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技术与设计2复习纲要 第一章：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、植物的结构、动物的结构例：生产生活中还有哪些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而产生的？如：锯子（植物的叶）潜水艇（鱼）雷达（蝙蝠）等2、技术领域：汽车的结构、微机的结构、数字控床的结构 （案例： 魁北克大桥的坍塌P4）3、社会领域：教育管理系统的结构、通用技术的学科结构、课堂教学结构 二、结构与力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。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：= F/s , 其中 ,F 是内力 ,S 是受力面积 , 是应力。2、构件的基本受力形式： 拉力：物体所承受的拉拽力 压力：挤压物体的力剪切力：两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体上的平行的力 扭转力：反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力弯曲力：作用于物体，使它产生弯曲的力三、结构的分类物体结构形态在受力时承受和传递力的方式差别分为：实体结构，框架结构 ，壳体结构1、实体结构-通常是指结构体本身是实心的结构。受力特点：外力分布在整个体积中。主要承受压力如墙壁、柱子、实心球等等2、框架结构-通常是指结构体本身由细长的构件组成，支撑空间却不充满空间。如窗户、画框、房子的架构等等框架结构受力特点：实体结构是通过条状物的连接来承受荷载，可以承受压力和拉力3、壳体结构-通常是指层状的结构。如贝壳、头盔、汽车飞机的外壳等等壳形结构受力特点：外力作用在结构体的表面上（壳形结构是通过壳形来传递力和承受荷载，特别是当顶部受到压力时，它能将力均匀扩散）。（二）、稳定结构的探析一、结构的稳定性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。它是结构的重要性质之一。影响结构稳定性的因素有多种，主要有重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状等。1、结构的重心（独脚茶几为重心降低，以提高稳定性）。2、结构的底座（建筑、桥梁这类大型的固定结构，底座越大越坚实，稳定性越好）。3、结构的形状（照相机的支撑架常使用三角架而不用其他形状）二、结构的强度结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。1、影响结构强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。2、三角形是框架结构中最基本的形状之一，它结实、稳定，所有材料最少。结构构件的连接通常有以下两类：a、铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，具体有松螺栓、松铆等，如折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等。b、刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，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、不可移动的桌腿与桌面的连接等。不同的材料有不同的连接方式。构件的连接方式不同，结构的强度也不同。3、结构与功能（案例：自行车的结构与功能P21）三、简单结构的设计1、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。（教材P25）2、设计简单的案例要求（参考：如：设计相框P26）：设计项目 设计要求 设计分析 设计方案 呈现草图四、精典结构欣赏赏析结构设计作品，可从技术与文化两个角度进行。技术的角度主要有：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。文化的角度主要有：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。第二单元：流程与设计一、流程的涵义：1、流程的概念：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。任何流程都反映了一定的时序，体现出一定的环节。环节：活动或事件在其发展的过程中，依据某种特征或方式，可将该过程分解为若干个小过程，称这些小过程为环节。如：切种、布种、掩种环节，冲片和印片环节等。时序：过程的经历中，各环节按照一定的时间顺序先后出现、完成。这种时间顺序关系，称为时序。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可以颠倒的，不些不可颠倒。2、流程的表达（流程图）：依据流程的性质及人们的表达习惯，流程图有文字表达、表格表达、图示表达、模型表达、动画演示等。二、流程的分析：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。3、简单流程图的识读：识读流程图的要点： 找流程的环节，明确每个环节的功能和作用； 弄清流程中时序的体现与特征； 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。三、流程的设计：1、流程设计的基本要求：提高效率。提高质量。节省资源。安全生产。提高经济效益。提高管理水平。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。不同行业的流程设计中考虑的基本因素各有差异。流程设计要依据事物内在属性和客观的变化规律，科学地设计时序和环节，以达到设计目标。3、流程设计的步骤：第一步：首先要明确设计的目的和任务，明确流程所应遵循的内在变化规律。第二步：要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境等因素。第三步：列出流程涉及的主要事项，并进行初步的排列。第四步：分析各事项（步骤）之间的先后顺序，合理地安排流程的时序和环节。第五步：选择一个合适的表达方式画出流程图，对于有严格时间的时序，要标注时间。注意：流程设计的基本要素是环节和时序。4、学画流程设计的框图：画流程设计框图的一般方法：根据对事物的内在属性和规律的分析，以及有关的考虑，将流程的全过程，按每个阶段的功能、作用的不同，分解为若干小过程环节，并用方框表示环节。按照每个小过程应该经历的时间顺序，将各环节依次排开，并用箭头线连接起来。四、流程的优化：1、流程的优化及目的：在设计和实施流程的过程中，经常需要进行不断的修改和完善，这种对流程修改的过程，叫做流程的优化。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、流程优化的内容：一般流程优化的主要内容有：工期优化、工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等。对一个流程的优化，可以是整体的全面优化，也可以是对某一个指标进行优化。经常会有这样的情况发生：某一个指标得到了优化，而使另外的指标下降了。比如，技术优化，可能使成本提高。成本优化了，也可能使质量下降。因此，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：流程的改进和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。例如，零件加工中材料的改变，会导致设备的改变和工艺方法的改变，从而加工流程就要改变；若材料不变，加工工艺改变了，设备也要改变，这样，流程也会改变。因此，流程与材料、设备、工艺有着密切的关系，在优化流程时，需要充分考虑到这些条件。第三单元：系统与设计一、系统的涵义：1、系统的概念：由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体，称为系统。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。2、 系统的类型：系统是普遍存在的，也是多种多样的。根据需要，可以对系统进行不同的分类。如，可把系统分为自然系统和人造系统，自然系统是自然形成的系统（如生态系统），人造系统是由人工制造加工而成的系统（如计算机系统和机械传动系统）；也可把系统分为实体系统和抽象系统，实体系统是实物形态的（如生物系统、机械系统），抽象系统是非实物形态的（如哲学系统）。3、系统的基本特性：系统的基本特性主要有整体行（全局、集合）、相关性（匹配、关联）、目的性（功能）、动态性（更新）和环境适应性（自适应）等，这些特性都体现了一定的思想与方法。（结合课本相关案例，学会运用系统的基本特性，分析身边的系统特别是P69页五个案例）二、系统的分析：1、系统分析及其目的：系统分析是指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。目的：寻求解决问题的最佳决策。2、系统分析的一般步骤：明确问题，设立目标收集资料，制定方案分析计算，评价比较检验核实，作出决策。 （结合田忌赛马案例）3、系统分析的主要原则：系统分析应遵循整体性原则（丁谓修复皇宫）、科学性原则（三三进九不如二五一十）和综合性原则（孝襄高速公路）。三、系统的优化：1、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）几个关键字：优化目标；目标函数；约束条件；影响因素。2、系统优化的方法：数学模型最优解； 科学估算、试验满意解。四、系统的设计：1、系统设计的目的、方法与过程：系统设计是对各种各样的系统进行调查分析、筹划研究、评价实施、运行改善等，直到完成一个能协调工作的实际系统的过程。系统设计要考虑其目的与要求（以系统的整体功能的最优为目的）、系统各部分之间的相互联系与相互作用、对系统设计方案进行优化（整体优化，统筹兼顾）等问题。2、系统设计的一般步骤：系统设计的步骤包括：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）第四单元 控制与设计一、控制手段与应用1、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。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。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（有无人直接参与）。按照执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。当然，在很多控制事例中，控制的手段又可以是综合的。二、控制系统的工作过程与方式任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制系统。1、控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。对于开环控制系统，通常可以用下面的方框图来描述： 控制量输入量控制器执行器被控对象输出量2、控制系统可以把输出量返回到输入端与给定值进行比较，构成一条闭合回路。我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。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。有的干扰因素是由于环境造成的，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。控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。2、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端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。利用反馈来分析和处理被控对象，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行的方法，称为反馈方法。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量（输出量）的偏差。由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时，闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较，控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。所以，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。闭环控制系统与开环控制系统的比较开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。也就是说，由于某种干扰信号的作用使输出信号出现非正常状态时，系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工。所以，开环控制系统的控制精确度（或称控制精度）相对比较低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰相对较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。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。闭环控制系统的优点是控制精度高，不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量，闭环控制系统都会产生控制作用来减小这一偏差。与开环控制系统相比，闭环控制系统的设计比较麻烦，结构也相对复杂，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控制方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。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“原形”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。4、 黑箱方法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。四、控制系统的设计与实施要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。在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式；一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；被控量和控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量；执行器、检测器的选择一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。总之，能达到控制的目的，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、撰写设计说明书等。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。闭环控制系统的设计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。