資源簡介

第一單元 結構與設計
一、常見的結構的認識：
（一）結構（structure)：是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
1、自然界：天體結構、地球的結構、植物的結構、動物的結構 …
2、技術領域：汽車的結構、微機的結構、電腦主板的結構、數字控床的結構 …
3、社會領域：教育管理系統的結構、課堂教學結構、文章、詩歌的結構
（二）結構與力
從力學角度說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形態和大小改變的力。
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，
2、應力：是構件的單位橫截面上所產生的內力。應力達到一定極限值時，結構就會遭到破壞。
用公式表示應力為：σ= F/s ，其中，F 是內力，S 是受力面積 ，σ是應力。
3、構件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。
（三）結構的類型
1、實體結構——受力特點：外力分布在整個體積中。
2、框架結構——受力特點：支撐空間而不充滿空間。通常是指結構體本身由細長的構件組成，如窗戶、畫框、房子的架構等等。
3、殼體結構——受力特點：外力作用在結構體的表面上。如貝殼、頭盔、汽車飛機的外殼等等
生活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，稱為組合結構
二、穩固結構的探析
（一）結構與穩定性-
1、結構的穩定性——結構在負載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。P12
2、影響結構穩定性的主要因素：
重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小、結構的形狀
1) 重心位置的高低：重心越低,穩定性越好；重心越高,穩定性越差。
結構重心所在點的垂線是否落在結構底面的范圍內，落在就是穩定的，沒有就是不穩定的。
2) 結構的底座，結構與地面接觸所形成的支撐面的大小。
支撐面越大越穩定，越小越不穩定。如：高塔的共同特點都是上端小而下端大。
3) 結構的形狀：結構的形狀不同，其穩定性也不同。
影響結構穩定性的因素是相互關聯的，需要綜合考慮各種因素來討論結構的穩定性。
對于一個結構而言，如果重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，就是穩定的，不會出現傾倒。
4）其它因素：如材料密度等
（二）結構與強度-
1、結構的強度——結構具有的抵抗被外力破壞的能力。P17
2、影響結構強度的主要因素：P17
結構的形狀、使用的材料、構件之間的連接方式等。
①結構的形狀：三角形是框架結構中最基本的形狀之一,它結實、穩定，所用材料最少。
②常見的構件的橫截面形狀：工字形、十字形、長方形、L形、圓形、U形
③、結構的連接方式
鉸連接——被連接的構件在連接處不能相對移動，但能相對轉動。如送螺栓、門與門框等
剛連接——既不能相對移動，也不能相對轉動。具體有榫接、膠接、焊接等，如固定鐵床架的連接
④不同材料構成的結構，其強度各不相同。有的抗拉力、有的抗壓力、有的抗剪切力、扭曲力，所以在不同結構不同要求中，選擇不同特性的材料。例混凝土擅長抗壓力,而鋼筋擅長抗拉力
⑤、其它因素，如：溫度、濕度、構件橫截面等。例低溫條件下的鋼材強度發生變化
3.結構與功能：結構的變化可能導致功能的變化。
三、簡單結構的設計
1、結構設計應考慮的主要因素P25
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。
結構設計應考慮的主要因素有：符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要，對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命等。
在結構設計中還有一些需要考慮的因素，如材料、民俗文化、地域特點等。
簡單回答：符合設計對象的穩定性，強度，安全性，使用壽命，成本, 公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要等.P25
2、簡單結構的設計案例要求（參考：P26）：
①設計項目：
②設計要求
③設計分析
④設計方案
⑤呈現草圖
如：設計相框、垃圾桶、鞋柜，衣架、筆桶等
四、經典結構的欣賞P30
賞析結構設計作品,可從技術與文化兩個角度進行。
（1）技術的角度主要有：結構功能、穩固耐用、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。
（2）文化的角度主要有：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。
如：趙州橋、岳陽樓等P30
第二單元 流程與設計
一、生產和生活中的流程
1、時序：時間上的先后順序就是時序。
時序體現了具體活動內容的先后關系，在這種先后關系中，有些步驟之間的時序是不可顛倒的，有些步驟之間的時序是可以顛倒的。如：先切種→再布種→后掩種（種土豆）
2、環節：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。
不可顛倒的時序反映了事物內在規律或機理。
環節是一個相對的概念，依據問題性質的不同和不同人的理解，環節的劃分可能會有所不同。環節中又包含若干可以分解的、目標更具體的事項。如：切種、布種、掩種環節
一般的說，在某項生產或某個或動中，環節是不可缺少的。
3、流程：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。
可以把流程理解為為了一定的目的去做事情的順序。
任何流程都反映一定的時序，體現出一定的環節。
4、流程的表達：
流程圖有文字表達、表格表達、圖示表達等方式，有些場合還可用模型表達、動畫演示等。
用箭頭、用數字序號、用時間等表達時序。
流程圖的序號或方框反映了環節、工序的具體情況。
5、流程的意義：
①生活與流程：
科學合理的流程，可以指導我們正確地做事，提高工作和學習的效率，是我們的生活變得有序、合理，為我們的安全提供保障（例洗衣、煮飯與燒菜的流程安排，碘鹽和味精佐料的加放流程，青霉素注射流程等）。
②生產與流程：
運用科學合理的流程可以有效地組織生產、提高生產效率、保證產品質量、保證安全生產、保護環境等。
流程中工序的作業方式——串行和并行。上一道工序完成之后才能進入下一道工序——串行。幾項工作同時進行——并行，并行投入較大。
3、簡單流程圖的識讀：
識讀流程圖的要點： ⑴找流程的環節，明確每個環節的功能和作用； ⑵弄清流程中時序的體現與特征； ⑶流程是技術的核心概念之一。不同的流程，產生的效益往往不同，“理解流程就是質量”、“流程就是效益”等。
二、流程的設計：
1、流程設計的基本要求：
設計一個流程首先應明確流程要實現的具體目標。
對生活方面的流程設計，主要考慮⑴節省時間。⑵提高工作效率。⑶提高工作質量等目標
對生產活動的流程設計，主要考慮⑴提高效率。⑵提高質量。⑶保證安全。⑷節省資源。⑸提高管理水平。⑹提高經濟效益。⑺其他，如環保等。
2、流程設計中的基本因素：
生產活動中的流程設計的基本因素主要有材料、工藝、設備、人員、資金和環境等。
研究內在屬性與規律，就是流程設計應該考慮的基本因素。
3、流程設計的步驟：
首先要明確設計的目標和任務，明確流程所應遵循的內在變化規律。
其次，要分析現有材料、設備、資金、人員、工藝和環境因素。
第三，列出流程涉及的主要事項，并進行初步的排列。
第四，分析各事項（步驟）之間先后順序，合理地安排流程的時序和環節。
第五，選擇一種合適的表達方式畫出流程圖，對于有嚴格時間要求的時序，要標注時間。
四、流程的優化：
1、流程的優化及目的：
流程的優化：在流程的設計和實施過程中，對流程進行不斷的改進以期取得最佳效果的過程。
流程優化的意義或者目的：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、保證安全生產等。
2、流程優化的指標：
指標：工期優化、工藝優化、成本優化、技術優化、質量優化等五項指標。
在進行流程優化時，要綜合平衡，以取得整體優化的成效。
3、流程優化的條件：
⑴內部條件：對流程內在機理的深入了解。比如對洗滌原理的了解，就會在流程中安排兩次漂洗；
⑵外部條件：設備和工藝水平的提高或完善。比如，只有在具備鍛壓設備時，才可能將法蘭盤的加工改為少量切削加工；
⑶人員技術水平的提高。第三單元 系統與設計
一、系統的結構：
1、系統的含義：
由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素或部分組成的具有特定功能的有機整體，稱為系統。
案例分析：自行車P64
自行車由車架、車把、鞍座、前叉、腳蹬、鏈輪、鏈條、車輪（輪胎、輻條、車圈、氣門）、車閘、等主要部件組成。
2、構成系統，必須具備三個條件：
第一，至少要有兩個或者兩個以上的要素（部分）才能組成系統；
第二，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；
第三，這個整體具有的功能是各個要素（部分）的功能中所沒有的。
3、系統的類型：
（1）自然系統和人造系統；（2）實體系統和抽象系統：
人造系統、生態系統是自然系統；城市系統、計算機硬件系統和機械傳動系統是人造系統
生物系統、機械系統是實體系統；哲學系統、計算機的操作系統是抽象系統
4、系統的基本特性
整體性、相關性、目的性、動態性、環境適應性。
（1）整體性：是系統最基本的特性，也是觀察和分析系統最基本的思想和方法。
系統是一個整體，它不是各個要素（部分）的簡單相加，系統的整體功能是各要素（部分）在孤立狀態下所沒有的。系統的任何一個要素（部分）發生變化或出現故障時，都會影響其他要素（部分）或整體的功能的發揮。系統的整體功能大于組成系統的各部分的功能之和。
（請掌握P69頁的表格與巴爾扎克的塑像分析、木桶理論）
（2）相關性：是指組成系統的各要素之間或系統整體與部分之間的相互作用、相互聯系。
碳含量與合金鋼材料的整體性能的相關性
梁的跨度與梁的厚度之間的關系
（3）目的性：任何系統都具有某種目的，都要實現一定的功能，這正是區別不同系統的標志。
對于復雜的系統，目標有多個，往往用一個指標體系來描述系統的目標。
鐘表系統的目的性
1999年我國開始的農業生產結構調整
（4）動態性：任何系統都是一個動態的系統，處在運動變化和發展之中。
（5）環境適應性：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。
春捂秋凍
電冰箱放合適的位置
飛機在空中適應環境的飛行
二、系統的分析：
1、系統分析：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、實驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案的過程。
系統分析的顯著特點是完整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，全面地思考和解決問題。
系統分析可以減少決策的失誤。目的：尋求解決問題的最佳決策。
2、系統分析的一般步驟：
①明確問題，設立目標；②收集資料，制定方案；
③分析計算，評價比較；④檢驗核實，作出決策。
（結合田忌賽馬案例）
3、系統分析的主要原則：整體性原則（丁謂修復皇宮）、科學性原則（三三進九不如二五一十）、綜合性（離柳高速公路）原則。
4.系統優化的目的：
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）。
最小的成本——最大的利潤；最短的工期——更多的工程量；最少的能耗——更多的產品；單位面積土地——更高的農業產量。（案例：農業間作套種，家具利潤問題等）
5、影響系統優化的因素：指對系統的目標函數產生顯著影響，并且可以認為調節的因素。
優化目標；目標函數；約束條件（不能人為調節）；影響因素（可以人為調節）。
6、系統最優化方法：使系統達到最優的目標而提出的求解方法。
數學模型——最優解；
科學估算、試驗——滿意解。
結合案例，分析系統優化的實現。
三、系統的設計：
1、系統設計的目的、方法與過程：
①系統設計的目的與要求：
系統設計要從整體出發，以系統整體功能的最優為目的。不同行業的系統設計有著不同的技術要求。
②系統各部分之間的相互聯系與相互作用：
運用系統的思想綜合考慮各部分之間的關聯、沖突問題。注重各部分的縱向、橫向聯系；依據系統的動態性、環境適應性，考慮當前和長遠。
③系統設計方案的優化：首先從系統整體考慮優化，統籌兼顧，再在此基礎上完善各部分的設計。
2、系統設計的一般步驟：
將系統分解為若干子系統
確定各子系統的目標、功能及其相互關系
對子系統進行技術設計和評價
對系統進行總體技術設計和評價等
3、簡單系統的設計：
了解系統設計應解決的主要問題和基本的設計過程，寫出系統設計或系統優化設計的書面方案，包括必要的設計草圖以及量化數據。（案例：手電筒照明供電部分的設計）。
四、簡單系統的設計的實現
案例分析：手電筒照明供電部分的設計P87
設計要求：可照明的手電筒，攜帶方便，使用安全。
設計分析：
⒈可把手電筒照明供電部分分為照明和供電兩個子系統。照明子系統的要素是燈泡、導線，供電子系統的要素是電源和開關。
⒉手電筒的功能取決于它的各個組成要素，電源通過導線的連接驅動燈泡發光，這些要素缺少任何一個，手電筒都不能正常工作。
⒊選擇合適的元器件，使它們相互匹配，并能達到設計要求。
設計方案：
方案A
（1）設計一個簡單的電路，畫出電路圖。
（2）根據電路圖，選擇元器件，如燈泡、干電池、導線等，并搭接電路。
（3）通過控制開關，使燈泡發光。
方案B
選擇元器件為發光二極管及干電池、金屬筒等，其他步驟參照方案A。
方案C
設計一個自發手電筒。
方案C不需要使用干電池，所以對環境不產生污染。
案例分析：室內住宅電氣系統的設計P89
第四單元 控制與設計
一、控制的手段與應用
1.控制的手段
⑴控制的含義：人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發展，這就是控制。
案例分析：大禹治水P96
理解任何控制現象，都要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。
例如：人力三輪車轉彎過程中的方向控制問題，其控制的對象就是人力三輪車，控制的目的是為了改變三輪車行駛的方向，控制的手段是騎車人通過雙手轉動車把，改變前輪的方向并帶動后輪。
⑵控制的手段：控制的實現需要通過一定的手段。P98
從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。
人工控制是在人的直接干預和全程干預下進行的。人工控制又稱手動控制。
自動控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。
按執行部件的不同，控制可分為機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。有時，控制手段又可以綜合的。
2.控制的應用
控制應用到生活中，提高了人們的生活質量。（空調對房間溫度的控制使房間溫度適宜、自動取款機縮短取款時間、自動水龍頭等）
生產中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及加工動作等進行控制，控制在生產中得到了極為廣泛的應用。提高質量和生產效率、減輕勞動強度。
二、控制系統的工作過程與方式
1.控制系統：
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節構成一個系統，我們稱之為控制系統。
一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出，控制系統的輸入輸出之間有一定的對應關系。
控制系統一般分為開環控制系統和閉環控制系統。
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2008-11-12 10:45
輸入量即控制系統的給定量，如游泳池進水的設定時間；
輸出量（被控量）即控制系統所要控制的量，也是控制系統的輸出信號，如游泳池的水位
被控對象即控制系統中所要求的裝置或生產過程，如游泳池；
執行器即直接對被控對象進行控制的裝置或元件，如進水閥門；
控制器即對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件，如控制電路；
控制量即執行器的輸出信號，如流過閥門的水量。
案例分析：
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2008-11-12 10:45
三、閉環控制系統的干擾與反饋
1.干擾因素
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因素。
有的干擾因素是環境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風等；
有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。
在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。
控制系統在工作中必須克服干擾，使被控量穩定。
有些情況可以利用干擾因素實現某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統進行干擾，使之不能正常工作。
2.反饋
（1）什么是反饋
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。
案例分析：投籃 P110
利用反饋來分析和處理被控制對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運用的方法，稱為反饋方法。
如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動電水壺具有擋水沸騰時自動切斷電源的功能，終究是運用反饋方法實現自動控制的結果。
(2)閉環控制系統的工作過程
從反饋來看，閉環控制系統就是指在系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。
閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控制量（輸出量）的偏差。
一個閉環控制系統，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。
（3）閉環控制系統與開環控制系統的比較
開環控制系統一般結構簡單，適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。
閉環控制系統設計比較麻煩，結構相對復雜，構成控制系統的成本較高。閉環控制系統是自動控制中廣泛采用的一種方式，用于要求高精度和高可靠性的場合。
閉環控制系統都是自動控制系統。自動控制系統不一定是閉環控制系統。
3.功能模擬方法：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。
4.黑箱方法：把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。
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。
例如，通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節，就是黑箱方法的運用。
四、控制系統的設計與實施
1.控制系統設計的一般思路
設計好一個控制系統，應該明確這個系統要達到的目的是什么，
所要控制的對象是什么，
被控制對象有哪些重要的特性，
被控量和控制量分別是什么，
外界的主要干擾因素有哪些，
選擇怎樣的設計方案既能達到目的，
又能經濟、易于實現，如何選擇設備和元件，等等。
設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達到控制目的，采用易于實現的控制方式，降低控制成本、減少對環境的負面影響等，是我們進行控制系統設計必須考慮的基本問題。
控制系統的設計方案，還包括畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統結構設計）和實施圖紙、撰寫說明書等。
（1）開環控制系統的設計
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。
例如：普通電風扇控制系統的設計，被控對象是電風扇，被控量是電風扇輸出的風速，控制量是電機的轉速；若是具有定時功能的電風扇控制系統的設計，則需在開關環節加一個定時器。
案例分析：電吹風控制系統的設計 P119
設計要求：電吹風能根據不同的擋位（如冷風擋檔、熱風擋）輸出不同種類的風。
設計分析：電吹風控制系統的被控對象是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。
電吹風的控制工作過程：電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。
方案構思：選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。
(20.89 KB)2008-11-12 10:45第一，一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
第二，控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內。
第三，閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。
1、案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計P120
設計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統
設計要求： 1當水箱中的水位低于達到某一指定高度時，進水口立即進水。
2當水箱的水位達到某一指定高度時，進水口立即停進水。
3控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別的要求。
設計分析： 1從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
2被控對象是抽水馬桶的水箱，
被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，
控制量是進水管的水流量（即進水量），
水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
3主要干擾因素是水箱的出水流量。

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