技术与设计2复习提纲

第六讲 结构与设计
一 、常见结构的认识
1.无处不在的结构
世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。
结构（structure）：是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
通过对自然界中形形色色的结构的分析和研究，给了人们无限的创造灵感和启示。
案例分析：①苍耳子与尼龙搭扣 P3 ② 鸟与飞机 P3
③鹰眼与导弹跟踪系统 P3
根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。
阅读案例：魁北克大桥的坍塌。P4 大桥坍塌的原因是什么？擅自改变桥的结构。
在社会领域,也普遍存在着结构现象。
一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量, 一家企业的人员结构关乎企业的运行与效率。
2.结构与力
从力学角度来说, 结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
每个物体都有它的特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构。
物理学与通用技术研究力的角度不同,物理学往往研究外力,把物体当质点,哪怕是地球,在研究它绕太阳转动时,仍把它当作质点。
而技术学则关注一个物体内部受力情况。
当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力。当应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。用公式表示应力为：σ=F/s，其中F是内力，S是受力面积，σ是应力。
构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。
拉 力 物体所承受的拉拽力
压 力 挤压物体的力
剪切力 两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力
扭转力 反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力
弯曲力 作用于物体 ,使它产生弯曲的力
案例分析：P6它们受到那些力的作用 探究：P7说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来？
３.结构的类型： 实体结构、框架结构、壳体结构
实体结构：结构体本身是实心的。它的受力特点是：外力分布在整个体积中，如实心墙，大坝。
框架结构：结构体由细长的构件组成的结构。受力特点：支撑空间而不充满空间。如铁架塔，建筑用脚手架，厂房的框架。
壳体结构：通常是指层状的结构。受力特点是：外力作用在结构体的表面上，如摩托车手的头盔，飞机的外壳，贝壳。
案例分析：物体的结构类型 P10
二、稳定结构的探析
1.结构与稳定性
（1）结构的稳定性：是指结构在负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。
例如：台风过后，东倒西歪的广告牌或标牌；因货物堆得过高而弯道处返倒的三轮车；路边倒地的自行车等。（因为当物体受到外力作用时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳定现象。）
结构的稳定性是结构的重要性质之一。如果一个物体的结构不能有效地抵御常见外力的作用，那么该物体是很难承受负载而保持平衡的。
（2）影响结构稳定性的主要因素
主要有：重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状等。
案例分析：稳定性 P13
1.重心位置的高低
重心越低,稳定性越好;重心越高,稳定性越差。
结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。
２.结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面的大小。
支撑面越大越稳定，越小越不稳定。如：高塔的共同特点都是上端小而下端大。
３.结构的形状
结构的形状不同，其稳定性也不同，如板凳只有两条腿就不稳定，而有不在同一条直线上的三条腿就有比较好的稳定性。
往往，影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。
注意：
①运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。如：自行车，高空走钢丝手持长杆。
案例分析：静态的自行车是如何保持稳定的 P14
②材料也是影响结构稳定性的因素。如：汽车的车体采用壳体结构和薄钢板材料制造，是因为壳体结构表面能分散所受的力，薄钢板使车体质量较小
探究：
①自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒下呢？
②静止状态下陀螺会倾倒，而当它高速旋转时却可以立起来？
结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。
如：倒置的啤酒瓶可以预报地震：在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。
2.结构与强度
（1）结构的强度：是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。
如：在拔河比赛中，绳子被拉断了，说明绳子不具有抵抗两队拉力的能力；6级地震中一幢小楼倒塌了，说明这座小楼不具有抵抗6级地震的能力。
（2）影响结构强度的主要因素：
结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。
案例分析：强度 P17
不同形状的结构有着不同的强度。例如：吊兰支撑架使用三角支架结构，而不使用由一根直杆挑起的结构；在建筑物两根平行支撑柱之间增加一根斜柱；A字形梯子不采用铝合金薄片，而采用长方形截面的构件。这些都是为了增加结构的强度。
材料方面：吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料，是因为钢管抗拉力性能好。
连接方式：吊兰的三角形支架的构件是焊接的而不是捆绑的，是因为这种连接方式更牢固。
①结构的形状: 三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、稳定，所用材料最少。
②结构的材料与连接：不同材料构成的结构，其强度各不相同。
一个坚固的梁的材料必须具有好的抗拉力、压力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一种材料制成。如一根混凝土梁含有加固钢筋，混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非常牢固的结构。
结构构件的连接通常有两种：
1）铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，具体有松螺栓、松铆等。如：折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等。
2）刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等，如：固定铁床架的连接、不可移动的桌腿与桌面的连接等。
3.结构与功能
结构不仅是事物存在的一种形式，而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的变化可能导致功能的变化。
案例分析：伞与拐杖 多用起子 P21 案例分析：自行车的结构与功能 P21
三、简单结构的设计
结构设计对于我们的日常生活、对于各种各样的生产活动都非常重要。日常生活中，没有丰富的结构设计，产品将会造型单一、功能单调, 那些大型建筑物、交通运输工具等更是无法产生，生产活动中，产品制造技术、结构安全性及耐久性评估、维修加固技术等，都离不开结构的设计和研究。
1.结构设计应考虑的主要因素
（1）结构设计的目标及要求
结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需要。，
（2）结构设计应考虑的主要因素
结构设计应考虑的主要因素有：符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。
在工程的结构设计中，应考虑结构的安全性、适用性和耐久性。在考虑结构的稳定性和强度，使结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能实现一定的功能的同时，还要考虑经济因素，如做到用料省、成本低等，也就是说，力求以最低的成本使所建造的结构达到预定的要求。
不同的结构设计，应考虑的因素各有侧重，但无论在哪一类用途的结构设计中，安全都是至关重要的因素。在结构设计中还有一些需要考虑的因素，如材料、民俗文化、地域特点等。
案例分析：户外广告牌结构设计中的抗风问题 P25
2.简单结构的设计案例
以简易相片架为例说明简单结构的设计过程与方法。P26 案例分析：简易相片架的设计
四、经典结构的欣赏
1.优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上,也表现在形式上,特别是功能与形式的统一上。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的结构。
2.赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。
（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。
（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。
案例分析：赵州桥 P30 案例分析：飞 檐 P31 案例分析：蛋形椅 P32
技术角度：1.功能：2.结构设计：3.技术施工：
文化角度：

探究：中国古代建筑的结构多以木材为材料。请你从材料与构件的连接方式等角度, 分析中国古代建筑稳固的原因。
中国古建筑以木材、砖块为主要建筑材料，以木构架结构为主要结构方式，此结构式由立柱、横梁、顺模等主要构件建造而成，各个构件之间的连接点以棒卵相吻合,构成富有弹性的框架。
木构架结构有很多优点。首先，承重与围护结构分工明确，屋顶重力由木构架来承担，外墙起遮挡阳光、隔热防寒的作用，内墙起分割室内空间的作用。由于墙壁不承重，这种结构赋予建筑物以极大的灵活性。其次, 有利于防震、抗震。木构架结构很类似今天的框架结构，由于术材具有的特性，且构架的结构所用斗拱和棒卵又都有若干伸缩余地，因此在一定限度内可减少由地震对这种构架所引起的危害。“墙倒屋不塌”形象地表达了这种结构的特点。
斗拱也是中国木构架建筑特有的结构构件，由方形的斗、升和矩形的拱、斜的昂组成。在结构上挑出承重，并将屋顶的大面积荷载经斗拱传递到柱上。它有一定的装饰作用，又是屋顶和屋身上的过渡。此外，它还是封建社会中森严的等级制度的象征和重要的建筑尺度衡量标准。
斗拱一般使用在高级的官式建筑中，称为大式建筑。大体可分为外檐斗拱和内檐斗拱，外檐斗拱中“斗”是最下面的构件，斗口的大小决定着整个建筑的尺寸，“拱”指木，“昂”是斗，拱中斜置的构件室外为下昂，室内为上昂。
因为斗拱的重要性，历代建筑对它十分重视，使它成为判断建筑时代的重要标志之一。
单元小结：
㈠结构对自然界、技术领域和社会领域具有普遍意义。
㈡从力的角度来看, 结构是指可承受一定力的架构形态, 它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
㈢结构构件的基本受力有拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。
㈣结构类型主要有实体结构、框架结构和壳体结构。不同的结构类型有不同的受力特点。现实生活中遇到的结构更多的是若干结构类型的组合。
㈤结构的稳定性和强度是结构设计必须考虑的重要内容,二者相互联系,相互影响。结 构的稳定性主要取决于重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状等。结构的强度主要取决于结构的组成形式、构件的几何形状、截面形式、材料以及构件的连接方式等。
㈥结构设计中的美学因素、环境因素、安全因素以及时尚、个性、文化等都已成为人们进行结构设计时必须综合考虑的重要因素。结构的牢固、稳定、简约、和谐、美观是结构设计不变的追求。
第七讲 流程与设计
一、生活和生产中的流程
1.认识流程
（1）流程的含义和意义 ：
人们的生产、生活活动都是在一定的时间内发生、发展和结束的，都是为了一定的目的，按照一定的顺序和规则进行的。
如：同学们每天都是按照作息时间表来安排学习、生活的，每个时间段都有一项活动，而且是按照一定的先后顺序进行的。
从P38图中可以看出，自行车的前轮装圈上轴过程经历了一系列具体的步骤，这些步骤有开始的时间和持续的时间。组装自行车前轮过程是：
总结：在实际生产和生活中有很多事物顺序是不能颠倒的，如果颠倒，重则无法完成任务，轻则不能按质按量完成任务。如：组装自行车前轮时，如先把外胎装上，就根本不可能把前轮装好。
1）什么是时序？时间上的先后顺序就是时序。
任何一项生产或生活活动都有一定的时序。时序体现了具体活动内容的先后关系，在这种先后关系中，有些步骤之间的时序是不可颠倒的，如在自行车的装配中，只有先上好钢丝（辐条）才能上内胎；有些步骤之间的时序是可以颠倒的，如自行车的装配中，是先装车铃还是先装鞍座；学生放学之后是先做家庭作业还是先进行体育活动，都没有严格的先后关系，可以有不同的时间顺序。
自行车的前轮装圈上轴过程，可以认为有上钢丝、编花、装前轴、装外胎、装内胎、装气门这几个小过程组成。对于我们在学校的经历可以分为准备上课阶段、学习阶段、午休阶段等。
我们把完成某一个具体目标、组成某项生产或某个活动过程的若干阶段或小的过程称为环节。
环节是一个相对的概念，依据问题性质的不同和不同人的理解，环节的划分可能会有所不同。环节中又包含若干可以分解的、目标更具体的事项。在某项生产或某个或动中，环节是不可缺少的。
2）什么是流程？
流程是一项活动或一系列连续有规律的事项或行为进行的程序。为了一定的目的去做事情的顺序。
人们在处理问题或事物时，合理的时序和程序过程，就是流程。
任何流程都反映一定的时序，体现出一定的环节。例如：旅客搭乘火车的流程“买票——候车——检票——上车”是按照时序来进行的，买票、候车、检票、上车是环节，如果缺少某一环节或颠倒时序，就可能乘不上火车。
注意：
①流程简单来说就是人们处理问题的步骤，但要使问题处理得好，必须有合理、科学的处理方法，这就是我们“通用技术”中的流程。
②某一流程不是一成不变的，由于科技和社会的发展流程会更加科学、合理。
流程广泛存在于人们的生活和生活活动之中。
①不可颠倒的时序往往反映事物或活动的内在规律或机理，我应尊重和遵循这些规律或机理。
②合理的流程使人们处理问题时能按质按量完成任务，能使生产效率提高，降低成本提高产品质量，真正做到多快好产。
③不按合理流程办事，会使我们处理问题时遇到不少麻烦，甚至不能完成任务。
（2）流程的表达
一般采用流程图来表达流程。依据流程的性质以及的表达习惯，流程图有文字表达、表格表达、图示表达等方式，有些场合还可用模型表达、动画演示等。
在流程图中，有的用箭头表达时序，有的用数字序号表达时序，还有的用时间表达时序。流程图的序号或方框反映了环节、工序的具体情况。
在编制计算机程序时，经常要用程序流程图来表示算法，流程图中的方框、菱形框表示一定的环节，箭头表示程序流动的方向。例如，计算S=1+2+3+…+100的算法，可用P43的两种程序流程图表示。
2.生活与流程
生活中处处都有流程，洗衣做饭、采购日用品、看病就医和外出旅游等都离不开流程。科学合理的流程，可以指导我们正确地做事，提高工作和学习的效率，使我们的生活变得有序、合理、为我们的安全提供保障。
案例分析：洗衣、煮饭与烧菜的流程安排 P44 生活中的流程对工作质量往往有着重要影响。
案例分析：青霉素注射的流程 P44
3.生产与流程
在农业生产中，我们要依据一定的流程来组织生产、管理企业。对于生产过程，有加工流程、组装流程、包装流程、质量检查流程、安全生产流程等；对于企业经营过程，有原材料采购过程、市场销售流程、财务工作流程等。运用科学合理的流程可以有效地组织生产、提高生产效率、保证产品质量、保证安全生产、保护环境等。
案例分析：软皮椅的生产流程 P45
流程中的环节：
为了便于分析问题，我们在图中画出虚线框表示生产流程中的环节，在实际生产流程图中，一般是不直接标出环节的。
流程中工序的作业方式——串行和并行
从软皮椅生产流程图中可以看出时序的关系。接生产通知单——备料——开料，这样依次进行的工序，就是串行工序。串行工序的特点是，上一道工序完成之后才能进入下一道工序。而生产中有些工序是可以同时进行的，如制架、面料、海绵这几项工作是同时进行的，这就是并行工序。并行工序是多人或多台设备同时工作，这样可以大大提高生产效率。
为了保证产品的质量，在材料采购、加工制作、组装、包装等的全过程中，对每一道工序都要按照质量标准进行质量检查。因此，生产中还应有一整套质量管理的流程来保证产品的质量。流程在生产中起到了重要的作用。
阅读：自动化生产流水线 P46
案例分析：连续式淬火的工艺流程 P47
在工农业生产中，是否严格按照流程中环节和时序的要求正确地进行生产，将直接影响到安全生产和产品的质量。
案例分析：李龙的庄稼为什么颗粒无收 P48
二、流程的设计
1.流程设计应考虑的基本因素
（1）流程设计的目标与要求
设计一个流程首先应明确流程要实现的具体目标。
对于工作和生活方面的流程设计，主要应考虑如何节省时间、提高工作效率、提高工作质量等目标。
对于生产活动的流程设计，主要应从提高效率、提高质量、节省资源、安全生产、高经济效益、提高管理水平等方面明确设计的目标。
（2）流程设计中的基本因素
生产活动的流程设计的基本因素主要有材料、工艺、设备、人员、资金和环境等。
材料：不同的材料有不同的加工处理方法。
工艺：不同产品的工艺要求各异，流程设计也不同。
设备：生产设备的水平往往决定了流程的自动化水平。
人员和资金：人员的技术水平和必要的资金影响生产的过程、质量和周期，是进行流程设计必须考虑的主要因素。
环境：生产过程对环境的污染以及环境对生产的反作用，是流程设计时应关注的重要因素。
不同行业的流程有不同的特点，所以流程设计中应考虑的基本因素也各有差异。
流程设计要依据事物的内在属性和客观的变化规律，科学地设计时序和环节，以达到设计目标。
案例分析：合成氨的生产工艺流程 P51
2.流程设计的步骤
首先要明确设计的目标和任务，明确流程所应遵循的内在变化规律。
其次，要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境因素。
第三，列出流程涉及的主要事项，并进行初步的排列。
第四，分析各事项（步骤）之间先后顺序，合理地安排流程的时序和环节。
第五，选择一种合适的表达方式画出流程图，对于有严格时间要求的时序，要标注时间。
3.流程设计举例
案例分析：小铁锤的加工流程设计P52
一、手工制作小铁锤的流程设计
制作一把小铁锤。锤头和锤柄的连接方式用螺纹连接。
⒈流程设计的主要因素分析。
⑴设备：常用金工工具，台钻，砂轮机，热处理设备等。
⑵材料：45号钢和Q235棒料
⑶加工方法：采用手工加工工艺。用铁锯下料；铁头部分的加工用锉刀锉平面，台钻钻孔，手工攻丝；锤柄部分的圆头用砂轮机磨削，螺纹用板牙套丝。
⑷热处理：锤头进行淬火处理，以提高硬度。
⒉流程的环节与时序。
小铁锤的加工过程划分为三个环节，依次为锤头加工环节、锤柄加工环节和装配环节。
⒊编制加工流程，按时序画出加工流程图。
锤头的加工流程图：
下料——划线——锯削——锉削——画螺孔中心线——钻孔——攻丝——倒角——淬火——电镀
锤柄的加工流程图：下料——磨削圆头——板牙套死——电镀
装配的工作很简单，把加工好的锤柄拧紧到锤头的螺孔中，一个小铁锤就做成了。
二、批量生产小铁锤的流程设计
工厂批量生产小铁锤采用的是机械加工方法。流程设计应考虑的基本因素主要是设备条件和加工工艺。为了提高功效，流水作业是首选的方法，每道工序都由机床来完成，甚至可以在铣床上用两把刀具同时加工两个平面，从而大大提高加工效率。
⒈锤头和锤柄分别采用流水线工作方式加工，每台机床完成1~2道工序。加工流程设计方案P53
⒉装配。P53
三、流程的优化
对流程的改进过程，称为流程的优化
1.流程优化的内容
流程优化的目的是为了提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等。
流程优化涉及到工期优化、工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等优化指标。
流程优化应在综合考虑各项指标的基础上，抓住主要矛盾，突出重点指标的优化，综合权衡，以达到整体优化的目的。
案例分析：工期优化 P54 案例分析：工艺优化 P55 案例分析：成分优化 P56
2.流程优化的条件
流程的改进和优化需要一定的条件，它建立在设备和工艺水平提高的基础上，建立在对流程内在机理进一步研究的基础上。
流程与材料、设备、工艺有着密切的关系，在优化流程时，需要充分考虑到这些条件。
本单元小结：
流程是一项活动或一系列连续有规律的事项或行为进行的程序。任何一项生产或生活活动都有一定的时序，都可以划分为若干个环节。科学合理的流程可以指导我们更好地组织生产、规范活动，可以使我们的生产和生活有序而高效。
流程的设计主要应从提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等方面设计的目标。设计时应考虑的基本因素有材料、工艺、设备、人员、资金、环境等，其核心是要依据事物的内在属性和客观的变化规律，科学地确定时序和环节。流程的表达可以有文字、表格、图示、模型、动画演示等多种方式。
流程的设计是一个不断探索不断优化的过程。流程的优化可以根据不同的目标有所侧重，主要有工期优化、工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等。优化要在平衡各项资源的基础上，突出主要指标的实现。
第八讲 系统与设计
一、系统的结构
1.什么是系统
由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体，称为系统。
案例分析：自行车P64
自行车由车架、车把、鞍座、前叉、脚蹬、链轮、链条、车轮（轮胎、辐条、车圈、气门）、车闸、等主要部件组成。
自行车是由若干主要部件组成的，这些部件相互联系、相互作用，形成了自行车可以代步的功能。
要素是指构成系统的最主要的元素。一般地，部分相对于系统的整体而言，要素相对于系统的元素结构而言。很多情况下，要素和部分又可以通用。如一个企业就是一个系统，它是由人、财、物、事等要素组成的，同时也是由管理部门、生产部门、营销部门、供应部门等部分组成的。在这个系统中，各要素（部分）都是不可缺少的，他们之间存在着一定的联系。
构成系统，必须具备三个条件：
第一，至少要有两个或者两个以上的要素（部分）才能组成系统；
第二，要素（部分）之间相互关系、相互作用，按照一定方式形成一个整体；
第三，这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。
系统有大有小，有复杂有简单。对于较大型的系统和比较复杂的系统，根据一定的标准可划分为若干子系统，如地球生态系统由海洋生态系统、森林生态系统、陆地生态系统等子系统构成；交通系统可分为航空运输系统、铁路运输系统、公路运输系统等子系统；管理系统可分为生产管理系统、营销管理系统、财务管理系统等子系统。同样，任何系统都是更大系统的子系统。
2.系统的类型
系统是普遍存在的，也是多种多样的。系统可按不同的标准和需要来分类：
（1）自然系统和人造系统
如：人体系统、生态系统是自然系统；城市系统、计算机系统和机械传动系统是人造系统
（2）实体系统和抽象系统
如：生物系统、机械系统是实体系统；哲学系统、计算机的操作系统是抽象系统
（3）静态系统和动态系统 如：静态和动态是相对的。
（4）开放系统和封闭系统 如：氨气的合成系统是封闭的，生态系统是开发的系统。
（5）简单系统和复杂系统（拓展）
（6）黑色系统和白色系统（拓展）
3.系统的基本特性：整体性、相关性、目的性、动态性、环境适应性。
⑴整体性：是系统最基本的特性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。
系统是一个整体，它不是各个要素（部分）的简单相加，系统的整体功能是各要素（部分）在孤立状态下所没有的。
系统的任何一个要素（部分）发生变化或出现故障时，都会影响其他要素（部分）或整体的功能的发挥。
系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。如：人的双眼视觉功能大大超过两只单眼视觉功能简单相加的总和。
不能离开整体去分析系统中的任何一个组成部分。一个系统组织的好不好，就看它的整体功能即系统功能实现得怎样。
案例分析：巴尔扎克的塑像 P69
⑵相关性：是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。
案例分析：厨具安装 P70
家庭装修是一项系统性很强的工程，各项工作之间、各种设施之间存在着必然的联系，它们相互影响又相互制约。只有从它们的相关性出发，处理好各方面的关系，才能事半功倍，高质高校。
⑶目的性：任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这正是区别不同系统的标志。
系统的目的一般通过更具体的目标来体现。对于复杂的系统，目标有多个，往往用一个指标体系来描述系统的目标。
设计和分析一个系统时，必须事先弄清其目的，否则就无法构成一个良好、有序的现实系统。当系统存在多个目标时，要从整体协调的角度出发寻求平衡，以获得整体上的最佳效果。
⑷动态性：任何系统都是一个动态系统，处在运动变化和发展之中。
运用系统的动态观点，有助于使我们不仅看到系统的现状，而且看到系统的变化和发展，从而预测系统的将来，掌握系统的发展规律。
⑸环境适应性：系统只有对环境变化的适应能力，才能保持和恢复系统原有的特性。
二、系统的分析
1.系统分析及其一般步骤
⑴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加以周详的考察、分析、比较、实验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，就是系统分析。
系统分析的显著特点是完整地处理问题，考虑各种主要变化因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。
案例分析：汉字激光照排系统P77
⑵系统分析的一般步骤
①明确问题，设立目标：明确所要研究问题的性质和范围，提出所要表达到的目标，明确约束条件
②收集资料，制定方案：收集相关资料，制定解决问题的各种备选方案，预计可能产生的各种结果
③分析计算，评价比较：对资料和数据做必要计算，进行各子系统的分析，再进行系统的整体分析，将各中方案进行评价对比，选择最佳方案
④检验核实，作出决策：若对方案不够满意，还可按上述程序反复进行，直到获得满意的方案为止
案例分析：田忌赛马P78
思考：⒈田忌与齐王的三局赛马可以有哪几种方案？
⒉孙膑出的主意，为什么能使田忌赢了齐王？
⑶系统分析的主要原则
运用系统分析的方法处理问题时要遵循整体性原则、科学性原则、综合性原则三个主要原则。
①整体性原则：先分析整体，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一个阶段；先看长远，再看当前。
②科学性原则：
③综合性原则：
案例分析：孝襄高速公路P80
2.系统的优化：
我们做任何事情都希望达到最优的效果。如希望以最小的成本获取最大的利润，以最短的工期完成更多的工程量，以最少的能耗生产更多的产品，在单位面积上尽可能提高农业产量等。
案例分析：农作物种植系统的优化——农业间作套种P81
目标：实现增产、增收、提高土地利用率。
条件：农作物的生长的季节差、时间差，把相同或不同类的农作物套种在一起，有“麦、棉、瓜”，“麦、棉、菜”，“麦、瓜、棉、玉米”等多种套种模式供选择。
某地区因地制宜地选择了“麦、棉、瓜、红薯”的套种模式，在正常天气条件下，按照套种的技术要求操作，夏季可收小麦（350~400）千克/亩，红薯2500千克/亩，无籽西瓜5000千克/亩，秋季产籽棉225/千克/亩，平均每亩收入超过3000元，比原先提高了近五成。
你认为在你所在地区，可采取哪些提高农作物产量的措施？
系统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）。
影响系统优化的因素是指对系统的目标函数产生显著影响，并且可以认为调节的因素。
案例分析：利润问题P81 阅读：数学模型P82
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。系统优化的方法多样的，有的运用数学模型求解，有的用科学的估算、试验等方法实现。
案例分析：装修施工的组织优化P83 阅读：系统工程P84
三、系统的设计
1.系统的设计
⑴系统设计应考虑的主要问题：
①系统设计的目的与要求：
系统设计要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的。不同行业的系统设计有着不同的技术要求。
②系统各部分之间的相互联系与相互作用：
运用系统的思想综合考虑各部分之间的关联、冲突问题。注重各部分的纵向、横向联系；依据系统的动态性、环境适应性，考虑当前和长远。
③系统设计方案的优化：首先从系统整体考虑优化，统筹兼顾，再在此基础上完善各部分的设计。
⑵系统设计的一般步骤：
系统设计的步骤主要包括：将系统分解为若干子系统，确定各子系统的目标、功能及其相互关系，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等。
2.简单系统的设计的实现
案例分析：手电筒照明供电部分的设计P87
设计要求：可照明的手电筒，携带方便，使用安全。
设计分析：
⒈可把手电筒照明供电部分分为照明和供电两个子系统。照明子系统的要素是灯泡、导线，供电子系统的要素是电源和开关。
⒉手电筒的功能取决于它的各个组成要素，电源通过导线的连接驱动灯泡发光，这些要素缺少任何一个，手电筒都不能正常工作。
⒊选择合适的元器件，使它们相互匹配，并能达到设计要求。
设计方案：
方案A
（1）设计一个简单的电路，画出电路图。
（2）根据电路图，选择元器件，如灯泡、干电池、导线等，并搭接电路。
（3）通过控制开关，使灯泡发光。
方案B
选择元器件为发光二极管及干电池、金属筒等，其他步骤参照方案A。
方案C
设计一个自发手电筒。
采用发电机代替干电池进行供电。手电系统有以下几个部分组成：
手柄——齿轮组——发电机——小电珠
用手摇动手柄，使齿轮的转速加快，带动一个由电磁铁和线圈组成的发电机旋转，线圈在磁场中转动时将机械能转化为电能，输出电流，使小电珠发光。
方案C不需要使用干电池，所以对环境不产生污染。
案例分析：室内住宅电气系统的设计P89
本单元小结：
系统是由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体。系统有大有小，有复杂有简单，根据一定的标准可划分为若干子系统。系统的基本特性主要有整体性、相关性、目的性、动态性和环境适应性等。这些特性都体现了一定的思想与方法。
系统分析是指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加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程。系统分析应遵循整体性原则、科学性原则和综合性原则。
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）。
系统设计是对各种各样的系统进行调查分析、筹划研究、评价实施、运行改善等，直到完成一个能协调工作的实际系统的过程。系统设计要考虑其目的与要求、系统各部分之间的相互联系与相互作用、对系统设计方案进行优化等问题。
第九讲 控制与设计
一、控制的手段与应用
1.控制的手段
⑴控制的含义：案例分析：大禹治水P96
人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。
理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。
例如：人力三轮车转弯过程中的方向控制问题，其控制的对象就是人力三轮车，控制的目的是为了改变三轮车行驶的方向，控制的手段是骑车人通过双手转动车把，改变前轮的方向并带动后轮。
⑵控制的手段：控制的实现需要通过一定的手段。
从控制过程中人工干预的情形来分，控制有人工控制和自动控制。
人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。人工控制又称手动控制。
自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
按执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
有时，控制手段又可以综合的。案例分析：从手摇扇到空调器
2.控制的应用
控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。
生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制，控制在生产中得到了极为广泛的应用。
控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。阅读：控制论P101
二、控制系统的工作过程与方式
1.控制系统
案例分析：自行车行驶的速度控制的实现P102
案例分析：电风扇的风速控制的实现P102

任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。一般的控制过程都有一个输入和一个输出，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。
2.开环控制系统
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统为开环控制系统。
开环控制系统在日常生活中用途很广。如十字路口的红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。
案例分析：自动门的控制系统P103
在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。对于开环控制系统，通常可以用下面的方框图来描述：

输入量即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位；被控对象即控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池；执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；控制量即执行器的输出信号，如流过阀门的水量。
案例分析：水泵抽水控制系统P104
3.闭环控制系统
系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
简单闭环控制系统的方框图如下：


检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端； 是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在一定范围内。
与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的环节。
三、闭环控制系统的干扰与反馈
1.干扰因素
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
有的干扰因素是环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；
有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。
在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。
案例分析：电视机P109
有些情况可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。
2.反馈
（1）什么是反馈
控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入并与输入量进行比较的过程，就是反馈。
案例分析：投篮 P110
利用反馈来分析和处理被控制对象，通过系统的书出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运用的方法，称为反馈方法。如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动电水壶具有挡水沸腾时自动切断电源的功能，终究是运用反馈方法实现自动控制的结果。
(2) 闭环控制系统的工作过程
从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈问题，输出量对控制过程产生影响的控制系统。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。
一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
案例分析：供水水箱的水位自动控制系统P112
案例分析：加热炉的温度自动控制系统P113
（3）闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。
3.功能模拟方法：以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。
阅读：功能模拟方法的提出 P115 思考：功能模拟方法对技术有何意义？
4.黑箱方法：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。例如，通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
四、控制系统的设计与实施
1.控制系统设计的一般思路
设计好一个控制系统，应该明确这个系统要达到的目的是什么，所要控制的对象是什么，被控制对象有哪些重要的特性，被控量和控制量分别是什么，外界的主要干扰因素有哪些，选择怎样的设计方案既能达到目的，又能经济、易于实现，如何选择设备和元件，等等。
设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。能达到控制目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等，是我们进行控制系统设计必须考虑的基本问题。
控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写说明书等。
（1）开环控制系统的设计
开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。例如：普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；若是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则需在开关环节加一个定时器。
案例分析：电吹风控制系统的设计 P119
设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡档、热风挡）输出不同种类的风。
设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机的电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。
电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。
方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。
设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。

确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
（2）闭环控制系统的设计
简单的闭环控制系统，基本要求：
第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。
第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计P120
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设计要求：⒈当水箱中的水位低于达到某一指定高度时，进水口立即进水。
⒉当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口立即停进水。
⒊控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析：⒈从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
⒉被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。
⒊主要干扰因素是水箱的出水流量。
方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某一高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱的水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位的控制过程：拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水，与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。

2.控制系统的设计与实施方案
案例分析：自动升旗简易控制装置的设计P121
本单元小结：
事物发展具有多种可能性。人们根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展，就形成了控制。人类的控制现象自古就有，随着科学技术的发展进步，自动控制得以迅速发展。控制的手段多种多样，控制广泛应用于人们的生产生活中。
开环控制系统是指输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。闭环控制系统是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。控制系统的工作过程通常可以用方框图来表示。
在控制系统中，除输入量以外引起被控量变化的各种因素，就是干扰因素。反馈是闭环控制系统的重要特征，体现了一定的思想方法，有着广泛的应用。此外，功能模拟方法、黑箱方法在控制系统设计以及日常生活中也有着广泛的应用。
设计一个控制系统，要明确控制目的、控制对象是什么，要弄清干扰因素以及被控量、控制量，选择经济、易于实现的手段来实现。