3.3 系统的优化和设计（课件）-高中通用技术必修技术与设计2人教版

null第3节 系统的优化和设计 授课者：XXX 1 学习目标 1.掌握系统优化的概念和系统设计的基本原则。 2.了解系统优化和设计的一般过程。 3.学会简单系统的设计方法。 课堂导入 思考：把6个长9 cm、宽6 cm、高4 cm的长方体放在一个纸箱中，6个长方体如何摆放，才能使纸箱的用料最少？ 明确问题：6个长方体应该如何摆放，可以最大限度地把6个长方体的某些表面隐藏在堆积体内部，从而使最终获得的堆积体表面积最小。 解决方案：先将面积最大的面（9 cm×6 cm）两两相对，当三个长方体排在一起之后，面积最大的面由3个面积为9 cm×4 cm的面连在一起组成；此时把两组各三个长方体摞在一起，则可以使最终堆积体的表面积最小。 系统的优化 01 一、系统优化的概念 系统优化：在一定制约条件下，通过一定的手段和方法，使系统获得最佳功能或最佳效益的过程。 系统与环境之间、系统的各要素之间、系统的要素与整体之间的连接、协调乃至矛盾、冲突等状况，会影响系统的有序性和整体的运行效果，这些因素共同构成了系统优化过程中的约束条件。 从上述过程中可以看出，在不改变长方体的形状和体积的情况下，通过改变它们的摆放方式，可以使堆积体的表面积发生变化。这就是系统优化的体现。 系统优化是指：...... 能使系统达到最优化的目标的各种解决方法，称为最优化方法。 系统优化的方法是多种多样的： 系统优化的方法 数学模型 最优解 估算、验证 满意解 完善、验证 有的可以通过优化的目标与变量之间的关系计算出目标值，运用数学模型求得精确解； 有的由于系统过于复杂，我们不能确切地描述目标函数，则可以通过科学的估算、试验等方法实现。 通常情况下，无论运用怎样的最优化方法，都需要经过若干次验证和完善，才能达到最优化的目的。 实践：货物运输方案的优化 某运输车可以装载的总质量为1300 kg，现在有A、B、C三种货物，质量分别是300 kg、400 kg和500 kg，价值分别是4000元、6000元和5000元。每种货物均有两件，请问在一次运输中，选择运载哪些货物可以在不超载的前提下得到最大的总价值？ 1.明确问题：需要优化的是货物的组合方案 实践：货物运输方案的优化 假设运输A、B、C货物的数量分别为x、y、z个，请根据已知条件填写货物信息表。 货物信息表 货物 质量/ kg 价值/千元 数量/个 A B C mA=300 mB=400 mC=500 VA=4 VB=5 VC=6 x y z 实践：货物运输方案的优化 某运输车可以装载的总质量为1300 kg，现在有A、B、C三种货物，质量分别是300 kg、400 kg和500 kg，价值分别是4000元、6000元和5000元。每种货物均有两件，请问在一次运输中，选择运载哪些货物可以在不超载的前提下得到最大的总价值？ 1.明确问题：需要优化的是货物的组合方案 2.提取目标：目标是获得最大的总价值（设为VT）， 即VT= VAx + VBy + VCz最大 3.查找约束条件，建立模型 实践：货物运输方案的优化 在装载货物时有哪些约束条件？ 约束条件1：运输车的总装载量不能超过1300kg 约束条件2：每种货物的数量均为两个 约束条件3：货物数量只能是不小于0的整数 请用数字式子表示出来。 mAx+mBy+mCz≤1300 x,y,x≤2 x,y,x∈N 实践：货物运输方案的优化 某运输车可以装载的总质量为1300 kg，现在有A、B、C三种货物，质量分别是300 kg、400 kg和500 kg，价值分别是4000元、6000元和5000元。每种货物均有两件，请问在一次运输中，选择运载哪些货物可以在不超载的前提下得到最大的总价值？ 1.明确问题：需要优化的是货物的组合方案 2.提取目标：目标是获得最大的总价值（设为VT）， 即VT= VAx + VBy + VCz最大 3.查找约束条件，建立模型 4.选择最优化方法 实践：货物运输方案的优化 请列举能满足条件的方案，并找出最优的解决方案 满足条件的方案列表 方案 x y z VT 1 2 3 4 5 6 提示：考虑当x + y + z＞2时，所有满足约束条件的方案 2 1 0 2 0 1 1 2 0 0 2 1 1 0 2 1 1 1 14 13 16 17 14 15 当x + y + z≤ 2时，虽然方案可以满足约束条件，但运输车的装载量未被充分利用，所得总价值不是最大 所以只需找出x + y + z＞2时，满足条件的方案 实践：货物运输方案的优化 某运输车可以装载的总质量为1300 kg，现在有A、B、C三种货物，质量分别是300 kg、400 kg和500 kg，价值分别是4000元、6000元和5000元。每种货物均有两件，请问在一次运输中，选择运载哪些货物可以在不超载的前提下得到最大的总价值？ 1.明确问题：需要优化的是货物的组合方案 2.提取目标：目标是获得最大的总价值（设为VT）， 即VT= VAx + VBy + VCz最大 3.查找约束条件，建立模型 4.选择最优化方法 5.获得最优解 运输车运输两件B货物和一件C货物时的总价值最大，为17000元。 二、系统优化的一般过程 系统优化的一般过程如图所示： 收集与目标相关的资料 分析影响目标的主要因素以及各因素之间的关系，确定约束条件，从而建立求解最优化问题的数学模型。 二、系统优化的一般过程 立即行动：为桌子生产任务进行系统优化 某家具厂可以生产甲、乙两种规格的桌子，两种桌子都可采用机器或人工的方式生产。若采用机器方式生产，每生产一件甲规格的桌子需要使用机器6h，每生产一件乙规格的桌子需要使用机器8 h；若采用人工方式生产，每生产一件甲规格的桌子需要使用人工10 h，每生产一件乙规格的桌子需要使用人工5h。甲规格桌子的售价是800元/张，乙规格桌子的售价是500元/张。该工厂的机器工时总量是120h，人工工时总量是100h。分析该家具厂要制订怎样的生产计划，可以使产品的总销售额达到最大。 系统的设计 02 系统优化的方案如何实现呢？这就需要系统设计的实现 一、系统设计的基本原则 虽然不同的系统具有不同的功能和特点，但在进行各种系统设计时，有一些基本的原则。 1.功能实现原则 2.综合处理原则 3.效益最大化原则 二、系统设计的一般过程 请识读流程图，描述系统设计的一般过程。 案例分析：起重系统设计 怎样设计一个起重系统呢？ 在人们日常的生产和生活中，经常会遇到各种起重设备，，如建筑工地使用的各种类型的起重机、高层建筑中的厢式电梯等， 我们以起重系统的设计为例，来了解系统设计的过程。 案例分析：起重系统设计 怎样设计一个起重系统呢？ 明确目标，分析问题 子系统分析 系统的设计方案 进一步优化 最终方案 将重物送至高处，确定每次所输送的重物的最大质量 传动子系统;驱动子系统 传动子系统:传动绳、滑轮、重物容器等 驱动子系统:手摇滑轮等 改变传动比，使手摇端更省力 将手动改为马达驱动 根据具体需求情况选择最为合适的起重系统 课外实践 观看视频，学习起重系统的模型制作 实践任务：太阳能路灯的模型设计与制作 要求：该路灯模型能在白天接收太阳光照，把太阳能储存在电池中，到了夜间能够利用电池中储存的能量驱动灯具发光。 课堂小结： 系统的优化和设计 系统的优化 系统优化的概念 实践：货物运输方案的优化 系统的设计 系统设计的基本原则 系统设计的一般过程 案例：起重系统设计 练习提升 1.如图所示为我国某家公司研发的全球首款自动驾驶载人飞行器。其采用100%纯电力能源作为动力，搭配智能电池管理系统，实时监测每组电池的健康状态，具备安全可靠的动力电源;关键飞行部件采用全备份设计，包括飞控系统、各类传感器、动力系统、电池及其管理系统。即便是大雨天大雾天，飞行器都能正常飞行，保障安全。下列对该自动驾驶载人飞行器系统的优化，不合理的是( ) A.由垂直起降改为滑行起降 B.降低舱内噪音，提升乘坐舒适度 C.采用质量轻、强度大的材料制造机身 D.优化飞行器外形，减小飞行阻力，增加续航 A 练习提升 2.如图所示是植物全自动浇水控制系统，它由定时浇水控制子系统和自动补水控制子系统组成。自动补水控制子系统工作过程:当水位传感器检测到水箱水位下降到下限时，控制器控制电控阀门打开，向水箱内补充自来水;当水位上升到上限时，关闭电控阀门。下列关于该植物全自动浇水控制系统的分析中，正确的是（ ） A.从系统优化节约成本角度考虑，可以去掉闸阀 B.电控阀门的可靠性对水箱水位控制没有影响 C.水位传感器的性能是系统优化的影响因素 D.控制器通过电路精确控制水泵转速，体现系统分析的科学性原则 C 练习提升 3.如图所示的物品分选系统，可将传送带1上两种形状不同(长方体和立方体)的物品，通过夹爪的上下和旋转运动，分类放置于传送带2和3。下列关于该分选系统的设计与分析中不恰当的是（ ） A.为使系统可靠运行，传送带松紧度等部件需定期检查 B.电机是用于驱动夹爪旋转运动，液压泵驱动夹爪上下运动 C.物品分选系统需要选用颜色传感器作为物品检测装置 D.应先进行总体设计，再设计各子系统，制作安装后再调试 C Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$