資源簡(jiǎn)介

第六講 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
一 、常見結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)
1.無(wú)處不在的結(jié)構(gòu)
世界上任何事物都存在結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)多種多樣且決定著事物存在的性質(zhì)。
結(jié)構(gòu)（structure）：是指事物的各個(gè)組成部分之間的有序搭配和排列。
通過(guò)對(duì)自然界中形形色色的結(jié)構(gòu)的分析和研究，給了人們無(wú)限的創(chuàng)造靈感和啟示。
案例分析：①蒼耳子與尼龍搭扣 P3 ② 鳥與飛機(jī) P3
③鷹眼與導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng) P3
根據(jù)鷹眼的結(jié)構(gòu),人們正在研制“ 鷹眼”導(dǎo)彈系統(tǒng)。這種導(dǎo)彈系統(tǒng)能自動(dòng)尋找、識(shí)別目標(biāo)并跟蹤攻擊。
閱讀案例：魁北克大橋的坍塌。P4 大橋坍塌的原因是什么？擅自改變橋的結(jié)構(gòu)。
在社會(huì)領(lǐng)域,也普遍存在著結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。
一篇文章的內(nèi)容結(jié)構(gòu)影響文章的表達(dá)與質(zhì)量, 一家企業(yè)的人員結(jié)構(gòu)關(guān)乎企業(yè)的運(yùn)行與效率。
2.結(jié)構(gòu)與力
從力學(xué)角度來(lái)說(shuō), 結(jié)構(gòu)是指可承受一定力的架構(gòu)形態(tài)，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
每個(gè)物體都有它的特定的架構(gòu)形態(tài)，這種架構(gòu)形態(tài)體現(xiàn)著它的結(jié)構(gòu)。
物理學(xué)與通用技術(shù)研究力的角度不同,物理學(xué)往往研究外力,把物體當(dāng)質(zhì)點(diǎn),哪怕是地球,在研究它繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),仍把它當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)。
而技術(shù)學(xué)則關(guān)注一個(gè)物體內(nèi)部受力情況。
當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí),內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生一種抵抗的力，稱為內(nèi)力。應(yīng)力是構(gòu)件的單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一極限值時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)遭到破壞。用公式表示應(yīng)力為：σ=F/s，其中F是內(nèi)力，S是受力面積，σ是應(yīng)力。
構(gòu)件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力和彎曲力。
拉 力 物體所承受的拉拽力
壓 力 擠壓物體的力
剪切力 兩個(gè)距離很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力
扭轉(zhuǎn)力 反方向向物體兩端均勻施力 ,使物體發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變的力
彎曲力 作用于物體 ,使它產(chǎn)生彎曲的力
案例分析：P6它們受到那些力的作用 探究：P7說(shuō)明石磨的推桿為什么要用一根繩子吊起來(lái)？
３.結(jié)構(gòu)的類型： 實(shí)體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)
實(shí)體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)體本身是實(shí)心的。它的受力特點(diǎn)是：外力分布在整個(gè)體積中，如實(shí)心墻，大壩。
框架結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)體由細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。受力特點(diǎn)：支撐空間而不充滿空間。如鐵架塔，建筑用腳手架，廠房的框架。
殼體結(jié)構(gòu)：通常是指層狀的結(jié)構(gòu)。受力特點(diǎn)是：外力作用在結(jié)構(gòu)體的表面上，如摩托車手的頭盔，飛機(jī)的外殼，貝殼。
案例分析：物體的結(jié)構(gòu)類型 P10
二、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的探析
1.結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性
（1）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下維持其原有平衡狀態(tài)的能力。
例如：臺(tái)風(fēng)過(guò)后，東倒西歪的廣告牌或標(biāo)牌；因貨物堆得過(guò)高而彎道處返倒的三輪車；路邊倒地的自行車等。（因?yàn)楫?dāng)物體受到外力作用時(shí)，原有的平衡狀態(tài)被打破而出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。）
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)之一。如果一個(gè)物體的結(jié)構(gòu)不能有效地抵御常見外力的作用，那么該物體是很難承受負(fù)載而保持平衡的。
（2）影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素
主要有：重心位置的高低、結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面的大小和結(jié)構(gòu)的形狀等。
案例分析：穩(wěn)定性 P13
1.重心位置的高低
重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。
結(jié)構(gòu)重心所在點(diǎn)的垂線是否落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，落在就是穩(wěn)定的，沒(méi)有就是不穩(wěn)定的。
２.結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面的大小。
支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。如：高塔的共同特點(diǎn)都是上端小而下端大。
３.結(jié)構(gòu)的形狀
結(jié)構(gòu)的形狀不同，其穩(wěn)定性也不同，如板凳只有兩條腿就不穩(wěn)定，而有不在同一條直線上的三條腿就有比較好的穩(wěn)定性。
往往，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素是相互關(guān)聯(lián)的，需要綜合考慮各種因素來(lái)討論結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
注意：
①運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。如：自行車，高空走鋼絲手持長(zhǎng)桿。
案例分析：靜態(tài)的自行車是如何保持穩(wěn)定的 P14
②材料也是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。如：汽車的車體采用殼體結(jié)構(gòu)和薄鋼板材料制造，是因?yàn)闅んw結(jié)構(gòu)表面能分散所受的力，薄鋼板使車體質(zhì)量較小
探究：
①自行車騎起來(lái)時(shí)，只有兩個(gè)支撐點(diǎn)，為什么不會(huì)倒下呢？
②靜止?fàn)顟B(tài)下陀螺會(huì)傾倒，而當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)時(shí)卻可以立起來(lái)？
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，一方面人們利用穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)抵抗外力、承受負(fù)載，另一方面又利用不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某些功能。
如：倒置的啤酒瓶可以預(yù)報(bào)地震：在打水的桶口邊掛一重物，在水面時(shí)能自動(dòng)翻倒打水。
2.結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度
（1）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度：是指結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。
如：在拔河比賽中，繩子被拉斷了，說(shuō)明繩子不具有抵抗兩隊(duì)拉力的能力；6級(jí)地震中一幢小樓倒塌了，說(shuō)明這座小樓不具有抵抗6級(jí)地震的能力。
（2）影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素：
結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的形狀、使用的材料、構(gòu)件之間的連接方式等因素有密切的關(guān)系。
案例分析：強(qiáng)度 P17
不同形狀的結(jié)構(gòu)有著不同的強(qiáng)度。例如：吊蘭支撐架使用三角支架結(jié)構(gòu)，而不使用由一根直桿挑起的結(jié)構(gòu)；在建筑物兩根平行支撐柱之間增加一根斜柱；A字形梯子不采用鋁合金薄片，而采用長(zhǎng)方形截面的構(gòu)件。這些都是為了增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。
材料方面：吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，是因?yàn)殇摴芸估π阅芎谩?br/>連接方式：吊蘭的三角形支架的構(gòu)件是焊接的而不是捆綁的，是因?yàn)檫@種連接方式更牢固。
①結(jié)構(gòu)的形狀: 三角形是框架結(jié)構(gòu)中最基本的形狀之一,它結(jié)實(shí)、穩(wěn)定，所用材料最少。
②結(jié)構(gòu)的材料與連接：不同材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度各不相同。
一個(gè)堅(jiān)固的梁的材料必須具有好的抗拉力、壓力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一種材料制成。如一根混凝土梁含有加固鋼筋，混凝土擅長(zhǎng)抗壓力，而鋼筋擅長(zhǎng)抗拉力，它們共同形成了非常牢固的結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接通常有兩種：
1）鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，但可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有松螺栓、松鉚等。如：折疊傘傘骨間的連接、門與門框的連接等。
2）剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處既不能相對(duì)移動(dòng)，也不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有榫接、膠接、焊接等，如：固定鐵床架的連接、不可移動(dòng)的桌腿與桌面的連接等。
3.結(jié)構(gòu)與功能
結(jié)構(gòu)不僅是事物存在的一種形式，而且對(duì)事物的功能和作用產(chǎn)生著直接影響。結(jié)構(gòu)的變化可能導(dǎo)致功能的變化。
案例分析：傘與拐杖 多用起子 P21 案例分析：自行車的結(jié)構(gòu)與功能 P21
三、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于我們的日常生活、對(duì)于各種各樣的生產(chǎn)活動(dòng)都非常重要。日常生活中，沒(méi)有豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品將會(huì)造型單一、功能單調(diào), 那些大型建筑物、交通運(yùn)輸工具等更是無(wú)法產(chǎn)生，生產(chǎn)活動(dòng)中，產(chǎn)品制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全性及耐久性評(píng)估、維修加固技術(shù)等，都離不開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究。
1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)及要求
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以一種或幾種功能的實(shí)現(xiàn)為基本目標(biāo)，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，滿足使用者的基本需要。，
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素有：符合使用者對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個(gè)性化需要，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的成本控制要求和一定的使用壽命等。
在工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。在考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)一定的功能的同時(shí)，還要考慮經(jīng)濟(jì)因素，如做到用料省、成本低等，也就是說(shuō)，力求以最低的成本使所建造的結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的要求。
不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮的因素各有側(cè)重，但無(wú)論在哪一類用途的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全都是至關(guān)重要的因素。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還有一些需要考慮的因素，如材料、民俗文化、地域特點(diǎn)等。
案例分析：戶外廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗風(fēng)問(wèn)題 P25
2.簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)案例
以簡(jiǎn)易相片架為例說(shuō)明簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程與方法。P26 案例分析：簡(jiǎn)易相片架的設(shè)計(jì)
四、經(jīng)典結(jié)構(gòu)的欣賞
1.優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的實(shí)用功能上,也表現(xiàn)在形式上,特別是功能與形式的統(tǒng)一上。古今中外許多能工巧匠把結(jié)構(gòu)的功能與形式恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來(lái)，形成了一些經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。
2.賞析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作品,可從技術(shù)與文化兩個(gè)角度進(jìn)行。
（1）技術(shù)的角度主要有：結(jié)構(gòu)功能、穩(wěn)固耐用、造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意和表現(xiàn)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(dá)，公眾認(rèn)可的美學(xué)原則，反映的時(shí)代、民族、習(xí)俗方面的特征、結(jié)構(gòu)的個(gè)性特征等。
案例分析：趙州橋 P30 案例分析：飛 檐 P31 案例分析：蛋形椅 P32
技術(shù)角度：1.功能：2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：3.技術(shù)施工：
文化角度：

探究：中國(guó)古代建筑的結(jié)構(gòu)多以木材為材料。請(qǐng)你從材料與構(gòu)件的連接方式等角度, 分析中國(guó)古代建筑穩(wěn)固的原因。
中國(guó)古建筑以木材、磚塊為主要建筑材料，以木構(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要結(jié)構(gòu)方式，此結(jié)構(gòu)式由立柱、橫梁、順模等主要構(gòu)件建造而成，各個(gè)構(gòu)件之間的連接點(diǎn)以棒卵相吻合,構(gòu)成富有彈性的框架。
木構(gòu)架結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，承重與圍護(hù)結(jié)構(gòu)分工明確，屋頂重力由木構(gòu)架來(lái)承擔(dān)，外墻起遮擋陽(yáng)光、隔熱防寒的作用，內(nèi)墻起分割室內(nèi)空間的作用。由于墻壁不承重，這種結(jié)構(gòu)賦予建筑物以極大的靈活性。其次, 有利于防震、抗震。木構(gòu)架結(jié)構(gòu)很類似今天的框架結(jié)構(gòu)，由于術(shù)材具有的特性，且構(gòu)架的結(jié)構(gòu)所用斗拱和棒卵又都有若干伸縮余地，因此在一定限度內(nèi)可減少由地震對(duì)這種構(gòu)架所引起的危害。“墻倒屋不塌”形象地表達(dá)了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
斗拱也是中國(guó)木構(gòu)架建筑特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由方形的斗、升和矩形的拱、斜的昂組成。在結(jié)構(gòu)上挑出承重，并將屋頂?shù)拇竺娣e荷載經(jīng)斗拱傳遞到柱上。它有一定的裝飾作用，又是屋頂和屋身上的過(guò)渡。此外，它還是封建社會(huì)中森嚴(yán)的等級(jí)制度的象征和重要的建筑尺度衡量標(biāo)準(zhǔn)。
斗拱一般使用在高級(jí)的官式建筑中，稱為大式建筑。大體可分為外檐斗拱和內(nèi)檐斗拱，外檐斗拱中“斗”是最下面的構(gòu)件，斗口的大小決定著整個(gè)建筑的尺寸，“拱”指木，“昂”是斗，拱中斜置的構(gòu)件室外為下昂，室內(nèi)為上昂。
因?yàn)槎饭暗闹匾裕瑲v代建筑對(duì)它十分重視，使它成為判斷建筑時(shí)代的重要標(biāo)志之一。
單元小結(jié)：
㈠結(jié)構(gòu)對(duì)自然界、技術(shù)領(lǐng)域和社會(huì)領(lǐng)域具有普遍意義。
㈡從力的角度來(lái)看, 結(jié)構(gòu)是指可承受一定力的架構(gòu)形態(tài), 它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
㈢結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本受力有拉力、壓力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力和彎曲力。
㈣結(jié)構(gòu)類型主要有實(shí)體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)類型有不同的受力特點(diǎn)。現(xiàn)實(shí)生活中遇到的結(jié)構(gòu)更多的是若干結(jié)構(gòu)類型的組合。
㈤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的重要內(nèi)容,二者相互聯(lián)系,相互影響。結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于重心位置的高低、結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面的大小和結(jié)構(gòu)的形狀等。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)的組成形式、構(gòu)件的幾何形狀、截面形式、材料以及構(gòu)件的連接方式等。
㈥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的美學(xué)因素、環(huán)境因素、安全因素以及時(shí)尚、個(gè)性、文化等都已成為人們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮的重要因素。結(jié)構(gòu)的牢固、穩(wěn)定、簡(jiǎn)約、和諧、美觀是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的追求。
第七講 流程與設(shè)計(jì)
一、生活和生產(chǎn)中的流程
1.認(rèn)識(shí)流程
（1）流程的含義和意義 ：
人們的生產(chǎn)、生活活動(dòng)都是在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束的，都是為了一定的目的，按照一定的順序和規(guī)則進(jìn)行的。
如：同學(xué)們每天都是按照作息時(shí)間表來(lái)安排學(xué)習(xí)、生活的，每個(gè)時(shí)間段都有一項(xiàng)活動(dòng)，而且是按照一定的先后順序進(jìn)行的。
從P38圖中可以看出，自行車的前輪裝圈上軸過(guò)程經(jīng)歷了一系列具體的步驟，這些步驟有開始的時(shí)間和持續(xù)的時(shí)間。組裝自行車前輪過(guò)程是：
總結(jié)：在實(shí)際生產(chǎn)和生活中有很多事物順序是不能顛倒的，如果顛倒，重則無(wú)法完成任務(wù)，輕則不能按質(zhì)按量完成任務(wù)。如：組裝自行車前輪時(shí)，如先把外胎裝上，就根本不可能把前輪裝好。
1）什么是時(shí)序？時(shí)間上的先后順序就是時(shí)序。
任何一項(xiàng)生產(chǎn)或生活活動(dòng)都有一定的時(shí)序。時(shí)序體現(xiàn)了具體活動(dòng)內(nèi)容的先后關(guān)系，在這種先后關(guān)系中，有些步驟之間的時(shí)序是不可顛倒的，如在自行車的裝配中，只有先上好鋼絲（輻條）才能上內(nèi)胎；有些步驟之間的時(shí)序是可以顛倒的，如自行車的裝配中，是先裝車鈴還是先裝鞍座；學(xué)生放學(xué)之后是先做家庭作業(yè)還是先進(jìn)行體育活動(dòng)，都沒(méi)有嚴(yán)格的先后關(guān)系，可以有不同的時(shí)間順序。
自行車的前輪裝圈上軸過(guò)程，可以認(rèn)為有上鋼絲、編花、裝前軸、裝外胎、裝內(nèi)胎、裝氣門這幾個(gè)小過(guò)程組成。對(duì)于我們?cè)趯W(xué)校的經(jīng)歷可以分為準(zhǔn)備上課階段、學(xué)習(xí)階段、午休階段等。
我們把完成某一個(gè)具體目標(biāo)、組成某項(xiàng)生產(chǎn)或某個(gè)活動(dòng)過(guò)程的若干階段或小的過(guò)程稱為環(huán)節(jié)。
環(huán)節(jié)是一個(gè)相對(duì)的概念，依據(jù)問(wèn)題性質(zhì)的不同和不同人的理解，環(huán)節(jié)的劃分可能會(huì)有所不同。環(huán)節(jié)中又包含若干可以分解的、目標(biāo)更具體的事項(xiàng)。在某項(xiàng)生產(chǎn)或某個(gè)或動(dòng)中，環(huán)節(jié)是不可缺少的。
2）什么是流程？
流程是一項(xiàng)活動(dòng)或一系列連續(xù)有規(guī)律的事項(xiàng)或行為進(jìn)行的程序。為了一定的目的去做事情的順序。
人們?cè)谔幚韱?wèn)題或事物時(shí)，合理的時(shí)序和程序過(guò)程，就是流程。
任何流程都反映一定的時(shí)序，體現(xiàn)出一定的環(huán)節(jié)。例如：旅客搭乘火車的流程“買票——候車——檢票——上車”是按照時(shí)序來(lái)進(jìn)行的，買票、候車、檢票、上車是環(huán)節(jié)，如果缺少某一環(huán)節(jié)或顛倒時(shí)序，就可能乘不上火車。
注意：
①流程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是人們處理問(wèn)題的步驟，但要使問(wèn)題處理得好，必須有合理、科學(xué)的處理方法，這就是我們“通用技術(shù)”中的流程。
②某一流程不是一成不變的，由于科技和社會(huì)的發(fā)展流程會(huì)更加科學(xué)、合理。
流程廣泛存在于人們的生活和生活活動(dòng)之中。
①不可顛倒的時(shí)序往往反映事物或活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律或機(jī)理，我應(yīng)尊重和遵循這些規(guī)律或機(jī)理。
②合理的流程使人們處理問(wèn)題時(shí)能按質(zhì)按量完成任務(wù)，能使生產(chǎn)效率提高，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量，真正做到多快好產(chǎn)。
③不按合理流程辦事，會(huì)使我們處理問(wèn)題時(shí)遇到不少麻煩，甚至不能完成任務(wù)。
（2）流程的表達(dá)
一般采用流程圖來(lái)表達(dá)流程。依據(jù)流程的性質(zhì)以及的表達(dá)習(xí)慣，流程圖有文字表達(dá)、表格表達(dá)、圖示表達(dá)等方式，有些場(chǎng)合還可用模型表達(dá)、動(dòng)畫演示等。
在流程圖中，有的用箭頭表達(dá)時(shí)序，有的用數(shù)字序號(hào)表達(dá)時(shí)序，還有的用時(shí)間表達(dá)時(shí)序。流程圖的序號(hào)或方框反映了環(huán)節(jié)、工序的具體情況。
在編制計(jì)算機(jī)程序時(shí)，經(jīng)常要用程序流程圖來(lái)表示算法，流程圖中的方框、菱形框表示一定的環(huán)節(jié)，箭頭表示程序流動(dòng)的方向。例如，計(jì)算S=1+2+3+…+100的算法，可用P43的兩種程序流程圖表示。
2.生活與流程
生活中處處都有流程，洗衣做飯、采購(gòu)日用品、看病就醫(yī)和外出旅游等都離不開流程。科學(xué)合理的流程，可以指導(dǎo)我們正確地做事，提高工作和學(xué)習(xí)的效率，使我們的生活變得有序、合理、為我們的安全提供保障。
案例分析：洗衣、煮飯與燒菜的流程安排 P44 生活中的流程對(duì)工作質(zhì)量往往有著重要影響。
案例分析：青霉素注射的流程 P44
3.生產(chǎn)與流程
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我們要依據(jù)一定的流程來(lái)組織生產(chǎn)、管理企業(yè)。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程，有加工流程、組裝流程、包裝流程、質(zhì)量檢查流程、安全生產(chǎn)流程等；對(duì)于企業(yè)經(jīng)營(yíng)過(guò)程，有原材料采購(gòu)過(guò)程、市場(chǎng)銷售流程、財(cái)務(wù)工作流程等。運(yùn)用科學(xué)合理的流程可以有效地組織生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等。
案例分析：軟皮椅的生產(chǎn)流程 P45
流程中的環(huán)節(jié)：
為了便于分析問(wèn)題，我們?cè)趫D中畫出虛線框表示生產(chǎn)流程中的環(huán)節(jié)，在實(shí)際生產(chǎn)流程圖中，一般是不直接標(biāo)出環(huán)節(jié)的。
流程中工序的作業(yè)方式——串行和并行
從軟皮椅生產(chǎn)流程圖中可以看出時(shí)序的關(guān)系。接生產(chǎn)通知單——備料——開料，這樣依次進(jìn)行的工序，就是串行工序。串行工序的特點(diǎn)是，上一道工序完成之后才能進(jìn)入下一道工序。而生產(chǎn)中有些工序是可以同時(shí)進(jìn)行的，如制架、面料、海綿這幾項(xiàng)工作是同時(shí)進(jìn)行的，這就是并行工序。并行工序是多人或多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作，這樣可以大大提高生產(chǎn)效率。
為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在材料采購(gòu)、加工制作、組裝、包裝等的全過(guò)程中，對(duì)每一道工序都要按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢查。因此，生產(chǎn)中還應(yīng)有一整套質(zhì)量管理的流程來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。流程在生產(chǎn)中起到了重要的作用。
閱讀：自動(dòng)化生產(chǎn)流水線 P46
案例分析：連續(xù)式淬火的工藝流程 P47
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，是否嚴(yán)格按照流程中環(huán)節(jié)和時(shí)序的要求正確地進(jìn)行生產(chǎn)，將直接影響到安全生產(chǎn)和產(chǎn)品的質(zhì)量。
案例分析：李龍的莊稼為什么顆粒無(wú)收 P48
二、流程的設(shè)計(jì)
1.流程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的基本因素
（1）流程設(shè)計(jì)的目標(biāo)與要求
設(shè)計(jì)一個(gè)流程首先應(yīng)明確流程要實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)。
對(duì)于工作和生活方面的流程設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮如何節(jié)省時(shí)間、提高工作效率、提高工作質(zhì)量等目標(biāo)。
對(duì)于生產(chǎn)活動(dòng)的流程設(shè)計(jì)，主要應(yīng)從提高效率、提高質(zhì)量、節(jié)省資源、安全生產(chǎn)、高經(jīng)濟(jì)效益、提高管理水平等方面明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
（2）流程設(shè)計(jì)中的基本因素
生產(chǎn)活動(dòng)的流程設(shè)計(jì)的基本因素主要有材料、工藝、設(shè)備、人員、資金和環(huán)境等。
材料：不同的材料有不同的加工處理方法。
工藝：不同產(chǎn)品的工藝要求各異，流程設(shè)計(jì)也不同。
設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備的水平往往決定了流程的自動(dòng)化水平。
人員和資金：人員的技術(shù)水平和必要的資金影響生產(chǎn)的過(guò)程、質(zhì)量和周期，是進(jìn)行流程設(shè)計(jì)必須考慮的主要因素。
環(huán)境：生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染以及環(huán)境對(duì)生產(chǎn)的反作用，是流程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注的重要因素。
不同行業(yè)的流程有不同的特點(diǎn)，所以流程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的基本因素也各有差異。
流程設(shè)計(jì)要依據(jù)事物的內(nèi)在屬性和客觀的變化規(guī)律，科學(xué)地設(shè)計(jì)時(shí)序和環(huán)節(jié)，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
案例分析：合成氨的生產(chǎn)工藝流程 P51
2.流程設(shè)計(jì)的步驟
首先要明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)和任務(wù)，明確流程所應(yīng)遵循的內(nèi)在變化規(guī)律。
其次，要分析現(xiàn)有材料、設(shè)備、資金、人員、工藝和環(huán)境因素。
第三，列出流程涉及的主要事項(xiàng)，并進(jìn)行初步的排列。
第四，分析各事項(xiàng)（步驟）之間先后順序，合理地安排流程的時(shí)序和環(huán)節(jié)。
第五，選擇一種合適的表達(dá)方式畫出流程圖，對(duì)于有嚴(yán)格時(shí)間要求的時(shí)序，要標(biāo)注時(shí)間。
3.流程設(shè)計(jì)舉例
案例分析：小鐵錘的加工流程設(shè)計(jì)P52
一、手工制作小鐵錘的流程設(shè)計(jì)
制作一把小鐵錘。錘頭和錘柄的連接方式用螺紋連接。
⒈流程設(shè)計(jì)的主要因素分析。
⑴設(shè)備：常用金工工具，臺(tái)鉆，砂輪機(jī)，熱處理設(shè)備等。
⑵材料：45號(hào)鋼和Q235棒料
⑶加工方法：采用手工加工工藝。用鐵鋸下料；鐵頭部分的加工用銼刀銼平面，臺(tái)鉆鉆孔，手工攻絲；錘柄部分的圓頭用砂輪機(jī)磨削，螺紋用板牙套絲。
⑷熱處理：錘頭進(jìn)行淬火處理，以提高硬度。
⒉流程的環(huán)節(jié)與時(shí)序。
小鐵錘的加工過(guò)程劃分為三個(gè)環(huán)節(jié)，依次為錘頭加工環(huán)節(jié)、錘柄加工環(huán)節(jié)和裝配環(huán)節(jié)。
⒊編制加工流程，按時(shí)序畫出加工流程圖。
錘頭的加工流程圖：
下料——?jiǎng)澗€——鋸削——銼削——畫螺孔中心線——鉆孔——攻絲——倒角——淬火——電鍍
錘柄的加工流程圖：下料——磨削圓頭——板牙套死——電鍍
裝配的工作很簡(jiǎn)單，把加工好的錘柄擰緊到錘頭的螺孔中，一個(gè)小鐵錘就做成了。
二、批量生產(chǎn)小鐵錘的流程設(shè)計(jì)
工廠批量生產(chǎn)小鐵錘采用的是機(jī)械加工方法。流程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的基本因素主要是設(shè)備條件和加工工藝。為了提高功效，流水作業(yè)是首選的方法，每道工序都由機(jī)床來(lái)完成，甚至可以在銑床上用兩把刀具同時(shí)加工兩個(gè)平面，從而大大提高加工效率。
⒈錘頭和錘柄分別采用流水線工作方式加工，每臺(tái)機(jī)床完成1~2道工序。加工流程設(shè)計(jì)方案P53
⒉裝配。P53
三、流程的優(yōu)化
對(duì)流程的改進(jìn)過(guò)程，稱為流程的優(yōu)化
1.流程優(yōu)化的內(nèi)容
流程優(yōu)化的目的是為了提高工作效率、降低成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染、保證安全生產(chǎn)等。
流程優(yōu)化涉及到工期優(yōu)化、工藝優(yōu)化、成本優(yōu)化、技術(shù)優(yōu)化、質(zhì)量?jī)?yōu)化等優(yōu)化指標(biāo)。
流程優(yōu)化應(yīng)在綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，突出重點(diǎn)指標(biāo)的優(yōu)化，綜合權(quán)衡，以達(dá)到整體優(yōu)化的目的。
案例分析：工期優(yōu)化 P54 案例分析：工藝優(yōu)化 P55 案例分析：成分優(yōu)化 P56
2.流程優(yōu)化的條件
流程的改進(jìn)和優(yōu)化需要一定的條件，它建立在設(shè)備和工藝水平提高的基礎(chǔ)上，建立在對(duì)流程內(nèi)在機(jī)理進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上。
流程與材料、設(shè)備、工藝有著密切的關(guān)系，在優(yōu)化流程時(shí)，需要充分考慮到這些條件。
本單元小結(jié)：
流程是一項(xiàng)活動(dòng)或一系列連續(xù)有規(guī)律的事項(xiàng)或行為進(jìn)行的程序。任何一項(xiàng)生產(chǎn)或生活活動(dòng)都有一定的時(shí)序，都可以劃分為若干個(gè)環(huán)節(jié)。科學(xué)合理的流程可以指導(dǎo)我們更好地組織生產(chǎn)、規(guī)范活動(dòng)，可以使我們的生產(chǎn)和生活有序而高效。
流程的設(shè)計(jì)主要應(yīng)從提高工作效率、降低成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染、保證安全生產(chǎn)等方面設(shè)計(jì)的目標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的基本因素有材料、工藝、設(shè)備、人員、資金、環(huán)境等，其核心是要依據(jù)事物的內(nèi)在屬性和客觀的變化規(guī)律，科學(xué)地確定時(shí)序和環(huán)節(jié)。流程的表達(dá)可以有文字、表格、圖示、模型、動(dòng)畫演示等多種方式。
流程的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷探索不斷優(yōu)化的過(guò)程。流程的優(yōu)化可以根據(jù)不同的目標(biāo)有所側(cè)重，主要有工期優(yōu)化、工藝優(yōu)化、成本優(yōu)化、技術(shù)優(yōu)化、質(zhì)量?jī)?yōu)化等。優(yōu)化要在平衡各項(xiàng)資源的基礎(chǔ)上，突出主要指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
第八講 系統(tǒng)與設(shè)計(jì)
一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
1.什么是系統(tǒng)
由相互聯(lián)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(jī)整體，稱為系統(tǒng)。
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。
自行車是由若干主要部件組成的，這些部件相互聯(lián)系、相互作用，形成了自行車可以代步的功能。
要素是指構(gòu)成系統(tǒng)的最主要的元素。一般地，部分相對(duì)于系統(tǒng)的整體而言，要素相對(duì)于系統(tǒng)的元素結(jié)構(gòu)而言。很多情況下，要素和部分又可以通用。如一個(gè)企業(yè)就是一個(gè)系統(tǒng)，它是由人、財(cái)、物、事等要素組成的，同時(shí)也是由管理部門、生產(chǎn)部門、營(yíng)銷部門、供應(yīng)部門等部分組成的。在這個(gè)系統(tǒng)中，各要素（部分）都是不可缺少的，他們之間存在著一定的聯(lián)系。
構(gòu)成系統(tǒng)，必須具備三個(gè)條件：
第一，至少要有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的要素（部分）才能組成系統(tǒng)；
第二，要素（部分）之間相互關(guān)系、相互作用，按照一定方式形成一個(gè)整體；
第三，這個(gè)整體具有的功能是各個(gè)要素（部分）的功能中所沒(méi)有的。
系統(tǒng)有大有小，有復(fù)雜有簡(jiǎn)單。對(duì)于較大型的系統(tǒng)和比較復(fù)雜的系統(tǒng)，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)可劃分為若干子系統(tǒng)，如地球生態(tài)系統(tǒng)由海洋生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成；交通系統(tǒng)可分為航空運(yùn)輸系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、公路運(yùn)輸系統(tǒng)等子系統(tǒng)；管理系統(tǒng)可分為生產(chǎn)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)。同樣，任何系統(tǒng)都是更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)的類型
系統(tǒng)是普遍存在的，也是多種多樣的。系統(tǒng)可按不同的標(biāo)準(zhǔn)和需要來(lái)分類：
（1）自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)
如：人體系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)；城市系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是人造系統(tǒng)
（2）實(shí)體系統(tǒng)和抽象系統(tǒng)
如：生物系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)是實(shí)體系統(tǒng)；哲學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)是抽象系統(tǒng)
（3）靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 如：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)是相對(duì)的。
（4）開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng) 如：氨氣的合成系統(tǒng)是封閉的，生態(tài)系統(tǒng)是開發(fā)的系統(tǒng)。
（5）簡(jiǎn)單系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)（拓展）
（6）黑色系統(tǒng)和白色系統(tǒng)（拓展）
3.系統(tǒng)的基本特性：整體性、相關(guān)性、目的性、動(dòng)態(tài)性、環(huán)境適應(yīng)性。
⑴整體性：是系統(tǒng)最基本的特性，也是觀察和分析系統(tǒng)最基本的思想和方法。
系統(tǒng)是一個(gè)整體，它不是各個(gè)要素（部分）的簡(jiǎn)單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要素（部分）在孤立狀態(tài)下所沒(méi)有的。
系統(tǒng)的任何一個(gè)要素（部分）發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時(shí)，都會(huì)影響其他要素（部分）或整體的功能的發(fā)揮。
系統(tǒng)的整體功能大于組成系統(tǒng)的各部分的功能之和。如：人的雙眼視覺功能大大超過(guò)兩只單眼視覺功能簡(jiǎn)單相加的總和。
不能離開整體去分析系統(tǒng)中的任何一個(gè)組成部分。一個(gè)系統(tǒng)組織的好不好，就看它的整體功能即系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)得怎樣。
案例分析：巴爾扎克的塑像 P69
⑵相關(guān)性：是指組成系統(tǒng)的各要素之間或系統(tǒng)整體與部分之間的相互作用、相互聯(lián)系。
案例分析：廚具安裝 P70
家庭裝修是一項(xiàng)系統(tǒng)性很強(qiáng)的工程，各項(xiàng)工作之間、各種設(shè)施之間存在著必然的聯(lián)系，它們相互影響又相互制約。只有從它們的相關(guān)性出發(fā)，處理好各方面的關(guān)系，才能事半功倍，高質(zhì)高校。
⑶目的性：任何系統(tǒng)都具有某種目的，都要實(shí)現(xiàn)一定的功能，這正是區(qū)別不同系統(tǒng)的標(biāo)志。
系統(tǒng)的目的一般通過(guò)更具體的目標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，目標(biāo)有多個(gè)，往往用一個(gè)指標(biāo)體系來(lái)描述系統(tǒng)的目標(biāo)。
設(shè)計(jì)和分析一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，必須事先弄清其目的，否則就無(wú)法構(gòu)成一個(gè)良好、有序的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，要從整體協(xié)調(diào)的角度出發(fā)尋求平衡，以獲得整體上的最佳效果。
⑷動(dòng)態(tài)性：任何系統(tǒng)都是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，處在運(yùn)動(dòng)變化和發(fā)展之中。
運(yùn)用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)，有助于使我們不僅看到系統(tǒng)的現(xiàn)狀，而且看到系統(tǒng)的變化和發(fā)展，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)的將來(lái)，掌握系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律。
⑸環(huán)境適應(yīng)性：系統(tǒng)只有對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，才能保持和恢復(fù)系統(tǒng)原有的特性。
二、系統(tǒng)的分析
1.系統(tǒng)分析及其一般步驟
⑴什么是系統(tǒng)分析
為了發(fā)揮系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)，運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)系統(tǒng)加以周詳?shù)目疾臁⒎治觥⒈容^、實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或?qū)υ械南到y(tǒng)提出改進(jìn)方案的過(guò)程，就是系統(tǒng)分析。
系統(tǒng)分析的顯著特點(diǎn)是完整地處理問(wèn)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(wèn)題。
案例分析：漢字激光照排系統(tǒng)P77
⑵系統(tǒng)分析的一般步驟
①明確問(wèn)題，設(shè)立目標(biāo)：明確所要研究問(wèn)題的性質(zhì)和范圍，提出所要表達(dá)到的目標(biāo)，明確約束條件
②收集資料，制定方案：收集相關(guān)資料，制定解決問(wèn)題的各種備選方案，預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生的各種結(jié)果
③分析計(jì)算，評(píng)價(jià)比較：對(duì)資料和數(shù)據(jù)做必要計(jì)算，進(jìn)行各子系統(tǒng)的分析，再進(jìn)行系統(tǒng)的整體分析，將各中方案進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比，選擇最佳方案
④檢驗(yàn)核實(shí)，作出決策：若對(duì)方案不夠滿意，還可按上述程序反復(fù)進(jìn)行，直到獲得滿意的方案為止
案例分析：田忌賽馬P78
思考：⒈田忌與齊王的三局賽馬可以有哪幾種方案？
⒉孫臏出的主意，為什么能使田忌贏了齊王？
⑶系統(tǒng)分析的主要原則
運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法處理問(wèn)題時(shí)要遵循整體性原則、科學(xué)性原則、綜合性原則三個(gè)主要原則。
①整體性原則：先分析整體，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全過(guò)程，再看某一個(gè)階段；先看長(zhǎng)遠(yuǎn)，再看當(dāng)前。
②科學(xué)性原則：
③綜合性原則：
案例分析：孝襄高速公路P80
2.系統(tǒng)的優(yōu)化：
我們做任何事情都希望達(dá)到最優(yōu)的效果。如希望以最小的成本獲取最大的利潤(rùn)，以最短的工期完成更多的工程量，以最少的能耗生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，在單位面積上盡可能提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量等。
案例分析：農(nóng)作物種植系統(tǒng)的優(yōu)化——農(nóng)業(yè)間作套種P81
目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增收、提高土地利用率。
條件：農(nóng)作物的生長(zhǎng)的季節(jié)差、時(shí)間差，把相同或不同類的農(nóng)作物套種在一起，有“麥、棉、瓜”，“麥、棉、菜”，“麥、瓜、棉、玉米”等多種套種模式供選擇。
某地區(qū)因地制宜地選擇了“麥、棉、瓜、紅薯”的套種模式，在正常天氣條件下，按照套種的技術(shù)要求操作，夏季可收小麥（350~400）千克/畝，紅薯2500千克/畝，無(wú)籽西瓜5000千克/畝，秋季產(chǎn)籽棉225/千克/畝，平均每畝收入超過(guò)3000元，比原先提高了近五成。
你認(rèn)為在你所在地區(qū)，可采取哪些提高農(nóng)作物產(chǎn)量的措施？
系統(tǒng)優(yōu)化是指在給定的條件（或約束條件）下，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，采取一定的手段和方法，使系統(tǒng)的目標(biāo)值達(dá)到最大化（或最小化）。
影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素是指對(duì)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生顯著影響，并且可以認(rèn)為調(diào)節(jié)的因素。
案例分析：利潤(rùn)問(wèn)題P81 閱讀：數(shù)學(xué)模型P82
為使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)而提出的求解方法稱為最優(yōu)化方法。系統(tǒng)優(yōu)化的方法多樣的，有的運(yùn)用數(shù)學(xué)模型求解，有的用科學(xué)的估算、試驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)。
案例分析：裝修施工的組織優(yōu)化P83 閱讀：系統(tǒng)工程P84
三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
⑴系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問(wèn)題：
①系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的與要求：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，以系統(tǒng)整體功能的最優(yōu)為目的。不同行業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著不同的技術(shù)要求。
②系統(tǒng)各部分之間的相互聯(lián)系與相互作用：
運(yùn)用系統(tǒng)的思想綜合考慮各部分之間的關(guān)聯(lián)、沖突問(wèn)題。注重各部分的縱向、橫向聯(lián)系；依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、環(huán)境適應(yīng)性，考慮當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)。
③系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化：首先從系統(tǒng)整體考慮優(yōu)化，統(tǒng)籌兼顧，再在此基礎(chǔ)上完善各部分的設(shè)計(jì)。
⑵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟主要包括：將系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，確定各子系統(tǒng)的目標(biāo)、功能及其相互關(guān)系，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體技術(shù)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)等。
2.簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
案例分析：手電筒照明供電部分的設(shè)計(jì)P87
設(shè)計(jì)要求：可照明的手電筒，攜帶方便，使用安全。
設(shè)計(jì)分析：
⒈可把手電筒照明供電部分分為照明和供電兩個(gè)子系統(tǒng)。照明子系統(tǒng)的要素是燈泡、導(dǎo)線，供電子系統(tǒng)的要素是電源和開關(guān)。
⒉手電筒的功能取決于它的各個(gè)組成要素，電源通過(guò)導(dǎo)線的連接驅(qū)動(dòng)燈泡發(fā)光，這些要素缺少任何一個(gè)，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(dá)到設(shè)計(jì)要求。
設(shè)計(jì)方案：
方案A
（1）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，畫出電路圖。
（2）根據(jù)電路圖，選擇元器件，如燈泡、干電池、導(dǎo)線等，并搭接電路。
（3）通過(guò)控制開關(guān)，使燈泡發(fā)光。
方案B
選擇元器件為發(fā)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(shè)計(jì)一個(gè)自發(fā)手電筒。
采用發(fā)電機(jī)代替干電池進(jìn)行供電。手電系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分組成：
手柄——齒輪組——發(fā)電機(jī)——小電珠
用手搖動(dòng)手柄，使齒輪的轉(zhuǎn)速加快，帶動(dòng)一個(gè)由電磁鐵和線圈組成的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，輸出電流，使小電珠發(fā)光。
方案C不需要使用干電池，所以對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染。
案例分析：室內(nèi)住宅電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)P89
本單元小結(jié)：
系統(tǒng)是由相互聯(lián)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(jī)整體。系統(tǒng)有大有小，有復(fù)雜有簡(jiǎn)單，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)可劃分為若干子系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本特性主要有整體性、相關(guān)性、目的性、動(dòng)態(tài)性和環(huán)境適應(yīng)性等。這些特性都體現(xiàn)了一定的思想與方法。
系統(tǒng)分析是指為了發(fā)揮系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)，運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)系統(tǒng)加以周詳?shù)目疾臁⒎治觥⒈容^、試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或?qū)υ械南到y(tǒng)提出改進(jìn)方案的過(guò)程。系統(tǒng)分析應(yīng)遵循整體性原則、科學(xué)性原則和綜合性原則。
系統(tǒng)的優(yōu)化是指在給定的條件（或約束條件）下，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，采取一定的手段和方法，使系統(tǒng)的目標(biāo)值達(dá)到最大化（或最小化）。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)各種各樣的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查分析、籌劃研究、評(píng)價(jià)實(shí)施、運(yùn)行改善等，直到完成一個(gè)能協(xié)調(diào)工作的實(shí)際系統(tǒng)的過(guò)程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮其目的與要求、系統(tǒng)各部分之間的相互聯(lián)系與相互作用、對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化等問(wèn)題。
第九講 控制與設(shè)計(jì)
一、控制的手段與應(yīng)用
1.控制的手段
⑴控制的含義：案例分析：大禹治水P96
人們按照自己的意愿或目的，通過(guò)一定的手段，使事物向期望的目標(biāo)發(fā)展，這就是控制。
理解任何控制現(xiàn)象，都要明確控制的對(duì)象是什么，控制要達(dá)到什么目的和采取什么控制手段。
例如：人力三輪車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的方向控制問(wèn)題，其控制的對(duì)象就是人力三輪車，控制的目的是為了改變?nèi)嗆囆旭偟姆较颍刂频氖侄问球T車人通過(guò)雙手轉(zhuǎn)動(dòng)車把，改變前輪的方向并帶動(dòng)后輪。
⑵控制的手段：控制的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)一定的手段。
從控制過(guò)程中人工干預(yù)的情形來(lái)分，控制有人工控制和自動(dòng)控制。
人工控制是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的。人工控制又稱手動(dòng)控制。
自動(dòng)控制是指在無(wú)人直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確地按照期望的方向進(jìn)行。
按執(zhí)行部件的不同，控制可分為機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制等。
有時(shí)，控制手段又可以綜合的。案例分析：從手搖扇到空調(diào)器
2.控制的應(yīng)用
控制應(yīng)用到生活中，提高了人們的生活質(zhì)量，人類能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周圍的環(huán)境，使之滿足人們的需要。
生產(chǎn)中往往需要對(duì)溫度、濕度、壓力、速度及加工動(dòng)作等進(jìn)行控制，控制在生產(chǎn)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。
控制在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。閱讀：控制論P(yáng)101
二、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程與方式
1.控制系統(tǒng)
案例分析：自行車行駛的速度控制的實(shí)現(xiàn)P102
案例分析：電風(fēng)扇的風(fēng)速控制的實(shí)現(xiàn)P102

任何一種控制的實(shí)現(xiàn)，都要通過(guò)若干個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)。一般的控制過(guò)程都有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，控制系統(tǒng)的輸入輸出之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
控制系統(tǒng)一般分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2.開環(huán)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)在日常生活中用途很廣。如十字路口的紅綠燈定時(shí)控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公園的音樂(lè)噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)等。
案例分析：自動(dòng)門的控制系統(tǒng)P103
在控制系統(tǒng)中，為了分析的方便，常采用方框來(lái)表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號(hào)線來(lái)表示系統(tǒng)信號(hào)傳遞的方向，這種圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng)，通常可以用下面的方框圖來(lái)描述：

輸入量即控制系統(tǒng)的給定量，如游泳池進(jìn)水的設(shè)定時(shí)間；輸出量（被控量）即控制系統(tǒng)所要控制的量，也是控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)，如游泳池的水位；被控對(duì)象即控制系統(tǒng)中所要求的裝置或生產(chǎn)過(guò)程，如游泳池；執(zhí)行器即直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的裝置或元件，如進(jìn)水閥門；控制器即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件，如控制電路；控制量即執(zhí)行器的輸出信號(hào)，如流過(guò)閥門的水量。
案例分析：水泵抽水控制系統(tǒng)P104
3.閉環(huán)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如下：


檢測(cè)裝置測(cè)量出被控量并返回到系統(tǒng)的輸入端； 是比較器，它將給定量與所檢測(cè)的被控量進(jìn)行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進(jìn)行運(yùn)算處理，并向執(zhí)行器下達(dá)控制指令；執(zhí)行器根據(jù)指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，從而使被控量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個(gè)由檢測(cè)裝置組成的環(huán)節(jié)。
三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋
1.干擾因素
在控制系統(tǒng)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(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風(fēng)等；
有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的手機(jī)信號(hào)等。
在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準(zhǔn)確度的干擾因素。控制系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。
案例分析：電視機(jī)P109
有些情況可以利用干擾因素實(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對(duì)藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使之不能正常工作。
2.反饋
（1）什么是反饋
控制系統(tǒng)中，將輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程，就是反饋。
案例分析：投籃 P110
利用反饋來(lái)分析和處理被控制對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)的書出來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)用的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)電水壺具有擋水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能，終究是運(yùn)用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的結(jié)果。
(2) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程
從反饋來(lái)看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋問(wèn)題，輸出量對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過(guò)反饋來(lái)減少被控制量（輸出量）的偏差。
一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。
案例分析：供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)P112
案例分析：加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)P113
（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較
開環(huán)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于控制精度要求不高而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場(chǎng)合。
閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，構(gòu)成控制系統(tǒng)的成本較高。閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動(dòng)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(chǎng)合。
3.功能模擬方法：以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。
閱讀：功能模擬方法的提出 P115 思考：功能模擬方法對(duì)技術(shù)有何意義？
4.黑箱方法：把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。例如，通過(guò)輸入圖像、電或聲音信號(hào)，觀測(cè)、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對(duì)視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，就是黑箱方法的運(yùn)用。
四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施
1.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路
設(shè)計(jì)好一個(gè)控制系統(tǒng)，應(yīng)該明確這個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到的目的是什么，所要控制的對(duì)象是什么，被控制對(duì)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(shè)計(jì)方案既能達(dá)到目的，又能經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件，等等。
設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達(dá)到控制目的，采用易于實(shí)現(xiàn)的控制方式，降低控制成本、減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響等，是我們進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的基本問(wèn)題。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，還包括畫出必要的設(shè)計(jì)圖紙（控制電路設(shè)計(jì)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）和實(shí)施圖紙、撰寫說(shuō)明書等。
（1）開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在明確設(shè)計(jì)要求，明確被控對(duì)象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。例如：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，被控對(duì)象是電風(fēng)扇，被控量是電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速，控制量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速；若是具有定時(shí)功能的電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則需在開關(guān)環(huán)節(jié)加一個(gè)定時(shí)器。
案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) P119
設(shè)計(jì)要求：電吹風(fēng)能根據(jù)不同的擋位（如冷風(fēng)擋檔、熱風(fēng)擋）輸出不同種類的風(fēng)。
設(shè)計(jì)分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是電吹風(fēng)裝置，被控量是風(fēng)的速度和溫度，控制量是電機(jī)的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。
電吹風(fēng)的控制工作過(guò)程：電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過(guò)一個(gè)小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。
方案構(gòu)思：選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。
設(shè)定風(fēng)的檔位就設(shè)定了電機(jī)的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的風(fēng)通過(guò)電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對(duì)應(yīng)的風(fēng)。

確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。
（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本要求：
第一，一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。
第二，控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。
第三，閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。
在進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，幾項(xiàng)控制要求之間往往會(huì)產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問(wèn)題全面解決或有所側(cè)重地解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)P120
設(shè)計(jì)項(xiàng)目：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)
設(shè)計(jì)要求：⒈當(dāng)水箱中的水位低于達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即進(jìn)水。
⒉當(dāng)水箱的水位達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即停進(jìn)水。
⒊控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒(méi)有特別的要求。
設(shè)計(jì)分析：⒈從設(shè)計(jì)要求來(lái)看，這是一種自動(dòng)控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。
⒉被控對(duì)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(jìn)水管的水流量（即進(jìn)水量），水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線性關(guān)系。
⒊主要干擾因素是水箱的出水流量。
方案構(gòu)思：采用浮球作為水位高度的檢測(cè)裝置。當(dāng)水箱的水位低于水箱的某一高度時(shí)，出現(xiàn)了水位差（給定的水位高度與實(shí)際水位高度之差），這個(gè)信號(hào)通過(guò)浮球、連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開，從而水箱進(jìn)水；當(dāng)水箱的水位達(dá)到水箱的某個(gè)高度時(shí)，水位差為零，進(jìn)水閥關(guān)閉。
水箱水位的控制過(guò)程：撥動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水，與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開，水箱進(jìn)水，直到指定水位時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案
案例分析：自動(dòng)升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)計(jì)P121
本單元小結(jié)：
事物發(fā)展具有多種可能性。人們根據(jù)自己的目的，通過(guò)一定的手段使事物沿著某一確定方向發(fā)展，就形成了控制。人類的控制現(xiàn)象自古就有，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)控制得以迅速發(fā)展。控制的手段多種多樣，控制廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。
開環(huán)控制系統(tǒng)是指輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的工作過(guò)程通常可以用方框圖來(lái)表示。
在控制系統(tǒng)中，除輸入量以外引起被控量變化的各種因素，就是干擾因素。反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要特征，體現(xiàn)了一定的思想方法，有著廣泛的應(yīng)用。此外，功能模擬方法、黑箱方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及日常生活中也有著廣泛的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，要明確控制目的、控制對(duì)象是什么，要弄清干擾因素以及被控量、控制量，選擇經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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