資源簡介

高中“通用技術”（下冊）講義
目錄
第 01 章 結構與設計 ... ... 3
第 1 節 常見結構的認識 ... .. 3
一、無處不在的結構 ... .. 3
二、結構與力 ... .. 4
三、結構的類型 ... . 6
第 2 節 穩固結構的探析 ... . 7
一、結構與穩定性 ... ... 7
二、結構與強度 ... . 8
三、結構與功能 ... . 9
第 3 節 簡單結構的設計 ... . 9
一、結構設計應考慮的主要因素 ... ... 9
二、簡單結構的設計案例 ... ... 9
第 4 節 經典結構的欣賞 ... . 9
總結 ... ... 10
第 02 章 流程與設計 ... . 10
第 1 節 生活和生產中的流程 ... ... 10
一、流程 ... .. 10
二、意義 ... .. 12
第 2 節 流程的設計 ... . 12
一、流程設計應考慮的基本因素 ... . 12
二、設計步驟 ... ... 13
三、設計范例 ... ... 13
第 3 節 流程的優化 ... . 13
一、基礎 ... .. 13
二、內容 ... .. 13
三、條件及步驟 ... .. 14
總結 ... ... 14
第 03 章 系統與設計 ... . 15
第 01 節 系統的結構 ... .. 15
一、系統 ... .. 15
二、系統類型 ... ... 15
三、基本特性 ... ... 16
第 02 節 系統的分析 ... .. 18
一、系統分析 ... ... 18
二、系統優化 ... ... 19
第 03 節 系統的設計 ... .. 19
一、系統設計 ... ... 19
二、范例 ... .. 20

總結 ... ... 20
第 04 章 控制與設計 ... . 21
第 01 節 控制的手段與應用 ... .. 21
一、控制 ... .. 21
二、應用 ... .. 22
第 02、03 節 控制系統的工作過程與方式閉環控制系統的干擾與反饋 ... .. 22
一、控制系統 ... ... 22
二、開環控制系統 ... . 23
三、閉環控制系統 ... . 24
第 04 節 控制系統的設計與實施 ... ... 28
一、設計的一般思路 ... ... 28
二、設計案例 ... ... 29
總結 ... ... 30

第 01 章 結構與設計  第1節 常見結構的認識  一、無處不在的結構
（一）概念
1、概念
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。 2、理解
（1）各個組成部分：構件 （2）有序、排列
事物的各個組成部分之間的搭配和排列改變了，事物的性質也發生了改變。
例如，人的染色體有 X 染色體、Y 染色體之分，X 染色體、Y 染色體不同的搭配和排 列，決定這個人是男人還是女人。
同樣的六個字“這個人表現好”“這個人好表現”，但因排列不同，就形成了一褒一貶； 同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
同樣是水，有液態、氣態、固態；
總之，相同的物質，不同的排列，呈現出不同的結構，表現出不同的特性。 3、性質
（1）廣泛性
世界上任何事物都存在結構 （2）多樣性
結構多種多樣且決定著事物存在的性質。
（二）結構無處不在
1、自然界中的結構
（1）人體結構，分子結構，地球結構等
（2）將對自然界中結構的分析和研究的成果應用到技術領域，可以更好地服務于人類  船槳（魚鰭）、人工冷光（螢火蟲）、風箏（鷹）、鋸（螳螂臂或鋸齒草）、車輪（隨風旋 轉地飛蓬草）、潛水艇（海豚）、聲納（蝙蝠）、潛水用的腳蹼（鴨子）、 潛水艇的流線型設 計（魚類）
2、技術領域中的結構
（1）汽車結構，桌子結構、微機的結構、數字控床的結構、植物的結構、動物的結構  （2）事物的結構影響著事物的性能和功能，合理的結構是事物存在和發展的基礎，卓 越的結構是設計者和制造者長期的追求。
3、社會領域中的結構
（1）階級結構，文章的結構、學校管理結構、知識結構、通用技術的學科結構、課堂 教學結構、文化、經濟格局

二、結構與力
（一）構件
1、概念
一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為構件。 2、范例
（1）自行車的組成構件：自行車車架、車把、傳動、座鞍、車輪等。 （2）自行車車輪的組成構件：輻條、輪胎、車圈、氣門等。
（二）內力與應力
1、結構與力
從力學角度來說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改 變的力。
2、內力與應力 （1）內力
當一個結構受到外力作用時，內部各質點之間的相互作用會發生改變，產生一種抵抗的 力 , 稱為內力。
內力反映了材料抵抗外力破壞的能力，但并不完全。相同外力作用在兩根材料相同，粗 細不同的繩子上，細繩更容易斷開。因此，通常用應力來衡量結構抵抗變形的能力  （2）應力
應力是構件的單位橫截面上所產生的內力，用公式表示應力為σ =F/s, 其中，F 是內 力，單位為牛；S 是受力面積，單位為平方米；σ是應力。應力σ的計量單位為 Pa，通常 用 MPa。
當應力達到某一極限值時, 結構就會遭到破壞。 3、范例
生活中常見的結構都能抵抗來自外界的各種作用力和自身重力。例如自行車承受人和所
載物體的壓力及自行車自身的重力；橋墩承受自身重力及負荷的壓力、大風的作用力等其它 外力。生產、生活中常見結構，要抵抗來自外界力的作用情況：
建筑物的窗戶：自身重力、墻體的壓力、風力、外來撞擊力 …
課桌：自身的重力、手臂的壓力、桌山個物體的壓力、推拉力、地面對其的支撐力 …  硬紙包裝箱：箱內物體的重力、箱內物體向外的擠壓力、自身的重力、外界壓力、所裝 載貨物的壓力 …
（三）構件的受力形式 1、基本形式
構件的受力形式多種多樣，基本受力形式：拉力（壓力）、壓力、剪切力、扭轉力和彎 曲力。
受 力 概念
形式
拉 力 物體所承受的拉拽力
壓 力 擠壓物體的力
受力形式
結構承受拉伸時，作用在結構（經常稱為拉桿）上的力 是一對方向相反，作用線與拉桿軸線重合的集中力，方 向背離桿的底面。其受力實例是吊車的吊繩。
結構承受壓縮時，作用在結構（習慣上稱為壓桿）上的 力是一對方向相反，作用線與壓桿軸線重合的集中力， 方向指向桿的底面。如液壓機的頂桿工作時就是受壓。


剪 切 兩個距離很近 ,大小相
力 等,方向相反,且作用于
同一物體上的平行力
扭 轉 反方向向物體兩端均勻
力 施力 ,使物體發生扭轉
形變的力
彎 曲 作用于物體 ,使它產生
力 彎曲的力
2、范例

結構在受剪切時，結構所承受的力是分別作用在構件相
對的兩個面上，方向相反，作用線錯開微小距離的兩個 平行力。連接剪刀兩個部分的銷釘在剪刀工作時就是承 受的剪切力，其受力模型如圖。
承受扭轉的構件一般都稱為軸。它承受的外力是一對作 用在軸兩端面內，轉向相反的力偶矩。
承受彎曲載荷的構件，一般稱為梁。梁在承受彎曲時， 受力情況比較復雜，其中一種載荷叫做彎矩。它是作用 在過梁的軸線且與橫截面垂直的平面內的力偶矩。其作 用力是使梁產生彎曲變形。
（1）秋千的吊索，主要承受拉力；
（2）橋梁的橋墩，主要承受壓力；
（3）連接齒輪和軸的鍵，主要承受剪力；
（4）汽車方向盤的軸，主要承受扭力；
（5）單杠的杠體（上面的橫杠），主要受彎力； （6）吊扇旋轉，吊桿主要受扭力和拉力；
（四）受力分析
1、分析重點
技術學科對力的分析與物理學科受力分析的區別
物理學科：分析物體受到的外力的作用，力作用下物體的外部形狀和運動狀態的改變及 其所遵循的規律。
技術學科：分析物體受到外力作用后，對物體內部結構的影響或要求及其規律。事物結 構合理性的基礎是能夠抵抗來自外界的各種作用力和自身重力的影響。  2、分析步驟
（1）分析構件受力
任何結構承受的外載荷，都是拉、壓、剪、扭、彎中的一種或幾種的組合。 （2）分析構件承載能力
分析構件在受力的情況下，能否安全、可靠地工作。工程結構的主要功能就是承受和傳 遞各種形式的外載荷，保證結構的可靠工作。
3、范例：單杠受力結構分析
（1）各部分名稱：杠體，立柱和拉桿。（為什么做成這樣的結構？）
（2）杠體的受力與變形：杠體總是朝著人體所在的瞬間位置的方向上發生彎曲。—— 彎曲力
（3）立柱：靜止時受壓力；當人在運動時，對立柱產生彎矩 M，使立柱彎曲變形。— —怎樣做才能保持單杠穩定？
（4）拉桿：人在運動時，拉桿起到輔助立柱抗變形作用。 4、范例：棚室屋架結構分析
（1）棚室荷載與立柱受力：永久性荷載（不隨時間變化而變化的荷載）和可變性荷載 （隨情況變化而變化的荷載）。
（2）梁的受力：梁的上部，受壓力，材料被擠壓；下部，受張力，材料被拉伸。防止 彎曲變形大的方法：增加支撐點。

三、結構的類型
（一）實體結構 1、概念
實體結構通常是指結構體本身是實心的結構。房屋的墻體、水庫的大壩、古代的城墻等， 都屬于實體結構。
2、組成
通常有桿（柱）、板、體等之分。 3、受力特點
幾何外形簡單，外力分布在整個體積中，可以連續傳遞載荷，適于承受較大的力。 4、范例
長城、三峽大壩、廚房中的菜板子、實心墻、水庫的大壩、古代的城墻、柱子、實心球
等。
（二）框架結構 1、概念
框架結構通常是指結構體由細長的構件組成的結構。教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚 的棚體、建筑用腳手架、輸電鐵塔等都是框架結構。
2、組成
由梁、柱、桿、管等組成，也有用板件組成的。構件可以是實心的，也可以是空心的（管 材）；可以是平面框架，也可以是空間框架。由于這種結構用料少，可以承受多種載荷，因 此用得很廣泛。
3、受力特點
幾何外形較為復雜，其特點是支撐空間而不充滿空間，能承受垂直和水平荷載。依據功 能和使用條件的不同，可以設置成不同框架的組合。
4、范例
窗戶、畫框、房子、竹排、教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚的棚體、建筑用腳手架、 自行車、艾菲爾鐵塔、桌子、板凳、書櫥、輸電鐵塔。
（三）殼體結構
1、概念
通常是指層狀的結構，如飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、西瓜…… 2、組成
用薄壁殼狀構件來替代空間框架，殼內空，殼的幾何形狀有折線式（方形、長方形、多 邊形）的、圓弧形的和拱形的等。由于它可以將作用在其上的集中橫向載荷分散為沿殼體的 壓力。因此在場館建設中用得很多
3、受力特點
殼受沖擊力時，外力由弧面整體分擔承受，抵抗變形。 4、范例
頭盔，汽車飛機外殼、飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、核桃、瓜子、西瓜、鍋 碗瓢盆……等
（四）組合結構 1、概念
在生產和生活實際中，很多物體的結構是由兩種或兩種以上的基本結構類型組合而成

的。
2、類型
結構的類型種種：纜索結構、桁架結構、空間桁架結構、球形空間桁架結構等。 3、受力
復雜（這是大學結構力學將要學習的）。 4、范例
如：大壩都是拱形和實體結構的組合體；圓頂大廈的頂部都是框架結構和殼體結構的組 合（又叫球形空間桁架結構）。
第 2 節 穩固結構的探析
一、結構與穩定性
（一）概念
1、定義
結構的穩定性是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。 2、解釋
（1）荷載：物理學中將物體受到的外力稱為荷載 （2）平衡
物理學：物體受到的外力相互抵消，保持相對靜止的狀態
社會學：事物對立面在數量和質量上相等或相抵。如人口問題、供求問題 其核心是相等
（二）影響因素 1、重心
（1）位置：重心正投影落在結構底面范圍內是穩定的 此條件是充要條件；底面范圍是指支撐面。 （2）高低：重心越低越穩定
例如，塔的底座、不倒翁等 2、支撐面
（1）支撐面
物體與地面的接觸點相連接所形成的面，與接觸面不一定相重合
例如，放在地上的箱子，支撐面與接觸面相重合；人站立時，接觸面為兩只鞋的底面， 而支撐面是兩個底面圍起來的面，重心落在其支撐面中而不是接觸面中；  （2）影響
支撐面越大，越穩定，因為重心越容易落在其中 例如，公交車上分開雙腿會站得越穩 （3）與重心的關系
通常，支撐面增加，重心會相應降低。例如，A 字形梯中的橫梁越長，支撐面越大，重 心相應地降低。
3、形狀
（1）影響
三角形結構最穩定
（2）幾何不變體系與幾何可變體系

幾何不變體系：荷載下形狀、位置不變的幾何結構 幾何可變體系：荷載下形狀、位置改變的幾何結構 三角形桁架屬于幾何不變體系
4、拓展
（1）物理中對平衡的解釋
不平衡：重心投影落在支撐面外
隨遇平衡：重心投影落在支撐面的邊界上
平衡：重心投影落在支撐面內。重心投影落在支撐面中的不同位置上，平衡性并不相同， 用投影距邊界的最短距離來度量。
（2）應用
在結構設計中，除了滿足穩定的基本要求外，還要兼顧其他因素，如美學、個性化因素 等。如教材范例中的茶幾，支撐面為圓，重心落在圓心位置上是最穩定的；但為了美觀，使 用了側支柱，重心并沒有落在圓心上。雖然也是穩定的，但卻不是最穩定的。
（三）應用
1、穩定性的應用 如三角形桁架等 2、不穩定性的應用
如利用倒置啤酒瓶來感知地震。
二、結構與強度
1、概念
結構具有的抵抗被外力破壞的能力。 2、度量
（1）內力
當一個結構受到外力作用時，內部各質點之間的相互作用會發生改變，產生一種抵抗的 力 , 稱為內力。
內力反映了材料抵抗外力破壞的能力，但并不完全。相同外力作用在兩根材料相同，粗 細不同的繩子上，細繩更容易斷開。因此，通常用應力來衡量結構抵抗變形的能力  （2）應力
應力是構件的單位橫截面上所產生的內力，用公式表示應力為σ =F/s, 其中，F 是內 力，單位為牛；S 是受力面積，單位為平方米；σ是應力。應力σ的計量單位為 Pa，通常 用 MPa。
當應力達到某一極限值時, 結構就會遭到破壞。 3、影響因素
（1）形狀
三角形結構相對較穩定。注：不能說是最穩定，因為強度即應力還與結構的橫截面積相
關。
（2）材料
不同材料的強度不盡相同 （3）材料的連接方式
鉸連接：可轉不可移。如門與門框的連接，傘與傘骨間的連接 剛連接：不可轉不可移。如榫接、膠接

三、結構與功能
結構不僅是事物存在的一種形式，而且對事物的功能和作用產生著直接影響。結構的改 變可能導致功能的變化。不同結構的物體其功能不同，這是我們認識結構的關鍵。
第 3 節 簡單結構的設計
一、結構設計應考慮的主要因素
1、目標及要求
結構設計應以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本 需要。
2、應考慮的主要因素
（1）符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求； （2）安全因素；
（3）公眾和使用者的審美需求； （4）使用者的個性化需要；
（5）對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命等。
二、簡單結構的設計案例
第 4 節 經典結構的欣賞
賞析結構設計作品，可以從技術與文化兩個角度進行。
技術角度主要有：結構的使用功能的實現；結構的穩固耐用；結構造型設計的創意和表 現力；材料使用的合理性；工藝制造的精湛程度等。
文化角度主要有：結構的文化寓意與傳達；公眾認可的美學原則；反映的時代、民族、 習俗方面的特征；結構的個性特征等。

總結
技術學
概念
力學
廣泛性：自然、社會、科學領域
內涵 多樣性
結構 決定 事物性質
決定性
結構 影響 產品功能
基礎 類型：實體、框架、殼體、組合
（1）結構分解為構件
（2）分析構件受力
受力
受力形式：拉、壓、扭、彎、剪
分析
（3）分析承載能力
穩定性、強度
穩固性 概念
結構 穩定性 影響因素：重心、支撐面、形狀
應用
概念
強度
度量：應力
影響因素：重心、支撐面、形狀
目標及要求
設計
主要因素
欣賞
第 02 章 流程與設計
第 1 節 生活和生產中的流程
一、流程
（一）概念 1、定義
流程，Process，是一項活動或一系列連續有規律的事項或行為進行的程序，即環節按 一定時序依序進行的過程。
2、內涵
任何流程都反映出一定的時序，體現出一定的環節

（二）時序 1、概念
（1）時序，time series，時間上的先后順序
（2）時序除了有先后次序的含義外，還包含環節的持續時間。因此，時序顛倒不僅僅 是指次序上的調換，還包括使持續時間為零的情況，即刪除了某個環節。  2、類型
（1）不可顛倒的時序
反映了事物發展的規律，必須嚴格遵循； （2）可顛倒的時序
可采取串行或并行工序，需統籌兼顧
串行工序：動作依次進行，上一次工序完成之后才能進入下一道工序 并行工序：動作同時進行。
3、不可顛倒的時序
（1）銀行刷卡取錢
插卡—輸密碼—選服務—輸金額—取錢 如果時序顛倒，則無法完成任務 （2）螺釘固定
樣沖定位—擰緊螺釘
如果時序顛倒，則完成任務的質量、效率均不高 （3）青霉系注射
皮試—觀察—注射
如果時序顛倒，則存在安全隱患，可能威及人身安全 4、可顛倒的時序
（1）洗臉—刷牙、穿衣—穿褲
時序可以顛倒，但只能是串行
（2）煮飯—炒菜、做選擇題—寫作文 時序可以顛倒，并且可以并行
（三）環節
1、概念
環節，Phase，完成某個具體目標、組成某項生產或某個活動過程的若干階段或小的過 程稱為環節。
2、特征
環節是一個相對的概念。例如，
起床——洗漱——早餐
洗臉 刷牙
接水—擠洗面奶—清洗—擦干 接水—擠牙膏—刷牙—清洗

（四）表達 1、類型
一般流程圖：方框、文字、表格、圖示、模型、動畫
流程圖
計算機領域：標準流程圖、NS 流程圖
領域流程圖
商業領域：TQM 流程圖、ITTL 流程圖
2、方框流程圖
（1）表示方法
方框表示環節，箭頭表示時序 （2）規則
方框流程圖是最常用的一種表達方式，由于使用廣泛，通常省略了“方框”，直接稱為 流程圖。因此， “流程圖”一詞可能包含兩層含義：一是泛指流程的表達方式，包括了方 框流程圖，以及文字、表格等表達方式；二是專指方框流程圖。具體含義需要結合上下文語 境進行判定。
二、意義
1、生活中的流程
（1）提高效率：個人作息時間表
（2）使生活變得有序、合理：學校課程表、醫院看病流程
（3）提高生活質量：炒菜時放碘鹽的順序會影響到碘的食用效率 （4）提供安全保障：青霉素注射前皮試，煤氣灶的使用 2、生產中的流程
有效地組織生產、提高生產效率、保證產品質量、保證安全生產、保護環境。
第 2 節 流程的設計
一、流程設計應考慮的基本因素
1、設計目標
（1）工作和生活中流程設計的目標：節省時間、提高工作效率、提高工作質量等。 （2）生產活動中流程設計要實現的具體目標。
2、考慮的因素
生產活動的流程設計的基本因素主要有材料、工藝、設備、人員、資金和環境。

二、設計步驟
1、確定目標，明確任務 設計稻谷加工工藝流程 2、分析基本因素
（1）稻谷由什么組成？
稻谷由米、糙皮層、稻殼組成 （2）稻谷怎樣變成米？
清除雜質、脫去稻殼和糙皮層。 （3）工藝要求及設備
3、確定時序，劃分環節 （1）環節
清理：清除稻谷中各種雜質，以達到礱谷前凈谷質量的要求。 礱谷：脫去稻谷的穎殼，獲得純凈的糙米。
碾米：碾去糙米表面的部分或全部皮層，制成符合規定質量標準的成品米。 （2）時序
4、畫出流程圖 5、檢驗
三、設計范例
第 3 節 流程的優化
一、基礎
1、概念
對流程的改進過程稱為優化（Optimization） 2、目標
提高工作效率、降低成本、降低勞動強度、節約能耗、減少環境污染、保證安全生產
二、內容
1、工期優化
目的：節約時間
案例：機械設備修理的工期優化 2、工藝優化
目的：節約材料

案例：工件制造的工藝優化：切削法、少切削法、無切削法 3、成本優化
目的：節省資金
案例：售后中心配送的成本優化 4、技術優化
目的：提高加工精度或處理的準確度
方法：改進某個或部分環節的處理方法、技術
案例：零部件加工中，挫削環節由人工挫削改進為機床挫削 5、質量優化
目的：提高最終產品的質量
方法：對一系列或所有環節的處理方法、技術進行改進 案例：海南移動實施的“流程穿越”項目。
三、條件及步驟
1、流程優化的條件
流程優化需要一定的條件，它建立在設備和工藝水平提高的基礎上，建立在對流程內在 機理進一步研究的基礎上。
2、流程優化的步驟
（1）分析流程的現狀
（2）確定改進的目標和要求 （3）確定改進方案
總結
概念
不可顛倒：反映事物發展規律
時序
串行工序
內涵 可顛倒
并行工序
環節：相對的概念
基礎 一般流程圖：方框、文字、表格、圖示、模型、動畫
表達：流程圖
計算機領域：標準流程圖、NS 流程圖
領域流程圖
商業領域：TQM 流程圖、ITTL 流程圖
對生活的影響：效率、質量、安全、有序
意義
流程 對生產的影響
目標、因素
設計
步驟
概念 目標 依據
優化
內容：工期、工藝、成本、技術、質量優化

第 03 章 系統與設計 第 01 節 系統的結構
一、系統
1、概念
由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素（element）或部分組成的具 有特定功能的有機整體，稱為系統（system）。
2、內涵
（1）要素
相對于元素結構而言，通常是指構成系統的最主要的元素，不可再分；若干個要素構成 系統的一個部分
（2）部分
相對于系統整體而言，通常是指構成系統的一個部分，可再分；若干個部分構成系統的 一個子系統。
可以認為：若干個要素構成系統的一個部分，若干個部分構成系統的一個子系統，若干 個子系統構成一個系統。
3、子系統
（1）概念
子系統（subsystem）：子系統是相對于大系統而言的，它是大系統中相對獨立且具有一 定功能的組成部分。
（2）特點
子系統的劃分是相對的，根據具體情況來確定。
對于較大型的系統和比較復雜的系統，根據一定的標準可劃分為若干子系統；而任何一 個系統又是更大系統的子系統。
4、構成條件
（1）至少要有兩個或兩個以上的要素（部分）才能組成系統；
（2）要素（部分）之間相互聯系、相互作用，按照一定方式形成一個整體； （3）這個整體具有的功能是各個要素（部分）的功能中所沒有的。
二、系統類型
1、按要素的形成方式（按人類干預的情況）
（1）自然系統——原始的系統都是自然系統，如天體、海洋、生態系統等。又如呼喚 系統、消化系統、循環系統、免疫系統等。
（2）人造系統——如人造衛星、海運船只、機械設備等。又如：交通系統、商業系統、 金融系統、工業系統、農業系統、教育系統、經濟系統、文藝系統、軍事系統、社會系統。  （3）復合系統——既包含人造系統又包含自然系統。
2、按要素的性質
（1）實體系統：組成要素是實物形態的，如機械系統
（2）抽象系統：組成要素是非實物形態的，如金融系統 3、按系統的規模
（1）小型系統：如自行車

（2）中型系統：如轎車
（3）大型系統：如飛機
（4）巨型系統：如載人飛船 4、按系統與環境的關系 （1）開放系統
指在系統邊界上與環境有信息、物質和能量交互作用的系統。例如商業系統、生產系統 或生態系統，這些都是開放系統。在環境發生變化時，開放系統通過系統中要 素與環境的 交互作用以及系統本身的調節作用，使系統達到某一穩定狀態。因此，開放系統常是自調整 或自適應的系統.。
（2）封閉系統
一個與外界無明顯聯系的系統，環境僅僅為系統提供了一個邊界，不管外部環境有什么 變化，封閉系統仍表現為其內部穩定的均衡特性。封閉系統——的一個實例就是密閉罐中的 化學反應，在一定初始條件下，不同反應物在罐中經化學反應達到一個平衡態。注意物理上 講，還有嚴格劃分，往往僅把沒有物質來往的系統稱封閉系統；而把沒有物質、能量和信息 來往的稱為孤立系統。
5、按要素的明確性 （1）白色系統
系統內部信息完全明確的系統，如簡諧振動系統 （2）灰白色系統
系統內部大部分信息明確的系統，如人體系統 （3）灰黑色系統
系統內部大部分信息不明確的系統，如記憶系統 （4）黑色系統
系統內部信息完全不明確的系統，如 Quark（夸克）系統
三、基本特性
（一）完整性 1、重要性
最基本的特性，最基本的思想和方法 2、觀點
系統是一個整體，他不是各個要素（部分）簡單相加，系統的整體功能是各要素（部分） 在孤立狀態下所沒有的。
3、思想
（1）任何一個要素變化，都會影響其他要素或整體功能的發揮——注重細節 自行車條輻的調整，動一條整個車輪都發生改變
（2）整體功能大于各部分功能之和——注重整體，不能離開整體分析部分

粉筆 + 黑板 + ΔG > 粉筆 + 黑板
寫畫 載體 課堂展示 寫畫 載體
1 + 1 + ΔG > 1 + 1
巴爾扎克的塑像
（二）相關性 1、觀點
相關性是指組成系統的各個要素之間或整體之間相互作用、相互聯系。 2、思想
（1）一個元素或部分變化會影響其他元素或組分實現其功能。
范例：為了保護草原植被，當地政府頒布了禁止大量捕殺野狼的法令，這是什么道理？ 狼捕殺羊、野兔等食草性動物，使其數量減少，從而起到保護植被的作用。 （2）重視關鍵因素，關鍵元素或部分的變化，可能對全局產生決定性的影響。 范例：廚具的安裝
（三）目的性 1、觀點
系統都是以實現某種功能為目的的，這是區別這一系統與那一個系統的標志。 2、思想
設計和分析一個系統時，必須先弄清其目的，否則就無法構成一個良好、有序的現實系 統。系統的多個目標有時不完全一致，甚至矛盾，這就需要協調，尋求平衡或折衷的辦法， 從而更好地實現其目的。
（四）動態性
1、觀點
事物都是不斷變化，因此系統是一個動態的系統，不存在靜止的系統 2、思想
在分析認識系統時，不僅要看到它的現在，還要看到它的未來，掌握系統的發展規律， 從而預測系統的將來。
（五）環境的適應性 1、觀點
一個系統與其所處的環境之間通常都有物質、能量和信息的交換，外界環境的變化會引 起系統特性的改變，并相應地引起系統功能和系統內部各部分相互關系的變化，系統要適應 環境的變化而變化。系統只有具有對環境的適應能力，才能保持和恢復系統原有的特性。
具有環境適應性的系統也稱為開放系統
2、思想
系統必須適應外部環境的變化。只有能夠適應外部環境的變化并保持最優適應狀態的系 統，才能發揮自身作用，實現可持續的發展，否則是沒有生命力的。  因此，能見到的系統都是開放系統，封閉系統只能在實驗室中“制造”出來

第 02 節 系統的分析
一、系統分析
1、概念
為了發揮系統的功能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、 比較、試驗，并在此基礎上擬定一套有效處理步驟和程序，或對原來的系統提出改進方案的 過程，就是系統分析。
系統分析實質上是一種科學決策的方法 2、特點
完整地而不是零星地處理問題，考慮各種主要變化因素及其相互的影響，全面地思考和 解決完問題。
3、步驟
（1）明確問題，設立目標 問題：跑馬比賽，
目標：取得比賽勝利，
約束條件：三匹馬參加比賽，每匹馬比賽一次。 （2）收集資料，制定方案
田忌的賽馬共有 6 種方案:
（3）檢驗核實，作出決策 各種方案的比賽結果： （4）分析計算，評價比較 選擇合適的馬的出場順序。 4、原則
（1）整體性原則
系統分析首先著眼于系統整體，要先分析整體，在分析部分；先看全局，后看局部；先 看全過程，再看某一階段；先看長遠，再看當前。
（2）科學性原則
系統分析一方面要有嚴格的工作步驟，另一方面盡可能地運用科學方法和數學工具進行 定量分析，使決策的過程和結果更具說服力。
（3）綜合性原則
系統分析總是為實現系統目標服務的，應將目標排除優先次序，首先選取最優先的目標， 然后盡可能在不損害第一目標的前提下完成下一個目標，這就需要綜合分析、統籌兼顧、不 可顧此失彼。

二、系統優化
1、概念
系統的優化是指在給定的條件（或約束條件）下，根據系統的優化目標，采取一定的手 段和方法，使系統的目標值達到最大化（或最小化）。不同的目標，對應著不同的優化結果。  實現目標值最大化/最小化是系統優化的最終目標，而調整系統結構、改善環境等只是 為了優化而采取的措施，不是目標
2、內涵
系統優化應考慮的三個要素：
（1）目標與目標函數：目標與收益總和之間的關系，f(x)
（2）約束條件：對目標函數起限制作用，不能人為調節，K （3）影響因素：產生影響，可人為調節，X
系統優化實質上就是求解函數 Kf(x)的最大值或最小值 3、方法
（1）定量：數學模型法，獲得的是最優解
（2）定性：估算和試驗，獲得的是滿意解 4、步驟
第 03 節 系統的設計
一、系統設計
1、概念
系統設計是在系統分析的基礎上，設計出滿足預定目標的系統的過程。 2、關鍵問題
（1）系統設計的目的與要求。
理解：從系統的整體出發，以系統整體功能的最優為目的 （2）系統各部分之間的相互聯系與相互作用。
理解：運用系統的思想綜合考慮各部分之間的關聯、沖突問題，注重各部分的橫向、縱 向聯系。依據系統的基本特性，既要考慮當前，也要考慮長遠。
（3）系統設計方案的優化。
理解：從系統整體考慮優化，統籌兼顧，再在此基礎上完善個部分的設計 3、步驟
（1）將系統分解為若干子系統；
（2）確定各子系統的目標、功能及其相互關系；

（3）對子系統進行技術設計和評價； （4）對系統進行總體設計和評價。
可以概括為“總——分——總”。就是當我們要設計一個系統對象時，可以先將對象分 解為一個子系統，分析和確定各個子系統的目標、功能以及它們之間的相互關系和結構組成， 然后單獨對每個子系統進行技術設計、評價及優化，然后對由完成的子系統作為構件的系統 整體進行總體技術設計和評價。
二、范例
總結
概念
要素：不可分，相對于元素
內涵
部分：可再分，相對于整體
子系統：劃分是相對的
基礎 構成條件
按要素的形成； 按要素的形態
類型 按規模； 按與環境的關系
按信息的明確性
整體性、相關性、目的性
基本特性
系統 動態性、環境適應性
概念 特點
分析
原則 步驟
概念
優化 定量：數學建模
方法
定性：估算與試驗
概念 關鍵
設計
步驟

第 04 章 控制與設計
第 01 節 控制的手段與應用
一、控制
1、普遍性
（1）控制無處不在
事物總是處于運動變化之中，事物發展的結果可能是人們預先期望的，也可能與預期的 目標不相符，甚至是不希望得到的。如果人們想達到某一特定的目的，就必須運用適當的手 段來實現。因此，控制無處不在。
（2）范例：大禹治水
（3）范例：木牛流馬
“（建興）九年，亮復出祁山，以木牛運,糧盡退軍，與魏將張郃交戰，射殺郃。十二年 春，亮悉大眾由斜谷出，以流馬運。…”
據研究：木牛和流馬是漢代獨輪手推車的兩種改進設計，通過改進使人的負重有所減輕。 木牛是一種輪子稍小一些的獨輪手推車，載重大，前由人拉、后由人推，運行較慢；流馬載 重小，輪子稍大一些，由一人推，運行速度很快。諸葛亮所說“木牛流馬”應是比喻它們運 行的靈便程度和載重量的大小：木牛行動較笨而慢，像牛；流馬行動敏捷而快，像馬。不是 說它們外形像牛像馬。
（4）范例：希羅自動門
利用氣壓和液壓動力裝置，實現自動開門、關門 （5）范例：自行車方向的控制
（6）范例：教師維持課堂教學紀律 2、概念
控制是根據自己的目的，通過一定的手段使事物沿著某一確定方向發展的行為和過程。 3、三要素
（1）要素
對象、目的、手段 （2）范例
控制事例 控制對象 控制目的 控制手段
普通電熱壺 電熱壺 加熱啟停 拔插電源插頭
自控電熱壺 電熱壺 加熱啟停 溫度達到指定值
普通水龍頭 水龍頭 水流量 旋轉水龍頭把
紅外水龍頭 水龍頭 水流量 紅外熱源靠近
普通開關 開關 電流通斷 按下開關
聲/光控開關 開關 電流通斷 出現聲音、光線變暗
4、分類
（1）從控制過程中人工干預的情形來分：
人工控制：普通電熱壺、普通水龍頭、普通開關、人工紡紗、駕駛汽車等；
自動控制：自控電熱壺、紅外水龍頭、聲/光控開關、數控機床、飲料自動裝罐生產線、 花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉換等
（2）按照執行部件的不同，控制分為：

機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等
二、應用
1、生活中的應用
使人類能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周圍的環境，使之能滿足人們的需要。 2、生產中的應用
減輕工人的勞動強度，提高產品質量和生產效率 3、軍事中的應用
第 02、03 節 控制系統的工作過程與方式
閉環控制系統的干擾與反饋
一、控制系統
（一）基礎
1、概念
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節共同實現，這些環節所涉及的裝置構成一個 系統，稱之為控制系統。
2、內涵
控制系統實質上只是一種人為的劃分，將一個系統中共同完成一項控制任務的所有要素 “合并”在一起構成控制系統。
如同 40 個學生構成一個班集體，按性別可以劃分為兩個子集：男生和女生；按是否承 擔班級管理責任，可以將所有班干部劃分為管理子集。
3、目的
將共同承擔控制任務的要素視為控制系統，其目的是運用系統思相和方法，對控制進行 深入研究。
（二）表示 1、黑箱法 （1）概念
由輸入、輸出、控制系統三部分構成。只表示出了輸入、輸出之間的關系，并沒有明確 表示出系統內部的工作細節。如同一只黑箱，特定的輸入對應特定的輸出，而不管中間的處 理過程。
例如，制作爆米花，輸入米和包谷，輸出的就是爆米花，而中間如何制作是未知的。 （2）功能
確定系統邊界 （3）表示
輸入 控制系統 輸出
2、白箱法 （1）概念
由輸入、輸出、中間控制裝置等多個分構成。表示出了信號自輸入端到輸出端之間所經

歷的處理環節。如同一只透明的箱子，特定的輸入對應特定的輸出，中間的處理過程也是可 見的。
例如，制作爆米花，輸入米和包谷，經過增壓、加熱等處理后，輸出的就是爆米花。 （2）功能
確定系統內部各個要素如何協調運轉共同完成控制任務。 （3）表示
輸入 裝置1 裝置2 …… 裝置n 輸出
3、范例
（1）自控電熱壺
燒水溫度 自控電熱壺 實際水溫
黑箱表示：
+
燒水溫度 溫控電路 加熱器 電熱壺 實際水溫
-
溫度傳感器
白箱表示：
（2）紅外水龍頭
紅外熱源 紅外水龍頭 水量
黑箱表示：
紅外熱源 控制電路 電動機 水閘 水量
白箱表示：
（3）聲/光控開關
光線 紅外水龍頭 亮熄
黑箱表示：
光線 光感應器 開關 燈泡 亮熄
白箱表示：
二、開環控制系統
（一）基礎
1、概念
信號自輸入端單向傳至輸出端，不存在信息逆向流動，輸出量對系統的控制不產生任何 影響的控制系統成為開環控制系統。
2、特征
（1）信號單向傳輸
（2）輸出量不對控制產生任何影響

3、表示
4、組成
（1）輸入量：控制系統的給定量。
（2）控制器：對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件。 （3）執行器：直接對被控對象進行控制的裝置或元件。 （4）被控對象：控制系統中所要求控制的裝置或生產過程。 （5）控制量：執行器的輸出信號。
（6）輸出量（被控量）：控制系統中所要控制的量，也是控制系統的輸出信號。
控制量與被控量的區別：控制量是執行器的輸出信號，而被控量是控制系統的輸出信號。
（二）范例
三、閉環控制系統
（一）基礎
1、概念
信號自輸入端傳輸至輸出端，再將輸出量返回到輸入端與給定量進行比較，控制器根據 二者的偏差值發出控制指定，這種輸出量對系統的控制會產生影響的控制系統成為閉環控制 系統。
2、特征
在系統的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環節，它們形成 了一條閉合回路，反饋環節使得輸出量的改變對控制的過程產生直接影響。信號傳遞是閉合 回路。
（1）信號傳輸存在閉合回路
（2）輸出量不對控制產生任何影響 3、表示
4、組成
（1）輸入量：控制系統的給定量。
（2）控制器：對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件。 （3）執行器：直接對被控對象進行控制的裝置或元件。 （4）被控對象：控制系統中所要求控制的裝置或生產過程。 （5）控制量：執行器的輸出信號。
（6）輸出量（被控量）：控制系統中所要控制的量，也是控制系統的輸出信號。
控制量與被控量的區別：控制量是執行器的輸出信號，而被控量是控制系統的輸出信號。 （7）檢測裝置：測量被控量并返回到輸入端

（8）比較器：將給定量與所檢測的被控量進行比較，求出偏差值。控制器利用這一偏 差值發出控制指令。
（二）干擾
1、概念
（1）定義
在控制系統中 ，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾 （interference）因素。
（2）理解
干擾既存在于閉環控制中，也存在于開環控制中。只是因為閉環控制系統可以利用反饋 減弱干擾的影響，因此，在閉環控制系統中對干擾的研究要稍多一些。  “干擾”一詞并不含有貶義，其目的只是對控制系統中的變量進行歸類，將輸入量以外 能夠引起被控量變化的因素都稱為干擾。例如，在水箱水位自動控制系統中，輸入量是設定 的水位，被控量是實際的水位。因為放水也會引起被控量變化，所以“放水”也是該控制系 統的一個干擾因素。
2、產生
（1）環境造成
例如，騎自行車時，逆風對自行車速度構成干擾。
（2）人為造成
例如，乘坐飛機使用手機時，手機信號對導航信號構成干擾。 （3）控制系統自身造成
由于控制系統自身元器件的電氣、機械特性存在誤差，可能引起被控量變化（誤差）， 也是控制系統中的一個干擾因素。
3、克服
（1）消除干擾
從產生干擾的源頭上加以消除，主要適用于環境造成的干擾。例如，在飛機上不使用手 機等無線通信工具，以避免無線信號干擾導航信號。
（2）減弱干擾
無法從源頭上消除干擾，只能采取其他措施以減弱干擾所帶來的影響，主要適用于人為 造成的干擾。例如，電器在使用時遠離其它電子設備以避免電磁干擾，逆風中騎自車時盡量 采取俯姿以減弱風對騎行速度的影響。
（3）提高控制系統性能
選用電氣、機械性能較好的元器件，以減少控制系統自身的誤差。 4、利用
在一般控制系統中，干擾是需要克服的，但在有些情況下，卻可以利用干擾實現預期的 目的。對干擾的利用，是指有意對控制系統施加干擾，使控制系統無法達到控制的目標，而 不是控制系統本身需要干擾。例如：打狂犬疫苗、軍事演習中對敵方信息指揮系統進行電磁 波干擾。

（三）反饋 1、概念
（1）定義
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程就 是反饋（feedback）。
（2）理解
生活中的反饋控制是一種在計劃執行一段時間或結束后進行的事后控制，主要為下一步 計劃的實施總結經驗，但它卻常常是管理控制工作的主要形式。例如投訴與反饋、留言反饋、 意見反饋、環境反饋、教學活動、超市反饋調查表、市場信息反饋系統、工作總結、 產品 性能檢驗、現代酒店控制方法等。
控制系統中的反饋則是根據實時輸出量與輸入量之間的偏差值，調整控制規則以減少控 制量的誤差。
2、范例
（1）投籃的控制過程
許寧在體育課上練習立定投籃時，發生了這樣的情況：
第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到了籃板上彈了回來，沒有命中。
第二次投擲，他吸取了第一次的經驗，減小了用力，但用力過小，籃球沒有碰到籃圈。 第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經驗，終于投中了。
在這里，可以將人看作控制系統，眼睛把接收到的籃圈位置以及實際投擲位置等信息輸 送給大腦，經大腦分析和加工處理后，發出指令，指揮手投擲籃球，直到投籃命中。
（2）電冰箱溫度控制系統
感溫包不斷地感測電冰箱內的工作溫度，并將溫度信號及時反饋為傳動膜片的伸與縮的 動作，改變活動觸點的位置，進而改變壓縮機的工作狀態。

+
設定溫度
-
3、正、負反饋
（1）正反饋

主彈簧及連接桿 活動觸點 壓縮機、電冰箱
電冰箱工作溫度
（控制器） （執行器） （被控對象）
感溫包、膜盒、傳動膜片
（檢測、反饋）
正反饋起增強輸入信號作用，會使系統的偏差越來越大，不能進行控制，。 （2）負反饋
負反饋起減弱輸入信號作用，能夠檢測偏差、糾正偏差，可以用于自動控制。
（四）工作過程
1、核心
閉環控制系統的核心就是利用反饋來克服干擾，減少被控量（輸出量）的偏差。

2、范例
（1）拿水杯的控制過程
反饋的工作過程：當人打算要拿桌子上的水杯時，人首先要看到自己的手與杯子之間的 距離，然后確定自己手的移動方向，手始向水杯移動。同時人的眼睛不停觀察手與杯子的距 離（該距離就是輸入與輸出的差值），而人腦（控制器）的作用就是不停控制手移動，以消 除這個差值。直到手拿到杯子為止，整個過程也就結束了。從上面的例子可以看出，由（負） 反饋形成的偏差是人準確完成拿杯子動作的關鍵。如果這個差值不能得到的話，整個動作也 就沒有辦法完成了。這就是眼睛失明的人不能拿到杯子的緣故。
（2）水箱水位自動控制系統
接通電源后，電機工作，水泵出水，當水位升到 A 點水位傳感器位置時，電機停止工 作；當水位由 A 點降止 B 點以下時，電機又開始工作，這樣往復，達到了自動控制儲水器 中的水位。
3、比較
（1）特點比較
開環控制系統與閉環控制系統的比較：
控制系統 抗擾性 控制精度 結構
開環 弱 高 簡單，成本低
閉環 強 低 復雜，成本高
（2）選用
開環控制系統控制精度低、結構簡單，用于控制精度要求不高而系統本身的元件又比較 穩定的場合。
閉環控制系統控制精度高，麻煩，復雜，用于要求高精度和高可靠性的場合。
（五）分析方法
1、黑箱法
（1）概念
所謂黑箱方法，指的是當一個系統內部結構不清楚時，利用外部觀察和試驗方法，獲得 系統（即黑箱）的輸入——輸出特性；再根據這種信息，在不打開“黑箱”的情況下，研究

其功能和屬性，探索其構造和機理的一種科學方法。
通過對系統的輸入與輸出的關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。黑 箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。  （2）范例
黑箱方法最典型的應用是中醫看病。中醫看病，主要是通過“望、聞、問、切”等外部 觀察做出診斷，開方抓藥。有時遇到疑難雜癥沒有把握時，可以先投以試探性的藥物，觀察 病人的反應，并隨時增減藥物，觀其療效，一旦抓住病癥就大膽對癥下藥。這種從人體的輸 入特征入手，實施“辨證論治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
夏天買西瓜，可以通過“看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性”來判斷西瓜的生熟。 2、功能模擬法
（1）概念
這種以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就 是功能模擬法。
功能模擬方法是一種整體性研究方法，功能模擬法為仿生學、人工智能、價值工程提供 了科學方法。
（2）范例
人工恒溫箱控制系統與自動恒溫箱控制系統的控制器、執行器及檢測裝置的具體結構不 同，但兩者在功能和行為是相似的，都能實現恒溫箱的恒溫控制。
第 04 節 控制系統的設計與實施
一、設計的一般思路
（一）考慮的基本因素 1、因素
系統要達到的目標、控制的對象、被控對象的特性、被控量和控制量、外界的主要干擾、 素、方案設計、設備和元件
2、步驟
（1）選擇開環還是閉環要根據控制系統的精度要求和條件的可行性而定 （2）找出控制系統的干擾因素，并分清主次，找出最大的干擾因素 （3）要確定控制量和被控量
（4）執行器和檢測裝置的選擇
一是要根據控制量和被控量的要求，二是根據控制條件

3、要求
總之，控制系統設計需滿足的基本條件： （1）能達到控制的目的
（2）采用易于實現的方式 （3）降低控制成本
（4）減少對環境的負面影響
（二）開環控制系統設計 1、要求
開環控制系統的設計相對比較簡單，在明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量 后，即可考慮具體控制系統的方案
2、范例
電風扇控制系統的設計
（四）閉環控制系統設計 1、要求
閉環控制系統的設計需要滿足以下要求：
（1）必須是穩定的。一是工作時要穩定，二是干擾出現時要穩定，這個穩定是通過調 節而出現的穩定。
（2）控制精度要符合要求系統的輸出值與給定值要變化，而且在變化的范圍內。 （3）有較好的抗干擾性能。
（4）幾項要求有時產生矛盾，要平衡有側重點的解決。 2、范例
抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計。
二、設計案例
見教材

總結
概念
三要素：對象、目的、手段
控制 按控制手段
分類
按執行機構
應用
概念
黑箱法
表示
白箱法
概念 特征
開環
組成及表示
概念 特征
系統 閉環
控制 組成及表示
系統 概念 產生
干擾
克服 應用
概念
反饋
反饋方法
實質：利用反饋克服干擾，減少控制量誤差
功能模擬法
研究方法
黑箱法
比較
考慮的要素
設計
開環控制系統設計
閉環控制系統設計

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