6人类首次登上月球阿波罗在进行了6次不载人试验和4次载人试验之后，1969年7月20日，“阿波罗11号”宇宙飞船把两名美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林送上了遥远的月球，使“嫦娥奔月”的神话成为现实。人类第一次在另外的星球上留下了足迹。两名宇航员在月球上漫游了2小时31分钟，拍摄了月球景色、装置了科学仪器、采集了月球的岩石和土壤标本，安全返回地面。图1-6人类首次登上月球阿波罗11号飞船的航天员(1969.7.21)1.1系统的基本概念1.1.1系统的定义与分类1.1.2系统科学与系统工程1.1.3人工系统的分类★26先进设计系统第1章绪论1.1.3人工系统的分类人类建立人工系统都是为了达到各种特定的目的。人工系统一般包括三种类型：①工程系统（Engineeringsystems）。技术创新的主要领域。②社会系统（Socialsystems）。管理创新的主要领域。③思维系统（Thinkingsystem）。知识创新的主要领域。我们可以把人类建立人工系统的过程称为创新工程。技术和管理正是一根藤上的两个瓜，思维就是这根藤。下面对工程系统和思维系统进行细分。27先进设计系统第1章绪论⒈工程系统的分类1）基本形式。从设计的角度出发，工程系统的基本形式有两种：①技术系统（Technologysystems）。要素连接呈刚性。产品系统②过程系统（Processsystems）。要素连接呈柔性。流程系统。2）复合形式。从要素特征来看，工程系统的复合形式有如下3种：①项目系统（Projectsystems）。由技术系统和过程系统组成。②人机系统（Man-machinesystems）。是由人和机器组成。③人机环系统（Man-machine-environmentsystems）。是由人、机器和特定环境组成的系统。28先进设计系统第1章绪论图1-7人机环系统示意图系统输出+机环境任务要求－人显示环境控制图1-7人机环系统示意图29先进设计系统第1章绪论2.思维系统的分类1）抽象思维系统（Abstractthinkingsystems）是以概念、判断和推理等思维形式为要素所构成的系统。2）形象思维系统（Imagethinkingsystems）是以表象、联想、想象、幻想和形象等思维形式为要素所构成的系统。30先进设计系统第1章绪论图1-8人工系统的分类人工系统思维系统抽象思维系统形象思维系统技术系统过程系统项目系统人机系统人机环系统工程系统社会系统经济系统管理系统组织系统法律系统……图1-8人工系统的分类第1章绪论1.1系统的基本概念1.2先进设计系统的概念1.3现代工程对设计人员的要求★32先进设计系统第1章绪论1.2先进设计系统的概念1.2.1设计工程学的形成与发展1.2.2先进设计系统的构成33先进设计系统第1章绪论1.2.1设计工程学的形成与发展1.设计的作用2.国外设计工程学的发展3.国内设计工程学的发展4.设计工程的系统属性★34先进设计系统第1章绪论1.2.1设计工程学的形成与发展1.设计的作用日本，工业发达是企业对产品设计高度重视的结果。美国，设计是一本万利的事，对设计投资1美元，带来的利润却是1500美元。英国，产品设计是英国工业的命脉，英国工业创新必须以设计为中心。法国，设计是工业的生命，要培养超一流设计大师。德国，关键在于设计。★35先