第一單元 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

一、常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)：

（一）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。

1、自然界：天體結(jié)構(gòu)、地球的結(jié)構(gòu)、植物的結(jié)構(gòu)、動(dòng)物的結(jié)構(gòu) …

2、技術(shù)領(lǐng)域：汽車的結(jié)構(gòu)、微機(jī)的結(jié)構(gòu)、電腦主板的結(jié)構(gòu)、數(shù)字控床的結(jié)構(gòu) …

3、社會(huì)領(lǐng)域：教育管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)、文章、詩(shī)歌的結(jié)構(gòu)

（二）結(jié)構(gòu)與力

從力學(xué)角度說(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態(tài)和大小改變的力。

1、內(nèi)力：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，

2、應(yīng)力：是構(gòu)件的單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力。應(yīng)力達(dá)到一定極限值時(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。

3、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。

（三）結(jié)構(gòu)的類型

1、實(shí)體結(jié)構(gòu)——受力特點(diǎn)：外力分布在整個(gè)體積中。

2、框架結(jié)構(gòu)——受力特點(diǎn)：支撐空間而不充滿空間。通常是指結(jié)構(gòu)體本身由細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件組成，如窗戶、畫(huà)框、房子的架構(gòu)等等。

3、殼體結(jié)構(gòu)——受力特點(diǎn)：外力作用在結(jié)構(gòu)體的表面上。如貝殼、頭盔、汽車飛機(jī)的外殼等等

生活中很多物體的結(jié)構(gòu)是由兩種或兩種以上的基本結(jié)構(gòu)類型組合而成，稱為組合結(jié)構(gòu)

二、穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析

（一）結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性-

1、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性——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。P12

  2、影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素：

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、結(jié)構(gòu)的形狀

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。

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。

對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)而言，如果重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，就是穩(wěn)定的，不會(huì)出現(xiàn)傾倒。

4）其它因素：如材料密度等

高中學(xué)習(xí)幫的小程序開(kāi)通啦

（二）結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度-

1、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度——結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。P17

2、影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素：P17

結(jié)構(gòu)的形狀、使用的材料、構(gòu)件之間的連接方式等。

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常見(jiàn)的構(gòu)件的橫截面形狀：工字形、十字形、長(zhǎng)方形、L形、圓形、U形

③、結(jié)構(gòu)的連接方式

鉸連接——被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，但能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如送螺栓、門(mén)與門(mén)框等

剛連接——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

④不同材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)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(jié)構(gòu)不同要求中，選擇不同特性的材料。例混凝土擅長(zhǎng)抗壓力,而鋼筋擅長(zhǎng)抗拉力

⑤、其它因素，如：溫度、濕度、構(gòu)件橫截面等。例低溫條件下的鋼材強(qiáng)度發(fā)生變化

3.結(jié)構(gòu)與功能：結(jié)構(gòu)的變化可能導(dǎo)致功能的變化。

三、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素P25

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。

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。

簡(jiǎn)單回答：符合設(shè)計(jì)對(duì)象的穩(wěn)定性，強(qiáng)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(gè)性化需要等.P25

2、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)案例要求（參考：P26）：

①設(shè)計(jì)項(xiàng)目：

②設(shè)計(jì)要求

③設(shè)計(jì)分析

④設(shè)計(jì)方案

⑤呈現(xiàn)草圖

如：設(shè)計(jì)相框、垃圾桶、鞋柜，衣架、筆桶等

四、經(jīng)典結(jié)構(gòu)的欣賞P30

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。

如：趙州橋、岳陽(yáng)樓等。

第二單元 流程與設(shè)計(jì)

一、生產(chǎn)和生活中的流程

1、時(shí)序：時(shí)間上的先后順序就是時(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，有些步驟之間的時(shí)序是可以顛倒的。如：先切種→再布種→后掩種（種土豆）

2、環(huán)節(jié)：完成某個(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)。

不可顛倒的時(shí)序反映了事物內(nèi)在規(guī)律或機(jī)理。

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)。如：切種、布種、掩種環(huán)節(jié)

一般的說(shuō)，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。

3、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。

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(shí)序，體現(xiàn)出一定的環(huán)節(jié)。

4、流程的表達(dá)：

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(huà)演示等。

用箭頭、用數(shù)字序號(hào)、用時(shí)間等表達(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。

5、流程的意義：

①生活與流程：

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，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(chǎn)與流程：

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。

流程中工序的作業(yè)方式——串行和并行。上一道工序完成之后才能進(jìn)入下一道工序——串行。幾項(xiàng)工作同時(shí)進(jìn)行——并行，并行投入較大。

3、簡(jiǎn)單流程圖的識(shí)讀：

識(shí)讀流程圖的要點(diǎn)： ⑴找流程的環(huán)節(jié)，明確每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和作用； ⑵弄清流程中時(shí)序的體現(xiàn)與特征； ⑶流程是技術(shù)的核心概念之一。不同的流程，產(chǎn)生的效益往往不同，“理解流程就是質(zhì)量”、“流程就是效益”等。

二、流程的設(shè)計(jì)：

1、流程設(shè)計(jì)的基本要求：

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)生活方面的流程設(shè)計(jì)，主要考慮⑴節(jié)省時(shí)間。⑵提高工作效率。⑶提高工作質(zhì)量等目標(biāo)

對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的流程設(shè)計(jì)，主要考慮⑴提高效率。⑵提高質(zhì)量。⑶保證安全。⑷節(jié)省資源。⑸提高管理水平。⑹提高經(jīng)濟(jì)效益。⑺其他，如環(huán)保等。

2、流程設(shè)計(jì)中的基本因素：

生產(chǎn)活動(dòng)中的流程設(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。

研究?jī)?nèi)在屬性與規(guī)律，就是流程設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的基本因素。

3、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(huà)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。

四、流程的優(yōu)化：

1、流程的優(yōu)化及目的：

流程的優(yōu)化：在流程的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，對(duì)流程進(jìn)行不斷的改進(jìn)以期取得最佳效果的過(guò)程。

流程優(yōu)化的意義或者目的：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。

2、流程優(yōu)化的指標(biāo)：

指標(biāo)：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)化等五項(xiàng)指標(biāo)。

在進(jìn)行流程優(yōu)化時(shí)，要綜合平衡，以取得整體優(yōu)化的成效。

3、流程優(yōu)化的條件：

⑴內(nèi)部條件：對(duì)流程內(nèi)在機(jī)理的深入了解。比如對(duì)洗滌原理的了解，就會(huì)在流程中安排兩次漂洗；

⑵外部條件：設(shè)備和工藝水平的提高或完善。比如，只有在具備鍛壓設(shè)備時(shí)，才可能將法蘭盤(pán)的加工改為少量切削加工；

⑶人員技術(shù)水平的提高。

第三單元 系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

1、系統(tǒng)的含義：

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(mén)）、車閘、等主要部件組成。

2、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）之間相互聯(lián)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。

3、系統(tǒng)的類型：

（1）自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)；（2）實(shí)體系統(tǒng)和抽象系統(tǒng)：

人造系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)；城市系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是人造系統(tǒng)

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)

4、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。

（1）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。

（請(qǐng)掌握P69頁(yè)的表格與巴爾扎克的塑像分析、木桶理論）

（2）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。

碳含量與合金鋼材料的整體性能的相關(guān)性

梁的跨度與梁的厚度之間的關(guān)系

（3）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。

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)。

鐘表系統(tǒng)的目的性

1999年我國(guó)開(kāi)始的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整

（4）動(dòng)態(tài)性：任何系統(tǒng)都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，處在運(yùn)動(dòng)變化和發(fā)展之中。

（5）環(huán)境適應(yīng)性：系統(tǒng)只有具有對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，才能保持和恢復(fù)系統(tǒng)原有的特性。

春捂秋凍

電冰箱放合適的位置

飛機(jī)在空中適應(yīng)環(huán)境的飛行

二、系統(tǒng)的分析：

1、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?、分析、比較、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。

系統(tǒng)分析的顯著特點(diǎn)是完整而不是零星地處理問(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。

系統(tǒng)分析可以減少?zèng)Q策的失誤。目的：尋求解決問(wèn)題的最佳決策。

2、系統(tǒng)分析的一般步驟：

①明確問(wèn)題，設(shè)立目標(biāo)；②收集資料，制定方案；

③分析計(jì)算，評(píng)價(jià)比較；④檢驗(yàn)核實(shí)，作出決策。

（結(jié)合田忌賽馬案例）

3、系統(tǒng)分析的主要原則：整體性原則（丁謂修復(fù)皇宮）、科學(xué)性原則（三三進(jìn)九不如二五一十）、綜合性（離柳高速公路）原則。

4.系統(tǒng)優(yōu)化的目的：

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）。

最小的成本——最大的利潤(rùn)；最短的工期——更多的工程量；最少的能耗——更多的產(chǎn)品；單位面積土地——更高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。（案例：農(nóng)業(yè)間作套種，家具利潤(rùn)問(wèn)題等）

5、影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素：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。

優(yōu)化目標(biāo)；目標(biāo)函數(shù)；約束條件（不能人為調(diào)節(jié)）；影響因素（可以人為調(diào)節(jié)）。

6、系統(tǒng)最優(yōu)化方法：使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)而提出的求解方法。

數(shù)學(xué)模型——最優(yōu)解；

科學(xué)估算、試驗(yàn)——滿意解。

結(jié)合案例，分析系統(tǒng)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。

三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的、方法與過(guò)程：

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)。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟：

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

3、簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問(wèn)題和基本的設(shè)計(jì)過(guò)程，寫(xiě)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)或系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的書(shū)面方案，包括必要的設(shè)計(jì)草圖以及量化數(shù)據(jù)。（案例：手電筒照明供電部分的設(shè)計(jì)）。

四、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(kāi)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(huà)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(kāi)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。

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)。

第四單元 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：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。

案例分析：大禹治水P96

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。P98

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。

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。（空調(diào)對(duì)房間溫度的控制使房間溫度適宜、自動(dòng)取款機(jī)縮短取款時(shí)間、自動(dòng)水龍頭等）

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。提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

二、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程與方式

1.控制系統(tǒng)：

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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

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(mén)；

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(mén)的水量。

案例分析：

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)。

控制系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。

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)的輸出來(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回路，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。

（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較

開(kāi)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。

閉環(huán)控制系統(tǒng)都是自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)不一定是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

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。

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(kāi)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(jué)或聽(tīng)覺(jué)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(kāi)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(huà)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(xiě)說(shuō)明書(shū)等。

（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

開(kāi)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(kāi)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)。

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(kāi)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)。

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。

1、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：        1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。

2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。

3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：        

1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)。

2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。

3主要干擾因素是水箱的出水流量。