第一单元结构与设计
一、常见的结构的认识：
（一）结构（structure)：是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
1、自然界：天体结构、地球的结构、植物的结构、动物的结构
2、技术领域：汽车的结构、微机的结构、电脑主板的结构、数字控床的结构
3、社会领域：教育管理系统的结构、课堂教学结构、文章、诗歌的结构
（二）结构与力
从力学角度说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形态和大小改变的力。
1、内力：当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，
2、应力：是构件的单位横截面上所产生的内力。应力达到一定极限值时，结构就会遭到破坏。
用公式表示应力为：σ= F/s ，其中，F 是内力，S 是受力面积 ，σ是应力。
3、构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。
（三）结构的类型
1、实体结构受力特点：外力分布在整个体积中。
2、框架结构受力特点：支撑空间而不充满空间。通常是指结构体本身由细长的构件组成，如窗户、画框、房子的架构等等。
3、壳体结构受力特点：外力作用在结构体的表面上。如贝壳、头盔、汽车飞机的外壳等等
生活中很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成，称为组合结构
二、稳固结构的探析
（一）结构与稳定性-
1、结构的稳定性结构在负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。P12
2、影响结构稳定性的主要因素：
重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小、结构的形状
1) 重心位置的高低：重心越低,稳定性越好；重心越高,稳定性越差。
结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。
2) 结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面的大小。
支撑面越大越稳定，越小越不稳定。如：高塔的共同特点都是上端小而下端大。
3) 结构的形状：结构的形状不同，其稳定性也不同。
影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。
对于一个结构而言，如果重心所在点的垂线落在结构底面的范围内，就是稳定的，不会出现倾倒。
4）其它因素：如材料密度等
（二）结构与强度-
1、结构的强度结构具有的抵抗被外力破坏的能力。P17
2、影响结构强度的主要因素：P17
结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等。
①结构的形状：三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、稳定，所用材料最少。
②常见的构件的横截面形状：工字形、十字形、长方形、L形、圆形、U形
③、结构的连接方式
铰连接被连接的构件在连接处不能相对移动，但能相对转动。如送螺栓、门与门框等
刚连接既不能相对移动，也不能相对转动。具体有榫接、胶接、焊接等，如固定铁床架的连接
④不同材料构成的结构，其强度各不相同。有的抗拉力、有的抗压力、有的抗剪切力、扭曲力，所以在不同结构不同要求中，选择不同特性的材料。例混凝土擅长抗压力,而钢筋擅长抗拉力
⑤、其它因素，如：温度、湿度、构件横截面等。例低温条件下的钢材强度发生变化
3.结构与功能：结构的变化可能导致功能的变化。
三、简单结构的设计
1、结构设计应考虑的主要因素P25
结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需要。
结构设计应考虑的主要因素有：符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。
在结构设计中还有一些需要考虑的因素，如材料、民俗文化、地域特点等。
简单回答：符合设计对象的稳定性，强度，安全性，使用寿命，成本, 公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要等.P25
2、简单结构的设计案例要求（参考：P26）：
①设计项目：
②设计要求
③设计分析
④设计方案
⑤呈现草图
如：设计相框、垃圾桶、鞋柜，衣架、笔桶等
四、经典结构的欣赏P30
赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。
（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。
（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。
如：赵州桥、岳阳楼等。
第二单元流程与设计
一、生产和生活中的流程
1、时序：时间上的先后顺序就是时序。
时序体现了具体活动内容的先后关系，在这种先后关系中，有些步骤之间的时序是不可颠倒的，有些步骤之间的时序是可以颠倒的。如：先切种→再布种→后掩种（种土豆）
2、环节：完成某个具体目标、组成某项生产或某个活动过程的若干阶段或小的过程称为环节。
不可颠倒的时序反映了事物内在规律或机理。
环节是一个相对的概念，依据问题性质的不同和不同人的理解，环节的划分可能会有所不同。环节中又包含若干可以分解的、目标更具体的事项。如：切种、布种、掩种环节
一般的说，在某项生产或某个或动中，环节是不可缺少的。
3、流程：是一项活动或一系列连续有规律的事项或行为进行的程序。
可以把流程理解为为了一定的目的去做事情的顺序。
任何流程都反映一定的时序，体现出一定的环节。
4、流程的表达：
流程图有文字表达、表格表达、图示表达等方式，有些场合还可用模型表达、动画演示等。
用箭头、用数字序号、用时间等表达时序。
流程图的序号或方框反映了环节、工序的具体情况。
5、流程的意义：
①生活与流程：
科学合理的流程，可以指导我们正确地做事，提高工作和学习的效率，是我们的生活变得有序、合理，为我们的安全提供保障（例洗衣、煮饭与烧菜的流程安排，碘盐和味精佐料的加放流程，青霉素注射流程等）。
②生产与流程：
运用科学合理的流程可以有效地组织生产、提高生产效率、保证产品质量、保证安全生产、保护环境等。
流程中工序的作业方式串行和并行。上一道工序完成之后才能进入下一道工序串行。几项工作同时进行并行，并行投入较大。
3、简单流程图的识读：
识读流程图的要点： ⑴找流程的环节，明确每个环节的功能和作用； ⑵弄清流程中时序的体现与特征； ⑶流程是技术的核心概念之一。不同的流程，产生的效益往往不同，理解流程就是质量、流程就是效益等。
二、流程的设计：
1、流程设计的基本要求：
设计一个流程首先应明确流程要实现的具体目标。
对生活方面的流程设计，主要考虑⑴节省时间。⑵提高工作效率。⑶提高工作质量等目标
对生产活动的流程设计，主要考虑⑴提高效率。⑵提高质量。⑶保证安全。⑷节省资源。⑸提高管理水平。⑹提高经济效益。⑺其他，如环保等。
2、流程设计中的基本因素：
生产活动中的流程设计的基本因素主要有材料、工艺、设备、人员、资金和环境等。
研究内在属性与规律，就是流程设计应该考虑的基本因素。
3、流程设计的步骤：
首先要明确设计的目标和任务，明确流程所应遵循的内在变化规律。
其次，要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境因素。
第三，列出流程涉及的主要事项，并进行初步的排列。
第四，分析各事项（步骤）之间先后顺序，合理地安排流程的时序和环节。
第五，选择一种合适的表达方式画出流程图，对于有严格时间要求的时序，要标注时间。
四、流程的优化：
1、流程的优化及目的：
流程的优化：在流程的设计和实施过程中，对流程进行不断的改进以期取得最佳效果的过程。
流程优化的意义或者目的：提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等。
2、流程优化的指标：
指标：工期优化、工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等五项指标。
在进行流程优化时，要综合平衡，以取得整体优化的成效。
3、流程优化的条件：
⑴内部条件：对流程内在机理的深入了解。比如对洗涤原理的了解，就会在流程中安排两次漂洗；
⑵外部条件：设备和工艺水平的提高或完善。比如，只有在具备锻压设备时，才可能将法兰盘的加工改为少量切削加工；
⑶人员技术水平的提高。
第三单元系统与设计
一、系统的结构：
1、系统的含义：
由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体，称为系统。
案例分析：自行车P64
自行车由车架、车把、鞍座、前叉、脚蹬、链轮、链条、车轮（轮胎、辐条、车圈、气门）、车闸、等主要部件组成。
2、构成系统，必须具备三个条件：
第一，至少要有两个或者两个以上的要素（部分）才能组成系统；
第二，要素（部分）之间相互联系、相互作用，按照一定方式形成一个整体；
第三，这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。
3、系统的类型：
（1）自然系统和人造系统；（2）实体系统和抽象系统：
人造系统、生态系统是自然系统；城市系统、计算机硬件系统和机械传动系统是人造系统
生物系统、机械系统是实体系统；哲学系统、计算机的操作系统是抽象系统
4、系统的基本特性
整体性、相关性、目的性、动态性、环境适应性。
（1）整体性：是系统最基本的特性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。
系统是一个整体，它不是各个要素（部分）的简单相加，系统的整体功能是各要素（部分）在孤立状态下所没有的。系统的任何一个要素（部分）发生变化或出现故障时，都会影响其他要素（部分）或整体的功能的发挥。系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。
（请掌握P69页的表格与巴尔扎克的塑像分析、木桶理论）
（2）相关性：是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。
碳含量与合金钢材料的整体性能的相关性
梁的跨度与梁的厚度之间的关系
（3）目的性：任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这正是区别不同系统的标志。
对于复杂的系统，目标有多个，往往用一个指标体系来描述系统的目标。
钟表系统的目的性
1999年我国开始的农业生产结构调整
（4）动态性：任何系统都是一个动态的系统，处在运动变化和发展之中。
（5）环境适应性：系统只有具有对环境的适应能力，才能保持和恢复系统原有的特性。
春捂秋冻
电冰箱放合适的位置
飞机在空中适应环境的飞行
二、系统的分析：
1、系统分析：为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、实验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程。
系统分析的显著特点是完整而不是零星地处理问题，考虑各种主要变化因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。
系统分析可以减少决策的失误。目的：寻求解决问题的最佳决策。
2、系统分析的一般步骤：
①明确问题，设立目标；②收集资料，制定方案；
③分析计算，评价比较；④检验核实，作出决策。
（结合田忌赛马案例）
3、系统分析的主要原则：整体性原则（丁谓修复皇宫）、科学性原则（三三进九不如二五一十）、综合性（离柳高速公路）原则。
4.系统优化的目的：
系统的优化是指在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。
最小的成本最大的利润；最短的工期更多的工程量；最少的能耗更多的产品；单位面积土地更高的农业产量。（案例：农业间作套种，家具利润问题等）
5、影响系统优化的因素：指对系统的目标函数产生显著影响，并且可以认为调节的因素。
优化目标；目标函数；约束条件（不能人为调节）；影响因素（可以人为调节）。
6、系统最优化方法：使系统达到最优的目标而提出的求解方法。
数学模型最优解；
科学估算、试验满意解。
结合案例，分析系统优化的实现。
三、系统的设计：
1、系统设计的目的、方法与过程：
①系统设计的目的与要求：
系统设计要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的。不同行业的系统设计有着不同的技术要求。
②系统各部分之间的相互联系与相互作用：
运用系统的思想综合考虑各部分之间的关联、冲突问题。注重各部分的纵向、横向联系；依据系统的动态性、环境适应性，考虑当前和长远。
③系统设计方案的优化：首先从系统整体考虑优化，统筹兼顾，再在此基础上完善各部分的设计。
2、系统设计的一般步骤：
将系统分解为若干子系统
确定各子系统的目标、功能及其相互关系
对子系统进行技术设计和评价
对系统进行总体技术设计和评价等
3、简单系统的设计：
了解系统设计应解决的主要问题和基本的设计过程，写出系统设计或系统优化设计的书面方案，包括必要的设计草图以及量化数据。（案例：手电筒照明供电部分的设计）。
四、简单系统的设计的实现
案例分析：手电筒照明供电部分的设计P87
设计要求：可照明的手电筒，携带方便，使用安全。
设计分析：
⒈可把手电筒照明供电部分分为照明和供电两个子系统。照明子系统的要素是灯泡、导线，供电子系统的要素是电源和开关。
⒉手电筒的功能取决于它的各个组成要素，电源通过导线的连接驱动灯泡发光，这些要素缺少任何一个，手电筒都不能正常工作。
⒊选择合适的元器件，使它们相互匹配，并能达到设计要求。
设计方案：
方案A
（1）设计一个简单的电路，画出电路图。
（2）根据电路图，选择元器件，如灯泡、干电池、导线等，并搭接电路。
（3）通过控制开关，使灯泡发光。
方案B
选择元器件为发光二极管及干电池、金属筒等，其他步骤参照方案A。
方案C
设计一个自发手电筒。
方案C不需要使用干电池，所以对环境不产生污染。
案例分析：室内住宅电气系统的设计。
第四单元控制与设计
一、控制的手段与应用
1.控制的手段
⑴控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。
案例分析：大禹治水P96
理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。
例如：人力三轮车转弯过程中的方向控制问题，其控制的对象就是人力三轮车，控制的目的是为了改变三轮车行驶的方向，控制的手段是骑车人通过双手转动车把，改变前轮的方向并带动后轮。
⑵控制的手段：控制的实现需要通过一定的手段。P98
从控制过程中人工干预的情形来分，控制有人工控制和自动控制。
人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。人工控制又称手动控制。
自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
按执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。有时，控制手段又可以综合的。
2.控制的应用
控制应用到生活中，提高了人们的生活质量。（空调对房间温度的控制使房间温度适宜、自动取款机缩短取款时间、自动水龙头等）
生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制，控制在生产中得到了极为广泛的应用。提高质量和生产效率、减轻劳动强度。
二、控制系统的工作过程与方式
1.控制系统：
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。
一般的控制过程都有一个输入和一个输出，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。
输入量即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；
输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位
被控对象即控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池；
执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；
控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；
控制量即执行器的输出信号，如流过阀门的水量。
案例分析：
三、闭环控制系统的干扰与反馈
1.干扰因素
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
有的干扰因素是环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；
有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。
在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。
控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。
有些情况可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。
2.反馈
（1）什么是反馈
控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入并与输入量进行比较的过程，就是反馈。
案例分析：投篮 P110
利用反馈来分析和处理被控制对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运用的方法，称为反馈方法。
如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动电水壶具有挡水沸腾时自动切断电源的功能，终究是运用反馈方法实现自动控制的结果。
(2)闭环控制系统的工作过程
从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。
闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。
一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
（3）闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。
闭环控制系统都是自动控制系统。自动控制系统不一定是闭环控制系统。
3.功能模拟方法：以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法，就是功能模拟法。
4.黑箱方法：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。
黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
例如，通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
四、控制系统的设计与实施
1.控制系统设计的一般思路
设计好一个控制系统，应该明确这个系统要达到的目的是什么，
所要控制的对象是什么，
被控制对象有哪些重要的特性，
被控量和控制量分别是什么，
外界的主要干扰因素有哪些，
选择怎样的设计方案既能达到目的，
又能经济、易于实现，如何选择设备和元件，等等。
设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。能达到控制目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等，是我们进行控制系统设计必须考虑的基本问题。
控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写说明书等。
（1）开环控制系统的设计
开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。
例如：普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；若是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则需在开关环节加一个定时器。
案例分析：电吹风控制系统的设计。
设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡档、热风挡）输出不同种类的风。
设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机的电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。
电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。
方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。
设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。
第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。
第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。
1、案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计P120
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设计要求： 1当水箱中的水位低于达到某一指定高度时，进水口立即进水。
2当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口立即停进水。
3控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析：
1从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
2被控对象是抽水马桶的水箱，
被控量是抽水马桶水箱水位的高度，
控制量是进水管的水流量（即进水量），
水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。
3主要干扰因素是水箱的出水流量。
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