资源简介

高中“通用技术”（下册）讲义
目录
第 01 章 结构与设计 ... ... 3
第 1 节 常见结构的认识 ... .. 3
一、无处不在的结构 ... .. 3
二、结构与力 ... .. 4
三、结构的类型 ... . 6
第 2 节 稳固结构的探析 ... . 7
一、结构与稳定性 ... ... 7
二、结构与强度 ... . 8
三、结构与功能 ... . 9
第 3 节 简单结构的设计 ... . 9
一、结构设计应考虑的主要因素 ... ... 9
二、简单结构的设计案例 ... ... 9
第 4 节 经典结构的欣赏 ... . 9
总结 ... ... 10
第 02 章 流程与设计 ... . 10
第 1 节 生活和生产中的流程 ... ... 10
一、流程 ... .. 10
二、意义 ... .. 12
第 2 节 流程的设计 ... . 12
一、流程设计应考虑的基本因素 ... . 12
二、设计步骤 ... ... 13
三、设计范例 ... ... 13
第 3 节 流程的优化 ... . 13
一、基础 ... .. 13
二、内容 ... .. 13
三、条件及步骤 ... .. 14
总结 ... ... 14
第 03 章 系统与设计 ... . 15
第 01 节 系统的结构 ... .. 15
一、系统 ... .. 15
二、系统类型 ... ... 15
三、基本特性 ... ... 16
第 02 节 系统的分析 ... .. 18
一、系统分析 ... ... 18
二、系统优化 ... ... 19
第 03 节 系统的设计 ... .. 19
一、系统设计 ... ... 19
二、范例 ... .. 20

总结 ... ... 20
第 04 章 控制与设计 ... . 21
第 01 节 控制的手段与应用 ... .. 21
一、控制 ... .. 21
二、应用 ... .. 22
第 02、03 节 控制系统的工作过程与方式闭环控制系统的干扰与反馈 ... .. 22
一、控制系统 ... ... 22
二、开环控制系统 ... . 23
三、闭环控制系统 ... . 24
第 04 节 控制系统的设计与实施 ... ... 28
一、设计的一般思路 ... ... 28
二、设计案例 ... ... 29
总结 ... ... 30

第 01 章 结构与设计  第1节 常见结构的认识  一、无处不在的结构
（一）概念
1、概念
结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。 2、理解
（1）各个组成部分：构件 （2）有序、排列
事物的各个组成部分之间的搭配和排列改变了，事物的性质也发生了改变。
例如，人的染色体有 X 染色体、Y 染色体之分，X 染色体、Y 染色体不同的搭配和排 列，决定这个人是男人还是女人。
同样的六个字“这个人表现好”“这个人好表现”，但因排列不同，就形成了一褒一贬； 同样是碳，但有最硬的固体金刚石和最软的固体石墨存在；
同样是水，有液态、气态、固态；
总之，相同的物质，不同的排列，呈现出不同的结构，表现出不同的特性。 3、性质
（1）广泛性
世界上任何事物都存在结构 （2）多样性
结构多种多样且决定着事物存在的性质。
（二）结构无处不在
1、自然界中的结构
（1）人体结构，分子结构，地球结构等
（2）将对自然界中结构的分析和研究的成果应用到技术领域，可以更好地服务于人类  船桨（鱼鳍）、人工冷光（萤火虫）、风筝（鹰）、锯（螳螂臂或锯齿草）、车轮（随风旋 转地飞蓬草）、潜水艇（海豚）、声纳（蝙蝠）、潜水用的脚蹼（鸭子）、 潜水艇的流线型设 计（鱼类）
2、技术领域中的结构
（1）汽车结构，桌子结构、微机的结构、数字控床的结构、植物的结构、动物的结构  （2）事物的结构影响着事物的性能和功能，合理的结构是事物存在和发展的基础，卓 越的结构是设计者和制造者长期的追求。
3、社会领域中的结构
（1）阶级结构，文章的结构、学校管理结构、知识结构、通用技术的学科结构、课堂 教学结构、文化、经济格局

二、结构与力
（一）构件
1、概念
一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。 2、范例
（1）自行车的组成构件：自行车车架、车把、传动、座鞍、车轮等。 （2）自行车车轮的组成构件：辐条、轮胎、车圈、气门等。
（二）内力与应力
1、结构与力
从力学角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改 变的力。
2、内力与应力 （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 , 称为内力。
内力反映了材料抵抗外力破坏的能力，但并不完全。相同外力作用在两根材料相同，粗 细不同的绳子上，细绳更容易断开。因此，通常用应力来衡量结构抵抗变形的能力  （2）应力
应力是构件的单位横截面上所产生的内力，用公式表示应力为σ =F/s, 其中，F 是内 力，单位为牛；S 是受力面积，单位为平方米；σ是应力。应力σ的计量单位为 Pa，通常 用 MPa。
当应力达到某一极限值时, 结构就会遭到破坏。 3、范例
生活中常见的结构都能抵抗来自外界的各种作用力和自身重力。例如自行车承受人和所
载物体的压力及自行车自身的重力；桥墩承受自身重力及负荷的压力、大风的作用力等其它 外力。生产、生活中常见结构，要抵抗来自外界力的作用情况：
建筑物的窗户：自身重力、墙体的压力、风力、外来撞击力 …
课桌：自身的重力、手臂的压力、桌山个物体的压力、推拉力、地面对其的支撑力 …  硬纸包装箱：箱内物体的重力、箱内物体向外的挤压力、自身的重力、外界压力、所装 载货物的压力 …
（三）构件的受力形式 1、基本形式
构件的受力形式多种多样，基本受力形式：拉力（压力）、压力、剪切力、扭转力和弯 曲力。
受 力 概念
形式
拉 力 物体所承受的拉拽力
压 力 挤压物体的力
受力形式
结构承受拉伸时，作用在结构（经常称为拉杆）上的力 是一对方向相反，作用线与拉杆轴线重合的集中力，方 向背离杆的底面。其受力实例是吊车的吊绳。
结构承受压缩时，作用在结构（习惯上称为压杆）上的 力是一对方向相反，作用线与压杆轴线重合的集中力， 方向指向杆的底面。如液压机的顶杆工作时就是受压。


剪 切 两个距离很近 ,大小相
力 等,方向相反,且作用于
同一物体上的平行力
扭 转 反方向向物体两端均匀
力 施力 ,使物体发生扭转
形变的力
弯 曲 作用于物体 ,使它产生
力 弯曲的力
2、范例

结构在受剪切时，结构所承受的力是分别作用在构件相
对的两个面上，方向相反，作用线错开微小距离的两个 平行力。连接剪刀两个部分的销钉在剪刀工作时就是承 受的剪切力，其受力模型如图。
承受扭转的构件一般都称为轴。它承受的外力是一对作 用在轴两端面内，转向相反的力偶矩。
承受弯曲载荷的构件，一般称为梁。梁在承受弯曲时， 受力情况比较复杂，其中一种载荷叫做弯矩。它是作用 在过梁的轴线且与横截面垂直的平面内的力偶矩。其作 用力是使梁产生弯曲变形。
（1）秋千的吊索，主要承受拉力；
（2）桥梁的桥墩，主要承受压力；
（3）连接齿轮和轴的键，主要承受剪力；
（4）汽车方向盘的轴，主要承受扭力；
（5）单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯力； （6）吊扇旋转，吊杆主要受扭力和拉力；
（四）受力分析
1、分析重点
技术学科对力的分析与物理学科受力分析的区别
物理学科：分析物体受到的外力的作用，力作用下物体的外部形状和运动状态的改变及 其所遵循的规律。
技术学科：分析物体受到外力作用后，对物体内部结构的影响或要求及其规律。事物结 构合理性的基础是能够抵抗来自外界的各种作用力和自身重力的影响。  2、分析步骤
（1）分析构件受力
任何结构承受的外载荷，都是拉、压、剪、扭、弯中的一种或几种的组合。 （2）分析构件承载能力
分析构件在受力的情况下，能否安全、可靠地工作。工程结构的主要功能就是承受和传 递各种形式的外载荷，保证结构的可靠工作。
3、范例：单杠受力结构分析
（1）各部分名称：杠体，立柱和拉杆。（为什么做成这样的结构？）
（2）杠体的受力与变形：杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向上发生弯曲。—— 弯曲力
（3）立柱：静止时受压力；当人在运动时，对立柱产生弯矩 M，使立柱弯曲变形。— —怎样做才能保持单杠稳定？
（4）拉杆：人在运动时，拉杆起到辅助立柱抗变形作用。 4、范例：棚室屋架结构分析
（1）棚室荷载与立柱受力：永久性荷载（不随时间变化而变化的荷载）和可变性荷载 （随情况变化而变化的荷载）。
（2）梁的受力：梁的上部，受压力，材料被挤压；下部，受张力，材料被拉伸。防止 弯曲变形大的方法：增加支撑点。

三、结构的类型
（一）实体结构 1、概念
实体结构通常是指结构体本身是实心的结构。房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等， 都属于实体结构。
2、组成
通常有杆（柱）、板、体等之分。 3、受力特点
几何外形简单，外力分布在整个体积中，可以连续传递载荷，适于承受较大的力。 4、范例
长城、三峡大坝、厨房中的菜板子、实心墙、水库的大坝、古代的城墙、柱子、实心球
等。
（二）框架结构 1、概念
框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构。教室的门窗常用木框架，蔬菜大棚 的棚体、建筑用脚手架、输电铁塔等都是框架结构。
2、组成
由梁、柱、杆、管等组成，也有用板件组成的。构件可以是实心的，也可以是空心的（管 材）；可以是平面框架，也可以是空间框架。由于这种结构用料少，可以承受多种载荷，因 此用得很广泛。
3、受力特点
几何外形较为复杂，其特点是支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。依据功 能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。
4、范例
窗户、画框、房子、竹排、教室的门窗常用木框架，蔬菜大棚的棚体、建筑用脚手架、 自行车、艾菲尔铁塔、桌子、板凳、书橱、输电铁塔。
（三）壳体结构
1、概念
通常是指层状的结构，如饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、西瓜…… 2、组成
用薄壁壳状构件来替代空间框架，壳内空，壳的几何形状有折线式（方形、长方形、多 边形）的、圆弧形的和拱形的等。由于它可以将作用在其上的集中横向载荷分散为沿壳体的 压力。因此在场馆建设中用得很多
3、受力特点
壳受冲击力时，外力由弧面整体分担承受，抵抗变形。 4、范例
头盔，汽车飞机外壳、饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、核桃、瓜子、西瓜、锅 碗瓢盆……等
（四）组合结构 1、概念
在生产和生活实际中，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

的。
2、类型
结构的类型种种：缆索结构、桁架结构、空间桁架结构、球形空间桁架结构等。 3、受力
复杂（这是大学结构力学将要学习的）。 4、范例
如：大坝都是拱形和实体结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组 合（又叫球形空间桁架结构）。
第 2 节 稳固结构的探析
一、结构与稳定性
（一）概念
1、定义
结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。 2、解释
（1）荷载：物理学中将物体受到的外力称为荷载 （2）平衡
物理学：物体受到的外力相互抵消，保持相对静止的状态
社会学：事物对立面在数量和质量上相等或相抵。如人口问题、供求问题 其核心是相等
（二）影响因素 1、重心
（1）位置：重心正投影落在结构底面范围内是稳定的 此条件是充要条件；底面范围是指支撑面。 （2）高低：重心越低越稳定
例如，塔的底座、不倒翁等 2、支撑面
（1）支撑面
物体与地面的接触点相连接所形成的面，与接触面不一定相重合
例如，放在地上的箱子，支撑面与接触面相重合；人站立时，接触面为两只鞋的底面， 而支撑面是两个底面围起来的面，重心落在其支撑面中而不是接触面中；  （2）影响
支撑面越大，越稳定，因为重心越容易落在其中 例如，公交车上分开双腿会站得越稳 （3）与重心的关系
通常，支撑面增加，重心会相应降低。例如，A 字形梯中的横梁越长，支撑面越大，重 心相应地降低。
3、形状
（1）影响
三角形结构最稳定
（2）几何不变体系与几何可变体系

几何不变体系：荷载下形状、位置不变的几何结构 几何可变体系：荷载下形状、位置改变的几何结构 三角形桁架属于几何不变体系
4、拓展
（1）物理中对平衡的解释
不平衡：重心投影落在支撑面外
随遇平衡：重心投影落在支撑面的边界上
平衡：重心投影落在支撑面内。重心投影落在支撑面中的不同位置上，平衡性并不相同， 用投影距边界的最短距离来度量。
（2）应用
在结构设计中，除了满足稳定的基本要求外，还要兼顾其他因素，如美学、个性化因素 等。如教材范例中的茶几，支撑面为圆，重心落在圆心位置上是最稳定的；但为了美观，使 用了侧支柱，重心并没有落在圆心上。虽然也是稳定的，但却不是最稳定的。
（三）应用
1、稳定性的应用 如三角形桁架等 2、不稳定性的应用
如利用倒置啤酒瓶来感知地震。
二、结构与强度
1、概念
结构具有的抵抗被外力破坏的能力。 2、度量
（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 , 称为内力。
内力反映了材料抵抗外力破坏的能力，但并不完全。相同外力作用在两根材料相同，粗 细不同的绳子上，细绳更容易断开。因此，通常用应力来衡量结构抵抗变形的能力  （2）应力
应力是构件的单位横截面上所产生的内力，用公式表示应力为σ =F/s, 其中，F 是内 力，单位为牛；S 是受力面积，单位为平方米；σ是应力。应力σ的计量单位为 Pa，通常 用 MPa。
当应力达到某一极限值时, 结构就会遭到破坏。 3、影响因素
（1）形状
三角形结构相对较稳定。注：不能说是最稳定，因为强度即应力还与结构的横截面积相
关。
（2）材料
不同材料的强度不尽相同 （3）材料的连接方式
铰连接：可转不可移。如门与门框的连接，伞与伞骨间的连接 刚连接：不可转不可移。如榫接、胶接

三、结构与功能
结构不仅是事物存在的一种形式，而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的改 变可能导致功能的变化。不同结构的物体其功能不同，这是我们认识结构的关键。
第 3 节 简单结构的设计
一、结构设计应考虑的主要因素
1、目标及要求
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。
2、应考虑的主要因素
（1）符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求； （2）安全因素；
（3）公众和使用者的审美需求； （4）使用者的个性化需要；
（5）对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。
二、简单结构的设计案例
第 4 节 经典结构的欣赏
赏析结构设计作品，可以从技术与文化两个角度进行。
技术角度主要有：结构的使用功能的实现；结构的稳固耐用；结构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。
文化角度主要有：结构的文化寓意与传达；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。

总结
技术学
概念
力学
广泛性：自然、社会、科学领域
内涵 多样性
结构 决定 事物性质
决定性
结构 影响 产品功能
基础 类型：实体、框架、壳体、组合
（1）结构分解为构件
（2）分析构件受力
受力
受力形式：拉、压、扭、弯、剪
分析
（3）分析承载能力
稳定性、强度
稳固性 概念
结构 稳定性 影响因素：重心、支撑面、形状
应用
概念
强度
度量：应力
影响因素：重心、支撑面、形状
目标及要求
设计
主要因素
欣赏
第 02 章 流程与设计
第 1 节 生活和生产中的流程
一、流程
（一）概念 1、定义
流程，Process，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，即环节按 一定时序依序进行的过程。
2、内涵
任何流程都反映出一定的时序，体现出一定的环节

（二）时序 1、概念
（1）时序，time series，时间上的先后顺序
（2）时序除了有先后次序的含义外，还包含环节的持续时间。因此，时序颠倒不仅仅 是指次序上的调换，还包括使持续时间为零的情况，即删除了某个环节。  2、类型
（1）不可颠倒的时序
反映了事物发展的规律，必须严格遵循； （2）可颠倒的时序
可采取串行或并行工序，需统筹兼顾
串行工序：动作依次进行，上一次工序完成之后才能进入下一道工序 并行工序：动作同时进行。
3、不可颠倒的时序
（1）银行刷卡取钱
插卡—输密码—选服务—输金额—取钱 如果时序颠倒，则无法完成任务 （2）螺钉固定
样冲定位—拧紧螺钉
如果时序颠倒，则完成任务的质量、效率均不高 （3）青霉系注射
皮试—观察—注射
如果时序颠倒，则存在安全隐患，可能威及人身安全 4、可颠倒的时序
（1）洗脸—刷牙、穿衣—穿裤
时序可以颠倒，但只能是串行
（2）煮饭—炒菜、做选择题—写作文 时序可以颠倒，并且可以并行
（三）环节
1、概念
环节，Phase，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。
2、特征
环节是一个相对的概念。例如，
起床——洗漱——早餐
洗脸 刷牙
接水—挤洗面奶—清洗—擦干 接水—挤牙膏—刷牙—清洗

（四）表达 1、类型
一般流程图：方框、文字、表格、图示、模型、动画
流程图
计算机领域：标准流程图、NS 流程图
领域流程图
商业领域：TQM 流程图、ITTL 流程图
2、方框流程图
（1）表示方法
方框表示环节，箭头表示时序 （2）规则
方框流程图是最常用的一种表达方式，由于使用广泛，通常省略了“方框”，直接称为 流程图。因此， “流程图”一词可能包含两层含义：一是泛指流程的表达方式，包括了方 框流程图，以及文字、表格等表达方式；二是专指方框流程图。具体含义需要结合上下文语 境进行判定。
二、意义
1、生活中的流程
（1）提高效率：个人作息时间表
（2）使生活变得有序、合理：学校课程表、医院看病流程
（3）提高生活质量：炒菜时放碘盐的顺序会影响到碘的食用效率 （4）提供安全保障：青霉素注射前皮试，煤气灶的使用 2、生产中的流程
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。
第 2 节 流程的设计
一、流程设计应考虑的基本因素
1、设计目标
（1）工作和生活中流程设计的目标：节省时间、提高工作效率、提高工作质量等。 （2）生产活动中流程设计要实现的具体目标。
2、考虑的因素
生产活动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。

二、设计步骤
1、确定目标，明确任务 设计稻谷加工工艺流程 2、分析基本因素
（1）稻谷由什么组成？
稻谷由米、糙皮层、稻壳组成 （2）稻谷怎样变成米？
清除杂质、脱去稻壳和糙皮层。 （3）工艺要求及设备
3、确定时序，划分环节 （1）环节
清理：清除稻谷中各种杂质，以达到砻谷前净谷质量的要求。 砻谷：脱去稻谷的颖壳，获得纯净的糙米。
碾米：碾去糙米表面的部分或全部皮层，制成符合规定质量标准的成品米。 （2）时序
4、画出流程图 5、检验
三、设计范例
第 3 节 流程的优化
一、基础
1、概念
对流程的改进过程称为优化（Optimization） 2、目标
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
二、内容
1、工期优化
目的：节约时间
案例：机械设备修理的工期优化 2、工艺优化
目的：节约材料

案例：工件制造的工艺优化：切削法、少切削法、无切削法 3、成本优化
目的：节省资金
案例：售后中心配送的成本优化 4、技术优化
目的：提高加工精度或处理的准确度
方法：改进某个或部分环节的处理方法、技术
案例：零部件加工中，挫削环节由人工挫削改进为机床挫削 5、质量优化
目的：提高最终产品的质量
方法：对一系列或所有环节的处理方法、技术进行改进 案例：海南移动实施的“流程穿越”项目。
三、条件及步骤
1、流程优化的条件
流程优化需要一定的条件，它建立在设备和工艺水平提高的基础上，建立在对流程内在 机理进一步研究的基础上。
2、流程优化的步骤
（1）分析流程的现状
（2）确定改进的目标和要求 （3）确定改进方案
总结
概念
不可颠倒：反映事物发展规律
时序
串行工序
内涵 可颠倒
并行工序
环节：相对的概念
基础 一般流程图：方框、文字、表格、图示、模型、动画
表达：流程图
计算机领域：标准流程图、NS 流程图
领域流程图
商业领域：TQM 流程图、ITTL 流程图
对生活的影响：效率、质量、安全、有序
意义
流程 对生产的影响
目标、因素
设计
步骤
概念 目标 依据
优化
内容：工期、工艺、成本、技术、质量优化

第 03 章 系统与设计 第 01 节 系统的结构
一、系统
1、概念
由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素（element）或部分组成的具 有特定功能的有机整体，称为系统（system）。
2、内涵
（1）要素
相对于元素结构而言，通常是指构成系统的最主要的元素，不可再分；若干个要素构成 系统的一个部分
（2）部分
相对于系统整体而言，通常是指构成系统的一个部分，可再分；若干个部分构成系统的 一个子系统。
可以认为：若干个要素构成系统的一个部分，若干个部分构成系统的一个子系统，若干 个子系统构成一个系统。
3、子系统
（1）概念
子系统（subsystem）：子系统是相对于大系统而言的，它是大系统中相对独立且具有一 定功能的组成部分。
（2）特点
子系统的划分是相对的，根据具体情况来确定。
对于较大型的系统和比较复杂的系统，根据一定的标准可划分为若干子系统；而任何一 个系统又是更大系统的子系统。
4、构成条件
（1）至少要有两个或两个以上的要素（部分）才能组成系统；
（2）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； （3）这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。
二、系统类型
1、按要素的形成方式（按人类干预的情况）
（1）自然系统——原始的系统都是自然系统，如天体、海洋、生态系统等。又如呼唤 系统、消化系统、循环系统、免疫系统等。
（2）人造系统——如人造卫星、海运船只、机械设备等。又如：交通系统、商业系统、 金融系统、工业系统、农业系统、教育系统、经济系统、文艺系统、军事系统、社会系统。  （3）复合系统——既包含人造系统又包含自然系统。
2、按要素的性质
（1）实体系统：组成要素是实物形态的，如机械系统
（2）抽象系统：组成要素是非实物形态的，如金融系统 3、按系统的规模
（1）小型系统：如自行车

（2）中型系统：如轿车
（3）大型系统：如飞机
（4）巨型系统：如载人飞船 4、按系统与环境的关系 （1）开放系统
指在系统边界上与环境有信息、物质和能量交互作用的系统。例如商业系统、生产系统 或生态系统，这些都是开放系统。在环境发生变化时，开放系统通过系统中要 素与环境的 交互作用以及系统本身的调节作用，使系统达到某一稳定状态。因此，开放系统常是自调整 或自适应的系统.。
（2）封闭系统
一个与外界无明显联系的系统，环境仅仅为系统提供了一个边界，不管外部环境有什么 变化，封闭系统仍表现为其内部稳定的均衡特性。封闭系统——的一个实例就是密闭罐中的 化学反应，在一定初始条件下，不同反应物在罐中经化学反应达到一个平衡态。注意物理上 讲，还有严格划分，往往仅把没有物质来往的系统称封闭系统；而把没有物质、能量和信息 来往的称为孤立系统。
5、按要素的明确性 （1）白色系统
系统内部信息完全明确的系统，如简谐振动系统 （2）灰白色系统
系统内部大部分信息明确的系统，如人体系统 （3）灰黑色系统
系统内部大部分信息不明确的系统，如记忆系统 （4）黑色系统
系统内部信息完全不明确的系统，如 Quark（夸克）系统
三、基本特性
（一）完整性 1、重要性
最基本的特性，最基本的思想和方法 2、观点
系统是一个整体，他不是各个要素（部分）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。
3、思想
（1）任何一个要素变化，都会影响其他要素或整体功能的发挥——注重细节 自行车条辐的调整，动一条整个车轮都发生改变
（2）整体功能大于各部分功能之和——注重整体，不能离开整体分析部分

粉笔 + 黑板 + ΔG > 粉笔 + 黑板
写画 载体 课堂展示 写画 载体
1 + 1 + ΔG > 1 + 1
巴尔扎克的塑像
（二）相关性 1、观点
相关性是指组成系统的各个要素之间或整体之间相互作用、相互联系。 2、思想
（1）一个元素或部分变化会影响其他元素或组分实现其功能。
范例：为了保护草原植被，当地政府颁布了禁止大量捕杀野狼的法令，这是什么道理？ 狼捕杀羊、野兔等食草性动物，使其数量减少，从而起到保护植被的作用。 （2）重视关键因素，关键元素或部分的变化，可能对全局产生决定性的影响。 范例：厨具的安装
（三）目的性 1、观点
系统都是以实现某种功能为目的的，这是区别这一系统与那一个系统的标志。 2、思想
设计和分析一个系统时，必须先弄清其目的，否则就无法构成一个良好、有序的现实系 统。系统的多个目标有时不完全一致，甚至矛盾，这就需要协调，寻求平衡或折衷的办法， 从而更好地实现其目的。
（四）动态性
1、观点
事物都是不断变化，因此系统是一个动态的系统，不存在静止的系统 2、思想
在分析认识系统时，不仅要看到它的现在，还要看到它的未来，掌握系统的发展规律， 从而预测系统的将来。
（五）环境的适应性 1、观点
一个系统与其所处的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引 起系统特性的改变，并相应地引起系统功能和系统内部各部分相互关系的变化，系统要适应 环境的变化而变化。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。
具有环境适应性的系统也称为开放系统
2、思想
系统必须适应外部环境的变化。只有能够适应外部环境的变化并保持最优适应状态的系 统，才能发挥自身作用，实现可持续的发展，否则是没有生命力的。  因此，能见到的系统都是开放系统，封闭系统只能在实验室中“制造”出来

第 02 节 系统的分析
一、系统分析
1、概念
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、试验，并在此基础上拟定一套有效处理步骤和程序，或对原来的系统提出改进方案的 过程，就是系统分析。
系统分析实质上是一种科学决策的方法 2、特点
完整地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 解决完问题。
3、步骤
（1）明确问题，设立目标 问题：跑马比赛，
目标：取得比赛胜利，
约束条件：三匹马参加比赛，每匹马比赛一次。 （2）收集资料，制定方案
田忌的赛马共有 6 种方案:
（3）检验核实，作出决策 各种方案的比赛结果： （4）分析计算，评价比较 选择合适的马的出场顺序。 4、原则
（1）整体性原则
系统分析首先着眼于系统整体，要先分析整体，在分析部分；先看全局，后看局部；先 看全过程，再看某一阶段；先看长远，再看当前。
（2）科学性原则
系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面尽可能地运用科学方法和数学工具进行 定量分析，使决策的过程和结果更具说服力。
（3）综合性原则
系统分析总是为实现系统目标服务的，应将目标排除优先次序，首先选取最优先的目标， 然后尽可能在不损害第一目标的前提下完成下一个目标，这就需要综合分析、统筹兼顾、不 可顾此失彼。

二、系统优化
1、概念
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）。不同的目标，对应着不同的优化结果。  实现目标值最大化/最小化是系统优化的最终目标，而调整系统结构、改善环境等只是 为了优化而采取的措施，不是目标
2、内涵
系统优化应考虑的三个要素：
（1）目标与目标函数：目标与收益总和之间的关系，f(x)
（2）约束条件：对目标函数起限制作用，不能人为调节，K （3）影响因素：产生影响，可人为调节，X
系统优化实质上就是求解函数 Kf(x)的最大值或最小值 3、方法
（1）定量：数学模型法，获得的是最优解
（2）定性：估算和试验，获得的是满意解 4、步骤
第 03 节 系统的设计
一、系统设计
1、概念
系统设计是在系统分析的基础上，设计出满足预定目标的系统的过程。 2、关键问题
（1）系统设计的目的与要求。
理解：从系统的整体出发，以系统整体功能的最优为目的 （2）系统各部分之间的相互联系与相互作用。
理解：运用系统的思想综合考虑各部分之间的关联、冲突问题，注重各部分的横向、纵 向联系。依据系统的基本特性，既要考虑当前，也要考虑长远。
（3）系统设计方案的优化。
理解：从系统整体考虑优化，统筹兼顾，再在此基础上完善个部分的设计 3、步骤
（1）将系统分解为若干子系统；
（2）确定各子系统的目标、功能及其相互关系；

（3）对子系统进行技术设计和评价； （4）对系统进行总体设计和评价。
可以概括为“总——分——总”。就是当我们要设计一个系统对象时，可以先将对象分 解为一个子系统，分析和确定各个子系统的目标、功能以及它们之间的相互关系和结构组成， 然后单独对每个子系统进行技术设计、评价及优化，然后对由完成的子系统作为构件的系统 整体进行总体技术设计和评价。
二、范例
总结
概念
要素：不可分，相对于元素
内涵
部分：可再分，相对于整体
子系统：划分是相对的
基础 构成条件
按要素的形成； 按要素的形态
类型 按规模； 按与环境的关系
按信息的明确性
整体性、相关性、目的性
基本特性
系统 动态性、环境适应性
概念 特点
分析
原则 步骤
概念
优化 定量：数学建模
方法
定性：估算与试验
概念 关键
设计
步骤

第 04 章 控制与设计
第 01 节 控制的手段与应用
一、控制
1、普遍性
（1）控制无处不在
事物总是处于运动变化之中，事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能与预期的 目标不相符，甚至是不希望得到的。如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当的手 段来实现。因此，控制无处不在。
（2）范例：大禹治水
（3）范例：木牛流马
“（建兴）九年，亮复出祁山，以木牛运,粮尽退军，与魏将张郃交战，射杀郃。十二年 春，亮悉大众由斜谷出，以流马运。…”
据研究：木牛和流马是汉代独轮手推车的两种改进设计，通过改进使人的负重有所减轻。 木牛是一种轮子稍小一些的独轮手推车，载重大，前由人拉、后由人推，运行较慢；流马载 重小，轮子稍大一些，由一人推，运行速度很快。诸葛亮所说“木牛流马”应是比喻它们运 行的灵便程度和载重量的大小：木牛行动较笨而慢，像牛；流马行动敏捷而快，像马。不是 说它们外形像牛像马。
（4）范例：希罗自动门
利用气压和液压动力装置，实现自动开门、关门 （5）范例：自行车方向的控制
（6）范例：教师维持课堂教学纪律 2、概念
控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展的行为和过程。 3、三要素
（1）要素
对象、目的、手段 （2）范例
控制事例 控制对象 控制目的 控制手段
普通电热壶 电热壶 加热启停 拔插电源插头
自控电热壶 电热壶 加热启停 温度达到指定值
普通水龙头 水龙头 水流量 旋转水龙头把
红外水龙头 水龙头 水流量 红外热源靠近
普通开关 开关 电流通断 按下开关
声/光控开关 开关 电流通断 出现声音、光线变暗
4、分类
（1）从控制过程中人工干预的情形来分：
人工控制：普通电热壶、普通水龙头、普通开关、人工纺纱、驾驶汽车等；
自动控制：自控电热壶、红外水龙头、声/光控开关、数控机床、饮料自动装罐生产线、 花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等
（2）按照执行部件的不同，控制分为：

机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等
二、应用
1、生活中的应用
使人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足人们的需要。 2、生产中的应用
减轻工人的劳动强度，提高产品质量和生产效率 3、军事中的应用
第 02、03 节 控制系统的工作过程与方式
闭环控制系统的干扰与反馈
一、控制系统
（一）基础
1、概念
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节共同实现，这些环节所涉及的装置构成一个 系统，称之为控制系统。
2、内涵
控制系统实质上只是一种人为的划分，将一个系统中共同完成一项控制任务的所有要素 “合并”在一起构成控制系统。
如同 40 个学生构成一个班集体，按性别可以划分为两个子集：男生和女生；按是否承 担班级管理责任，可以将所有班干部划分为管理子集。
3、目的
将共同承担控制任务的要素视为控制系统，其目的是运用系统思相和方法，对控制进行 深入研究。
（二）表示 1、黑箱法 （1）概念
由输入、输出、控制系统三部分构成。只表示出了输入、输出之间的关系，并没有明确 表示出系统内部的工作细节。如同一只黑箱，特定的输入对应特定的输出，而不管中间的处 理过程。
例如，制作爆米花，输入米和包谷，输出的就是爆米花，而中间如何制作是未知的。 （2）功能
确定系统边界 （3）表示
输入 控制系统 输出
2、白箱法 （1）概念
由输入、输出、中间控制装置等多个分构成。表示出了信号自输入端到输出端之间所经

历的处理环节。如同一只透明的箱子，特定的输入对应特定的输出，中间的处理过程也是可 见的。
例如，制作爆米花，输入米和包谷，经过增压、加热等处理后，输出的就是爆米花。 （2）功能
确定系统内部各个要素如何协调运转共同完成控制任务。 （3）表示
输入 装置1 装置2 …… 装置n 输出
3、范例
（1）自控电热壶
烧水温度 自控电热壶 实际水温
黑箱表示：
+
烧水温度 温控电路 加热器 电热壶 实际水温
-
温度传感器
白箱表示：
（2）红外水龙头
红外热源 红外水龙头 水量
黑箱表示：
红外热源 控制电路 电动机 水闸 水量
白箱表示：
（3）声/光控开关
光线 红外水龙头 亮熄
黑箱表示：
光线 光感应器 开关 灯泡 亮熄
白箱表示：
二、开环控制系统
（一）基础
1、概念
信号自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动，输出量对系统的控制不产生任何 影响的控制系统成为开环控制系统。
2、特征
（1）信号单向传输
（2）输出量不对控制产生任何影响

3、表示
4、组成
（1）输入量：控制系统的给定量。
（2）控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。 （3）执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。 （4）被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。 （5）控制量：执行器的输出信号。
（6）输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。
控制量与被控量的区别：控制量是执行器的输出信号，而被控量是控制系统的输出信号。
（二）范例
三、闭环控制系统
（一）基础
1、概念
信号自输入端传输至输出端，再将输出量返回到输入端与给定量进行比较，控制器根据 二者的偏差值发出控制指定，这种输出量对系统的控制会产生影响的控制系统成为闭环控制 系统。
2、特征
在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成 了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。信号传递是闭合 回路。
（1）信号传输存在闭合回路
（2）输出量不对控制产生任何影响 3、表示
4、组成
（1）输入量：控制系统的给定量。
（2）控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。 （3）执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。 （4）被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。 （5）控制量：执行器的输出信号。
（6）输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。
控制量与被控量的区别：控制量是执行器的输出信号，而被控量是控制系统的输出信号。 （7）检测装置：测量被控量并返回到输入端

（8）比较器：将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值。控制器利用这一偏 差值发出控制指令。
（二）干扰
1、概念
（1）定义
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 （interference）因素。
（2）理解
干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中。只是因为闭环控制系统可以利用反馈 减弱干扰的影响，因此，在闭环控制系统中对干扰的研究要稍多一些。  “干扰”一词并不含有贬义，其目的只是对控制系统中的变量进行归类，将输入量以外 能够引起被控量变化的因素都称为干扰。例如，在水箱水位自动控制系统中，输入量是设定 的水位，被控量是实际的水位。因为放水也会引起被控量变化，所以“放水”也是该控制系 统的一个干扰因素。
2、产生
（1）环境造成
例如，骑自行车时，逆风对自行车速度构成干扰。
（2）人为造成
例如，乘坐飞机使用手机时，手机信号对导航信号构成干扰。 （3）控制系统自身造成
由于控制系统自身元器件的电气、机械特性存在误差，可能引起被控量变化（误差）， 也是控制系统中的一个干扰因素。
3、克服
（1）消除干扰
从产生干扰的源头上加以消除，主要适用于环境造成的干扰。例如，在飞机上不使用手 机等无线通信工具，以避免无线信号干扰导航信号。
（2）减弱干扰
无法从源头上消除干扰，只能采取其他措施以减弱干扰所带来的影响，主要适用于人为 造成的干扰。例如，电器在使用时远离其它电子设备以避免电磁干扰，逆风中骑自车时尽量 采取俯姿以减弱风对骑行速度的影响。
（3）提高控制系统性能
选用电气、机械性能较好的元器件，以减少控制系统自身的误差。 4、利用
在一般控制系统中，干扰是需要克服的，但在有些情况下，却可以利用干扰实现预期的 目的。对干扰的利用，是指有意对控制系统施加干扰，使控制系统无法达到控制的目标，而 不是控制系统本身需要干扰。例如：打狂犬疫苗、军事演习中对敌方信息指挥系统进行电磁 波干扰。

（三）反馈 1、概念
（1）定义
控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程就 是反馈（feedback）。
（2）理解
生活中的反馈控制是一种在计划执行一段时间或结束后进行的事后控制，主要为下一步 计划的实施总结经验，但它却常常是管理控制工作的主要形式。例如投诉与反馈、留言反馈、 意见反馈、环境反馈、教学活动、超市反馈调查表、市场信息反馈系统、工作总结、 产品 性能检验、现代酒店控制方法等。
控制系统中的反馈则是根据实时输出量与输入量之间的偏差值，调整控制规则以减少控 制量的误差。
2、范例
（1）投篮的控制过程
许宁在体育课上练习立定投篮时，发生了这样的情况：
第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到了篮板上弹了回来，没有命中。
第二次投掷，他吸取了第一次的经验，减小了用力，但用力过小，篮球没有碰到篮圈。 第三次投掷，他吸取了前两次投掷的经验，终于投中了。
在这里，可以将人看作控制系统，眼睛把接收到的篮圈位置以及实际投掷位置等信息输 送给大脑，经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球，直到投篮命中。
（2）电冰箱温度控制系统
感温包不断地感测电冰箱内的工作温度，并将温度信号及时反馈为传动膜片的伸与缩的 动作，改变活动触点的位置，进而改变压缩机的工作状态。

+
设定温度
-
3、正、负反馈
（1）正反馈

主弹簧及连接杆 活动触点 压缩机、电冰箱
电冰箱工作温度
（控制器） （执行器） （被控对象）
感温包、膜盒、传动膜片
（检测、反馈）
正反馈起增强输入信号作用，会使系统的偏差越来越大，不能进行控制，。 （2）负反馈
负反馈起减弱输入信号作用，能够检测偏差、纠正偏差，可以用于自动控制。
（四）工作过程
1、核心
闭环控制系统的核心就是利用反馈来克服干扰，减少被控量（输出量）的偏差。

2、范例
（1）拿水杯的控制过程
反馈的工作过程：当人打算要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与杯子之间的 距离，然后确定自己手的移动方向，手始向水杯移动。同时人的眼睛不停观察手与杯子的距 离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，以消 除这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出，由（负） 反馈形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话，整个动作也 就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。
（2）水箱水位自动控制系统
接通电源后，电机工作，水泵出水，当水位升到 A 点水位传感器位置时，电机停止工 作；当水位由 A 点降止 B 点以下时，电机又开始工作，这样往复，达到了自动控制储水器 中的水位。
3、比较
（1）特点比较
开环控制系统与闭环控制系统的比较：
控制系统 抗扰性 控制精度 结构
开环 弱 高 简单，成本低
闭环 强 低 复杂，成本高
（2）选用
开环控制系统控制精度低、结构简单，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。
闭环控制系统控制精度高，麻烦，复杂，用于要求高精度和高可靠性的场合。
（五）分析方法
1、黑箱法
（1）概念
所谓黑箱方法，指的是当一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得 系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究

其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。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。  （2）范例
黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病，主要是通过“望、闻、问、切”等外部 观察做出诊断，开方抓药。有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察 病人的反应，并随时增减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输 入特征入手，实施“辨证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
夏天买西瓜，可以通过“看瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性”来判断西瓜的生熟。 2、功能模拟法
（1）概念
这种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。
功能模拟方法是一种整体性研究方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供 了科学方法。
（2）范例
人工恒温箱控制系统与自动恒温箱控制系统的控制器、执行器及检测装置的具体结构不 同，但两者在功能和行为是相似的，都能实现恒温箱的恒温控制。
第 04 节 控制系统的设计与实施
一、设计的一般思路
（一）考虑的基本因素 1、因素
系统要达到的目标、控制的对象、被控对象的特性、被控量和控制量、外界的主要干扰、 素、方案设计、设备和元件
2、步骤
（1）选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定 （2）找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素 （3）要确定控制量和被控量
（4）执行器和检测装置的选择
一是要根据控制量和被控量的要求，二是根据控制条件

3、要求
总之，控制系统设计需满足的基本条件： （1）能达到控制的目的
（2）采用易于实现的方式 （3）降低控制成本
（4）减少对环境的负面影响
（二）开环控制系统设计 1、要求
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
2、范例
电风扇控制系统的设计
（四）闭环控制系统设计 1、要求
闭环控制系统的设计需要满足以下要求：
（1）必须是稳定的。一是工作时要稳定，二是干扰出现时要稳定，这个稳定是通过调 节而出现的稳定。
（2）控制精度要符合要求系统的输出值与给定值要变化，而且在变化的范围内。 （3）有较好的抗干扰性能。
（4）几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。 2、范例
抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。
二、设计案例
见教材

总结
概念
三要素：对象、目的、手段
控制 按控制手段
分类
按执行机构
应用
概念
黑箱法
表示
白箱法
概念 特征
开环
组成及表示
概念 特征
系统 闭环
控制 组成及表示
系统 概念 产生
干扰
克服 应用
概念
反馈
反馈方法
实质：利用反馈克服干扰，减少控制量误差
功能模拟法
研究方法
黑箱法
比较
考虑的要素
设计
开环控制系统设计
闭环控制系统设计

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