資源簡介

第一章《結構與設計》學習材料
學習目標
①了解結構的含義，掌握常見結構的類型、受力特點、應用場合；
②理解結構是為了承受力和抵抗變形的本質，能概括分析結構受力的方法，知道基本構件的特點，理解荷載與結構受力間的關系；
③理解應力和強度的概念，知道應力和強度的關系，掌握影響結構強度的因素，理解穩定和結構穩定的概念，掌握影響結構穩定的因素；
④掌握結構設計的基本思路，學會簡單結構的設計；
⑤在掌握典型結構與設計的基礎上，了解典型結構設計的欣賞與評價；
⑥了解典型結構，能從科學、藝術、環境、民俗角度加以欣賞，從而提高鑒賞能力，培養科學的審美觀。
學習內容
一、初識結構：
⒈結構的含義
結構是指事物內部的組成、排列及其相互之間的關系。在技術領域，結構是指物體的各組成部分之間的搭配和排列，確定的搭配和排列決定了物體的性質和形態。結構的各組成部分，通常稱為構件。例：人體結構，分子結構，階級結構，文章的結構，汽車結構，桌子結構，地球結構等。
結構的本質：物體會受到各種各樣的力，結構是可承受一定力的架構形態，可用來抵抗引起形態和大小改變的力。簡單地說，結構是為了承受力和抵抗變形，這便是結構的本質。
⒉為什么要學習結構？
系統的功能對其結構有著絕對的依賴性。所以有人說，結構不僅是事物存在的形式，更是事物特性的依據。
在自然界，相同的物質，不同的結構，表現出不同特性的現象處處可見。
⑴同樣是的水，有液態、氣態、固態。
⑵同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
⑶化學有機物結構不同性質不同（色素）；
⑷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；
⑸用同樣的材料，做出的結構不同的小板凳就會有不同的特性，有的穩，有的不穩；
⑹各種材料組成結構可以使“死的”材料變成“活的”機器。如：發動機、電子計算機……
結構不合理就會產生嚴重的后果，如橋斷、屋塌……所以我們應學習結構，將來去創造結構。
⒊什么是工程結構？
工程結構是指能承受和傳遞外加載荷的承力系統，包括桿、板、殼等構件及其組合體。也就是說，工程結構可以是單個的構件，如：一根桿，一塊板，一條繩，也可以是一個由不同構件組合起來的組合體。如：一座橋，一張桌子，一架飛機等，它們都可以叫做工程結構。技術課主要研究工程結構，簡稱結構。
⒋幾個重要概念
⑴鉸接：桁架全由三角形組成，接頭全為旋轉接頭，稱為鉸接。
⑵架構：物體的主體框架與構造形式。
⑶構件：組成結構的各組成部分。可以是一個零件，也可以是多個零件的組合。
二、常見結構的類型（從力學的架構與形態考慮）
⒈實心結構
⑴實心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，都屬于實心結構。
⑵幾何特征及受力：幾何外形簡單，通常有桿（柱）、板、體等之分。它的受力特點是能承受較大的力，外力分布在整個體積中。
⒉框架結構
⑴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。
⑵組成：由梁、柱、桿、管等組成，也有用板件組成的。這里的桿或板，可以是實心的，也可以是管材。
⑶幾何特征及受力：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。
⒊殼體結構
⑴常見物品：飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、西瓜……
⑵結構特征：殼體內空時，受力合理、形態穩定。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。
⑶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。
⒋組合結構
⑴在日常生活中我們常見的結構大部分都是組合結構，如：大壩都是拱形和實心結構的組合體；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）。
⑵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。
⑶組合結構的受力：復雜（這是大學結構力學將要學習的）。
三、結構的受力
㈠作用在結構上的載荷（力）
工程結構承受的外力有各種各樣，但以它們對結構的影響來說，主要有以下幾種。
⒈拉力：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。
G
(拉力受力模型)
⒉壓力：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。
⒊剪力：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。
⒋扭轉力：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，其受力實例和力學模型如圖。
⒌彎曲力：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。
㈡結構受載荷實例
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。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。
⒈秋千的吊索，主要承受拉力；
⒉橋梁的橋墩，主要承受壓力；
⒊連接齒輪和軸的鍵，主要承受剪力；
⒋汽車方向盤的軸，主要承受扭力；
⒌單杠的杠體（上面的橫杠），主要受彎力；
⒍吊扇旋轉，吊桿主要受扭力和拉力；
為了保證結構的正常工作，這些構件必須有對于主要載荷的足夠的承載能力。這是結構設計中必須考慮的重要問題。
㈢典型結構分析
⒈單杠結構分析
⑴各部分名稱：杠體，立柱和拉桿。（為什么做成這樣的結構？）
⑵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
⑶立柱、拉桿的受力與變形：
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？
拉桿：人在運動時，拉桿起到輔助立柱抗變形作用。
⒉棚室屋架結構分析
⑴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）。
⑵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。
⑶拱結構的應用
拱結構：中間高四周低，呈弧形的曲面。
應用：在跨度較大的情況下，建筑物多采用拱結構。這樣的結構既有利于承載，又美觀。
三、結構的強度與穩定性
㈠結構的強度
⒈應力與強度
⑴內力：外力使構件發生變形的同時，構件內部分子之間隨之產生一種抵抗變形的抵抗力。
⑵應力：作用在單位面積上的內力稱為應力。
σ=N/S
式中，N為內力，單位為牛，S為構件截面積，單位為平方米。應力σ的計量單位為Pa，通常用MPa。
⑶通常，物體結構抵抗變形的能力，都以強度表示。而用應力來衡量強度，即科學又準確。
⒉影響結構強度的因素：①形狀；②材料；③材料的連接方式。
㈡結構的穩定性
⒈什么是穩定？
穩定指的不是狀態絕對不變，而是指受擾后，允許狀態有所波動，但當擾動消失后，能重新返回到原平衡狀態，則為穩定。不能回到原有平衡狀態，為不穩定。
⒉結構穩定的含義
穩定性和強度一樣，也是物體結構的重要性質。結構具有阻礙翻倒或移動的特性，就是結構穩定性。（如不倒翁、大壩等）
⒊影響穩定性的因素
⑴結構的形狀：結構形狀不同，其穩定性也不同（“A”字型金字塔、堤壩等）。物體的重心若超出其支撐面，則要翻倒，即失穩。
⑵重心的位置：作用在物體重心上的重力，總有將物體的重心盡量拉近（吸向）地面的趨勢。所以重心越低越穩。
⑶結構的底座：結構與地面接觸所形成的支撐面越大越穩定。
⑷材料：材料也會影響結構的穩定性。
㈢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。
事實上，物體的結構是由物體的功能和需要決定的，而物體的結構又決定了物體的性質和形態。
認識幾種工具的結構：活口扳手，手錘，管鉗，喝水杯，書本……
四、簡單結構的設計
結構設計對于我們的日常生活、對于各種各樣的生產活動都非常重要。日常生活中，沒有豐富的結構設計，產品將會造型單一、功能單調，那些大型建筑物、交通運輸工具等更是無法產生；生產活動中，產品制造技術、結構安全性及耐久性評估、維修加固技術等，都離不開結構的設計和研究。
⒈結構設計應考慮的主要因素
人們設計結構是為了完成某種任務或滿足特定的需要。在進行結構設計時，必須明確設計的目標和要求，必須抓住主要因素展開工作。
⑴結構設計的目標及要求
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。
⑵結構設計應考慮的主要因素：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。
在工程的結構設計中，應考慮結構的安全性、適用性和耐久性。在考慮結構的穩定性和強度，使結構在規定的條件下和規定的使用期限內，能實現一定的功能的同時，還要考慮經濟因素，如做到用料省、成本低等，也就是說，力求以最低的成本使所建造的結構達到預定的要求。
結構設計
功能
成本
強度
穩定性
美觀
……
安全
壽命
人的個性化需要
不同的結構設計，應考慮的因素各有側重，但無論在哪一類用途的結構設計中，安全都是至關重要的因素。
⒉簡單結構的實際案例
⑴結構的設計一般有以下步驟
①設計項目；
②設計要求：達到什么樣的功能，具有一定的穩定性和強度，裝飾性，尺寸要求等；
③設計分析：分析結構的組成部分、連接方式等；
④設計準備：所用材料、工具等；
⑤設計方案：可形成幾種方案。
⑵幾種典型案例
①簡易相片架的設計。
②壁掛式簡易衣帽架原型設計與制作。
③秋千模型結構設計。
五、欣賞和評價典型結構設計
優秀的結構設計不僅表現在結構的實用功能上，也表現在形式上，特別是功能與形式的統一上。古今中外許多能工巧匠把結構的功能與形式恰當地結合起來，形成了一些經典的結構。
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。
六、熱點問題
⒈北京奧運主會場結構設計，各種體育場館的結構設計。
⒉三峽工程結構設計。
⒊現代家具結構的設計。
七、練習題目
⒈填空：在工程中，結構分為________、_______、_______三種最基本的類型；影響結構強度的主要因素有__________、_________、__________；影響結構穩定性的主要因素有__________、_________、____________________、結構的底面積。
⒉分析下列物體的結構類型，判斷哪一個不屬于殼體結構。
A．西瓜
B．圓形陶瓷飾品
C．貝類
D．金字塔
E．椰子
⒊我們常用的“A”形梯不采用鋁合金片狀構件，而采用長方形截面的構件。這說明下列哪個因素影響著結構強度？（ ）
A．材料
B．形狀
C．構件
D．連接方式
⒋空間桁架結構又叫（ ）結構。
A．纜索
B．鉸接
C．球形空間
D．立體桁架
⒌空間桁架由大量三角形構成，這是利用了三角形的（ ）。
A．穩定性
B．材料
C．強度大
D．面積大
⒍以下哪種結構是受自然界對結構設計形狀的啟發而產生的？（ ）
A．電燈泡
B．乒乓球
C．飛機的機翼
D．籃球架
E．鋼筆
F．潛艇
G．課桌
H．橋梁
⒎分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿子上不斷加掛相同質量的重物，竹竿比脆性塑料桿能掛更多重物而不會斷裂，說明了（
）影響結構的強度。
A．材料
B．結構的形狀
C．構件橫截面形狀
D．構件的連接方式
⒏在自行車家族中，有性能各異的不同車型。如裝有輔助小輪的童車，雙梁載重車，彎梁女式車，雙座雙蹬的雙人車等，這些特殊功能的實現，是因為設計者改變了（ ）
A．車的自重
B．車的材料
C．車的結構 D．車的大小
⒐家用落地風扇的底座一般做的比較重，這是為了（ ）
A．增加風扇的強度
B．增加風扇的穩定性
C．安裝電線的需要 D．更加美觀
⒑某些支撐陽臺的梁做成如下圖標所示形狀，這主要是出于對（ ）的考慮。
A.美觀
B.強度
C.安裝
D.穩定性
陽臺地板
。。
支撐陽臺的梁
⒒在日常生活中，你所見到的以下哪一個結構是不屬于利用不穩定的結構實現某些功能的（ ）
A.游樂設施的蹺蹺板功能結構。
B.房間門口的活頁功能結構。
C.學校運動場的籃球架結構。
D.圓珠筆的筆嘴結構。
⒓汽車的引擎蓋在結構中屬于哪種類型（ ）
A.實體結構
B.框架結構
C.殼體結構
D.其它
⒔建筑工程中廣泛應用了三角形，房子、橋梁的桁架結構大多數是由多個三角形構成。這是運用了三角形的什么原理（ ）
A.三角形的穩定性
B.三角形的結實
C.三角形用料少
D.三角形簡單
⒕構件的受力形式多種多樣，基本的受力形式有（ ）（多選題）
A.拉力，壓力
B.彎曲力，扭轉力
C.下滑力，摩擦力
D.剪切力
⒖小明準備設計一盞臺燈，從技術設計的角度分析應側重于燈的哪個部件（ ）（多選題）
A.燈泡
B.燈支架
C.燈罩
D.開關
E.底座
⒗汽車的傳動軸主要受到的作用力是（ ）
A.拉力
B.壓力
C.彎曲力
D.扭轉力
⒘可以用受力結構的穩定性來解釋的事實是（ ）
A.拔河的繩子斷裂
B.廣告牌被臺風吹倒
C.雞蛋在某種情況下可以承受很大的外力
D.耳機與電腦主機的插口接觸不良，聽不到音樂
⒙不同的材料一般采用不同的連接方式，金屬一般采用_________方式，木材一般采用_________方式，塑料一般采用_________方式，玻璃一般采用_________方式。（焊接，鉚接；榫接，膠接；膠接，鉚接；膠接）
⒚有的礦泉水瓶上有若干凸起的橫向紋路，它的作用是什么？
答：⑴增加瓶子的強度，受力不容易變形；⑵增大手與瓶子之間的摩擦力。（便于人們抓握）
⒛觀察分體式空調器壓縮機在戶外墻上的固定，它是通過什么方法加強牢固程度的？能否只用壁掛式方法固定，為什么？
答：分體式空調器在戶外的固定一般采用鐵架支撐的方式，鐵架由三角形構成，并通過膨脹螺釘固定在墻上，空調主機用螺栓連接固定在墻上。由于空調器主機自身的重力比較大，若像室內的掛機那樣，打入墻體內的膨脹螺釘的強度勢必不足以承受空調主機的壓力而出現斷裂。
21.分析題：2004年5月23日，巴黎戴高樂機場2E候機廳頂棚發生坍塌事故，造成包括兩名中國公民在內的4人死亡，3人受傷。事后，法國戴高樂機場2E候機廳坍塌事故專門調查委員會15日公布調查報告認為：由于最初的安全準備不足，頂棚處于“瀕臨死亡”狀態，雖然支撐了一段時間，但抵抗外力的能力卻逐漸減弱。一系列結構上的問題使頂棚抗外力強度逐漸受損，最終導致結構坍塌。
調查委員會還指出該建筑的一些缺陷：鋼筋混凝土骨架強度不夠或定位不好，缺乏當某一局部構件出現問題時向其它區域分散壓力的可能性，連接水泥頂棚和下層玻璃的承梁抗擊外力的能力不足等。
調查報告分析認為，由于頂棚的抗外力強度不斷減弱乃至消失，在某些因素的觸發下，頂棚就會發生坍塌。調查委員會認為，事故有兩個可能的觸發因素：其中一個是氣溫，事故發生那天早晨的氣溫是4.1攝氏度，為當月最低氣溫；另一個因素是頂棚支柱的卡箍松弛。
請你以上述案例分析影響結構穩定性的原因是什么？以及結構的穩定性在工程技術設計中的重要性。
提示：影響結構穩定性的原因有：⑴形狀。結構的形狀略有改變，強度就會改變；⑵材料。不同的材料有承受不同應力極限的能力，形狀相同，材料不同，強度就不同；⑶材料的連接方式。不同的連接方式，受力傳遞方式和效果不一樣。
物體的結構對物體的穩定性至關重要，當物體的結構發生改變時，必定引起物體發生坍塌。
22.在設計制作“壁掛書架”時，其中支撐架的材料可以選用繩索嗎？為什么？
答：不行，因為此處的支撐架是一種支撐力，而繩索只能施加牽引力。
23.人們最早利用混凝土的時候，只是把他當作人造石材。作為人造石材的混凝土與一般石材一樣，雖然有較好的耐壓性能，但是經不起拉力。除了其形狀很容易滿足人們的需求外，它與其它石材并沒有特殊的優點。但是，它有一個重要的性質，那就是它的膨脹系數與鋼材很接近。因此，它可以與鋼材緊密結合起來。當人們把混凝土與鋼材結合起來做梁后發現：“這樣的梁既能受壓也能受拉（因為鋼材善于受拉，混凝土善于受壓），其強度比用混凝土做成的梁的強度大的多。現請你根據上述描述，畫出鋼筋混凝土梁的簡單結構圖。（提示：鋼筋混凝土梁的簡單結構圖如下）
·○·○·○·○·○·○·○·○·○·○·○·○
24.從技術、文化角度欣賞評價中國古建筑的結構——飛檐（如：長江大橋邊上的岳陽樓）
答：飛檐是中國古建筑的屋頂結構的特色之一。屋頂的曲線，向上微翹的飛檐，使得原是異常沉重的屋頂，反而隨著線的曲折，顯出向上挺舉的飛動輕快。
⑴技術角度
①功能：飛檐的向外和向上探伸翹起的屋角，使十分龐大、高聳的屋頂顯得格外生動而輕巧，擴大了采光面，有利于排泄雨水。
②結構設計：以岳陽樓為例，岳陽樓三層建筑均有飛檐。挑出的飛檐，由斗拱承托，承托飛檐的方木塊叫做“斗”，托著斗的木條叫做“拱”。飛檐的造型美并沒有脫離建筑屋頂本身的結構功能而獨立，其輪廓和諧、對稱都是在合理的受力結構基礎上所產生的。屋面凹曲，屋檐、屋角和屋頂的飛脊都是彎曲的，形成曲線和直線的巧妙組合。
③技術施工：岳陽樓是純木結構，飛檐、斗拱及整個建筑沒有用一釘一鉚，僅靠木制構件的彼此接連，經受歲月的剝蝕而昂然聳立了上百年。飛檐、斗拱的結構之復雜、工藝之精美，令人驚嘆！
⑵文化角度：飛檐的造型減輕了古建筑大屋頂的沉重感，使建筑靜中有動，增添了建筑物飛動輕快的美感。飛檐造型傳出尊貴、凝重的寓意，體現了高貴、華美的風韻，豐富了中國古代建筑文化。現代建筑設計師們對它也異常偏愛，使得這一特殊的中國古典建筑結構得以演變、改進和發展，并流傳下來。
25.從技術、文化角度欣賞評價現代設計師阿納·雅格布森設計的蛋形椅。
丹麥設計師阿納·雅格布森的作品十分強調通過細節的設計，以達到整體的完美，他把家具、地板、燈具等的細節看成與建筑總體設計一樣重要。1958年，他為斯堪的納維亞航空公司旅館設計的蛋形椅是他的典型代表作之一。
⑴技術角度：
①功能：在使用功能上，蛋形椅具有與其它椅子相同的功效。
②結構設計：蛋形椅的結構簡潔大方，獨腳支撐，支撐腳線條明快，均以不銹鋼為材料，椅面和靠背是用熱壓膠合板整體成型。
⑵文化角度：整體造型精煉、雅致，具有雕塑般的美感和強烈的時代氣息。這一設計改變了傳統的實用主義設計理念，形成優雅的浪漫主義設計風格，導致了人們對家具的重新理解，引發了20世紀60年代新型家具的出現。
必修2
第二章 《流程與設計》學習資料
學習目標
⒈知道什么是流程，理解流程的含義，抓住流程的兩大特征——環節和時序。
⒉學習閱讀簡單流程圖，能找出流程中的關鍵環節，能畫出簡單流程圖，能指出環節和時序在安排上的優缺點。
⒊知道流程中的環節有顯性和非顯性之分，理解研究內在屬性與規律是流程設計應考慮的基本因素，掌握畫流程設計框圖的一般方法。
⒋理解流程優化的意義，能解釋流程的改進與設備、材料等之間的關系，能概括某種簡單生產流程優化過程中所應考慮的主要問題。
⒌能對生活、生產中的簡單對象進行流程設計或流程的改進設計，并用文字或圖表說明流程設計方案的特點，或者流程的改進方案的優越之處。
學習內容
小麥聯合收割機的工作順序是收割、脫粒、分離、清洗、集糧，這是不可顛倒的。從這個簡單事例出發，我們可以想到，完成任何一件事總有一定的順序，并且順序的安排往往還有講究。
流程就是做事的順序。科學合理的流程就是高效率、就是高質量。用科學合理的流程安排生活和生產，生活將變得更加美好，生產將變得更有效率。科學合理的流程并不是自然而然的，它是人們不斷實踐、不斷探索、不斷設計、不斷改進的結果。
一、了解流程
⒈實例簡介
⑴馬鈴薯的播種流程：第一步，切種；第二步，布種；第三步，掩種。少一步行不行？
⑵沖印照片的工作流程：①沖片：感光膠片
底片；②印像：底片
照片。
⒉流程的含義
⑴環節：活動或事件在其發展的過程中，依據某種特征或方式，可將該過程分解為若干個小過程，稱這些小過程為環節。如：上面的切種、布種、掩種環節，沖片和印片環節等。
⑵時序：過程的經歷中，各環節按照一定的時間順序先后出現、完成。這種時間順序關系，稱為時序。如：先切種 再布種
后掩種。
⑶流程：具有以上兩大特征（關鍵點）的過程，即若干環節隨著時間的變化，依序完成的進流程，稱為流程。
二、流程分析
㈠典型案例分析
⒈生活與流程——洗衣機工作流程分析
⑴洗衣機的工作原理
電動洗衣機是利用電能驅動，依靠機械作用洗滌衣物的器具。波輪式洗衣機的洗滌原理：抽吸作用和滲排作用；翻滾和沖刷作用；波輪的換向與暫停作用。（磨擦、揉搓、化學作用等）
⑵洗衣機工作的基本環節
洗衣過程包括：洗滌、漂洗、擰干三個環節。對洗衣機來說，相應的有洗滌、漂洗、脫水三個功能。這三個功能能否自動進行轉換，是我們區別洗衣機為普通型、半自動型和全自動型的依據。
基本環節：進水、洗滌或漂洗、排水、脫水（甩干）。
⑶多種選擇巧安排
根據衣物臟污程度、洗衣的多少、布料等可選不同的程序。
①
程序有：標準程序、經濟程序、單獨程序。
②
水位：高、中、低、少量4種水位。
③
水流強度選擇：標準、輕柔。
⑷洗衣機工作的時序
表述流程的圖形，稱為流程圖。
選擇與設定
注水
洗滌(12min)
注水
漂洗
排水
脫水
排水
脫水
加洗衣粉
注水
漂洗
排水
脫水
一次漂洗
二次漂洗
⑸分析
以上流程圖表述了：
①基本環節，如前面確認的4個。其中，注水、排水、脫水環節各調用三次，洗滌加漂洗共用了三次。這是設置一次洗滌、二次漂洗所需要的。
②流程的時序，具有以下特征：
先注水 ……
經排水 再脫水；先洗滌
后漂洗。
這說明了什么？
環節雖然可按需調用，但環節出現的時間順序，即時序，要遵照各環節的功能與性質排好先后，有些環節不可倒置。如不可先漂洗，后洗滌；不可不經排水，就脫水；不可未經脫水，就漂洗等。
③選擇與設定，包括水位、水流強度、洗滌程序的3項內容；在注水同時，加入洗衣粉。
⒉生產與流程
奶粉生產工藝流程分析（略）
㈡識讀流程圖
⒈下圖是合成氨生產工藝的流程圖
N2、H2
原料氣制取
凈化
壓縮
高溫、高壓合成
分離
液氨
第一，由圖可以讀出合成氨生產流程包括以下環節和時序：
①先進行原料氣（N2、H2）的制取——制取環節；
②氣（N2、H2）的凈化、除雜質——凈化環節；
③用壓縮機壓縮（至高壓狀態）——壓縮環節；
④氨合成——合成環節；
⑤最后進行氨的分離，得到濃氨并將未完全反應的N2、H2送回合成塔，再循環加工利用——分離環節。
五個環節完成后，得到的是合成液態氨。
第二，流程圖既含括了物質的反應、變化的過程，又含括了相關的必要條件，如溫度、壓強、催化劑等。即流程圖表達了合成氨的反應原理與條件，如
N2+H2
2NH3+Q
過程與條件一并具備、一并發生，保證了整個生產流程的完成。例如，用壓縮機壓縮凈氣N2、H2，就是為了造成氨合成所需要的高壓條件。因此，壓縮就成為工藝流程中重要環節的一個。
⒉中醫診斷的工作流程圖
望診
問診
聞診
切診
處方
望整體（神色、形態）；
聽，包括發聲、語言、問寒熱、汗、周身、 脈診和接診
望局部（頭頂諸竅、 呼吸、咳嗽、嘔吐、 飲食口味、二便、睡
皮膚、毛發、排泄物、 呃逆、噯氣、腸鳴、 眠、經帶、小兒病情
小兒指紋） 兒啼；嗅氣味，包括 等
病體氣味、官竅氣味、
排泄物和病室氣味
⒊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、流程設計
⒈流程設計的基本要求
設計一個技術活動的流程，最主要的要求是要根據該項活動的內部工作原理及變化規律，科學地安排活動的環節及時序，以達到預期的目的。其具體要求有如下幾點：
⑴提高效率。經常是通過節省時間來完成的。
⑵提高質量。主要是合理地安排環節。
⑶保證安全。在每個環節上都要對可能出現的安全隱患做詳盡的考慮，并要有保證安全的可靠措施。
⑷節省資源。
⑸提高管理水平。
⑹提高經濟效益。
⑺其他，如注意環保等。
⒉流程設計應該考慮的基本因素
⑴實際流程設計的兩種情形
第一種，流程的環節是顯性的，即流程的進行、發展規律比較容易看出來，比較容易描述。
例如，在醫院看病的流程，它的環節、時序是顯見的，雖可有多樣組合，但都是比較容易設計的。
第二種，流程的環節不是或不全是顯性的，即需要經過大量試驗和較長時間的探究后，才能得到它的內在屬性和規律，從而得出流程應包含的基本環節與時序，設計出較為成熟的、合理的流程。
例如合成氨的工藝流程，它是經過了多位化學家上萬次的試驗，才得出在600℃，20Mpa條件下合成出氨的試驗結論，但轉換率比較低，僅有2%~8%；后來，又經過不斷試驗，才得出現在工業生產上使用的、較為成熟的合成氨的工藝流程。
⑵流程設計應考慮的基本因素
任何活動、事件的流程設計，都要對該活動、事件本身進行深入分析，研究其內在的屬性與規律，在此基礎上把握流程設計的環節與時序，做出科學的流程設計。研究內在屬性與規律，就是流程設計應該考慮的基本因素。
⒊流程設計的步驟
第一步：首先要明確設計的目的和任務，明確流程所應遵循的內在變化規律。
第二步：要分析現有材料、設備、資金、人員、工藝和環境等因素。
第三步：列出流程涉及的主要事項，并進行初步的排列。
第四步：分析各事項（步驟）之間的先后順序，合理地安排流程的時序和環節。
第五步：選擇一個合適的表達方式畫出流程圖，對于有嚴格時間的時序，要標注時間。
注意：流程設計的基本要素是環節和時序。
⒋流程的表達
文字表達，表格表達，圖示表達。
流程圖中最常用的形式是框圖，因為這種形式既簡單又明確。
確定目標，明確任務
分析基本因素
明確主要事項
確定環節和時序
修改方案
列出流程圖
結束
是否達到要求
否
是
流程設計步驟（與設計的過程相聯系）
⒌學畫流程設計的框圖
畫流程設計框圖的一般方法：
⑴根據對事物的內在屬性和規律的分析，以及有關的考慮，將流程的全過程，按每個階段的功能、作用的不同，分解為若干小過程——環節，并用方框表示環節。
⑵按照每個小過程應該經歷的時間順序，將各環節依次排開，并用箭頭線連接起來。
⑶對某環節，按需要可在方框中或方框外，作簡單注釋，也可不做注釋。
三、流程的優化
⒈流程的優化及目的
⑴流程的優化
在設計和實施流程的過程中，經常需要進行不斷的修改和完善，這種對流程修改的過程，叫做流程的優化。
⑵流程優化的目的
既然是優化，就是要做得更好。也就是要進一步提高工作效率、進一步降低成本、降低勞動強度、節約能耗、減少環境污染、保證安全。
⒉流程優化的內容
一般流程優化的主要內容有：工期優化、工藝優化、成本優化、技術優化、質量優化等。對一個流程的優化，可以是整體的全面優化，也可以是對某一個指標進行優化。經常會有這樣的情況發生：某一個指標得到了優化，而使另外的指標下降了。比如，技術優化，可能使成本提高。成本優化了，也可能使質量下降。因此，在進行流程優化時，要綜合平衡，以取得整體優化的成效。
當然，實際工作中的最優化問題不都是這樣簡單，我們只是要大家知道，在流程設計中，經常會碰到最優化問題。因為，沒有優化，就不可能進步，優化是技術工作的永恒主題。
⒊流程優化的條件
要進行流程的優化，必須具備一定的條件。這些條件包括：
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。
四、習題
⒈洗衣機去污機理如何？不用洗衣粉的洗衣機知多少？
答：洗衣機的總功能是洗凈衣物，去污是核心。加洗衣粉去污，是幫助水流將污垢從衣物上分離下來。要想不用洗衣粉，仍要洗凈衣物，那就要針對“分離”（污垢與衣分離），尋找新的技術手段——洗凈衣物流程的新機理。
⑴超聲波洗衣機：通過超聲波在衣物之間不斷產生微小的真空泡。真空泡在破裂時，會產生沖擊波。它將衣物上的污垢從衣物上分離下來，起到去污作用。
⑵電磁去污洗衣機：洗滌頭上裝有電磁圈。通電后，電磁圈發出微振。在快速振動下，污垢以及附著物迅速與衣物分離。
⑶活性氧去污洗衣機：利用電解水產生的活性氧來分解衣物上的污垢。
⑷臭氧洗衣機：將臭氧泵放在洗衣機中。臭氧分子可以分解衣物沾染上的塵埃和污垢中的有機物分子，并將其溶入水中，從而將衣物洗凈，而且，污水經過濾后，還可多次循環使用。
⑸離子洗衣機：在洗衣機內安裝離子水發生器，把普通自來水分解為離子水。離子水的高滲透性及離子獨有的對污漬、灰塵的分解作用和吸附作用，將衣物洗凈。離子洗衣機，省電又省水。
⒉不用洗滌劑的洗衣機的工作流程，相對使用洗滌劑的洗衣機工作流程來說，其優化主要體現在哪些方面？優化建立在什么條件和基礎之上？
答：⑴減去了加洗衣粉的環節；
⑵減輕了對漂洗環節的負擔。比如，采用一次漂洗便可達到滿意效果；
⑶有利于節水、節電、減少污染，這是獲取效益的重要方面。
其工作流程的優化主要建立在對洗滌機理（去污）的理解以及現代科學技術基礎之上（如第1題中所談到的各種去污洗衣機）。
⒊公共汽車門口寫有“先下后上”的字樣，其道理是（
）
A．提醒乘客注意安全
B．為了提高速度
C．減輕負荷
D．請乘客遵守流程
⒋關于流程，下面說法正確的是（
）
A．時序是時間上的先后順序，流程中的時序是不可以顛倒的。
B．流程就是做事的順序，科學合理的流程就是高效率，就是高質量。
C．流程優化往往都是減少環節。
D．對學校有組織、有計劃、有目的進行期末考試工作的安排，嚴格來說并不屬于流程設計。
⒌同樣炒一種菜，若在出鍋前放碘鹽，碘的食用率可達62.3﹪，炸鍋時放碘鹽，碘的食用率僅為18.7﹪。這個事例說明科學合理的流程對生活有什么意義？
A.提高工作效率
B.提高生活質量
C.減少生活中的盲從
D.使生活更為安全
⒍任何一項生產或生活活動都有一定的時序。時序體現了具體活動內容的先后關系，在這種關系中，有些步驟之間的時序是不可顛倒的。下面是郵寄包裹的工作流程，哪一個是正確的流程（
）
A.包袋密封好；收好回執；交寄；購買標準包裝箱；取郵寄包裹單；填寫郵寄包裹單
B.收好回執；交寄；填寫郵寄包裹單；購買標準包裝箱；包袋密封好；取郵寄包裹單
C.取郵寄包裹單；購買標準包裝箱；包袋密封好；填寫郵寄包裹單；交寄；收好回執
D.包袋密封好；購買標準包裝箱；取郵寄包裹單；收好回執；填寫郵寄包裹單；交寄
⒎一般流程的優化涉及到哪些指標（
）
A.質量、技術
B.工期、工藝
C.成本、安全
D.效益、個性化
⒏原先，人們到銀行或儲蓄所存取款需要人工填單、記賬等工作，自從引入計算機管理系統后，大大提高了工作效率，請問，這種流程優化屬于（
）
A.工期優化
B.技術優化
C.成本優化
D.質量優化
⒐任何一項生產和生活活動都有一定的時序，在生產和生活活動中有些步驟的時序是可顛倒的，有些步驟的時序是不可顛倒的，請列舉生活中的時序不可顛倒的事例。（至少四個）
提示：時序不能顛倒的如：在自行車的裝配中，只有先上好輻條才能裝內胎；發射火箭時，先點火，后起飛；煎炒雞蛋時，先放油，后放雞蛋；喝水時先打開瓶蓋，后喝水。
⒑合成氨的生產工藝流程是首先用適當的方法生產出合成氨的原料氣——氮氣和氫氣。氮氣和氫氣的混和氣體在合成塔內500℃和300atm條件下，通過催化劑的作用產生氨氣，再通過氨分離器不斷地把生成的氨分離出來，同時未轉化的反應氣體再進入合成塔循環加工。這就是合成氨的工藝流程。請根據這一描述過程畫出其流程方框圖。
N2、H2
原料氣制取
凈化
壓縮
高溫、高壓合成
分離
液氨
答案：
⒒下圖是水稻種植生產的流程圖。根據你掌握的知識回答下列問題：
播種、育秧
栽（插）秧
除草、施肥、水管理
歸倉、留種
⑴把上面的流程圖補充完整。
收割 / 收獲
答：
⑵你自己設計一個流程圖。（只要設計的流程圖合理即可）如：
確定建房類型、間數、格局、占地面積、施工期限；申報有關部門。
⒓怎樣辦一份報紙？
答：⑴辦報紙的目的和宗旨。反映中學的要求和愿望，鍛煉中學生的能力，培養學生寫作興趣，進而增強校園活力。豐富校園文化，提高學生的新聞意識與創新能力。
⑵怎樣組織稿源？辦報紙的目的是為學生服務的，學生既是讀者又是作者。對于學生，一定要了解他們需要什么喜歡什么。通過書面調查、開會討論來了解同學們的需要和愿望。根據調查設置欄目，根據來稿的主要方向確定欄目。通過獎勵優秀文章和設立獎項來激發學生的投稿熱情，發現人才、培養人才，建立長期、專門的撰稿群體，以此為核心，廣泛調動全體同學的寫作熱情。
⑶怎樣編輯？對文稿進行自主編輯是學生自辦報刊的關鍵。在編輯工作上應具備三個重要的意識，即服務意識、引導意識和審美意識。在版面和欄目的設置上需要進行調查、了解學生的趣味和閱讀意向，如校園報紙的主要版面可以設置為：熱點新聞，文學和教育，青春驛站，娛樂和休閑等。在欄目設置方面，也可以預先設置比較多的欄目請學生自主選擇，最后根據調查來確定。在編輯過程中還應有正確的指導思想，即編輯原則：①要注重報紙的整體性、開放性和健康性；②引導正確的情感觀念和價值取向；③關注學生娛樂空間，發揮情緒調節作用。
⑷怎樣與我們的學習生活相結合？學習生活是校園生活的主體，校報自然就要在很大的范圍和較深的層面上來反應學生生活的情況，引導學生在學習生活中的思想狀況和解決學生在學習生活中遇到的問題和困難。這就需要在平時定期或不定期地進行各種活動，收集出現的問題，如設立校園問題意見箱和學習方法交流專刊等方式，使校報真正滲透到學生的日常生活中去。
⒔遠距離輸電的流程示意圖如下：
升壓
遠距離輸送
降壓
發電
用電
而不是采取下列流程：
發電
遠距離輸送
用電
這也是流程的優化，其意義何在？
提示：減小遠距架線困難，節省線材，減少能耗。
根據物理Q= Rt，減小Q的方法：I、R減小，因R= ，L不變，ρ不變，這樣R要減小，必然增大S，截面增大，浪費材料，遠距離架線困難。如：I要減小，因為P=UI，P不變，I減小，則電壓U升高。這種辦法可減小能耗，節省材料。但增加了升壓和降壓兩大環節。
⒕交朋友有幾個重要的環節，試編一下交友的流程。（主要環節：朋友、相知、相遇、相識等）
⒖建一棟房屋有以下幾大重要環節，試從工期優化的角度，設計其流程（工期優化就是工期力求最短）。建房的環節：平整場地1天、運沙石水泥3天、澆混凝土地基1天、挖土4天、等混凝土干（養護）2天，運石灰1天、運磚頭2天、砌墻3天、準備屋面材料2天、蓋屋頂2天。
提示：
⑥運石灰1天
①
平整場
②挖土4天 ④澆混凝土
⑤ 養護2天 ⑧砌墻3天⑩蓋屋頂
⑾
地1天
地基1天
③運沙石水泥3天
⑦運磚頭2天
⑨準備屋面材料 2天
注意：抓住主要環節，有的環節可以并行，使工期縮短。
⒗制作一盞臺燈有這些環節：買電器元件2小時，焊底座2小時，做燈罩4小時，組裝2小時，調試1小時。如何使制作臺燈的工期最短？畫出其流程圖。
答案：
① 買電器元件
② 焊底座
④
組 裝
⑤調試 ⑥
2小時
2小時
2小時
1小時
B
A
C
D
15
11
10
18
14
13
12
9
做燈罩4小時
⒘如圖：某配送（貨）中心的配送線路圖。某配送中心位于A點，現要將一批電視機等家用電器 配送到位于B、C、D處的3家商場，運貨車從A點出發，送完貨后返回，配送線路圖如圖所示。途中帶箭頭的線分別表示兩地往返的方向，數字表示兩地之間的路程（單位：km），途中無箭頭的線表示可往返線路。試設計最優化的配送線路。
提示：此類問題要考慮到各種線路的組合方案，通過計算找到行程的最小值，即為最優線路。計算結果如下表：
方
案 線
路 路
程
1 ABCDA 51
2 ABDCA 46
3 ACBDA 59
4 ACDBA 47
5 ADCBA 51
6 ADBCA 58
從表中可以看出，方案2配送線路的路程最短，為46km，比平均路程52km少6km,是最優線路，這是成本優化的結果。計算下來每年節約的成本將是一筆不小的數字。
下 料
印刻
鉆孔
檢查
⒙法蘭是以鋼材為材料制造的用于管道等的連接器件。從制造工藝看，有切削法和少切削法兩種加工方法。切削法就是將圓鋼直接在車床上切削成型，然后再鉆孔而成。其加工工藝流程如下：用切削法制造法蘭的特點是工藝簡單，缺點是切削過程耗費的時間太長，生產效率低，而且材料的利用率低。少切削法的工藝流程是原料斷料后，放在加熱爐內加熱變軟，然后用模具將其鍛壓成型，再經過熱處理，以提高法蘭的硬度，最后按照尺寸要求進行少量的切削加工，并檢查質量。這種工藝流程雖然工序較多，所用的設備較多，但由于切削量很少，大大減少了材料的浪費，而且生產效率高。因此，大批量法蘭的生產都采用這種工藝流程。從切削法到少切削法這主要是（ ）優化。
A．工期優化
B．工藝優化
C．成本優化
D．綜合優化
⒚用煤氣灶做飯，一般都使用排油煙機。實際操作時，有下面的4種時序安排：
A．(煤氣)點火
開（排油煙）機
做飯
閉火
關機
B．點火
開機
做飯
關機
閉火
C．開機
點火
做飯
閉火
關機
D．開機
點火
做飯
關機
閉火
從正確發揮排油煙機的作用出發，上面的哪個流程為優化？為什么？
⒛原來，銀行為取（存）款設計的流程是：
填單
記賬
存單
付款
而現在，銀行改用的取款流程是：
報數
記賬
付款
這樣方便顧客到儲蓄所取（存）款，這是建立在什么條件之上的？
答：這樣流程的改進（優化），是靠提高銀行辦公設備（采用計算機管理系統）和工藝水平為條件而得來的，這是社會技術進步的表現。
21．家庭中炒土豆絲需要有哪些環節？這些環節怎樣排序？
提示：買土豆；洗土豆；削土豆皮；切土豆絲；切好蔥姜蒜待用；點火，加熱油；油熱后炒土豆絲
備料
出鍋
放土豆絲
放蔥姜片
點火加熱油
注：環節的安排不止這一種，同學們可做試驗，試一試哪一種排列炒出來的土豆絲好吃。
必修2
第三章 《系統與設計》學習資料
學習目標：
⒈掌握系統的概念、系統的特性。
⒉能用系統分析的方法解決實際問題。
⒊知道系統優化的意義，掌握系統優化的一般性步驟。
⒋知道系統設計的基本原則，學會簡單系統設計的基本方法。
⒌學做簡單系統的方案設計。
學習材料：
同學們都知道，神舟六號飛船已經把聶海勝費俊龍送上太空，載人航天工程是一個很大的系統。它包括七大子系統：航天員系統、飛船應用系統、載人飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統、著陸場系統。
人體是高級、精密的系統，主要有八大子系統：消化系統、呼吸系統、循環系統、運動系統、內分泌系統、泌尿系統和生殖系統。
一、系統概述
（一）系統的含義與分類
1.什么是系統
系統是由相互依存的若干個部分組成的，具有特定功能的有機整體。或者說，此貼視由相互依存、相互作用的若干元素構成的，并完成特定功能的統一體。
例：課本中的塑料大棚是系統，智能大樓是系統，一本書是系統，大到浩瀚的銀河系，小到原子它們都是系統。
2.系統的分類
（1）自然系統和人造系統：人體系統是自然系統；人造地球衛星，橋梁（不包括天生橋）房舍等，屬于人造系統。
由自然系統與人造系統復合的系統稱為復合系統。如：城市系統、村落系統。
（2）實體系統和抽象系統。
（3）靜態系統和動態系統：相對的
（4）開放系統和封閉系統
（5）系統的其他分類：簡單系統與復雜系統黑色系統與白色系統。
由此可知構成系統的三要素：
（1）至少要有兩個或兩個以上的要素（或部分）；
（2）各要素之間互相聯系、互相作用有一定的結構。
（3）系統的功能是組成要素所不具備的。
（二）系統的基本特性
1.整體性:系統的整體性也稱為集合性，是系統的最基本屬性。系統是一個整體，即具有整體的特性功能，目標和作用的有機整體。系統不是各元素的簡單集合，也不是簡單的數量相加。
系統要求它的局部服從整體，強調整體觀點，整體目標和整體利益。
2.相關性：系統的相關性也稱為關聯性。構成系統的各元素之間是相互聯系、相互作用、相互依賴、相互影響的關系，是彼此相關的。
3.目的性：系統的目的性也稱為功能性，每個系統都具有特殊的功能。這是區別不同系統的主要標志。
4.系統適應性：
系統都存在于一定的環境之中，并不斷的與外界環境進行物質的能量的和信息的交換，系統必須適應外部環境的變化。
5.動態性：物質都是不斷變化，因此系統是一個動態的系統，處在運動變化和發展之中。
（三）典型系統的認識
1.棚室環境系統
5.載人航天系統
2.智能化大樓系統
6.教室系統
3.人體系統
7.洗衣機系統
4.龍賽艇系統
二、系統的分析
⒈系統的思想
作為系統，它們都具有整體性、相關性、目的性和環境適應性。系統的這些基本特性就構成了系統的基本思想。
在前面典型系統中，就體現了運用系統的思想來分析處理問題。
⒉系統分析及其一般步驟
⑴什么是系統分析
⑵系統分析的基本方法
運用系統的思想和定性定量相結合的方法，對系統進行分析就是系統分析的基本方法。該方法包括以下三個階段：
①闡明問題：分析的對象（系統）、系統的整體功能、系統的組成
②分析研究：系統內部機理，如洗衣機采用波輪方法旋轉激起水流；系統內部各子系統的關聯、配合；系統與其外部環境的關系；基本的定量分析。
③評價比較：系統性能、品質評價、系統運行效果評價、同類系統間比較。找出優劣。
⑶系統分析的一般步驟
明確問題、設立目標
分析計算、評價比較
檢驗核實、做出決策
收集資料、制定方案
⑷系統分析的主要原則
①整體性原則系統分析首先要著眼于子系統整體，要先分析整體，再分析部分；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，另一方面應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用說服力。
③綜合性原則：
系統分析時還要注重總和性原則，要總和分析，統籌兼顧，不可顧此失彼，因小失大。
⒊學寫簡單的系統分析報告
簡單的系統分析報告的內容包括：系統的分析過程，如功能、構成、特性的定性、定量分析說明；依據，如系統的內部關系，系統與外部環境關系的挖掘；結論和建議。如評價與小結。報告的形式不拘一格。
三、系統的優化
1.影響系統優化的因素：
首先，優化追求的目標適度。目標選得低，達不到優化。目標選得太高，脫離實際，實現不了，等于沒優化。如修筑致富路，路的級別不能定的太高。
其次，實施系統優化，總要有付出，或稱投入。希望取得效果（如經濟效益）達到最大，而投入（如經費）最小。二看三比，稱為效/耗（即效率/耗費）比。顯然，效/耗比越大，就越接近或達到最優化。以修路實例而言，如效/耗比趨于最大，那么，修路就達到最優化。對此，在不同場合有不同提法，如性/耗（即性能/耗費）比、性/價（即性能/價格）比等。
再次，系統優化是離不開條件的。比如，修筑致富路，實測中心必須要勘測，調查，準備數據資料，使修出的路符合技術規范；要預算，校驗，是為了準備修路所需要的人力、物力、財力等資源條件，條件欠缺的，要創造條件。條件是否具備直接影響優化。
最后，還應注意的是，某些不確定性的或不可預見的因素也會影響系統優化。因此在優化實施過程中，要及時調整計劃與方法，回到優化之路。
2、最優化原則和步驟
⑴最優化原則：
①要定性和定量分析相結合的方法使系統最優化。這就是說，不僅要對系統進行科學的定性分析和決策，還要對系統進行準確的定量分析，并且將二者結合起來交替進行，使系統最優化。例如：在修筑致富路實例中，預算、校驗都需要進行定量計算和分析。
②堅持系統整體的最優化。這就是說在處理優化過程中，在做優化決策時，要用好權衡的理念，權衡得與失，權衡當前與長遠，權衡局部與整體。如舍卒保車，棄車保帥，正是為了對弈時的最終勝利。又如，在筑路工程中，通過增加少量的經費多投入一些人工從而獲得修路的質量較大的提高或少占耕地。這樣做，可以保證“致富”這個“整體”。
③不間斷的尋求系統最優化。系統的發展具有階段性，系統的最優化是相對的。例：由于受當前的需求和條件的約束，修出一條等級不太高的公路，就已經算是最優化了；待到真正富裕了原來修路不再能滿足需求時，那么，我們在更高的路，以實現更高層次的最優化。新的系統不斷替代舊的系統，新的優化不斷出現。因此，在最優化的同時，要遵循系統的動態，觀點，推動系統不斷進步。
⑵最優化一般步驟：
①提出需要最優化的問題，收集有關資料和數據；
②確定變量，建立定量計算方程（有關數字模型如用線性規劃解決問題）和有關約束條件；
③選擇合適的最優化方法；
④解方程，校驗解的最優性；
⑤實施。
四、系統的設計
⒈系統的設計
⑴系統設計應考慮的主要問題
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化為目的。
②系統各部分之間的相互聯系與相互作用。系統設計要運用系統的思想綜合考慮各部分之間的關聯、沖突問題，注意各部分的橫向、縱向聯系。依據系統的動態性、環境適應性，既要考慮當前，也要考慮長遠。
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。
⑵系統設計的一般步驟
系統設計的步驟主要包括：將系統分解為若干子系統，確定各子系統的目標、功能及相互關聯，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。
五、本章練習題
1.“丟卒保車”“一招不慎，全盤皆輸”是我們日常生活中的常用語言，它們說明了系統基本特性的（
）
A.整體性
B.相關性
C.動態性
D.目的性
2.自行車是由若干主要部件組成的，這些部件相互聯系，相互作用，形成了自行車，可以代步的功能。其中任何一個主要部件出現問題，都有可能導致自行車無法正常工作。這說明了系統的什么特性？試說明車把、車蹬，鏈輪和鏈條，前后車輪，車閘等的作用？
（提示：說明自行車是由幾大部分組成，幾大部分相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約，自行車是一個具有特定功能的有機整體。
車把：控制自行車的方向。腳蹬：將人腳踩的力傳遞到鏈條上。鏈輪和鏈條：將動力傳遞到后輪，驅動自行車行走。前后車輪：車輪的滾動帶動自行車整體行進，承受人和車的重力。車閘：控制自行車的速度。）
3．自行車在下列情況下，可能導致什么后果？
（1）車閘與車圈結合部位的橡皮筋松了。（容易導致剎車不靈）
（2）車把的固定螺釘松了。（可能使自行車的方向把不準，釀成事故）
（3）鏈條斷了。（使自行車無法行進）
（4）車輪的輻條斷了幾根。（容易使車圈受力不均而變形，增大摩擦阻力）
4．一堆沙子、鋼筋、水泥等材料散放在一起沒什么意義，但是如果將它們按照一定的結構形式造成一座橋梁，就具有了交通的功能，這個案例說明系統最基本的特性是（
）
A．目的性
B．動態性
C．整體性
D．適應性
5．下列說法錯誤的是（
）
A．系統設計要從整體出發，以系統整體功能的最優化為目的
B．系統是一個整體，它是各個要素（部分）的簡單相加
C．系統分析的顯著特點是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，全面地思考和解決問題
6．飛機在空中飛行時，時常看到大氣對流的影響而產生顛簸，當飛機的檢測裝置接收到這一信號后，經過控制器的調節，能在很短的時間內調整好飛行狀態，克服大氣對流對飛機飛行的影響，保持平衡飛行。這個現象說明了系統的什么基本特征？（
）
A．整體性
B．相關性
C．環境適應性
D．動態性
7．在下列關于系統相關性的理解中，你認為正確的是（
）
A．一個系統往往存在多個目標，這些目標還常常不一致，需要進行協調。
B．系統通常都是由若干部分組成的。
C．系統各組成元素之間，部分和整體之間不進相互關聯、相互作用，而且任何一個組成部分發生變化，都會影響其它部分和整體任務的完成。
D．系統包含子系統，它又是更大系統的子系統。
8.2003年10月我國自行研制的載人飛船“神舟五號”飛入太空。飛船和運載火箭共有幾百個零部件，這些零部件本身都很一般，但它們按照一定的結構組合在一起就構成了性能優異的航天飛船，從而體現了系統的（
）
A．動態性
B.目的性
C.整體性
D.相關性
9.合金鋼材料中，碳含量的高低影響著鋼的強度、硬度和韌性，從而影響鋼的耐磨性。碳含量高則硬度高，韌性差；碳的含量低則硬度低，耐磨性差。這反映了系統的什么基本特性（
）
A.相關性
B.環境適應性
C.動態性
D.整體性
10.臺式計算機的CPU上安裝的小風扇有時轉的快，有時轉的慢，這個現象說明了系統的什么基本特性（
）
A.整體性
B.相關性
C環境適應性
D.動態性
11.黑色系統是指（
）
A.全部由黑色的材料組成的系統
B.信息完全明確的系統
C.在夜晚生產制造出的系統
D.信息不完全明確的系統
12.“泰坦尼克”號游輪，在當時該游輪各項技術性能是世界最先進的。但是為什么觸冰后全沉沒？請從系統的結構的角度理解，它主要反映了系統的什么基本特性（
）
A.整體性
B.相關性
C目的性
D.環境適應性
13.“系統論”是研究的一般模式、結構和規律的學問，“系統論”是一門跨學科的很橫斷科學是由哪位科學家創立的？（
）
A.馬克思
B.霍爾
C.貝塔郎菲
D.維納
14.填空：
（1）系統工程的霍爾三維結構是指在運用系統工程時從三個側面來考慮問題的方法。第一個側面叫__________維，第二個側面叫_________維，第三個側面叫_________維。
（2）系統作為黑箱，通過對_________與_________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。
15.系統分析的目的是（
）
A.為了減少實驗的失敗
B.為了減少系統內子系統的要素
C.為了減少設計決策的風險
D.為了減少設計過程的不確定因素
16.走鋼絲的人手上拿著一根長棒的目的是（
）
A.美觀
B.重心低
C.保護
D.支撐
17.法國雕塑家羅丹給巴爾扎克雕像，人們都說雙手太逼真，羅丹聽到后就砍去雙手，這一行為給你怎樣的啟示？
（羅丹砍去雕塑雙手的目的在于使人們注意雕塑的整體，而不會再去注意這雙手。這給我們一個啟示：做任何事情，都要重視系統的整體性，必要的時候，要舍得拋棄部分而保存整體。）
18.“木桶理論”認為，木桶的盛水量取決于最短的那塊木板的長度。請用系統分的觀點解釋。
（提示：木桶有若干塊木板組成，若把木桶看做一個整體，每塊木板就是部分，“木桶理論”實際上反映了系統的部分與整體的關系，部分影響整體）
19.構成系統必須具備哪三個條件？
20.某村，人力興旺，資源充足，但不富裕。經分析發現，由于交通閉塞，本地的資源優勢不能輸出利用，外地的新技術，新物流也難以輸入本村，嚴重影響了本村脫貧致富。假如你是村長，怎樣為本村筑好一條致富路？
（提示：首先，根據本地區的地理情況，擬定幾條修路的路線，然后，權衡當前的需求與將來發展的因素，結合籌集到的人力，物力和財力的情況制定出具體的修路方案。
為保證方案切實可行，須做好以下幾方面的工作：
①勘測：調查本村附近已有公路的方位與距離，預測筑路可能遇到的山水路障，收集資料和數據
②預算：根據勘測選定的筑路路線，路長，預算出修筑路基、路面、穿山開洞，修筑橋梁等工程需要的a土方量、石方量；b筑路器材種類和數量；c人力數量；d經費數。
③選擇合適的筑路方法和計劃：筑路的方法很多，如從這一端開始向另一端推進；或分段同時推進，再對接；或邊開通隧道，建橋梁，邊修路。不同的方法和計劃，需同時投入的人力多少是不一樣的，效率也不一樣。采用什么方法和計劃好，要根據本村人力、物力、財力可能到位情況綜合考慮后確定。）
21.阿波羅登月計劃總負責人韋伯博士認為，我們沒有使用一項別人沒有的技術。阿波羅登月飛船的每件東西都是原來已有的科學技術短程的物化，都有其特殊的功能，但就其單項技術來說，它的任何一個部件都不具有上天的功能，然而登月飛船卻具有了宇宙飛船的功能。請你根據所學的系統知識，談談你對這段話的理解。
（提示：此例主要說明了系統的整體性，即系統是一個整體，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在孤立狀態下沒有的，系統的整體功能大于組成系統的各部分的功能之和。）
22.A地區有山有水有湖泊，就是耕地面積少。20世紀50年代以來，他們的做法是毀林開荒，開湖放水，圍湖造田，并在湖水的源頭興建水庫，擴大水澆地面積，一時間，糧食生產上去了，但卻帶來了一系列災難，由于毀林開荒，亂砍濫伐造成水土流失嚴重，每年有大量泥沙流入湖中，由于圍湖造田，開湖放水，使得湖面縮小，湖水減少，而這些變化又引起這個地區氣候惡化，近30年發生了三次大旱災，每次都造成大批莊稼旱死，糧食大幅度減產，近些年，這一地區才又開始退耕還林，保湖蓄水。
B地區農村的人們耕地也比較少，他們通過調整農業結構，開發低丘緩坡，在那里建立各種經濟林基地，如在山坡上種植青棗，板栗等，有的還實行林糧間作，使荒山野嶺變成了綠色園林，這樣，不僅農業生產上去了，而且還綠化了山區，改善了環境。
請同學們用系統的方法分析以上兩個案例中做法的優缺點以及用到了系統的哪些特性。
（提示：A地區的失誤在于沒有考慮到毀林開荒和圍湖造田對生態系統和環境的影響，沒有考慮子系統各要素組成新的系統整體所產生的不良功能。
B地區農業經濟走上了良性發展的道路，從系統觀點看，就是因為他們從系統整體性出發，從全局和長遠利益出發，注意了建設經濟林與發展農業生產，保護生態環境和繁榮城鄉，注意了各要素組合成新的系統以后所產生的新的整體功能。）
23.普通高中的課程體系是包括“語言與文學”、“數學”、“人文與社會”、“科學”、“技術”、“藝術”、“體育與健康”、“綜合實踐活動”等8個學習領域組成的整體。其中每個領域都具有特定的功能。例如，數學是一門研究客觀事物的空間形式和數量關系的科學，它為自然科學和社會科學的研究提供不可或缺的定量分析方法，同時，數學對于培養人們的邏輯思維有著重要的作用，以至于有人說數學是思想的體操。又如，藝術使用形象來反應現實但比現實更具有典型性的意識形態（包括文學、音樂、繪畫、影視等），提高藝術修養對于陶冶人的道德情操豐富精神文化生活，增進人際交往有著其它學習領域不可替代的作用。總之，提供上述8個領域的學對于提升人的整體素質都是十分重要的。
用系統優化的方法設計一個合理安排各科學習的方案，以利于提高自己的整體素質。
24.日本豐田董事長——奧田碩曾講過“只有那些能夠自如的應對經營環境的變化，不斷進行自我變革的企業才能超越時代保持住自身的優勢。”試用系統特性分析之。
25.某家具廠要安排一周的生產計劃，產品是桌子和椅子。制作一張桌子需4㎡木板及20小時，制作一只椅子需6㎡木板幾及18小時的工時，每周能擁有的木材板料是600㎡，可利用的工時是400小時；每張桌子的利潤是50元，每只椅子的利潤是60元。按合同每周至少要交付8張桌子和5只椅子，并假定所有產品都能夠銷售出去。那么，該廠每周生產桌子和椅子的數量分別為多少時獲得的利潤最大？
（提示：用數學方法，設利潤為Smax，桌子x張，椅子y張，由題意列式：
Smax=50x+60y
20x+18y≤400
x≥8
y≥5
4x+6y≤600
由題意可看出，x取最小，y取最大，Smax為最大
即x=8，y=13，Smax=1180元
26.如圖：甲乙為產糧基地，ABC為國家糧庫，運費及各糧庫能存糧食，如圖：問如何調運糧食，使運費最省？
（提示：設好參數列式：
x1+x2+x3=35
y1+y2+y3=80
x1+y1=25
x2+y2=50
x3+y3=40
S=5x1+2x2+3x3+3y1+7y2+4y3
從題意中可以看出某些信息，最后可得Smin=175萬元）
27.簡單系統的設計
（1）手電筒照明供電系統的設計
（2）室內住宅電器系統的設計
（3）教室系統的設計
（提示：搞系統設計要按照設計要求進行設計分析，定出設計方案，最后方案實施。）
必修二 《第四章 控制與設計》學習材料
學習目標和要求：
⒈ 積極觀察生活，能從生活中所遇到的和所觀察到的事物中識別各種受控現象和受控過程，理解控制的含義。
⒉ 能夠分析典型的案例，了解手動控制和自動控制，熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
⒊ 通過案例分析，能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器的作用，熟悉反饋環節的作用。
⒋ 通過案例分析，找出并分析影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用。
⒌ 結合一定的案例，了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量，劃出控制系統的方框圖，并形成初步的控制系統設計方案。
⒍ 能根據開環控制系統的設計方法，制作一個控制裝置，或根據簡單閉環控制系統的方案進行模擬實施，學會調試運行，提出改進方案。
（導入）：
我國古代有一種靠風力來推動的風磨，當風力強的時候，磨盤就轉得快，當風力弱的時候，磨盤就轉得慢。那么，怎樣才能根據風力的大小，往磨盤上添加谷物呢？對此，人們設計了一個漏斗：當風磨轉動慢的時候，這個漏斗會自動地縮小漏口，使少量的谷物流進磨盤；當風磨轉動快的時候，這個漏斗會自動地張大漏口，讓較多的谷物流進磨盤。
這個巧妙的漏斗在今天看來，是一個古老的控制裝置，體現了人們認識并利用控制現象的久遠。事實上，控制并不是人類的天外來客，它滲透在我們生產和生活的方方面面。理解控制、善于控制，已經成為我們每個人日常生活中不可或缺的基本能力。
一、控制及控制系統
1 控制
人們根據自己意愿或目的，通過一定的手段，使事物沿著某一確定的方向發展，就形成了控制（control）。這里所說的手段就是控制技術。如：射手通過瞄準使箭射中靶心；人們通過電冰箱獲得適當的溫度，使食物能夠長期存放；先進的生產流水線通過計算機的指揮實現自動化生產等。
注意：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：在人力三輪車轉彎過程中的方向控制問題中，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。
2 控制的分類：
（1）從控制過程中人工干預的情形來分：人工控制、自動控制。
A
人工控制：控制的過程是在人的直接干預和全程干預下進行的。如：人工紡紗、普通自來水龍頭、掀按鈕打開電燈、拖地清潔地板、駕駛汽車等
B
自動控制：是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確的按照期望的方向進行。如：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、通過電視更換節目頻道、聯合收割機割麥子等。
（2）按照執行部件的不同分為：
A
機械控制：普通水龍頭、電飯煲等
B
氣動控制：化工生產中常見的氣動閥門、公共汽車車門開關控制等
C
液壓控制：建筑工地打樁機、修理汽車用的液壓千斤頂等
D
電子控制：電子計算器、家用電冰箱、自動門和汽車自動變速器的電子控制裝置等
3 控制系統
一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出。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。控制系統通常分為開環控制系統（open loop control system）和閉環控制系統（closed loop control system）兩種。
簡單的控制系統由兩部分組成，即被控對象和控制裝置。其中的控制裝置，包括傳感器、控制器、執行器等環節，對于閉環系統來說，還包括反饋環節與比較環節。
二、開環控制
⒈ 開環控制系統：控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。如：十字路口的紅綠燈定時控制系統、樓宇的防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統、自動門的控制系統、家用高壓鍋等。
⒉ 開環控制系統的方框圖
在系統控制中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統的環節，用單向信號線來表示系統信號的傳遞方向，這種圖稱為控制系統的方框圖，它表示了系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關系。
⒊ 開環控制系統特征：
系統的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞。
三、閉環控制
⒈含義：把系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。如：電冰箱的溫度控制系統、交通路口紅綠燈自動控制（根據車流量大小改變紅綠燈時間）系統等
⒉ 閉環控制系統方框圖
上圖中，檢測裝置測量出被控量并返回到系統的輸入端； 是比較器，它將所給量與所檢測的被控量進行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進行運算處理，并向執行器下達控制指令。執行器根據指令對被控對象進行控制，從而使被控量穩定在一定范圍內。
3． 閉環控制系統的特征
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。
4 閉環控制系統的干擾與反饋
干擾因素和反饋是閉環控制系統中的兩個重要的核心概念，閉環控制系統是通過反饋環節克服干擾因素而使系統達到穩定的
（1）干擾：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。在干擾中我們需要注意以下幾點：
第一，來源問題。有的干擾因素是由于環境造成的，如影響自行車行駛速度變化的自然風等；
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。
第二，數量問題。在控制系統中，干擾因素可能是一個，也可能是若干個。如戰士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。
第三，處理問題。控制系統在工作中必須克服干擾，使被控量穩定。如空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器檢測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。
第四，利用問題。在一般控制系統中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下卻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。但在生產生活中，我們需要以謹慎、嚴謹的態度對待干擾因素的利用。
（2）反饋：
A 定義：在控制系統中，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。
B 反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，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行的方法，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，而自動電水壺具有當水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是利用反饋方法實現自動控制的結果。
四、開環控制系統與閉環控制系統的比較
⒈ 開環控制系統輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞的，它對輸出量的控制精度較低，但它具有結構簡單、成本低、容易實現等優點。
⒉ 閉環控制系統的輸入量和輸出量之間還有一個反饋環節，它們形成了一條閉合回路。它對輸出量的控制精度較高，但它結構復雜、成本高，主要用在要求較高精度和高可靠性的控制中。
五、簡單控制系統的設計與實施
⒈ 控制系統設計的一般思路
⑴ 要設計好一個控制系統，應該明確這個系統要到達的目的是什么，所要控制的對象是什么，被控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，又經濟、易于實現，如何選擇設備和元件等等。
⑵ 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經濟條件的可行性而定。在控制系統設計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式；一個控制系統中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統影響最大的干擾因素；被控量和控制量的確定是控制方案的關鍵，對于簡單控制系統，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應選擇可控制的、對抑制干擾因素和保持系統穩定有明顯作用的量；執行器、檢測器的選擇一是要根據被控量和控制量的需求，二是要根據控制的條件進行。總之，能達到控制的目的，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。
⑶ 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、撰寫設計說明書等。
注意：根據不同的設計需求，應該有對應的設計目標，要借鑒來自各方面的先進經驗，同時要有自己的設計創意。
例：電熱毯設計，應有若干層發熱絨和包覆層，控制器要實現調溫、定時、過熱熔斷保護、過熱控制保護和精確溫控等。要保證安全措施到位、工作穩定可靠，在此基礎上實現減少成本、舒適美觀、降低能耗等指標。
⒉ 簡單設計案例
⑴ 開環控制系統設計：整個過程設計相對比較簡單，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：電吹風機控制系統的設計：
a設計分析：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。
b電吹風的控制過程：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。
c框圖：
有了框圖，畫出必要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調試。
⑵ 閉環控制系統設計：
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。
例：抽水馬桶水箱的自動控制系統設計：
a設計分析：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（進水量）水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
b控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
c框圖：
六、本章練習題目
⒈ 下列控制系統中，屬于開環控制系統的是（ ）
A．電冰箱的溫度控制
B．計算機的CPU上的風扇的轉速控制
C．現代化農業溫室的溫度控制
D．紅綠燈定時控制系統
⒉ 下列不屬于開環控制系統的是（ ）
A．自動門
B．電動聲控燈
C．自動烘干機
D．電飯鍋溫控系統
⒊ 下列控制系統中屬于自動控制系統的是（ ）
A．按鈕開關控制
B．普通自來水龍頭
C．花房恒溫度控制
D．汽車駕駛
⒋ 理解一個控制現象，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，導彈控制系統控制的是導彈與目標之間的距離，目的是要擊中目標（距離為零），分析這個控制系統，其控制的對象是（ ）
A．人
B．目標
C．計算機
D．導彈
⒌ 電冰箱工作溫度設定在一定的范圍值，當箱內溫度變化超過設定的范圍值時，熱敏電阻的阻值也相應地變化，通過熱敏電阻的變化，電流經過三極管放大器的放大，帶動繼電器，控制壓縮的啟動，實現電冰箱的溫度控制。溫度的變化量是（ ）
A．輸入量
B．輸出量
C．控制量
⒍ 在電冰箱的溫度控制系統中，下列情況不屬于影響其溫度控制的干擾因素的是（ ）
A．開電冰箱門
B．電冰箱所在房間的溫度從20攝氏度變到32攝氏度
C．將熱菜或熱飯放入電冰箱中
D．在電冰箱外放一盆冷水
⒎ 人們首先發現了什么問題而發明了電冰箱（ ）
A．冰箱可以制作冰激凌
B．低溫可以保險
C．冰箱可以制作冰水
D．冰箱可以冰鎮啤酒
8 判斷題及填空
⑴ 李明學習時，用手去調節臺燈的亮度，這種控制屬于自動控制。
（ ）
⑵ 系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生直接影響的控制系統稱為閉環控制系統。（ ）
⑶ 大年三十晚，王小軍在家忙于帖對聯，第一次粘穩時發現對聯下端明顯偏向左邊，第二次經過調整后，發現對聯雖比上次有明顯好轉，但對聯下端仍有些偏向左邊，第三次調整后，發現對聯上下已對齊。王小軍這一行為已構成一個反饋的閉環控制系統。
（ ）
⑷ 控制系統的__________不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。
9 在加熱爐的溫度控制系統中，可能有哪些干擾因素？系統是如何克服干擾使爐溫穩定在一定范圍的？
答：可能的干擾有：打開爐門，放入或取出東西；外界溫度的變化；電壓的變化等。采取的辦法是利用閉環控制。利用一個溫度傳感器，及時檢測溫度的變化，然后根據檢測的結果控制開關的狀態：當溫度高時就切斷開關，當溫度低時就接通開關加熱。
10 舉例說明控制的重要作用及意義。
答：汽車發動機失控，造成飛車；人類對某些疾病失去控制，給人類帶來威脅；生活中，煮飯失去控制，燒焦或煮不熟。
11 如圖：
圖中是聲控燈系統組成示意圖，根據你的理解和認識回答下列問題。
⑴聲控燈的優點有哪些？
⑵如果聲控燈的附近并沒有來人，而出現意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲說話或以動作發出聲響，靈敏度高的聲控燈也會應聲而亮。為避免這種情況你有什么好辦法？
⑶畫出聲控燈的系統框圖。
答案提示：
⑴ 關鍵詞：方便、節電
用墻上的開關去開燈或關燈，已是習以為常的事。但是，在一個黑暗的走廊里用手摸索著尋找電燈開關很費事，對外來的生人更是難事；另外，人走了不關燈是常有的事，形成長明燈，浪費電力。
聲控燈具有特殊功能與應用。比如，在公共樓道里安裝聲控燈既方便又省電。
所謂方便是指來到樓道里的人，只需發出一定量的聲響（如咳嗽一聲，排一下掌，跺一下腳）電燈就會自動點亮，而無需去找墻上的手操開關。所謂節電是指過了一小段時間，電燈又會自動熄滅，沒有人的時候，電燈處于熄滅狀態，不會出現長明燈。
⑵
把傳感器的靈敏度調小一點。
⑶
12 開環控制系統可用下面方框圖來描述。
試列舉出幾種常見的開環控制系統。
答：⑴水泵抽水控制系統
溫度
內鍋
⑵普通家用電飯煲的煮飯控制
接通電源（輸入） 電飯煲 電熱盤
飯熟保溫
⑶遙控器控制電視系統
帶動
自行車
傳動系統
腳踩的力
后輪
加速運動
⑷ 騎自行車加速的控制
操縱
110控制中心
報警控制器
110報警
警員系統
出車處理
⑸
13 閉環控制系統可用下面方框圖來描述。試列出常見的閉環控制系統。
答：⑴游泳池水位控制。
⑵籃球比賽運動員投籃工作過程
⑶水箱水位控制
⑷人體溫度控制系統
補充材料
功能模擬方法和黑箱方法是控制論的主要方法。
功能模擬法以功能和行為的相似為基礎，用模型模擬原型的功能和行為的方法。它為仿生學、人工智能、價值工程提供了科學方法。如：獵手瞄準獵物的過程與自動火炮系統的功能行為是相似的，但二者的內部結構和物理過程是截然不同的。再如：在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。
黑箱方法是把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統的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。在生活中有時我們需要認識對象的內部無法打開或不便打開時這時我們可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關系來推測其內部的特性和功能，如：中醫看病通過“望聞問切”來了解病人的病況，最后對病情作出判斷。再如：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。這些事例都沒有打開事物直接觀看內部結構，而是通過觀察外部或試驗等方法來認識事物的。

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