通用技术第二册第三章系统与设计

第三章系统与设计本章知识要点（1）从应用的角度理解系统的含义。（2）了解系统的基本特性，了解系统分析的基本方法。（3）了解系统优化的意义。（4）了解简单系统设计的基本方法。一、系统普遍存在的原子结构示意图二、系统的含义1、基本含义系统是指由两个或者两个以上相互联系，相互作用的元素所组成的，具有一定结构和功能的有机整体。2、系统的组成（一）系统与子系统系统有大有小、有简单又复杂。如：人对人体完成生命活动的的几大系统：人就是最大系统。那么，神经系统、消化系统、呼吸系统、分泌系统等这些系统，它们就是人的子系统。子系统可以层层分解，如:人体的呼吸系统可以分为呼吸道和肺某一部分发生病变？动力系统传动系统转向系统制动系统车身系统汽车系统答案是：一条铁链由很多环组成，若把铁链看成一个系统，每一个环就是子系统。如果，这个子系统出现情况，势必就会影响到系统的整体效应。所以，它们之间是相互依赖和相互作用，共同完成系统的整体功能。用系统的观点来解释“一条铁链的承受力取决于铁链中最脆弱的那一环的强度”（二）、子系统与元素•人体系统中，心、肝、脾、肾、眼、耳、口、鼻等看成人体分解的最后层次或基本单元。那么，这些器官就构成人体的元素。•元素与系统的概念是相对而言。•人体就是一个复杂的系统，可以层层分解为系统、器官、组织、细胞等子系统。•所谓元素的不可再分性，也是相对于它所属的系统来说。班级学生、老师……班规、课程表、作息时间表….人物事(1)按组成元素性质分自然系统人工系统复合系统（三）、系统分类自然系统：天然形成的。如：太阳系、一片庄稼、原始森林人工系统：为达到某种目的人工建立。如：神舟五号飞船复合系统：自然系统和人工系统相结合的系统。如：原子核结构(2)按组成元素存在形态分实体系统概念系统（1）实体系统：由物质的实体元素构成（2）概念系统：由概念、原理、原则、理论、方法等非物质实体元素构成的系统(3)按系统的运动状态分动态系统静态系统（1）动态系统：系统的状态随时间的变化而变化（2）静态系统：不随时间而变化(4)按系统与外部环境关系分开放系统封闭系统（1）开放系统：不断与外界环境进行物质、能量和信息交换的系统（2）封闭系统;不受周围环境的影响的系统第二节、系统分析的基本方法《申鉴•时事》•某人在林中看到别人布了一张捕雀的大网，捕到的麻雀都是钻进一个个网眼的。于是，他回家用一截截短绳结成许多互不相连的小绳圈，也去捕雀，有人问：“这绳圈做什么用？”他说：“网雀用的。既然一只雀只钻一个网眼，我这种绳圈岂不比一张大网省事？”•自然，此人是一只麻雀也不会捕到的。•他的可笑之处在于没有意识到网中的每个网眼是互相联系的而不是孤立存在的，因此，单个网眼就没有整个网所有的捕雀功能。一、系统的基本特性（系统具有六大特性）1、整体性整体性是系统最基本的属性。要点1、系统的组分（元素）是构成系统整体的前提和基础，没有部分就没有整体，但系统的整体功能是各组分（元素）在孤立状态下所没有的。例如1、2008年奥运会开幕式上，29个“大脚印”是通过计算机技术，膛炮技术来实现的，但若有一个脚印出错，就会影响29个大脚印的观赏性。例如2、机器零件胡乱堆积不能构成机器系统，只有当它们按照一定的装备关系组合起来，发挥其作用，才能构成机器系统这两个案例反映系统的整体性。即系统的整体性各个组成部分在孤立下所没有的。例如：科学已证明人的两只眼睛的整体视力，不是单只眼睛视力的两倍，而是六倍。这说明了系统的整体功能大于系统个组成功能之和。要点2：系统不是各个组分（元素）的简单相加，系统内部的协调和配合状况，直接影响到系统的整体功能的实现。比如：一辆新买的自行车，往往需要经过一段时间的使用（磨合和调整），骑起来才感到舒服，为什么？例如3、水（H2O）是由氢和氧两种元素构成，但当你口渴需要喝水时，分别吸入氢气和氧气并不能为你解渴，这说明系统整体所具有的功能是各个要素（部分）的功能中没有的。讨论与分析问题1、如果自行车缺少了以下零部件，将会发生怎样的情况？A、车架B、中轴C、车闸D、前叉问题2、从自行车功能的角度，讨论一下自行车子系统的功能。车闸：功能是使车站住立即停止。车胎：功能是减少震荡。大飞轮和小飞轮：功能是使前后能同时驱动。总之、对于系统的整体性可以用下述语言进行描述：三个臭皮匠顶过诸葛亮、丢卒保车、一招不慎、全盘皆输，舍不得孩子套不来狼、只见树木、不见森林，头疼医脚、脚痛医头，（盲人摸象）。没有部分就没有整体，系统整体功能是各元素在孤立状态下所没有的。系统不是各元素的简单相加，系统内部的协调和配合状况，直接影响系统功能实现。2、系统具有目的性系统的目的性是指以实现某种功能为目的，这正是区分不同系统的标志。系统的目的一般通过更具体的目标来体现的，系统的多个目标有时不完全一致的，甚至互相矛盾，这就需要协调，寻求平衡折中的办法，从而收到最佳的效果。巡航速度汽车车速过快或过慢都会格外耗油，两者之间有个最适当的速度，就是巡航速度。在巡航速度下，汽车最省油。3、系统具有相关性系统的相关性是指系统内部各组分（元素）之间存在着相互依赖和相互制约的特定关系，某一组分元素的变化，会影响其他组分元素实现其功能。木桶理论木桶的短板会成为这个木桶盛水量的“限制因素”（或称“短板效应”）。若要使此木桶盛水量增加，只有换掉短板或将短板加长才成。人们把这一规律总结为“木桶原理”，获“木桶定律”，又称“短板理论”。变速自行车的传动比：传动比I=21飞轮齿数N链轮齿数N变速自行车快慢与什么有关相关性再如：合金钢材料中，碳含量的高低影响着钢的强度、硬度和韧性，从而影响钢的耐磨性。碳含量高，则硬度高、韧性差；碳的含量低、则硬度低、耐磨性差。这反应了系统的什么基本特性?如：俗话说：“一步错步步错”如：据欧洲太空总署报道：在地球赤道同步轨道附近宽度不到1米的条带内约有1000多颗卫星，仅有约300颗在正常工作，多数已成为空间垃圾。这些太空垃圾严重威胁到各国卫星及其他航天器的发射与太空飞行，它们的回收将成为全球的问题。这就反映出系统的相关性特征。牙好胃口就好，身体倍棒，吃饭倍香、从系统的角度看，它体现系统的整体性和相关性系统的相关性是指系统内部各组分（元素）之间存在着相互依赖和相互制约的特定关系，某一组分元素的变化，会影响其他组分元素实现其功能。4、系统具有适应性系统的适应性是指任何系统都存在于一定环境之中，必然要与环境进行物质、能量和信息交换，外界环境变化会相应的引起系统功能和内部（元素）的变化。系统具有适应环境的变化，保持原有功能的特性。如1：核电站需要建在有水源的附近，最好靠近海边，用水来冷却燃料棒融化造成的核辐射。如2：这个眼镜只有放在你的脸上才漂亮。如3：变色龙的身体会随着背景、温度的变化和心情的而改变“泰坦尼克”号游轮，在当时该游轮各项技术性能是世界最先进的，但是触冰后也沉没了。它主要反映了系统的什么特性？环境适应性冬天的雷鸟夏天的雷鸟如：“春捂秋冻”是北方天气变化，人们穿衣变化的一种写照，它能体现系统的环境适应性的。人的演变过程环境适应性飞机在空中飞行时，时常受到大气对流的影响而产生颠簸，当飞机的检测装置接收到这一信号后，经过控制器的调节，能在很短的时间内调整好飞行状态，克服大气对流对飞机飞行的影响，保持平稳飞行。这个现象说明了系统的什么基本特性？环境适应性台式计算机的CPU上安装的小风扇有时转的快，有时转的慢，这个现象说明了系统的什么基本特性?再如：2008年初我国南方遭遇百年一遇的雪灾，由于高压电线和铁塔上积累大量冰冻，部分强度不大的铁塔被压跨，从而导致大批铁塔相继倒塌，造成大面积的停电，从系统角度理解，是该输电系统的相关性不明确是造成这种损失的原因之一，也是该输电系统的环境适应性不明确。但是、不能说是该输电系统的目的性不明确。如：自行车的发展成：变速自行车、山地自行车等的出现5、系统具有层次性系统无论大小，都可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。系统各个层次具有独立的功能，它们通过相互联系、相互作用共同完成系统的整体功能汽车是一个复杂的系统，它包含了动力系统、传动系统、制动系统、刹车系统等。这体现了系统的什么特性？6、系统具有动态性：即随着时间的变化而变化的。如：病人从住院到出院这段时间内，医生常常会开不同的药方。如：机械手表上发条。一、系统的含义1、基本含义2、系统的组成3、系统的分类4、系统的基本特性(1)系统具有整体性最基本的特性(2)系统具有目的性区别不同系统的标志(3)系统具有相关性元素相互制约，相互影响(4)系统具有环境适应性(5)系统具有层次性(6)系统具有动态性二、系统分析的基本方法系统分析就是系统思想与分析方法的结合。系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出解决问题的可行方案的咨询方法。（一）系统分析的基本方法的涵义系统分析的基本方法就是把一个任务放在系统的运行过程中加以考察，运用逻辑推理和分析计算，研究分析这个任务以及任务的各个因素，找出规律性，提出可行性方案，使系统整体达到理想的目的。1、阅读Page:83－84，想一想在设计制造人力飞机时，设想1和设想2为什么会失败？而设想3又为什么会成功？设想1和设想2都没有综合考虑设计制造人力飞机这个系统里的各个因素，只是着重考虑其中的一两个因素(如“拍动”）（“组成结构”），所以，失败；设想3通过定性与定量结合，正是运用了系统分析的基本方法，分析研究了影响人力飞机飞行的各个因素，找出规律性（如“动力”“速度”“机翼大小”），提出可行性方案，使人力飞机实现了“飞天”的理想目的。2、阅读Page:85小资料，想一想丁谓修复皇宫的方案为什么会成为我国古代运用系统思想和方法的著名范例？汴水丁谓运用了系统分析的基本方法。把取土烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重的工程任务看成一个整体中的相关部分，加以协调处理，从而找到获得最佳效果的方案，节省了大量劳力、费用和时间,一举三得。丁谓修复皇宫的方案，是我国古代运用系统思想和方法的著名范例（二）系统分析方法的步骤阐明问题确定目标分析研究制定方案评价比较确定最佳方案案例1：阿拉斯加原油输送方案任务：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。阐明问题：分析研究：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-50C。当前采用的一般方案：1、由海路用油船运输2、用带加温系统的油管输送处理策略：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。提出方案3：把含10％－20％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。评价比较：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。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。第三节系统的优化•田忌赛马齐国使者到大梁来，孙膑以刑徒的身份秘密拜见，劝说齐国使者。齐国使者觉得此人是个奇人，就偷偷地把他载回齐国。齐国将军田忌非常赏识他，并且待如上宾。田忌经常与齐国众公子赛马，设重金赌注。孙膑发现他们的马脚力都差不多，马分为上、中、下三等，于是对田忌说：“您只管下大赌注，我能让您取胜。”田忌相信并答应了他，与齐王和诸公子用千金来赌注。比赛即将开始，孙膑说：“现在用您的下等马对付他们的上等马，拿您的上等马对付他们的中等马，拿您的中等马对付他们的下等马。”已经比了三场比赛，田忌一场败而两场胜，最终赢得齐王的千金赌注。于是田忌把孙膑推荐给齐威王。齐威王向他请教兵法，并请他当作军师。•系统的优化就是在给定条件下，通过一定的手段和方法，使系统获得更佳功能或更佳效益的过程。实现系统的最优化，就可以一定资源条件下，取得