普通高中教科书·通用技术必修 技术与设计2.pdfVIP免费

随着科学技术突飞猛进的发展，技术日益成为我们生活中几乎无时不在、无处不在、无所不在的客观存 在，成为引起社会变化、塑造社会变化和应对社会变化的重要因素，也成为实现中华民族伟大复兴的重要支 柱。因此，技术素养是当代青少年的基本素养。通用技术课程是普通高中学生人人必须修学的课程。 通用技术是指当代技术体系中较为基础、在日常生活中应用较为广泛、育人价值较为丰富并与专业技术 相区别的技术，是学生适应社会生活、高等教育和职业发展所必需的技术。普通高中通用技术课程，以提高学 生的学科核心素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征，是一门立足实践、注重创造、体现科技与人文 相统一的课程。它的学习过程是同学们主动建构知识、不断拓展关键能力、铸造积极价值观和关键品格的过 程，是一个富有生机、充满探究、方式多元的活动过程。 相信通用技术的学习一定会成为同学们高中时光中夯实基础、练 就素养、挑战自我、享受创造与发展乐趣的美好生活的一部分。 通用技术 必 修 动控制的结果。 在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含 从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的 控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺 少的形式。 官，使物体变得“活”起来。根据传感器的基本感知功能， 通常将其分为热敏元件、光敏元件、 气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏 元件等十大类。 花房恒温自动控制系统 花房恒温自动控制系统可以对温度、土壤湿度和光照进行控制。 请填写下表，完成第一行花房恒温自动控制系统的控制参数，并完成第二、三行其他控 制系统的控制参数。 图 4-33 花房恒温自动控制系统 自动控制系统 输入量 检测装置 输 花房恒温自动控制 常用传感器及其特点 传感器是一种检测装置，能检测到被测量的信息，并能将感受到的信息按 成为电信号或其他所需的信息输出， 以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录 通常，根据传感器感知功能可将其分为温度传感器、光传感器、压力传感器、 湿度传感器、声音传感器等。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络 自动检测和自动控制的重要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味 124 光敏传感器 压力传感器 湿度传感器 图 4-34 常用传感器 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 因素都可以视为干扰因素。有的干扰因素是环境造成的，如冬天使用电饭锅做饭比 夏天更加费电；有的干扰因素是人为原因所致，如当电饭锅在保温状态时，频繁地 打开锅盖并将冷的食物放入锅中等。 在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中 通用技术 必 修 水。再如，汽车的转向控制，其控制目的是改变汽车行驶方向，控制对象是汽车的车轮， 控制手段是驾驶者通过转动方向盘推动转向杆，再带动车轮转向。 观察生活中的控制现象，完成下列表格： 场所 控制装置 控制目的 控制对象 控制手段 公共场所 红外线水龙头自动出水装置 控制需要通过一定的方式或手段来实现。 从电风扇到空调再到智能空调 从前，烈日炎炎的夏天，家庭常用的消暑设备是电风扇。随着科学技术的发展，20 世纪 30 年代空调诞生，人们进入房间后，打开空调，使室内温度保持在设定的温度值，达到降温 消暑的目的。随着物联网的发展， 人们能够在房间以外的任何地方， 通过网络提前打开空调， 使房间温度、湿度、风量以及空气洁净度稳定在令人舒适的范围。 第四单元 控制及其设计 从控制过程中人工干预的情形来分，控制可分为人工控制和自动控制。过去， 人们对事物的控制往往采取人工控制（又称手动控制）的方式，控制的过程是在人 的直接干预或全程干预下进行的。 图 4-5 液位手动控制示意图 图 4-6 液位自动控制示意图 随着科学技术的发展，控制技术得到了迅速发展，出现了自动控制。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朝着期望的方向进行。按照控 制信号流和执行部件的不同，自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、机 械控制、电子控制等。 智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式，它 能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。智能控制主要用 于解决复杂系统的控制问题。 通用技术 必 修 技术与设计 2 效率与安全隐患分析：工人手脚并用，双手放好工件后，立即踩下控制踏板，中间可以 几乎没有任何停顿，快速地完成焊接。但是，由于工人动作太快，双手尚未撤离，控制踏板 可能已经被踩下，焊接电极就会直接压到工人的手指，导致严重的安全事故。 从提高安全系数角度看，该流程需要优化。 使室内空气达到理想的状态。 优化方案一： 具体方案是：不采用脚踩下踏板进行焊接，而是在焊接机的两侧放置两个按钮，必须用 双手同时按下按钮，焊接机才能进行焊接。这样双手必须离开工件，就避免了焊接时焊接电 极砸到手指的事故发生。 优化后的流程为： 焊接台 用手放 用手放 双手按下 焊接电极下压 空置 置工件 1 置工件 2 两侧按钮 通电完成焊接 焊接台 108 此流程的优化通过改变流程的环节，将脚的操作改为手的操作，从而避免了重叠性操作（手 脚同时操作）而产生的伤害。 效率与安全隐患分析：这样的设计基本消除 正极电缆 了安全隐患，但是依然存在两个问题： 1. 双手需要运动到两侧较远的距离才能按 下按钮，降低了生产效率。 2. 按钮有可能被其他人按下，产生安全 隐患。 微动开关 微动开关 优化方案二： 被焊工件 1 被焊工件 2 将控制按钮改成微动开关，安装在焊接位 置的两侧。工人安放好工件之后，只需要打开 双手，双手同时触碰两侧的微动开关，就能控 焊接台 制电极下压进行焊接，在保证安全的同时提高 负极电缆 了生产效率。 图 2-34 优化方案二 其流程为： 焊接台 用手放 用手放 双手打开触 焊接电极下压 空置 置工件 1 置工件 2 碰微动开关 通电完成焊接 基材 效率与安全隐患分析：这样的设计消除了安全隐患，但是依然有问题，双手仍要同时触 碰微动开关，工人重复劳动时间长。 甲 优化方案三： 为了进一步提高安全性，还可以在焊接区域 的周围安装光栅传感器，只要任意一条光栅被遮 挡，设备就会立即停止。这种优化是以光栅技术 作为条件的。 技术与设计 2 图 2-35 光栅传感器工作原理 图 2-37 组合式笔筒 066 067 通用技术 技术与设计 2 方案 C 周华所在的第三小组经过分析后认为，直立式升降操作更方便，设计了直立式 升降的方案。 1. 桌面采用实木长条板制作，下方用自攻螺钉安装两根方木料加固，滑动支 撑板和方木料之间用圆头螺栓、螺母连接，和书桌的后支撑脚之间用滑轨连接， 可相对支撑脚上下滑动，如图 1-60 甲所示。在滑动支撑板上加工齿形槽若干， 如图 1-60 乙所示。 2. 支撑框架由方木料和实木板组成，板材之间主要以自攻螺钉连接，其结构的 组合方法如图 1-61 所示。 甲 乙 图 1-60 支撑板 图 1-61 框架组合方式 3. 高度调节固定结构由圆木棒和圆钢棒组成，其结构如图 1-62 所示。在圆木 棒两端面钻直径为 7 mm 的孔，嵌入直径为 8 mm 的圆钢棒作为限位销。当限位销 卡入卡槽中，滑动支撑板处于限位状态，不能往下滑动；当将桌面往上提时，齿形 槽的斜面将限位销往外挤，限位销克服弹簧弹力往槽口移动，滑动支撑板可向上 滑动。要将桌面向下调节到坐姿高度，只需将桌面提到最高处，这时限位销被滑 动支撑板下端更宽的侧面往外推压，滑落到竖直槽中，失去限位作用。桌面可往 下滑动，再次调高桌面时，只需将限位销往上提即可复位。 图 1-62 高度调节固定结构 图 1-63 限位杆 制作： 选用合适的制作材料、连接材料以及工具设备。制作材料如方木料、实木板、 甲 乙 图 1-64 折叠桌高度调节结构 试验： 根据 GB/T10357.1-2013《家具力学性能试验 第 1 部分：桌类强度和耐久 性》、GB/T10357.7-2013《家具力学性能试验 第 7 部分：桌类稳定性》进行强 度、稳定性试验，并撰写试验报告。 图 1-65 整体效果图 优化： 根据试验结果，优化设计方案。 这几个方案的优缺点各是什么？结构的稳定性、强度是否能保证？在制作方面是否具有 可行性？有哪些需要改进的地方？ 034 035 对学习过程和学习结果作一 回顾总结和反思，有助于学习目标 的真正实现，有助于核心素养的有 效形成。 将本单元所学内容与本学科 其 他内 容、 与其 他学科知识、 与 自 己已 有知识和 经验综合起来 ， 可 以提 高综合能 力， 领略 学习 的 最高境界。 在学完一单元后，以思维导 图形式，对学习内容进行概括和 归纳，有助于我们学会学习和自 我建构。 生动活泼、形式多样的作业， 使我们所学的内容得以巩固， 同时 也打通了与课外活动结合的通道。 选用 这些是我们技术 学习中拓宽视野、深化 认识、铸造精神、品味 技术信息的“美味佳 选用 肴”，不要错过哟。 本栏目富有典 型意义的范例、素 材、话题是学习中对 技术试验是 在技术活动中为了 某种目的所进行的尝 试、检验、优化等探 索性的实践活动，使 我们的实践才能和创 新能力得到展示。 穿插在课文 之中、形式多种多 样的活动使我们所学 的知识与技能得到及 时的巩固、应用和内 化，也是我们学会技 术学习的有力工具。 基于关键的技 术问题，立体化地加 以呈现，这是我们 思维互联、智慧众 筹、头脑风暴的广 阔天地。 话的平台，使我 们享受到由丰富 的技术感性走 向深刻的技术 理性的快乐。 螺旋上升的过程， 它永无止境 … … 唱 结构及其设计 一 常见结构的认识 任务一 感知丰富的结构/002 任务二 认识结构的受力/005 任务三 辨析结构的类型/008 二 稳固结构的探析 任务一 探析结构稳定性 /012 任务二 探析结构强度/015 三 结构功能的实现 任务一 感悟结构与功能的关系/021 任务二 欣赏经典结构的案例/023 四 简单结构的设计 任务一 分析结构设计应考虑的主要因素/029 任务二 设计并制作站立式办公桌/031 第二单元 流程及其设计 感知生活、生产中的流程/040 绘制流程图/044 探析生活与生产中的流程/048 分析流程设计应考虑的基本因素/054 设计金属笔筒加工流程/056 分析流程优化的基本要素/061 进行简单的流程优化/065 系统及其设计 认识系统及其构成/074 辨析系统的基本特性/077 探究系统分析的一般过程和基本方法/082 体验简单系统设计的过程/088 优化系统设计的方案/091 实现校园雨水收集与利用系统的设计方案/095 控制及其设计 理解控制的含义/106 感知控制的应用/110 开环控制系统的工作过程 理解控制系统/113 分析开环控制系统工作过程/114 闭环控制系统的工作过程 解析闭环控制系统工作过程/119 辨析反馈在控制系统中的作用/122 探究控制系统的设计要素/129 设计与实施雨水收集池水位控制系统/132 主 编 副 主 编 编写人员 顾建军 段 青 李双寿 （按姓氏音序排列） 段 青 顾建军 管光海 李双寿 刘海林 任祖平 黄越祥 第一单元 结构及其设计 一 常见结构的认识 二 稳固结构的探析 三 结构功能的实现 四 简单结构的设计 《天工开物》记载：“凡河滨有制筒车者， 堰陂障流， 绕于车下， 激轮使转， 挽水入筒……其湖池不流水，或以牛力转盘，或聚数人踏转。车身长者二丈，短 者半之。其内用龙骨拴串板，关水逆流而上。” 早在古代，我国劳动人民就发明了筒车，它采用巧妙的结构，以流水、牛力 或人力作动力，取水灌田。今天， 我们每天都与各种各样的结构打交道。认识结构， 探析影响结构的稳定性和强度的主要因素，将使我们理性地研究和应用这些结构， 并学会进行简单的结构设计。 人们长期伏案学习或工作，时常感到腰酸背痛。有研究者提出站立式办公的理念， 作为普通办公的一种调节。站立式办公不仅能有效缓解疲劳，提高工作效率，还能 维护身体健康。那用什么样的结构支撑的办公桌可以实现这些要求呢？ 结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。结构是普遍存在的，不 同的事物往往有不同的结构。 从技术体验活动来看，材料经过合理搭配形成了各种不同的结构。世界上任何 事物都存在结构，结构多种多样且决定着事物存在的性质。 图 1-3 自然界中形形色色的结构 在自然界中，蜂巢、蜘蛛网、大树、 动物的身体与器官等都有其特定的结构。 这些形形色色的结构给了人们无限的创造 灵感和启示。通过对自然界中结构的分析 和研究，人们将其研究成果应用到技术领 域，更好地服务于人类。 通用技术 必 修 在技术领域，产品的结构更是丰富多彩。从历史悠久的石拱桥到气势宏伟的跨 海大桥，从粉墙黛瓦的古朴民居到高耸入云的摩天大楼，从速度缓慢的古老马车到 风驰电掣的“复兴号”动车组列车，从只能完成单一指令的简单机械手到具有发达 “大脑”的智能机器人，都有特定的结构。 图 1-5 技术领域中丰富多彩的结构 结构方面存在的一个小缺陷就可能导致重大事故的发生， 因此，合理的结构是 事物存在的基础，卓越的结构是设计者和制造者共同的追求。 结构在社会领域也普遍存在着，例如人口结构、家庭结构、组织结构、城乡结 构、区域结构等。 自然、技术领域都存在丰富的结构，请举例说明技术领域中的哪些结构是受自然领域中的结构 启发而设计的。 从力学角度分析，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。 每个物体都有它特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构。一个较复杂 的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常被称为构件。如有的自行车的车 轮由辐条、轮胎、车圈等构件组成。 一个设计合理的结构应该能承受正常使用时外界的各种作用力，抵抗各种变形。 因此，我们需要了解作用在结构上的各种力。 分析结构的受力情况时，首先要清楚组成结构的构件受到哪些力的作用；其次 要清楚在这些力的作用下，构件能否安全、可靠地工作，也就是对构件进行承载能 力的分析。根据构件的受力和变形的形式，我们可以将构件分为受拉、受压、受剪 切、受弯曲、受扭转这五种基本形式，如图 1-9 所示。 图 1-9 构件受力与变形的基本形式 为了测试结构或构件能承受的力，各技术领域都有专门的设备，如用于测试结 构抗拉、抗压等特性的拉压测试仪，用于测试和检测各种瓶盖开合的扭矩测试仪， 用于测试螺钉扭力的螺钉扭断力测试机等。 拉压测试仪 瓶盖扭矩测试仪 螺钉扭断力测试机 图 1-12 几种专用测试设备 从力学角度来看，结构对技术产品及其功能实现具有什么样的独特价值？ 结构的分类多种多样，从形态方面考虑，通常有实体结构、框架结构和壳体结 构等基本类型。 实体结构通常是指结构体本身是实心的结构，如实心墙、大坝等，如图 1-16 所示。 图 1-16 实体结构 框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构，其构件的几何特征是横截 面尺寸比长度小得多，如铁架塔、建筑用脚手架、厂房的框架等，如图 1-17 所示。 图 1-17 框架结构 壳体结构通常是指层状的结构，其几何特征是厚度比长度和宽度小得多，如摩 托车头盔、飞机外壳等，如图 1-18 所示。 图 1-18 壳体结构 通用技术 必 修 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。如埃菲尔铁塔，它的塔 基由实体结构组成，塔身由框架结构组 成。又如注塑成型的椅子，其座位是壳 体结构，椅腿是框架结构，如图 1-19 所示。 图 1-19 组合结构 1. 仔细观察下图的订书机底座前端，可以发现有三组凹槽，请分析这些凹槽的 作用。在订书过程中，订书针会产生怎样的形变？ 订书机前端的凹槽 订书机侧面的凹槽 （第 1 题） 2. 自行车头盔为自行车骑行者提供了最基本的安全保护功能，传统头盔体积较大， 不便于携带，而可折叠头盔就解决了该问题。请分析以下几种可折叠头盔的结构特点， 比较其安全保护和可折叠功能。 由 EPP 聚合物材料制成，由 7 块骨 架与连接部分组成，使用时只需简 单地将其张开即可 由 ABS 外壳和 EPS 内壳组成，不使 用时可折叠，轻松放入背包或手提 袋之中 有三个活动部分，在骑行时展开， 在不用时则可以按动按钮推平头盔 （第 2 题） 孙宇为了预防“久坐病”，准备去家具市场选购一张站立式办公桌。他在选购 各种站立式办公桌时发现，有些桌子使用时易翻倒，有些桌子却十分稳固。孙宇决 定一探究竟。 日常生活中，时常会看到翻倒在地的物体，如路边倒地的自行车、地上翻倒的 空竹篓等。这是因为当物体受到荷载作用时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳 定现象。 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。如果一个 物体的结构不能有效地抵御荷载的作用，那么该物体就很难保持原有平衡状态。 从悬臂结构的技术体验活动中我们可以看出，结构重心的位置影响着结构的稳 定性。在工程领域中，有的起重机的质量达几百吨，且重心很低，所以在较大的荷 载作用下也能保持稳定。日常生活 中，有的独脚茶几的底座采用较重 的材料（如大理石） ，台面采用比 底座轻的材料（如木材） ，使茶几 的重心降低，以提高稳定性。但是 有些产品在使用过程中，重心很高， 这些产品是怎样保持稳定的呢？ 图 1-22 起重机 图 1-23 独脚茶几 如图 1-24 甲、乙所示的 A 字形梯在载人时，从 A 字形梯和人总体来看重心很高，那为 什么还能保持稳定呢？ A 字形梯中间的横梁的作用是什么？其放置位置对梯子的稳定性有什 么影响？如图丙所示的梯子采用锁扣结构，而如图丁所示的梯子采用八脚支撑并在底部增加 拉绳，这样设计的原因是什么？ 乙 丙 图 1-24 各种 A 字形梯 在其他条件不变的情况下，结构与地面接触所形成的支撑面越大，结构越稳定。 通用技术 必 修 请分析下列因素中哪些对站立式办公桌的稳定性产生影响。 （1）办公桌各部件使用的材料。 （2）办公桌的使用状态，如坐式或站立式使用。 （3）办公桌的使用环境，如单独放置使用或靠着墙使用。 （4）办公桌的使用人群，如使用者的体重等。 对于一个处于静止状态的结构而言，如果重心的垂足落在结构的支撑面内，就 是稳定的，不会倾倒。 结构的形状不同，其稳定性也不同。例如，由于三角形构成稳定的几何结构， 所以建筑上常用的桁架结构往往采用三角形作为基本结构单元。 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。物体在静止状态与运动状态下的稳定性条件也是不同的。 在产品设计中，结构越稳定越好吗？ 生活中有时会出现这样的情况：人坐到塑料凳上， 凳脚被压断了；下大雪时， 房梁被压断了。这些事例说明，这些结构不具有抵抗上述荷载的能力。 结构抵抗荷载的能力用强度来表示。结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破 坏的能力。当结构构件受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用发生改变，产 生一种抵抗外力与形变的力，称为内力。构件单位横截面积上所产生的内力就是应 力，可用如下关系式表示 : σ = FN/A 。 其中，FN 为内力，A 为受力面积，σ 为应力。 应力可以作为表示结构构件强度的基本指标。 结构的形状 在“体验悬臂结构模型的强度”活动中可以发现，结构的形状 影响结构的强度。框架结构中， 三角形是最基本的形状之一 ，它结实、不易变形， 所用材料最少。在长方形或六边形的框架中间加上支撑构件，构成三角形，就可 以大大增加其牢固程度。 在结构设计中， 一些结构形状只要稍加改变就可大大提高强度。例如，将平 面薄板改为蜂窝板、瓦楞板等，在薄板制品中加入加强筋或凸缘、翻边结构等。 图 1-27 提高结构强度的设计 如图 1-30 所示的站立式办公桌，脚架 采用铝合金材料一体成型，其脚架内部设计 成网格，这种设计的目的是什么？哪些桌子 采用类似的结构？ 图 1-30 站立式办公桌脚架内部结构设计 中线轴 受压 - 受拉 图 1-31 梁的受力示意图 结构的材料 不同材料构成的结构， 其强度各不相同。 一个坚固的梁必须具有 好的抗拉、抗压、抗剪切和抗扭转的性能， 所以梁通常由不止一种材料制成。如一根 混凝土梁含有钢筋，混凝土擅长抗压力， 而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非 常牢固的结构。 无人机可以用于航拍、地理勘测、植保、浇灌、测绘等， 使用范围广，应用领域多。无人机的制造材料非常多样，早 期多为铝合金，还有小部分钛合金等，近年来逐渐采用碳纤 维复合材料。试分析无人机制造材料变化的原因。 图 1-32 无人机 甲 图 1-33 乙 丙 不同材料带来椅子结构的变化 不同的材料可能带来结构上的变 化。以椅子为例，采用木头为材料， 可以设计成图 1-33 甲所示的框架结构； 采用不锈钢为材料，可以制造成图乙 所示的框架结构；采用塑料为材料， 可以制造成图丙所示的一次性压模成 型的结构。 由于材料与结构强度具有密切的关系， 因此在设计过程中应注意挖掘材料特性 所带来的新结构的可能。 结构的连接方式 结构由若干个构件通过不同的连接方式组合而成。结构的连 接方式直接影响结构的强度。 在具体的技术领域中，连接方式存在多种形式。不同的连接方式、结构形式适 用于不同强度要求的场合。 连接方式对结构强度的影响还体现在连接件的选择上。以铆接为例，铝制 空心铆钉主要用于受载荷不大的铆接场合，而不锈钢铆钉则用在高拉力、耐腐 蚀的场合。 图 1-34 铝制空心铆钉 图 1-35 不锈钢铆钉 连接方式多种多样，若按构件之间能否转动来分类，可分为铰连接和刚连接。 连接方式 特点 具体形式 案例 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 松螺栓连接、铰 链连接等 如折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等 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 榫接、胶接、焊 接、铆接、紧固 螺栓连接等 如不可移动的桌腿与桌面的连接、固定铁床架的 连接等 如图 1-36 所示的站立式办公桌可以通 过把手控制气杆来调节桌子升降，从而实 现一定范围内的调节。它是如何实现升降 功能的？跟结构的连接方式有什么关系？ 图 1-36 站立式办公桌 连接方式的分类 在不同的工程领域，对于连接有不同的分类和表述。在机械工程领域，连接分为动连接 和静连接。动连接是机器工作时，被连接的零（部）件间可以有相对运动的连接，如滑块与 导轨的连接。静连接是在机器工作时，被连接的零（部）件间不允许产生相对运动的连接。 连接根据其可拆性又分为可拆连接和不可拆连接。可拆连接是不需要毁坏连接中的任一零件 就可拆开的连接，如螺纹连接、键连接。不可拆连接是至少要毁坏连接中的某一部分才能拆 开的连接，如铆钉连接、焊接。 1.《西京杂记》卷上记载 : “卧褥香炉……为机环转运四周，而炉体常平，可 置之被褥，故以为名。” 请分析，为什么无论卧褥香炉如何放置，香炉中的香料 都不会倾倒呢？ （第 1 题） 2. 电风扇是常见的家用电器，请 比较分析如图所示三款电风扇是如何 实现稳定的。 3. 请根据 GB/T10357.7-2013《家 具力学性能试验 第 7 部分：桌类稳定 性》对教室中的课桌或家中的桌子进 行稳定性试验，并撰写试验报告。 4. 观察家具市场中的家具或你家 中的橱柜，它们各个部件之间采用的 是什么样的连接方式和连接件？ L 形角铁连接件 偏心连接件 滑轨 铰链 （第 4 题） 孙宇想买一张能折叠、高度可调节的站立式办公桌， 放在家里的书房中使用， 该从哪些角度对站立式办公桌的结构进行选择呢？ 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。 事物的结构决定了其功能。 功能往往是人们需求的体现。例如，山地车、折叠车、童车都具有代步功能， 但由于使用人群、使用场合不同，人们的需求不同，功能也有所不同。设计中，往 往通过改变结构实现不同的功能。 功能的实现，需要相应的结构来保证。结构设计时往往要根 据具体的功能确定具体的构件及其尺寸、位置、数量、连接方式 等要素。例如， 人们使用椅子时除了要可以坐， 往往还需要其能 够进行高度、角度等调节， 因此一些椅子采用了气压棒、可调椅 背来实现这些功能。 图 1-40 可调座椅 结构与功能的关系往往还需要考虑使用的环境、时间等因素。结构在规定的 使用期限内和规定的条件下， 完成预定功能的可能性， 称为可靠性。它是安全性、 适用性和耐久性的总称。安全性指结构在正常使用时能承受可能出现的各种荷载； 适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能； 耐久性指结构在规定环境条件 下和预定的设计使用年限内，能保持结构正常使用。 如图 1-42 所示的站立 式办公桌能够实现桌面垂直 升降的功能。与第 19 页“马 上行动”中的站立式办公桌 相比，该站立式办公桌的结 构具有什么样的特点，请分 析其是如何实现垂直升降功 能的。 图 1-42 可升降的站立式办公桌 在产品设计中，功能与结构之间的关系是怎样的？ 优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式上。古今中外 许多能工巧匠都把结构的功能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的结构设 计案例。 赏析结构设计作品，可以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，反映时代、民族、习俗方面的特征，结构的个性特征等。 在日常生活中，各种桥、塔、楼、房都有一定的结构，反映不同历史时期的技 术水平，体现特定的文化内涵。 飞 檐 飞檐是中国古代建筑屋顶结构的特色之一。屋顶的曲线、向上微翘的飞檐，使得原本异 常沉重的屋顶，随着线条的曲折，显出向上挺举的飞动轻快之感。 图 1-43 飞 檐 技术角度： 1. 功能 飞檐向外伸和向上翘起的屋角，使十分庞大、高耸的屋顶显得格外生动而轻巧，扩大了 采光面，有利于排泄雨水。 2. 结构设计 以岳阳楼为例，岳阳楼三层建筑均有飞檐，挑出的飞檐由斗拱承托，承托飞檐的方木块 叫作“斗”，托着斗的木条叫作“拱”。飞檐的造型美并没有脱离建筑屋顶本身的结构功能 而独立，其轮廓的和谐、对称都是在合理的受力结构基础上所产生的。屋面凹曲，屋檐、屋 角和屋顶的飞脊都是弯曲的，形成直线和曲线的巧妙组合。 3. 技术施工 岳阳楼是纯木结构，飞檐、斗拱及整个建筑没有用一钉一铆，仅靠木制的构件彼此接连， 经受岁月的剥蚀而昂然耸立了上百年（现存的岳阳楼是清光绪年间重建的） 。飞檐、斗拱的 图 1-44 岳阳楼 赵州桥坐落于河北省赵县，跨洨水，隋大业年间由著名匠师李春修建，是当今世界上年 代最久、跨度最大的敞肩型石拱桥。赵州桥结构新奇，造型美观。请查找资料，从技术和文 化两个方面分析其结构和功能特点。 图 1-45 赵州桥 在家庭生活中，我们每天都会跟桌子、椅子、柜子打交道，这些物品都有一定 的结构，是结构与功能、材料、技术、艺术的统一。 蚂 蚁 椅 雅格布森是 20 世纪丹麦著名建筑师、工业产品与室内家具设计大师。他的作品十分强 调通过细节的设计达到整体的完美。20 世纪 50 年代，他设计的蚂蚁椅是现代家具设计的经 典之一。 在生产领域，挖掘机、起重机等各种机械设备也具有一定的结构，它们在具有 较高稳定性和强度的基础上实现一定的功能。 龙门起重机 随着“一带一路”建设的不断深入， 在油气管道、港口海运和铁路公路等大 项目建设中，工程机械设备发挥了重要 的作用。 龙门起重机是常见的工程起重机械， 广泛应用于各个行业，例如，在建筑工地 进行施工，在铁路货场装卸火车、汽车， 在港口码头装卸集装箱等。 龙门起重机主要由门架结构、载重小 车、大车运行机构、电气设备和驾驶室等 几部分组成。门架结构主要由主梁和支腿组成。 主梁用以支撑载重小车，并且通过支腿沿轨道运行。从结构来说，主梁有板梁式和桁架式， 前者有箱形结构、三角形板梁结构， 如图 1-50 所示；后者有三角形桁架式、矩形桁架式和“∏” 形桁架式，如图 1-51 所示。 中、小跨度龙门起重机两个支腿和主梁的连接都采用刚连接，大跨度龙门起重机其中一个 支腿和主梁的连接采用了铰连接。箱形结构门架的支腿常采用“L”形、“C”形、“八”字 形或“O”形，如图 1-52 所示。 图 1-50 板梁式主梁截面形式 图 1-51 桁架式主梁截面形式 “L”形 “C”形 “八”字形 “O”形 图 1-52 箱形龙门架支腿外形 1. 如图所示的椅子，可以通过对椅背位置以及倾角的调节实现多功能转换， 满足不同的使用需求。要实现该功能，椅背和椅子之间应该怎样连接？ （第 1 题） 2. 如图所示是艾琳 · 格雷于 20 世纪 20 年代设计的可调式边几，请 查找资料，解释为什么该作品成为经 典设计，同时分析在使用时需要注意 哪些才能使它保持稳定。 3. 斗拱是中国传统木结构建筑的 标志性结构，如图所示。它既有建筑 力学的考虑，又有丰富的文化内涵。 请从技术与文化角度对斗拱进行分 析，合作尝试制作一个简单的斗拱。 市场上销售的站立式办公桌虽然种类繁多，但是与孙宇家书房空间、个人需求 有差距。孙宇决定和同学们一起设计并制作一张站立式办公桌。 任务一 分析结构设计应考虑的主要因素 在进行结构设计时，必须明确设计的目标， 抓住主要因素展开工作。 结构设计的目标及要求 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。例如，儿童自行车的结构设计，首先应以锻炼儿童的手脚协调能力 为设计目标，同时要满足童车结构设计的国家标准和规范的要求，如自行车的链轮 和链条不能裸露在外，车把、车闸的内侧距离不得超过 6 cm，外侧距离不得超过 8 cm 等，否则设计应视为不合格。再如，儿童玩具体内的金属丝，如果是用于支 持或加固框架，在设计时应尽可能考虑用塑料甚至硬质纸板代替；对内装驱动机构 的玩具，在结构设计及材料选择时应考虑其壳体的韧性、牢固性等。 商业建筑设计规范 商店营业厅的出入门、安全门净宽度不应小于 1.40 m，不应设置门槛。 营业部分的公用楼梯、坡道应符合下列规定： （1）室内楼梯的每梯段净宽不应小于 1.40 m，踏步高度不应大于 0.16 m，踏步宽度不应 小于 0.28 m； （2）室外台阶的踏步高度不应大于 0.15 m，踏步宽度不应小于 0.30 m； （3）供轮椅使用的坡道坡度不应大于 1 ∶ 12，两侧应设高度为 0.65 m 的扶手，当其水 平投影长度超过 15 m 时，宜设休息平台。 列出你所知道或听说过的关于结构设计类的国家标准或规范。 生活中： 。 工农业生产中： 。 结构设计应考虑的主要因素 为实现结构设计的基本目标，进行结构设计时 应考虑的主要因素有稳定性、强度、安全性、适用性、 耐久性和成本控制要求等。 不同的结构设计应考虑的因素各有侧重，但无 论在哪一类用途的结构设计中， 安全都是至关重要 的因素。 图 1-53 结构设计应考虑 结构设计需要考虑的因素有很多，除了上述因素外，结构设计还需要考虑哪些因素？ 同学们通过对站立式办公桌的市场调查，提出了设计要求，进行了设计分析， 并构思了三个方案。 项目： 设计并制作一个简单的站立式办公桌。 要求： 1. 能方便、快捷地实现桌面的升高和下降。 2. 具有一定的稳定性和强度。 3. 结构简单，能够利用通用技术实践室的基本工具、设备进行制作。 设计分析： 站立式办公桌要实现的重要功能是高度可调，人站立和坐下时均可使用。可以 结合原有桌面来设计，放置在原有办公桌上使用；也可以整体设计，实现站立使 用时， 桌面可调高，坐下使用时，桌面可降低。结构设计可分为三部分，即桌面、 支撑结构和高度调节结构的设计。 1. 桌面的设计 桌面要承受一定的外力，需要一定的强度，人机关系要合理。在设计时需要 考虑： （1）桌面的材质要易于加工，抗压抗弯强度好，能承受一般成人伏案时的压力。 （2）桌面的功能分区，根据需求设计整体升降或局部升降。 2. 支撑结构的设计 支撑结构的主要作用在于能支撑起桌面，能承受一定的力，且使用时稳定可靠， 同时能实现高度调节。在设计中需要考虑： （1）支撑结构的支撑形式的选择，应具有良好的稳定性和强度。 （2）支撑结构的组合方式、材料的组合方式以及构件之间的连接。 3. 高度调节结构的设计 高度调节结构可通过支撑脚的伸缩或几何形变来实现。在设计中需要考虑： （1）调到合适高度时能固定。 （2）调节方便，高度调节范围应满足人坐着和站立所需的高度差。 4. 各部分的连接 根据不同的设计方案，支撑脚与桌面的连接可以是铰连接或刚连接。为了确保 连接安装的方便，可以使用市面上已有的五金连接件。连接方法的选择需要考虑： （1）连接方法能满足功能实现的需要。 （2）连接的强度能满足实际需要。 （3）连接装配操作简单方便。 方案： 方案 A 孙宇所在的第一小组经过分析后决定，设计一个可放置在已有书桌桌面上使 用的可调高度的折叠桌，如图 1-55 所示。 支撑状态 完全折叠状态 斜支撑杆 图 1-55 方案 A 折叠桌的支撑结构 1. 桌面采用全封边处理的 600 mm × 450 mm 三聚氰胺板，也可采用实木集 成材。 2. 支撑结构为四边形结构，可实现折叠功能。使用时，以斜支撑杆和支撑脚 构成三角形，保持稳定。斜支撑杆和支撑脚之间以限位槽与限位螺钉搭扣固定。 斜支撑杆采用 5 mm 厚的铝板制作。当坐下使用时， 将斜支撑杆放下，支撑脚折叠， 桌面还原到低位，完成折叠。 3. 选用连接件时应考虑材料、功能及装配 要求。可以使用如图 1-56 所示的金属连接件， 用于装配桌面和支撑脚。 方案 B 赵婷婷所在的第二小组经过分析后认为， 如果将折叠桌放在已有桌子上，显得整体性不 够，考虑改造已有桌子，对桌子进行整体设计。 直角连接件 图 1-56 金属连接件 1. 桌面用实木板制作，形状为矩形，左面一端有孔，便于抬起和进行高度调节 操作。桌面安装在实木框架上，框架两侧分别开一对齿形槽和安装孔。 2. 采用“X”形的支撑脚，支撑脚安装于上下两个木框之间，用四根圆木料与 木框的孔和槽连接，如图 1-57 所示。安装在上方滑槽中的圆木料可在槽中移动， 当其卡入齿形槽中时，在重力作用下，支撑脚与框架的连接可保持固定。 图 1-57 方案 B 站立式办公桌的支撑结构 3. 桌面和木框之间采用自攻螺钉连接，木框、支撑脚的木料之间采用榫卯连接， 如图 1-58 所示。 图 1-58 连接方式 图 1-59 整体效果图 4. 此方案折叠后有一定的厚度，可以和桌子整合设计，如图 1-59 所示。 方案 C 周华所在的第三小组经过分析后认为，直立式升降操作更方便，设计了直立式 升降的方案。 1. 桌面采用实木长条板制作，下方用自攻螺钉安装两根方木料加固，滑动支 撑板和方木料之间用圆头螺栓、螺母连接，和书桌的后支撑脚之间用滑轨连接， 可相对支撑脚上下滑动，如图 1-60 甲所示。在滑动支撑板上加工齿形槽若干， 如图 1-60 乙所示。 2. 支撑框架由方木料和实木板组成，板材之间主要以自攻螺钉连接，其结构的 组合方法如图 1-61 所示。 甲 乙 图 1-60 支撑板 图 1-61 框架组合方式 3. 高度调节固定结构由圆木棒和圆钢棒组成，其结构如图 1-62 所示。在圆木 棒两端面钻直径为 7 mm 的孔，嵌入直径为 8 mm 的圆钢棒作为限位销。当限位销 卡入卡槽中，滑动支撑板处于限位状态，不能往下滑动；当将桌面往上提时，齿形 槽的斜面将限位销往外挤，限位销克服弹簧弹力往槽口移动，滑动支撑板可向上 滑动。要将桌面向下调节到坐姿高度，只需将桌面提到最高处，这时限位销被滑 动支撑板下端更宽的侧面往外推压，滑落到竖直槽中，失去限位作用。桌面可往 下滑动，再次调高桌面时，只需将限位销往上提即可复位。 图 1-62 高度调节固定结构 图 1-63 限位杆 制作： 选用合适的制作材料、连接材料以及工具设备。制作材料如方木料、实木板、 实木集成板、三合板、三聚氰胺板、铝板、不锈钢型材等；连接材料如自攻螺钉、 铆钉、铁钉、螺栓螺母等；工具设备如木工锯、手电钻等。 按照选定的设计方案规划制作过程并进行制作。 方案 B 的高度调节结构见图 1-64。 甲 乙 图 1-64 折叠桌高度调节结构 试验： 根据 GB/T10357.1-2013《家具力学性能试验 第 1 部分： 桌类强度和耐久 性》、GB/T10357.7-2013《家具力学性能试验 第 7 部分：桌类稳定性》进行强 度、稳定性试验，并撰写试验报告。 图 1-65 整体效果图 优化： 根据试验结果，优化设计方案。 1. 设计一个报纸架，从稳定性、强度、材料、使用方便以及美观等角度综合考虑。 2. 如图所示是两款笔记本电脑桌。请从调节方式、连接方式、可靠性等方面分 析这两款笔记本电脑桌是如何实现可调节功能的，并就可调节功能实现的可靠性进 行评估。 （第 2 题） 3. 鞋架和衣帽架是常用的家庭物品。请设计一个具有组合功能的架子，使其既 能挂衣服，又可以放置鞋子，并选择适当的材料进行制作。要求架子有较好的稳定 性和强度，外形美观，使用轻便。 稳固结构的探析 结构及其 设计 简单结构的设计 1. 中国明代的圈椅在国际上有着广泛的影响。20 世纪 40 年代，丹麦设计师汉 斯 · 瓦格纳受圈椅启发，设计了“中国椅”，并成为经典作品。请比较“中国椅” 与圈椅在结构上的相同点与不同点，分析“中国椅”的优点。 圈椅 中国椅 （综合实践1） （综合实践2） 2. 请查阅 GB/T10357.1-2013《家具力学性能试验 第 1 部分：桌类强度和耐 久性》相关资料，选择某个指标，对教室中的课桌或家中的桌子进行强度试验。 3. 多功能手拉车给人们的出行和购物带来了方便。试设计制作一款用于购物的可 折叠手拉车。设计的基本要求： （ 1 ）能够承载 15 kg 的重物并拖行。 （2）停放时，能够支撑起重物，不倾倒。 （3）不用时，能够折叠起来，方便携带。 第一单元 在平台中完成自我测试 测试成绩 存在的主要问题 039 一、流程的探析 ● 任务一 ● 任务二 ● 任务三 1. 通过技术体验和案例分析， 阐述流 程及其环节、时序的含义。 2. 会阅读简单的流程图， 并根据流程 的特点绘制简单的流程图。 3. 通过案例分析，归纳流程对生产、 生活的意义。 孙宇设计了一款组合式笔筒，笔筒一高一矮，既可以组合在一起，又可以分开使用。 他用木质材料进行两只笔筒的独立制作后，发现两只笔筒无法组合在一起。究竟哪个 环节出了问题呢？ 人类的生活、生产活动都是在一定的时间内发生、发展和结束的，都是为了 一 定的目的、按照一定的顺序和规则进行的。 小电扇的组装经历了一系列具体的步骤，这些步骤都有开始的时间和持续的时 间，而且这一系列步骤都是按一定的先后顺序进行的。我们把这种时间上的先后顺 序称为时序。 任何一项生活或生产活动都有一定的时序。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， 如在小电扇的装配中， 只有先安装扇叶然后才能安装网罩；有些步骤之间的时序是可以颠倒的，如在小电 扇的装配中，是先装网罩还是先装支架，没有严格的先后关系，可以有不同的时间 顺序。 请列举生活中时序不可颠倒的事例，并说明理由。 时序不可颠倒的事例 理 由 1. 只有先拆开自行车的外胎，才能 检查和修补漏气的内胎 内胎被保护在外胎之内 2． 3． 4． 时序是否可以颠倒，是根据事物本身内在的机理来决定的。如果后项任务是以 前一项任务的完成作为条件的，或者一项任务的完成会对另一项任务产生较大的负 面影响时，时序就不能颠倒。我们应尊重和遵循这些规律或机理。对于一些可以颠倒 的时序，我们应注意分析和比较，并根据一定的目的和条件进行适当的安排。 对于一项活动，我们可以依据它的某种特征，或某个具体目标，将其分解为若 干个过程或阶段。如我们可以将研发新产品的过程划分为：新产品需求提出阶段、 新产品规划阶段、新产品研发阶段、新产品试产阶段与新产品生产阶段等。我们 把完成某个具体目标、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。 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。有些环节中又可能包含若干可以分解的、目标更具体的事项。例如， 组装小电扇的扇叶这个环节，又可以分为若干小的环节，如装扇叶、用紧定螺钉固定、 装扇叶外装饰盖等。划分的环节有大有小， 根据不同的需要可以有不同的划分方法。 2. 如图 2-3 所示，元器件体积有大有小，有高有低。为了更快更好地完成焊接工作，如 何确定不同元器件焊接的时序？ 图 2-3 元器件体积大小不同 流程是一项活动或一系列连续有规律的事项或一种行为进行的程序。这些活动、 事项或行为以确定的方式发生或执行，导致特定结果的实现。我们可以把流程理解 为是为了一定的目的去做事情的顺序。例如，学校的作息时间表反映了师生在校一 天活动的流程，确定了教师和学生每天有规律的活动顺序。任何流程都反映了一定 的时序，体现出一定的环节。 流程的环节能够任意划分吗？在划分环节时，应该注意些什么？ 用木材制作一个可插接式的双笔筒，如图 2-5 所示。其制作阶段及表面处理阶段的环节 如表中所列，请对其进行合理排序，并将排列序号填入表中。 图 2-5 可插接式双笔筒结构与实物图 阶段 组成环节 时序 制作 ①画线 ②钉接 ③锉削 ④锯割 ⑤下料 表面处理 ①砂纸打磨 ②锉削 ③喷涂油漆 任务二 绘制流程图 为了使流程的描述清晰可见，我们一般采用流程图来表达流程。 产品的设计过程就是一个流程，如图 2-6 所示。在这个流程图中，方框表示某 个环节，单向箭头表示环节的顺序关系。 测试评估， 优化方案 图 2-6 产品设计过程 依据流程的性质以及人们的表达习惯，流程可以通过文字、表格、图示等方式 表达，有些场合还可利用模型、动画等方式表达。 某学校食堂食品加工处理流程图 步骤 加工 采购 粗加工 烹饪 1 看 拣 高温 2 摸 洗 烧熟 3 过秤 浸 蒸透 4 索证 切 质检 5 出锅 6 留样 表格表达 图示表达 图 2-7 流程的多种表达方式 从以上流程图中可以看出，有的用时间表达 时序，有的用数字序号表达时序，还有的用箭头 表达时序。流程图中的序号或方框反映了环节、 工序的具体情况。 在编制计算机程序时，经常要用程序流程图 来表示算法，流程图中的方框、菱形框表示一定 的环节，箭头表示程序流动的方向。例如，计算 S = 1 + 2 + 3 + … + 100 的算法，可用如图 2-8 所 示程序流程图表示。 i=1，S=0 i ≤ 100 N Y S=S+i i=i+1 输出 S 的值 图 2-8 程序流程图 不同的流程因其类型及表达用途不同，可以采用不同的表达方式。 图 2-11 装配流程图 万向轮组装完成后，赵卫开始思考：利用万向轮发电是否可行呢？要攻克哪些技术问题？ 用什么材料和加工工艺才能实现发电功能？他带着这些问题去找老师，老师建议他做一份详 细的开发方案，保障此项工作的顺利开展。下面是赵卫的开发计划： ① 概念开发与产品规划阶段：对万向轮发电装置的技术可行性、使用可行性、主要存在 的问题、有无市场前景等进行研究，并形成开发与产品规划的前期研究报告。 ② 详细设计阶段：进行多方面的调查与研究，以及多种方案的对比，选择一种或多种比 较合理的方案，形成较为详细的产品设计文本。 ③ 制作生产阶段：根据设计文本，进行个别产品的样品制作，并研究生产设备及加工的 最佳方案。 ④ 测试阶段：对产品的样品进行强度、充电等多方面的检测，并对所检测的数据进行分析， 找出问题所在。 ⑤ 优化阶段：对结构、生产过程及原理等方面进行改进优化。 ⑥ 产品定型阶段：即结构、功能、工艺、检测、设备等基本定型。 赵卫想设计一个产品开发流程图， 以便更好地表达自己的想法。赵卫设计的产品开发流 程方框图如图 2-12 所示： 开发与产品规划前期 研究 项目产品规划 方案构思 调查，对比， 分析，研究 形成产品设计文本 制作及生产 测试及优化 产品定型 评估 评估阶段 产品生产报告 产品投产 图 2-12 产品开发流程方框图 在选择流程表达方式时，除了要考虑不同的流程表达有不同的特点外，还需要考虑哪些因素？ 生活中处处有流程。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，使我们的生活变得有序、合理，为我们的安全提供保障。 生活中的流程对生活质量往往有着重要影响。例如，在家庭日常烹饪流程中， 何时放菜，何时加盐和味精等佐料，对菜的营养和口味都有直接的影响。在缺碘 地区的家庭日常烹饪流程中，炒同一种菜，若在出锅前放碘盐，碘的食用率可达 63.2%，而若在高温炒制时放碘盐，碘的食用率仅为 18.7%。 鞋子的私人定制 为了最大限度地满足顾客的个性 化需求，降低经营成本与生产成本， 某制鞋企业以“互联网＋ ”“大数据”“工 业 4.0”三大技术作为运行平台，向顾 客提供了定制服务。顾客通过电脑、 手机等网络终端登录， 在线自主选择 产品的款式、工艺、材料、创新点， 在线支付后生成订单， 实现从产品定 制、交易、支付、设计、制作工艺、 生产流程、后处理到物流配送、售后 服务全过程的数据化驱动和网络化运 作。具体流程如图 2-14 所示。 思 考：该流程与 一 般制鞋企业 从生产到销售过程中的流程有什么不 同？ 分析该生产与销售流程对顾客与 企业的意义。 在工农业生产中，我们依据一定的流程来组织生产、管理企业。对于生产过程， 有加工流程、组装流程、包装流程、质量检查流程、安全生产流程等；对于企业经 营过程，有原材料采购流程、市场销售流程、财务工作流程等。 C2M 的典型案例——服装定制 C2M（Customer to Manufactory，消费者需求驱动工厂有效供给）运行流程是先销后产的 模式，以“互联网＋”“大数据”“人工智能”等技术作为运行平台，与传统的先产后销有 本质的区别。 与其他私人定制项目相类似，定制服装的消费者通过计算机、手机等信息终端登录，经过 一定的流程，实现全过程的数据化驱动和网络化运作。消费者下单后，工厂才进行生产，没有 资金和货品积压，运营简单，实现了“按需生产、零库存”，可以最大限度地让利给消费者， 而消费者也无须再分摊企业成本。 生产过程中，每一件定制的服装都有其专属的电子芯片，并伴随生产的全过程。每一个 工位都有专用终端设备，从互联网云端下载和读取电子芯片上的订单信息。通过智能物流系 统等，解决整个制造流程的物料流转问题；通过智能取料系统、智能裁剪系统等，实现流水 线生产。基于物联网技术，多个信息系统的数据得到共享和传输，打通了信息孤岛，打破了 企业边界，多个生产单元和上下游企业通过信息系统传递和数据共享，实现整个产业链的协 同生产。 1. 农业循环经济就是将农业的多种产业组成产业链网络，将废弃物变为资源， 形成无废弃物的清洁生产体系。分析下图的农业循环经济体系图，列举一个流程， 并画出对应的流程图。 粪便等废弃物 畜牧养殖业 粪便等 肉、蛋、奶等 种植业 农产品加工业 水产品 水产养殖业 废弃物 秸秆 资源综合利用（如沼气池） 沼液、沼渣等 农业循环经济体系 （第 1 题） 2. 容错设计指的是操作过程中，即使操作环节发生错误也不会产生不良的后 果。分析以下两种设计是否属于容错设计，说明理由。 缺角对准 装入 SIM 卡的一角切角 撤销 撤销返回按钮 （第 2 题） 3. 车床加工工件时，必须通过卡盘上的卡爪 夹持工件。卡盘扳手是将工件夹持在卡爪中或将 工件从卡爪中松开卸下的专业工具。在车床上有 一个卡盘扳手插入装置。如果扳手没有插入装置 中，则车床无法启动。在加工流程中增加一个将 扳手插入装置的环节，其意义是什么？ 卡盘扳手 （第 3 题） 4. 如图所示是某类灭火器使用流程，采用“图 + 文”的表达方式，有什么特点？ 适用于何种场合中？ 1. 取出灭火器 2. 拔掉保险销 3. 一手握住压把， 一手握住喷管 3 m 4. 对准火苗根部喷射 （人站立在上风） （第 4 题） 5. 如图所示是山核桃碎壳机的设计示意图及工作流程图。从图中可以看出，要 完成山核桃碎壳至少需要哪些环节？各环节需要处理的关键问题是什么？ 一2 3 1 1- 推进杆 2- 山核桃 3- 出料板 4- 压砸杆 5- 反弹杆 6- 弹簧 7- 出料腔 推进杆 推进 出料板 打开 出 料 （第 5 题） 6. 我国是最早掌握造纸工艺的国家，传统造纸的流程图如下： 请完成以下任务： （ 1 ）下图表示造纸流程中的哪几个环节？ （2）下图所示是现代造纸的局部流程，其对应的是造纸的哪几个环节？用方 框图与图文表达流程各有什么特点？ 料 蒸煮（或浸渍）和磨浆 （第 6 题） ● 任务一 分析流程设计应考虑的基本因素 ● 任务二 设计金属笔筒加工流程 1. 结合流程设计的活动体验， 分析流 程设计应考虑的基本因素。 2. 结合实际需求进行合理的流程设 计，并用流程图表达出来。 3. 通过流程设计，体会流程设计的基 本思想与方法。 孙宇觉得用木材制作组合式笔筒比较简单，于是，他利用废旧钢管设计制作了一 个组合式金属笔筒。制作组合式金属笔筒， 工艺较为复杂，环节较多。孙宇单人制作， 费时费力。如果让一个小组的同学共同参加，操作的流程应该怎样设计呢？ 任务一 分析流程设计应考虑的基本因素 人类生产和生活中的流程不是自然存在的，而是靠人们研究和设计出来的。流 程设计对于指导人们的工作、生活和有效地组织生产起着关键作用。同时，流程设 计又是一项技术性很强的工作。因此，应以科学严 谨的态度，充分考虑流程设计的基本因素和相关因 素，遵循事物的内在性质、规律进行设计。 设计一个流程应先明确流程要实现的具体目 标。对于工作和生活方面的流程设计，主要应考虑 节省时间、提高效率、提高质量等目标。对于生产 活动的流程设计，主要应从提高效率、提高质量、 节省资源、安全生产、降低成本、提高管理水平等 方面明确设计的目标。 图 2-18 流程设计的目标 流程中工序的作业方式分为串行与并行。每个环节都依次进行的工序，就是串 行工序。串行工序的特点是，上一道工序完成之后才能进入下一道工序。如果工序 是同时进行的，就是并行工序。并行工序往往是多人或多台设备同时工作，这样可 以大大提高生产效率。 在生产活动中，流程设计目标明确后，设计流程需要考虑的基本因素包括材料、 工艺、人员和资金、环境、设备。 不同的材料有不同的加工处理方法：木质材料加工相对比较 容易 工艺 基本 因素 环境 不同产品的工艺要求各异，其流程设计也不同。如 表面处理，有的只需要粗加工，有的则需要精加工， 有的在精加工的基础上还需要镀层 人员的技术水平和必要的资金影响生产的 过程、质量和周期，是进行流程设计必须 考虑的主要因素 生产过程对环境的污染以及环境对生产的反作用， 是流程设计时应关注的重要因素 生产设计的水平往往决定了流程的自动化水平，也决定了流 设 备 程加工的精度与质量。在现代加工设备中，应用数控机床、 三维打印机等，可解决传统加工中的难题 图 2-20 设计流程应考虑的基本因素 不同行业的流程有不同的特点，其流程设计中应考虑的基本因素也各有差异。 例如，农业生产的流程设计还应考虑气候、季节、自然灾害、生态平衡等因素。 流程设计要依据事物的内在属性和客观规律，科学地设计时序和环节，以达到 设计的目标。 合成氨的生产工艺流程 首先用适当的方法生产出合成氨的原料——氮气和氢气。氮气和氢气的混合气体在合成 塔内 500℃和 300 atm 条件下，通过催化剂的作用产生氨气，再通过氨分离器不断地把生成的 氨分离出来，同时未转化的反应气体再进入合成塔循环加工。这就是合成氨的工艺流程。 合成氨工艺流程的产生是一个对其内在属性和规律的探索过程。19 世纪初，经过化学家 上万次的试验，最终才得出在 500℃高温和 300 atm 的条件下能产出合成氨，但转换率仅有 2%~8% 的试验结论。后来又经过不断试验才形成现代工业生产上使用的较为成熟的合成氨生 产工艺流程。 在流程设计中，我们需要将现代化的加工设备作为其中一个因素进行考虑。根据这个思路，在 流程设计中除了材料、工艺、设备、人员外，还有哪些因素需要考虑？ 流程设计，第一，要明确设计的目标和任务， 明确流程应遵循的内在变化规律。 第二，要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境等因素。不同的设备和人 员条件可能导致不同的流程设计结果。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） 之间的先后顺序， 合理地安排流程的 时序环节。例如，一个产品的生产流 程设计一般由材料准备环节、加工环 节、组装环节、产品质量检查环节等 组成。这些环节中分别应该安排哪些 工作，是串行工序还是并行工序等。 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。 一 个流程要经过精心的设计和 反复的修改，才能达到比较理想的 效果。 确定目标，明确任务 分析基本因素 明确主要事项（步骤） 确定时序，划分环节 修改方案 画出（或修改）流程图 能否达到 目标要求 否 是 结束 图 2-21 流程设计的步骤 笔筒 1 主体的制作流程： 下料 划线 钻孔 锯割 锉削 攻丝 底板的制作： 下料 划线 锯割 打磨 （2）笔筒 2 的制作流程 分析：笔筒 2 与笔筒 1 结构不一样，因此加工 流程也不同。 平头螺钉（卡扣）通过筒身上的内螺纹安装， 主要是与笔筒 1 的槽相配合，实现两个笔筒的连接。 底板衬托同样是为了底板的固定。 笔筒 2 主体的制作流程： 下料 划线 锯割 钻孔 攻丝 弯折 锉削 底板的制作： 下料 划线 锯割 打磨 （3）铭牌的制作流程 铭牌的制作，根据不同的设备，其制作方法也不同。 如果采用三维打印机直接打印，则其操作流程为： 三维建模 打印 后续处理 如果采用激光雕刻机进行加工，则其操作流程为： 图形建模 导入 激光雕刻 （4）表面处理 即对金属表面进行美化、安全处理。其基本流程是： （5）装配 装配包括：用平头螺钉 将笔筒 1 与笔筒 2 装配在一起。 考虑到螺钉 既要拧紧，又要能卡入，所以对平头螺钉 是有要 求的，要选用如图 2-26 所示的平头螺钉 。 铭牌通过平头螺钉 固定在笔筒 1 上。 其操作流程是： 装铭牌 装平头螺钉 组装 图 2-26 平头螺钉 工厂设计流程时，不仅要懂技术，还要熟知设备情况、工人的技术水平、生产 组织流程、质量管理流程等。 1. 如图所示是车轮的结构示意图，轴承 1 和轴承 2 安装在滚轮的孔中，用于滚 轮与螺栓间的支承，套筒 1 和套筒 2 分别安装在支撑座两个侧板的孔中，用于对滚 轮的轴向定位，螺栓穿过套筒 1、滚轮、套筒 2 安装在支撑座上，垫圈、螺母安装 在螺栓上，用于锁紧。 车轮的装配需要以下环节：A. 安装轴承 1 和轴承 2；B. 安装螺栓；C. 安装套筒 1； D. 安装螺母；E. 安装垫圈；F. 放置滚轮；G. 安装套筒 2。 请分析车轮的结构和装配工艺，填写合理的装配流程： → C → → → G → E → 。 （第 1 题） 2. 请设计一个小木锤的加工制作流程。 3. 如图所示，根据已知的配件装配成折叠式台灯模型，请设计合理的装配流程 并用合适的表达方式进行表达。 配件名称 图样 灯头板 支撑杆 1 支撑杆 2 底板 1 底板 2 转轴 （第 3 题） 4. 在制作折叠架时，需要用连接件把两个铁质构件进行连接，如图甲所示。用 钢板加工成如图乙所示的连接件，加工时采用如图丙所示的流程。结果发现，连接 件无法与两个构件正确装配。请分析原因，并设计一个正确的加工流程。 螺钉孔 甲 （第 4 题） 三、流程的优化 ● 任务一 分析流程优化的基本要素 ● 任务二 进行简单的流程优化 1. 通过案例分析，尝试分析流程设计和 流程优化的基本要素，能够体会流 程设计的基本思想和方法。 2. 能结合技术需求对已有流程进行优 化，并用流程图表达出来。 孙宇发现，小组同学在做金属组合式笔筒时，有的同学忙得不亦乐乎，但有的同 学却无所事事。如何让所有同学动起来，做合适的工作，形成协作？显然需要对原加 工流程进行合理的优化。 在流程的设计和实施过程中，需要对流程进行不断的改进， 以期取得最佳效果。 对流程的改进过程，称为流程的优化。 生产和生活中的技术改进和革新，多数是对已有流程的整体改进或是对其中某 一环节的改进，使其得以优化。优化的目的是为了提高工作效率、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。 流程优化包括工期优化、工艺优化、成本优化等。根据需要，有的流程优化 是对单个指标的优化，有的流程优化是对多个指标的优化。对于一个特定的流程， 往往是以某个指标的优化为主， 综合考虑其他指标。如果片面地强调某一指标的 优化， 可能会带来其他指标的下降。因此，流程的优化应在综合考虑各项指标的基 础上，抓住主要矛盾，突出重点指标的优化，综合权衡，以达到整体优化的目的。 通过对流程采取一定的优化措施与技术手段，能够达到提高工作效率，减少作 业时间的工期优化的目的。 从自动分拣到智能分拣流水线作业方式 自动分拣流水线作业方式是：贴有信息标签的商品进入流水线后， 通过射频识别技术 进行识别；控制装置接收识别信号后，控制商品进入分拣道口，然后再进入集货区。 智能分拣利用了 AGV（自动导引运输车）。当分拣员将货物放在 AGV 的平台上时，识 别检测装置自动检测货物的目的地，根据目的地自动规划出线路，快速送到目的地，并将货 物送至下落口。尽管同时作业的机器人数量众多，但都能在自己的路线上运行，秩序井然地 完成传送。 人工码货到 AGV AGV 过龙门架 货物打包 中转站货物 上分拣线 条码识别 快速分拣传送 口自动卸货 图 2-28 智能分拣流水线 采用先进的工艺技术，不仅能够大大缩短工期，而且能够提高产品的质量。因此， 谋求工艺设备的改进和工艺方法的优化，是进行流程优化的主要手段之一。 工艺优化 法兰是以钢材为材料制造的用于管道等的连接器件。从制造工 艺上看，有切削法和少切削法两种加工方法。 1. 切削法 切削法就是将圆钢直接在车床上切削成型，然后再钻孔而成。 其加工工艺流程如下： 下料 切削 钻孔 检查 用切削法制造法兰的特点是工艺简单，缺点是切削过程耗费的 时间太长，生产效率低，而且材料的利用率很低。 2. 少切削法 这种方法的工艺流程如下： 图 2-29 法 兰 原料断料后，放在加热炉内加热变软，然后用模具将其锻压成型，再经过热处理，最后 按照尺寸要求，进行少量的切削加工，并检查质量。 这种工艺流程虽然工序较多，所用设备较多，但由于切削量很少，大大减少了材料的浪费， 而且生产效率高。 锻压 材料 检查 切削 热处理 图 2-30 少切削法的加工流程图 加工质量为 3.8 kg 的法兰时，比较不同加工工艺下钢材的切削量，填写下表。 加工方法 一个法兰的质量 材料利用率 加工 1 万个法兰的切削总量 切削法 3.8 kg 40% 少切削法 90% 思考：两种加工方式分别在什么情况下使用？ 成本优化 某单位食堂提供午餐。午餐餐具为每人一个不锈钢餐盘、汤勺、汤碗和一双筷子。用餐 完毕后餐具需要用餐者自己归类放置，回收餐具顺序如图 2-31 所示。 图 2-31 餐具回收流程 食堂工作人员发现，每过一段时间，汤勺总是不够用，后去用餐的职工往往找不到汤勺， 汤勺到哪里去了？通过观察发现， 回收餐具时，总是有人不自觉地把汤勺倒进收剩渣的桶中， 所以汤勺会越来越少。 讨论：应如何进行流程优化以解决汤勺“消失”的问题？结合材料找出自己学校食堂餐 具的归类放置存在的不足，并给出具体的优化措施。 1. 工期优化与工艺优化各有什么特点？ 2. 有人说“工艺优化是工期优化、质量优化与成本优化的手段”，你是如何理解的？ 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和对流程内 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，流程也随之改变。因此，流程与材料、设备、工艺有着密切的关系，在优 化流程时，需要充分考虑这些条件。 效率与安全隐患分析：工人手脚并用，双手放好工件后，立即踩下控制踏板， 中间几乎 没有任何停顿，可以快速地完成焊接。但是，由于工人动作太快，双手尚未撤离，控制踏板 可能已经被踩下，焊接电极就会直接压到工人的手指，导致严重的安全事故。 从提高安全系数角度看，该流程需要优化。 优化方案一： 具体方案：不采用脚踩下踏板进行焊接，而是在焊接机的两侧放置两个按钮，必须用双 手同时按下按钮，焊接机才能进行焊接。这样双手必须离开工件，就避免了焊接时焊接电极 砸到手指的事故发生。 优化后的流程为： 此流程的优化通过改变流程的环节，将脚的操作改为手的操作，从而避免了重叠性操作（手 脚同时操作）而产生的伤害。 效率与安全隐患分析：这样的设计基本消除 了安全隐患，但是依然存在两个问题： 1. 双手需要运动到两侧较远的距离才能按 下按钮，降低了生产效率。 2. 按钮有可能被其他人按下，产生安全 隐患。 优化方案二： 将控制按钮改成微动开关，安装在焊接位 置的两侧。工人安放好工件之后，只需要打开 双手，双手同时触碰两侧的微动开关，就能控 制电极下压进行焊接，在保证安全的同时提高 了生产效率。 其流程为： 正极电缆 微动开关 微动开关 被焊工件 2 被焊工件 1 图 2-34 优化方案二 焊接电极下压 通电完成焊接 效率与安全隐患分析：这样的设计消除了安全隐患，但是依然有问题，双手仍要同时触 碰微动开关，工人重复劳动时间长。 优化方案三： 为了进一步提高安全性，还可以在焊接区域 的周围安装光栅传感器，只要任意一条光栅被遮 挡，设备就会立即停止。这种优化是以光栅技术 作为条件的。 图 2-35 光栅传感器工作原理 孙宇小组制作的笔筒得到了同学们的充分肯定，经过学校及老师的同意，他们决定为全 班每位同学制作一个组合式金属笔筒。从一个小组制作一个笔筒，到一个小组制作多个笔筒， 必然要对原先的流程进行优化设计，以提高工作效率，降低劳动强度，提高质量。请分析孙 宇小组制作流程的优化可以有哪些具体的方案。 流程再造与信息化基础 20 世纪 90 年代，美国麻省理工学院教授迈克 · 哈默与詹姆斯 ·钱皮提出企业再造理论 和方法。企业再造是指“为了飞跃性地改善成本、质量、服务、速度等重大的现代企业经营 基准，而对工作流程进行根本性的思考并彻底改革”。在一个企业中，业务流程决定组织的 运行效率，是企业的生命线。为了能够适应新的世界竞争环境，企业必须摈弃已成惯例的运 营模式和工作方法，以工作流程为中心，重新设计企业的生产、经营和管理方式。 哈默教授认为，企业的流程再造就是企业的一场革命。信息网络技术可以作为企业再造 的手段。流程管理要处理大量的信息，必须以快速而灵敏的信息网络为依托。通过信息处理 系统，几乎所有的相关工序都可以同时进行。通过流程管理信息系统，决策者可以及时掌握 必需的决策信息。信息系统的建设，一方面构造企业内部的信息网络，另一方面要与企业外 部的信息网络连接，充分利用外部的信息资源。 1. 城市中的湖底往往会积聚大量的污泥，如果不及时清理，就会滋生大量的水 生植物而污染水质。某公司原先清理城市污泥的流程如图甲所示： P 进料泵 滤液排放 脱水机主体 脱水淤泥外运 螺旋输送机 甲 后来，该公司对清理城市污泥的流程进行优化，优化后的流程图如图乙所示： （第 1 题） 比较这两个流程图，第二个流程哪些方面得到了优化？该优化属于流程中的何 种优化？ 2. 张伟同学家附近有一个停车场， 停车场的通道只允许一辆汽车通过，因 此经常堵车。后来在通道两端各安排 一 个人值班，对车辆进行正确的进出安排， 可是这样又增加了人工费用。请你提出 一个方案，较好地实现车辆进出流程的 优化。 3. 如果通过人工分拣一元、五角、一角的硬币，工作量大，效率低下。请应用 学过的流程知识，设计分拣硬币的具体方案。 4. 某银行的 ATM 机（自动柜员机）取款流程如下： 插入卡片 输入密码 确定服务项目 输入取款金额 取款 取出卡片 该流程的问题是，如果顾客使用 ATM 机取钱， 取款后忘记取回银行卡，容易造成卡内资金被盗。 请提出该流程的优化方案，以避免忘记取回 银行卡造成的损失，并说明该流程的优化需要什 么条件。 5．某厂生产竹凉席（第 61 页案例分析）通过 二期优化后，效率有了较大的提高，但是由于四个 钻头同时相对钻孔，会出现两孔不通或是钻头相碰 损坏的现象。请你提出方案进行工艺改进，解决问题。 ATM 机 ATM 机 （第 4 题） · 时序体现了具体活动内容的 先后关系 ·环节是组成某项生产或某个 活动过程的若干阶段或小的 过程 流程及 其设计 流程的优化 1. 共享单车是指企业在地铁站点、公交站点、居民区、商业区等公共服务区提 供的自行车共享服务，是一种分时租赁模式。共享单车能方便人们出行，但存在乱 停乱放的现象。请实地考察共享单车的出借、使用、归还等过程，画出流程图，并 就该流程图，针对乱停乱放的现象提出流程优化的措施。 2. 选择家里的某一个废旧小电器，对其进行拆卸与装配，写出拆卸与装配的流 程图，并比较两个流程有什么不同。 3. 垃圾清运车每天都要从生活小区运走很多垃圾。怎样处理这些垃圾，使它们 变废为宝呢？到垃圾处理场进行实地考察和调研，以一种垃圾处理方式为例画出垃 圾处理的流程图，并提出你的改进设计方案， 以及改进所需的实施条件（如设备、 环境、资金等）。 4. 设计一个民用住宅的施工和装修流程。 杨大伯家里要盖一幢砖混结构的房子，为了更好地组织施工，他需要设计一个 施工和装修的流程。请你按以下要求帮他完成这项设计。 （ 1 ）分别画出施工和装修的流程图， 注明环节、工序的时间， 分别计算出 工期。 （2）根据材料、施工人员、工期等因素，进行流程的优化分析，考虑如何平 衡工程的成本。 提示：主要环节有材料准备、打基础、砌墙、架梁、铺瓦面、抹灰、安装门窗、 装修等。 5. 对一种工业产品组装工艺流程进行改进设计。 通过参观访问，了解一种工业产品（如电视机、摩托车、电动自行车、粉碎机、 脱谷机等）的装配工序，画出装配流程图。如果有需要改进之处，请对组装流程加 以改进设计。 提示：如果是手工或半自动化的装配流程，可以提出采用自动化流水线的装配 工艺。 技术与设计 2 在平台中完成自我测试 测试成绩 存在的主要问题 073 学校开展校园节水活动，向学生征集校园节水方案。有同学提出，应该更换厕 所洗手池的老式水龙头，解决水龙头没关或漏水而造成的浪费问题；有同学提出， 应将洗手和洗拖把的水循环利用于厕所冲洗及绿化浇灌；还有同学提出可以将雨水收 集和利用起来。大家各抒己见，为更加有效地收集与利用校园水资源建言献策。 按压式延时水龙头的工作过程 按压式延时水龙头的工作过程是在水龙头阀腔内装有可上下移动的阀芯，当压盖按钮被按 下时，阀芯被推进阀腔，进水口打开，阀腔进水，水龙头开始出水。停止按压后，阀芯在弹簧 的作用下开始复位。由于此时弹簧对阀芯的作用力大于阀腔内水对阀芯的阻力，阀芯在这两种 不同方向力的作用下缓慢复位，形成一段延时时间。当阀芯完全复位后就会关闭水流。 按压式延时水龙头由阀体、压盖、阀座、圆柱形阀芯、弹簧等若干部件组成。 这些部件相互联系、相互作用，形成了按压式延时水龙头可以延时供水的功能。其 中任何一个主要部件出现问题，都有可能导致按压式延时水龙头无法正常工作。这 种由相互联系、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。在这里， 要素是指构成系统的最主要的元素。一般来说， 部分相对于系统的整体而言，要素相对于系统的元素结构而言。很多情况下，要素 和部分又可以通用。如一个企业就是一个系统，它是由人、财、物、事等要素组成的， 同时也是由管理部门、生产部门、营销部门、供应部门等部分组成的。在这个系统中， 各要素（部分）都是不可缺少的，它们之间存在着一定的联系。 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）所不具备的。 1. 请指出下列系统分别由哪些要素（部分）组成。 系统的名称 组成要素（部分） 按压式延时水龙头 阀体、压盖、阀座、圆柱形阀芯、阀腔、弹簧等 系统有大有小，有复杂有简单。对于大型的复杂系统，根据需要，按照一定的 标准可划分为若干子系统。例如，地球生态系统由海洋生态系统、森林生态系统、 陆地生态系统等子系统构成；交通系统可分为航空运输系统、铁路运输系统、公路 运输系统、水路运输系统等子系统；管理系统可分为生产管理系统、营销管理系统、 财务管理系统等子系统。同样， 一个系统又是更大系统的子系统。 自行车的子系统 自行车是我们日常生活中常用的代步工具。 图 3-3 自行车 1. 请分析自行车可分为哪几个子系统，每一个子系统包括哪些要素，并填写下表。 子系统 要素 传动子系统 脚蹬、曲柄、中轴与链轮、链条飞轮与车轴等 2. 如果在平直的公路上骑行时发现自行车有规律地颠簸，可能是哪个子系统出现了问题？ 请说明理由。 如果将学校的自来水供水系统按照供水用途进行划分，可以分成哪些子系统？ 系统的基本特性 整体性 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。 具有相对独立功能的系统要素以及各要素之间的相互关联，根据系统功能依存 性和逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。系统的构成要素和要素的机能、 要素的相互联系和作用要服从于系统整体的目的和功能，在整体功能的基础上展开 各要素及相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。任何一个 要素不能离开整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。如 按压式延时水龙头，其阀体、压盖、阀座、圆柱形阀芯、阀腔、弹簧等要素在孤立 状态下或简单地相加都不可能具有延时自动关闭水流的功能。 不能离开整体去分析系统中的任何一个组成部分。一个系统组织得好不好，就 看它的整体功能即系统功能实现得好不好。例如， 一架 C919 飞机总共有几百万个 零件，这些零件都不可能独立实现飞行的功能，但正是这些“不会独立飞行”的零 件按照一定的结构进行组合后，就构成了能把人送上蓝天的庞大的飞机，从而实现 了飞机的飞行功能。 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） 或整体功能的发挥。 如果按压式延时水龙头复位时间变短且在复位状态下还是会有水流出，你认为是什么原因造 成的？ 如何理解“系统的整体不等于各孤立要素之和”这句话？ 相关性 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。 例如，古代建筑抬梁式结构又称叠梁式结构，如 图 3-4 所示，是一种梁架结构体系。抬梁式结构 的特点是在柱顶上沿房屋进深方向架数层叠架的 梁，梁逐层缩短，层间垫短柱或木块，最上层梁 中间立小柱或三角撑，形成三角形屋架。房屋的 屋面质量通过椽、檩、梁、柱传到基础。这种结 构在我国应用很广，官式和民间建筑中都很流行， 特别在北方更是如此。它的优点是室内少柱或无柱，可获得较大的空间。当柱与柱 之间的梁的跨度增大时，则梁的厚度要相应地加大，否则就不足以承受设计所需的 重力，梁的跨度与梁的厚度之间的关系就反映了这一系统内部要素与要素之间的相 关性。 目的性 任何系统都服务于某种目的，都要实现一定的功能，这也正是区别不 同系统的标志。系统的目的一般通过更具体的目标来体现。例如，按压式延时水龙 头通过弹簧使阀芯复位，实现了水龙头打开和“延时关闭”的目的。对于复杂的系统， 目标可能有多个，往往需要使用一个指标体系来描述。例如，衡量一个企业的经营 业绩，不仅要考虑产量，更要考虑其利润、成本和质量指标的完成情况等，这些指 标构成了评价一个企业的指标体系。 设计和分析一个系统时，必须事先弄清其目的，否则就无法构成一个良好、有 序的现实系统。当系统存在多个目标时，要从整体协调的角度出发寻求平衡，以获 得整体上的最佳效果。 动态性 “太阳每天都是新的”，这说明任何事物都是不断变化的。系统都是动 态的，处在运动变化和发展之中。例如，一般情况下，任何机械传动系统的零件之间 都会有磨损，为了保持系统的性能，必须定期给零件添加润滑剂或更换零件。又如， 电力系统运行中，发电、输电、用电这一过程是同时完成的。由于目前电能不能大 规模储存，因此，电力系统在任何时刻均需维持电力平衡，即任何时刻系统中发电 厂发电的功率必须等于或相当于该时刻用电设备消耗的和输配电过程中损耗的功率 之和。但是，由于用电负荷时刻都在发生着变化，所以，发电厂的发电功率也需要 不断地进行调整来适应这种变化。 运用系统的动态观点，不仅有助于我们了解系统的现状，而且能跟踪系统的变 化和发展，从而掌握系统的发展规律，预测系统的未来。 1. 我们都有过生病和治病的经历，治病的过程体现了系统的动态性。医生根据病人的症 状确诊病症，对症下药，进行治疗。当病人的病症一时难以确定时，医生就要动态地跟踪病 人病情的发展，预测并及时判断病因，进行治疗。 请列举生活中类似的事例，说明运用系统的动态性观点掌握事物的发展规律并取得成效 的经验。 2. 台式计算机的 CPU 上安装的小风扇为什么有时转得快，有时转得慢？ 3. 你认为有没有不具有动态性的系统？为什么？ 按压式延时水龙头使用时间长了，弹簧就会老化，弹性变弱，使得延时时间发生变化。可以采 用哪些方法来应对这种变化？ 环境适应性 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各部分相 互关系的变化。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。 月球探测机器人的设计就要考虑到月球表面复杂的地面或地形、不同的气压变 化、巨大的温度变化、不同的辐射强度、不同的重力条件等情况，要求机器人的机 构设计和控制方法必须具有针对性、环境适应性的设计。 飞机在空中飞行时， 时常受到大气对流的影响而产生颠簸。当飞机的检测装置接收到这 一信号后，经过控制器的调节，能在很短的时间内调整好飞行状态，克服大气对流对飞机飞 行的影响，保持平稳飞行。 技术领域中，这类通过系统的调节以适应外界环境变化的事例很多，请举几例，填入 下表。 事例 外界环境的变化 系统通过调节，适应环境的变化 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，否则系统是没有生命 力的。 “任何系统都是有边界的，这种边界的确定又是相对的”，怎样理解这句话？ 1. 小明设计并制作了一款声控台灯，他要看书的时候只要一跺脚或一拍手灯就 自动亮起；不用的时候，也只要重复这些动作就可以实现关灯。请从系统的基本特 性这一角度来对这款台灯进行客观评价。 2. 俗话说“三个臭皮匠赛过一个诸葛亮”，俗话还说“一个和尚挑水吃，两个 和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。两种看似相互矛盾的说法却隐含着深奥的系统思想。 请用系统的基本特性来谈谈自己的看法。 3. 据报道，2018 年 1 月 27 日，由北京航空航天大学启动的“月宫 365”实验， 4 名志愿者已在全封闭的“月宫一号 ”实验舱中连续驻留了 200 天，创造了在生物 再生生命保障系统中连续驻留的世界纪录。生物再生生命保障系统利用生物技术， 原位循环再生人类生存所需的氧气、水和食物，通过系统内循环的方式，减少外部 物料输入，提高系统闭合程度，降低了运营成本。其内部构成如“月宫一号”示意 图所示。 （ 1 ）通过观察“月宫一号”示意图，试分 析“月宫一号”应包括哪些子系统，并说明各子 系统之间的相互关系。 （2）“月宫 365”实验的实验内容还包括遮窗 实验和人为断电实验。请查询相关资料，用系统的 基本特性来说明这些实验的必要性。 4. 有同学提出学校应该把老式水龙头都更换成 按压式延时水龙头，但是也有同学说红外线延时水 龙头比按压式延时水龙头先进多了，还不如直接更 换成红外线延时水龙头。你认为哪种方案比较合适？谈谈你的想法。 在解决了水龙头没关或漏水而造成的浪费问题后，大家认为由于学校所处城市雨 水很多，可在学校屋面和校园硬化地面及塑胶操场等处做集雨面，对雨水进行收集、 净化处理，以满足校园绿化、公共卫生方面的用水需求，以期达到节约用水的目的。 系统分析是系统设计的重要环节，我们可以把一个复杂的设计项目看成系统工 程，通过对系统目标、要素、环境、资源、管理和维护等的分析，可以准确地发现 问题，深刻地揭示问题的本质，从而分析并有效地提出解决问题的设计方案。 在现实生活中，我们每个人都会面临各种各样的选择和决策。决策方法有经验 决策和科学决策，经验决策是人们惯用的方法，有时可能会导致失误；科学决策则 可以最大限度地减少失误。系统分析就是一种科学决策的方法。 例如， 在人口规模很小的县城，道路 状况简单，公共交通线路的决策也简单。 设计者凭借经验，可以完成公交线路的设 计。在人口规模巨大的城市，道路状况复 杂，市民对交通的需求趋于多样化。这 时若仅凭经验规划公交线路，容易顾此失 彼，出现失误。如果把大城市的公共交通 看作 一 个系统，综合考察全市 的 道 路 状 况、 人口密度的分布 、不同区域的居民 对 公 共 交 通 的 要 求 等 ， 运 用 科 学 的 方法进行综合分析和研究，就能设计出城 市公交线路规划的最佳方案。 这种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，就是系统分析。系统分析的显著特点是整体地而 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 问题。 借助于系统分析，可以正确地提出整体目标，恰当地选择方案，科学地确定行 动的方略。 系统分析的一般过程 系统分析的出发点是为了发挥系统的整体功能，目的是寻求解决问题的最佳决 策，而生产和生活中的一些问题，往往存在着许多相互关联的因素和一些不确定的 因素，所以最佳决策只是在若干方案中寻求的相对令人满意的方案。 系统分析的一般过程可以描述为： 系统分析方法——建模 系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相 互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。用建模的形式对系统进行分析和 研究的方法是系统科学的基本方法。建模的基础是找到不同事物或现象之间的相似 性，这种相似性包括外形相似、结构相似、行为相似、功能相似或逻辑关系相似等。 复杂系统的分析和研究尤其重视模型方法。 模型可以说是现实系统的抽象与合理简化，利用模型可以用较少的时间和费用对 实际系统进行研究和试验，并且可以进行反复演示和研究，因此更易于洞察系统的行为， 但是在运用该模型时必须考虑这种简化对现实系统的影响。 模型有三个特征：（1）它是现实系统的抽象或模仿；（2）它是由那些与所分 析问题有关的要素构成的；（3）它表明了有关要素间的相互关系。 通常，技术领域系统分析中较为常用的是系统的数学模型和框图模型等。 数学模型 用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。数 学模型是系统分析中经常用到的一种工具，人们将现实世界中的原型抽象概括成数 学语言，运用已有数学方法分析求解，得出结论。 数学模型突出事物的主要因素，舍弃事物的次要因素，便于抓住事物的本质进 行分析研究。 框图模型 用一个个封闭的小框图代表系统的各个要素或子系统，在框图内或 框图边注明要素或子系统的名称，按照系统的结构模式把它们排列安置于适当位置， 用无向线段或有向线段把这些小框图连接起来，以表示系统的基本结构框架，再 用无向线段或有向线段表示系统与环境的联系，这样形成的图形就叫系统的框图 模型。 最简单的系统框图模型是输入—输出模型，也叫系统的概念模型，如图 3-9 所 示。它把系统内在的要素与结构简化为一个矩形方框，把环境对系统的作用统称为 输入，把系统对环境的作用统称为输出。 系统 图 3-9 输入—输出模型 从系统运行的角度来看，系统和环境之间是一种刺激和响应关系，输入是环境 对系统的刺激，输出是系统对这种刺激做出的响应，描述系统就是在描述这种刺激 和响应的关系。外部刺激是条件，响应是系统回应环境的行为对策，人们描述系统 所关注的就是条件与对策之间的各种可能的对应关系，即如果外部出现什么情况， 系统就回应以什么行动。 从校园屋面雨水的收集与利用系统设计要求来看， 该系统的输入为雨水，输出对应的是供水。如果把校园 屋面雨水的收集与利用系统当作一个整体来看，可以画 出如图 3-12 所示的概念模型。 系 统 图 3-12 校园屋面雨水的收 集与利用系统的概念模型 经过分析可知，该校园屋面雨水的收集与利用系统中的子系统有：屋面雨水收集子 系统、雨水净化与储存子系统、自动补水子系统、溢水子系统、供水子系统等。 建立模型不仅需要科学理论和工程技术知识，还需要实践的经验和技艺。模型 是对系统的理想化抽象或简化表示，描绘了现实系统的某些主要特点，是为了客观 地研究系统而发展起来的。 系统分析的主要原则 运用系统分析的方法处理具体问题时要遵循整体性原则、科学性原则、综合性 原则三个主要原则。 整体性原则 系统分析首先要着眼于系统整体，要先分析整体，再分析部分； 先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一个阶段；先看长远，再看当前。 在实际生活中，经常遇到对系统中各个局部考虑得很仔细，却忽略或较少考虑 全局的事例，这样就很难得到良好的效果。 赵明给自己家设计制造了一个雨水收集储水罐。为了防止收集到的雨水受到二次污染， 他把储水罐设计成全封闭的。可是在实际使用过程中发现，在雨水稀少的季节里，常常会出 现无水可用的情况，而在雨水多的季节里，储水罐由于受压过大，有时会被撑裂。 赵明设计的雨水收集储水罐存在什么问题？该如何进行完善？ 科学性原则 系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面应尽可能地运用 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。例如，在比 较种稻是一年三季划算还是一年两季划算时，有人就提出“是三三得九好，还是 二五一十好？ ”这就是一种朴素的定量分析。当然，在处理复杂系统的分析与优化 问题时，往往需要使用比较复杂的数学工具。 优 选 法 优选法是快速寻找最佳方案的科学方法。具体的优选法有很多，如黄金分割法、分 数法、对分法等。这里只介绍黄金分割法，也称 0.618 法。以技术试验为例，先把整个试 验范围看作 1，然后在整个试验范围的 0.618 处选点做第一次试验，再在这个点的对称点， 也就是倒过来的 0.618 处选点做第二次试验。比较两次试验的结果，去掉效果差的那个试 验点以外的那部分范围；再在余下的包括好点在内的范围内继续采用这种方法，再比较试 验结果，这样逐渐缩小试验范围，迅速找到试验目标。例如，要在某种合金钢中加入某元 素以提高它的强度，假设试验范围是每吨加入量为 1 000~2 000 g，那么究竟应加入多少？ 若用一般试验方法，每隔 5 g 试验一次需要做 200 次，每隔 10 g 试验一次需要做 100 次。 若用 0.618 法，只需做 11 次，就可以找到最佳加入量了。 综合性原则 系统分析总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干个目标时， 应将目标排出优先次序，首先实现最优先的目标，然后尽可能在不损害第一个目标 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， 因小失 大。例如，工业生产既要求产量大，又要求质量好、成本低，如果片面强调一方面 就会产生偏差；城市公交系统既要强化公共交通的安全，又要缩短车辆行驶的时间， 兼顾社会效益和经济效益。又如，雨水回收和利用系统的设计既要做到雨水的有效 回收和利用，又要考虑该系统的投入和运行过程中的效益；既要考虑雨水的收集， 又要考虑雨水的净化等。 系统分析还需要考虑设计方案出台所带来的后果。有的工厂在生产产品的同时， 也向周围环境排放出“三废”，造成污染；毁林开荒虽然能收获农产品，但会造成 水土流失，贻害很大。 某些情况下，综合若干方案的优点，会取得意外效果。现代医学采用中西医 结合的方法攻克了许多疑难杂症；农业中则综合了地面水库、地下水库、土壤水库、 绿色水库（山区造林种草，每亩地可蓄水 20 m3 ）等不同的方案进行保水。 在系统分析过程中，整体分析和综合分析有什么不同？可以只做整体分析而不做综合分析吗？ 在日常生活和生产实践中，我们经常需要设计各种各样的系统。例如，某连锁 店货物配送的设计、某单位远程视频会议系统的设计，以及生活中遇到的室内装修 设计、假期旅游行程的设计等。无论是简单系统的设计，还是复杂系统的设计，都 要进行调查分析、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，这一过程就是系统的设计。 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。它既包 含了对某个系统进行技术设计本身的内容，同时又需要运用系统的思想和方法对其 设计过程进行分析和设计。 系统设计应考虑的主要问题 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。例如， 设计一个远程视频会议系 统需要网络和多媒体技术的支持，进行人物形象设计需要一定的审美能力和化妆 技巧等。 系统各部分之间的相互联系与相互作用 系统设计要运用系统的思想综合考虑 各部分之间的关联、冲突，注重各部分的横向、纵向联系。依据系统的动态性、环 境适应性，既要考虑当前，也要考虑长远。 为深山中风景秀丽的村庄设计一所希望小学的具体方案，需要考虑的问题包括：学校建 设与自然环境的相互协调问题，当地电力供应情况与学校的电力使用负荷要求，投资方所能 提供的资金与设计所需投入之间的关系，当地的气候和地质条件与建设用材料和结构设计之 间的关系等。 从系统设计的思路出发，怎样梳理这些关系？ 系统设计的一般步骤 系统设计的步骤主要包括：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。 在实际的系统设计中，步骤不是千篇一律的，对于较简单的系统设计，设计的 步骤就少一些。 系统设计多用于复杂的社会系统工程、经济系统工程、规划系统工程、生态系 统工程、能源系统工程、交通运输系统工程、农业系统工程、工业及企业系统工程、 军事系统工程等方面。 如图 3-15 所示是一所在建学校的立体 效果图，请为这所学校设计一套雨水收集 与利用系统。 需要用水的情况 : 1. 每层楼都有一男一女两个卫生间和 一个洗拖把的水池。 2. 有三块面积均为 300 m2 的绿地需 要灌溉。 3. 有一个蓄水量为 40 m3 的观赏池塘。 图 3-15 校园立体效果图 1. 雨水收集与利用系统是用来收集与利用 雨水的环保系统，为什么还要给这一系统设计 一套自来水补给系统？ 2. 中国西北黄土高原的部分地区，由于 自然和历史原因，极度缺水。有的地区年降 雨量只有 300~400 mm 左右，而蒸发量却高达 1 500~2 000 mm 以上。人们在地下修建的蓄积雨 水的容器，被称为水窖，通过建造水窖来解决人、 畜用水问题。如果让你来帮助那里的人们建造 一个水窖，该如何进行设计？ 3. 中国载人航天工程系统由航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载 火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆系统等七个相对独立又互相联系的子 系统组成。其中，载人飞船是整个工程的核心 部分。载人飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组、 两对太阳能电池帆板和返回圆顶环帆降落伞等 部分构成。它为航天员提供必要的生活和工 作条件，并为顺利开展空间对地观测和各种 实验，保证航天员和有效载荷安全返回地面 打下基础，还为交会对接、航天员出舱活动、 建设空间站、设置救生艇做准备。 请用框图的方式画出载人飞船系统模型，并 简单说明各子系统之间的相互关系。 同学们通过系统的设计分析与讨论，基本形成了多个比较成熟的设计方案， 并就满足学校实际需求、加工制作过程较为简单等方面进行了雨水收集系统的优化 与实现。 系统设计的实现是在系统设计分析的基础上，对所提出的多个方案进行比较、 权衡和优化，最终形成满足预定目标的最佳系统及其物化的过程。 我们做任何事情都希望达到最优的效果。如希望以最小的成本获得最大的利润， 在最短的工期内完成最多的工程量，以最少的能耗生产最多的产品，在单位面积上 尽可能提高农业产量等。 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。 在上例中，优化的目标是增产增收和提高土地利用率，这一目标与土地的单位 面积农作物收益总和之间的关系就称为目标函数；农作物的生长特性、天气、气候 等因素对农作物套种起着限制作用，并且是不能人为调节的，这称为约束条件；套 种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等对套种的产量产值有直接影响，这 些是增产增收的影响因素。 影响系统优化的因素是指对系统的目标函数产生显著影响，并且可以人为调节 的因素。 利润问题 某家具厂要安排一周的生产计划，产品是桌子和椅子。制作一张桌子需 4 m2 木板及 20 h 的工时，制作一把椅子需 6 m2 木板及 18 h 的工时；每周能使用的木材板料是 600 m2，可利用 的工时是 400 h；每张桌子的利润是 50 元，每把椅子的利润是 60 元。按合同每周至少要交付 8 张桌子和 5 把椅子，并假定所有产品都能够销售出去。那么， 该厂每周生产桌子和椅子的 数量分别为多少时，获得的利润最大？ 在本问题中，优化的目标是家具销售获得最大利润，约束条件是材料和劳力的限制及应 遵守的合同。 设 x1 为每周生产桌子数，x2 为每周生产椅子数，则 目标函数：S = 50 x1 + 60 x2 约束条件 ① ② ③ ④ 其中，①式是目标函数，②③④式是约束条件，x1 、x2 是决策变量，也就是影响优化的 因素。 要求出一组 x1 、x2 ，使得①式的目标函数取最大值，并且满足②③④式。 求解过程略。 思考：如果其他条件不变，人工减少一半，请分析每周生产多少桌、椅获得的利润最大？ 通常，我们通过优化的目标与决策变量之间的关系（数学模型），计算出目标 值，所得到的就是最优解。对有些问题，如果我们不能确切地描述目标函数，则可 以通过定性的估计或推断，得到较为满意的解（也称满意解）。 数学模型 估算、试验 图 3-16 系统优化方案 为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法。系统优化的方法是 多样的，有的运用数学模型求解，有的通过科学的估算、试验等方法实现。但无论 运用怎样的优化方法，都需要经过若干次完善和验证，才能得出最优解或满意解。 对校园雨水的收集与利用系统的三个方案进行优化。 方案 1 楼房屋面和校园地面相互独立收集雨水，分别给楼房和绿地供水。两处收集的 雨水多余部分都独立排入观赏水池。系统模型如下： 雨水 收集子系统 雨水 雨水净化与 储存子系统 供水 绿地2 绿地3 观赏水池 楼房屋面收集雨水与利用系统 校园地面收集雨水与利用系统 图 3-17 方案 1 系统方框图 方案 2 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理 子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中 水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。系统模型如下： 雨水 技术提示 中水是指废 水或雨水经适当 处理后，达到 一 定的水质指标， 满足某种使用要 求，可以进行有 益使用的非饮 用水。 图 3-18 方案 2 系统方框图 方案 3 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理 子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中 水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。在楼房屋面收集的雨水进入中水处理子系 统之前安装水力发电子系统。系统模型如下： 有人说：“系统的优化，不能简单地把各方案中的优点集中在一个方案中，这样做往往会适得其反。” 如何理解这句话？ 一般情况下，系统设计的实现应包括设计方案的呈现和模型或原型的制作与测 试。模型或原型的制作与测试包括实物模型的设计，加工图纸、加工材料和工艺的 选择，加工制作过程及模型的最终呈现等，对模型的测试是对系统进行总体技术设 计评价。评价有多种形式，对于实体系统设计而言，就需要对模型或原型进行实际 运行测试和评价。 排气扇等）负荷约 1 300 W；5 台空调，每台约 1 500 W。 2. 照明和各种家用电器使用安全、方便，相互之间影响小，便于维修。 设计分析： 1. 设计的目的是方便住户使用，满足住户的舒适和审美要求，便于日后维修，遵守《民 用建筑照明设计规范》，确保室内电气线路的安全。 2. 户内配电系统由电能分配系统和若干个供电子系统组成。 3. 当某一回路发生故障时，不影响其他回路的正常工作，如因电饭煲使用不当发生短路时， 不影响室内照明回路的工作。 图 3-21 室内电气线路设计图 供电 电能分配系统 照明供电子系统 空调供电子系统 厨房电器供电子系统 插座供电子系统 图 3-22 电能分配系统方框图 设计方案： 1. 电源配电箱。 电源通过住宅的专用配电箱再进入房间的配电箱，此配电箱中应装配总的空气开关，房 间各回路都应该配置独立的空气开关，所有的空气开关都应具有短路、过载和漏电保护功能。 在设计布线之前，先要根据总的用电情况预测用电负荷，确定总的空气开关的规格（该用电 负荷要和公共电网分配给该用户的用电容量相匹配） ，然后依据各回路负荷情况选择规格相 适应的空气开关。 设计制作校园雨水收集与利用系统模型 设计要求： 1. 能有效收集屋面和校园内硬化地面及塑胶跑道的雨水。 2. 收集的雨水通过净化处理能成为可以使用的中水。 3. 能持续给卫生间、洗拖把的水池、绿地和观赏性池塘供水，不能因为雨水少而无水 可用。 4. 节能。 设计分析： 1. 所有设计和安装的设施设备都要保证原建筑物安全。例如，把蓄水装置放在楼顶，就 要考虑楼面的防水和承重问题等。 2. 水箱补水系统不能造成自来水污染。 3. 雨水收集系统中，雨水的净化装置所产生的废料要便于清运。 4. 保证各楼层供水的压力。 5. 尽量减少电力的使用。 6. 由于绿地和池塘用水量比较大，且只对雨水进行简单沉淀处理就可以直接使用，故为 了节约能源，地面雨水收集子系统和屋面雨水收集子系统应该相对独立。 7. 在屋面雨水收集子系统水量充足的情况下，对绿化和池塘用水子系统进行分流而不进 入雨水净化子系统，以达到节能的目的。 8. 屋面雨水收集子系统采用上、下水箱相结合的形式，补水装置设置在上水箱，可以节 省能源消耗。 设计方案： 雨水 地面雨水收集子系统 雨水沉淀净化子系统 沉淀净化雨水 雨水过多 溢水子系统 楼房供水子系统 绿化供水子系统 观赏池塘供水子系统 图 3-23 校园雨水收集与利用系统框图模型 1. 因为绿化和楼房供水两个子系统对供水的水质要求不一样，所以为了节能，分成两个 相对独立的子系统。楼房供水要进行中水处理，而绿化用水只要通过过滤和沉淀即可。 2. 楼房供水子系统主要用于冲厕、洗手和打扫卫生，用水量较小，且对供水要求只要达 到中水要求就可以，所以采取独立供水的模式，利用屋面收集雨水并对其进行净化。如果水 量不够，就用自来水对其进行补水作业；如果雨量较大，则不经过净化环节，在收集雨水环 节就采取溢水的方法，进入地面收集雨水子系统。 3. 绿化和池塘供水子系统中的水主要来自地面收集的经过简单处理的雨水。 4. 池塘可作为雨水过多时收集的蓄水池。 制作准备： 材料：矿泉水瓶若干、三通配件若干、热熔胶棒、背景板一块、试验用水、胶管 5 m、 水槽一个。 工具：电热丝加工工具、热熔胶枪、剪刀、三角锉。 模型制作： 1. 将矿泉水瓶用电热丝加工工具切割成两个部分，瓶口部分作为接水部件，瓶身部分作 为水箱备用。 2. 在瓶口和瓶身的适当部位安装胶管。 3. 按照校园雨水收集与利用系统框图模型进行合理布局后， 用热熔胶在背景板上进行 固定。 图 3-24 校园雨水收集与利用系统模型 4. 模拟雨水收集试验，测试结果。 5. 根据试验结果进行优化调整。 6. 写出试验报告。 思考：如何对洗手池用水进行收集和利用？请你对模型进行改进并验证自己的设想是否 可行。 “要达到系统的优化目标，系统的各子系统的目标必须达到最优”，这一说法正确吗？ 1. 可调孔径的分选装置的改进设计。 在许多行业，常使用分选设备实现物质的分类或筛选， 并有自动分选和手工分选之分。如图所示是一个简单的分 选装置，该分选装置对不同大小的颗粒状物体分拣效果明 显。有同学想用这个装置来分拣硬币， 结果发现效果不理想， 请对这个装置进行改进设计。 设计要求：可增加构件和改变现有结构，能够实现快 速分拣不同硬币的功能，分拣后的硬币可以分别自动收集， 结构简单实用。 请依据设计要求，针对所给分选装置，进行设计分析， 写出改进的初步方案，画出该方案的硬币分拣装置系统模 型并对其进行必要的分析，从而写出新的硬币分拣装置的最终设计方案并辅以必要 的设计图样，如果条件允许可以通过制作该装置模型进行试验。 2. 中国高架平台式步行系统在系统设计中采取了风力涡轮机、光伏板和动能 地砖，充分操纵风能、太阳能和人力发电，旨在成为中国第一个零碳排放高架平 台式步行系统。依据这一设计构想，我们是否可以为学校设计一套校园人力发供 电系统呢？ 设计要求：使用人力发电，能为学校特定目标持续供电， 发电装置结构简单、 稳固性好。 请依据设计要求，通过对学校具体情况进行分析，写出“校园人力发供电系统” 设计的初步方案，画出该方案的系统模型，并对其进行必要的分析与优化， 得出 优化后的设计方案并辅以必要的设计图样进行说明，如果条件允许可以通过制作 该系统的功能模型进行试验。 （第 2 题） 系统分析与设计 ·若干要素或部分组成的有 机整体 ·相互联系、相互作用、相 互依赖和相互制约 ·整体具有各个要素所不具 备的功能 系统及 其设计 系统的基本特性 ·整体性 ·相关性 · 目的性 ·动态性 ·环境适应性 系统设计的优化与实现 模型飞机的设计与制作 活动目的： 通过模型飞机的设计与制作，经历产品设计的系统分析过程，体验系统设计、优化 与制作的过程。 工具与设备： 钢直尺、铅笔、美工刀、热熔胶枪、电烙铁、手电钻、供电桩（可为模型飞机持续 提供直流电的装置）和高度速度测试仪。（可选配激光切割机、台式电动线锯、手持式 热切割机等） 零件与材料： 三种不同功率的电动机（电压范围 6~12 V，转速小于等于 28 000 r/min）、螺旋 桨、规格为 100 mm ×400mm ×3 mm 的轻质木板若干、规格为 6 mm × 6 mm ×400mm 的矩形木条、热熔胶棒。 安全与防护： 护目镜、防护手套、工装围裙、外伤急救箱。 设计要求： 1. 设计和制作一个模型飞机，要求它具有最大的爬升高度或者最快的速度，其中上 升高度不能低于 800 mm。 2. 模型飞机必须有两个前轮来实现降落和起飞（其余部分可以拖在地上）。 3. 发动机可以安装在模型飞机的任何位置上。 活动步骤： 1. 按照下列图示，制作一个模型飞机。 ①制作截面为6 mm×6 mm、 长度不长于 400 mm 的长木 条作为模型飞机机身。 ④制作一个合适的起落架并 用热熔胶固定在模型飞机机 翼的合适位置，安装电动机。 ② 裁取一块 100 mm×400 mm ×3 mm 的木板制作模型飞 机的机翼，并将其固定在机 身上。 ⑤制作完成，将模型飞机电 动机两根导线与供电桩相 连接。 ③ 在木板上裁出 50 mm× 100mm 和 50 mm×70 mm 的矩 形作为稳定器和垂直翼，并用 热熔胶固定在机身上。 ⑥打开供电桩电源开关，远 程遥控模型飞机，并做好测试 记录。 2. 测试模型飞机并通过高度速度测试仪把测试结果记录下来。 测试内容 测试值 质量 /kg 展弦比（机翼长宽之比） 飞行高度（10 圈的平均值）/mm 飞行最大速度 /（m·s-1 ） 对你的模型飞机性能进行描述： 3. 通过修改表中变量来优化模型飞机，并将测试结果记录下来。 测试内容 测试值 变化量百分比［（变化后的值 - 变化前的值）/ 变化前的值］ 质量 /kg 机翼长度 /mm 机翼宽度 /mm 展弦比（机翼长宽之比） 飞行高度（10 圈的平均值）/mm 飞行最大速度 /（m·s-1 ） 对你的模型飞机性能进行描述： 4. 总结出使模型飞机飞行状况改变的关于系统方面的结论。 思考与讨论： 1. 影响模型飞机飞行速度的要素有哪些？ 2. 影响模型飞机飞行高度的要素有哪些？ 活动反思： 如果使用更大功率的电动机能使自己设计的模型飞机飞得更快、更高，那么模 型飞机的哪些要素需要相应发生改变呢？请用试验来验证自己的观点。 第三单元 在平台中完成自我测试 测试成绩 存在的主要问题 第四单元 控制及其设计 一 控制的方式与应用 二 开环控制系统的工作过程 三 闭环控制系统的工作过程 四 控制系统的设计与实施 “兼采诸家之说，备存仪象之器，共置一台，台中有二隔，浑仪置于上，而 浑象置于下，枢机轮轴隐于其中，钟鼓、时刻、司辰运于轮上……以水激轮，轮 转则仪象皆动。”这是宋人在《新仪象法要》中对水运仪象台的记载，说明了古 人很早就已经应用了控制。 控制并非遥不可及，它渗透在我们生产和生活的方方面面，是一种重要的思 想方法。理解控制现象、善于使用包含控制技术的产品，已经成为每个人日常生 活中不可或缺的基本能力。 一、控制 的方式与应用 1. 通过分析生活中常见案例， 阐述控 制的含义。 2. 通过案例分析， 辨析手动控制、自 动控制、智能控制的特点。 3. 观察生活中的案例，概括控制在生 活和生产中的应用。 人们利用收集的雨水进行园艺浇灌、汽车冲洗、路面冲洗和厕所冲刷等，减少 了不必要的浪费，体现了充分利用水资源的可持续发展理念。陈晨设计了一套适用 于家庭使用的雨水收集系统，利用收集的雨水浇灌家中阳台的植物，冲洗拖把和冲 刷厕所。 图 4-1 家庭雨水收集系统示意图 事物的发展与变化具有多样性。例如，降落的雨水可以用来灌溉农田，也可 以供人们冲洗物品，还可以发电，但是也可能流入江河，增加洪涝灾害发生的可能 性；一棵果树可能因为某种原因结不出果实， 也可能硕果累累，而且果实有大有小， 或酸或甜。 事物的发展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 是人们不希望看到的。如果人们想达到某一特定目的，就必须借助适当的手段来 实现。 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。例如，利用自动浇灌装置给植物补水，并通过改变进气管在接水盘中的 位置控制水位；调节电冰箱的温度，使食物能够在低温状态下保存；使用计算机“指 挥”先进的生产流水线，实现自动化生产等。 理解控制现象， 要知道控制要达到什么目的、控制的对象是什么和采取什么控 制手段。例如， 给盆栽植物补水的控制，控制的目的是使接水盘中的水维持在一定的 量，控制对象是接水盘，控制手段是通过进气管口与水面的相对位置决定出水管的出 水。再如， 汽车的转向控制，其控制目的是改变汽车行驶方向，控制对象是汽车的车轮， 控制手段是驾驶者通过转动方向盘推动转向杆，再带动车轮转向。 控制需要通过一定的方式或手段来实现。 从控制过程中人工干预的情形来分，控制可分为人工控制和自动控制。过去， 人们对事物的控制往往采取人工控制（又称手动控制）的方式，控制的过程是在人 的直接干预或全程干预下进行的。 图 4-5 液位手动控制示意图 图 4-6 液位自动控制示意图 随着科学技术的发展，控制技术得到了迅速发展，出现了自动控制。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朝着期望的方向进行。按照控 制信号流和执行部件的不同， 自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、机 械控制、电子控制等。 智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式，它 能在无人干预的情况下， 自主地驱动智能机器实现控制目标。智能控制主要用 于解决复杂系统的控制问题。 随着技术的不断发展，在很多控制现象中，控制的方式是多样、综合的。机械 手就是电子与机械控制的实例。 机械手是一种能模仿人的手和臂的动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操 作工具的自动操作装置，其特点是通过编程来完成各种预期的作业。它能部分地替 代人的手工劳动，把人从繁重的体力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来， 还能扩展人的器官功能，提高劳动生产力。 控制装置的控制目的、控制手段和控制对象是客观存在的，还是人为界定的？ 控制在生活中应用广泛。人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环 境，使之能满足自身的需要。银行的自动取款机通过对存取款的自动控制，缩短了 人们存取现金的时间，降低了差错率，而且使小额现金存取不受银行上下班时间的 限制；公共场所的红外线自动水龙头通过对红外线强或弱的感应，自动控制水龙头 的开或关，人们使用起来更方便、卫生，并且能够节约用水。 生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及工件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。汽车自动装配生产线实现了汽车零件的自动装配，并 能对零件的传送速度进行控制，便于生产操作，大大减轻了工人的劳动强度，提高 了产品质量和生产效率；农田节水灌溉控制系统在控制农田灌溉水量、实现水量均 匀喷灌的同时，减轻了农民的劳动强度。 图 4-12 汽车自动装配生产线 图 4-13 农田节水灌溉 控制系统 图 4-14 “长征十一号” 将 4 颗卫星成功送入轨道 控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。例如，精密制导武器能够对目标 进行精准打击，火箭能将人造卫星准确送入太空预定轨道。“神舟”飞船遨游太空 并准确返回地面，其中控制起着至关重要的作用。 1. 分析下列控制现象是自动控制还是人工控制。 （ 1 ）用气筒给自行车的轮胎充气； （2）楼宇监控； （3）电视机自动组装生产线。 2. 观察自行车的刹车控制装置，若使前轮刹车控制更加 灵敏，应如何调节自行车前轮的刹车部件？请试着调试。 3. 在“任务一”的“技术体验”中，我们制作了使用饮料瓶里的雨水给盆栽植 物自动浇灌的装置，如何将收集到的雨水引到饮料瓶，并保证浇灌功能不变？请设 计一个方案并制作。 ● 任务一 理解控制系统 ● 任务二 分析开环控制系统工作过程 1. 通过技术体验活动，理解控制系统的含 义，熟悉简单开环控制系统的基本组成 和工作过程，理解其中控制器、执行器 等的作用，辨析开环控制系统的特征。 2. 会用方框图表达简单开环控制系统工作 过程。 陈晨设计了雨水收集系统，但是每逢雨季，雨水收集池的水位就会随着雨水的不断 注入而升高，当水位升到一定高度时，雨水就从溢水口溢出排放出去，造成了雨水资源 的浪费。 搭建雨水收集池水位报警装置 体验目的：通过搭建雨水收集池水位报警装置，感受控制系统的工作过程。 情境展示：当雨水收集池水位达到溢出高度时，需要报警提示，让家人及时用掉一些水。 问题分析：在连接水位报警装置时，声光报警器应该安装在什么位置？ 活动准备： 材料：警示灯、蜂鸣器、电极水位传感器、继电器、水池等。 主要过程： 1. 搭建水位报警装置。 （1）读懂水位报警控制系统流程图（图 4-15）和水位报警系统示意图（图 4-16）。 达到报警水位 触点闭合 声光报警 图 4-15 水位报警控制系统流程图 溢水口 蜂鸣器 雨水收集池 图 4-16 雨水收集池水位报警系统示意图 （2）使用现有材料，根据水位报警系统示意图搭建报警装置。 控制系统 上述报警控制装置中，水位是该控制装置的输入，通过水位传感器 将信息传送到控制器；当水位达到报警值时，控制器输出信号到报警器，发出声光 报警。这样一个系统称为控制系统。 水位传感器、控制器、报警器 声音输、光 图 4-17 水位控制系统方框图 任何控制都要通过若干个环节来实现，这些环节所涉及的装置构成了一个系统， 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。 控制系统与一般意义上的系统相比，其特点有哪些？ 控制系统的方框图 将时间设定到定时浇水控制系统的定时器中，到了设定时 间就自动接通潜水泵，开始往水管里抽水，通过调节定时器通电时长，控制滴到植 物土壤中的水量。这一控制系统的工作过程可用图 4-20 来描述。 设定时间 定时器 水泵 出水管 图 4-20 定时浇水控制系统方框图 其中，定时器设定的时间是输入量，水管的出水量是输出量。 在控制系统中，为了方便分析，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线 来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个 环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。 开环控制系统 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。开环控制系统在日常生活中的用途很广，如水位定时控制系 统、十字路口的红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警控 制系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。 对于开环控制系统，可用如图 4-21 所示的方框图来描述。 输入量 - 控制器 - 执行器 控制量 - 被控对象 - 图 4-21 开环控制系统方框图 输出量 上图中，输入量即控制系统的给定量，如设定时间；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，如浇灌的水量；被控对象即控制系统中 所要求控制的装置或生产过程；执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如 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，如流过水管的水量。 在开环控制系统中，如何理解检测装置输出的信号的作用？ 1. 雷达测速是交通安全管理中常用的测速手段。雷达测速系统的输入端通常由 雷达、高清摄像头和闪光灯等部分组成。由高清摄像头配合闪光灯完成对超速车辆的 抓拍，抓拍的图片传输至指挥中心的数据库，进行自动车牌识别，记录违法信息。 请使用方框图描述雷达测速系统的工作过程。 触发抓拍区域 （第 1 题） 2. 制作和调试重力不平衡式自动冲水 装置的模型或原型。 （ 1 ）理解重力不平衡式自动冲水装 置的工作过程。 进水龙头慢慢向自动冲水斗加水，当 水加满后，冲水斗活动支轴左边的重力大 于右边的重力，冲水斗就会向左边倾斜； 越向左倾斜，左边重力就越大，当倾斜到 一定程度时，冲水斗将盛满的水全部倒入 水箱，再由冲水管流入坑道；冲水斗的水 流完后，活动支轴右边的重力大于左边， 冲水斗复位，进行下一个循环冲水作业。 （2）寻找适合的材料，制作该装置的模型或原型。 装置的组成：进水龙头、自动冲水斗、活动支轴、复位锤、水箱和冲水管。 （3）调试该装置中冲水斗的支撑点，使之能够实现循环冲水。 （4）分析该装置的优缺点。 3. 如图所示是一款红外线感应自动开闭的垃圾 桶，其工作过程是当人手靠近桶盖时，传感器感应 到人手信号，控制电路控制电磁连杆机构打开桶盖； 手远离桶盖后，控制电路延时 10 s 后桶盖自动关闭。 （ 1 ）请用方框图表达该自动开闭垃圾桶盖的工 作过程。 （2）使用一段时间后，垃圾桶出现桶盖的开闭 时而正常时而不正常的现象，请分析并指出两种可 能的原因。 三、闭环控制系统 的工作过程 ● 任务一 解析闭环控制系统工作过程 ● 任务二 辨析反馈在控制系统中的作用 1. 通过实践体验，分析闭环控制系统的基本组成 和工作过程，学会画闭环控制系统的方框图。 2. 通过案例分析，理解传感装置在闭环控制系统 中的作用。 3. 结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干 扰现象及其基本原理。 陈晨家阳台上种植了两种植物——虎皮兰和绿萝。虎皮兰喜热、耐干旱，绿萝则喜 阴湿、忌干燥。这两种植物不能采用同一定时浇水方式，应该如何改进自动浇灌装 置呢？ 闭环控制系统 在上述土壤湿度控制系统中，输入信号是设定的土壤湿度。湿 度传感器检测到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能 的装置（比较器） ，与给定湿度值作比较。当实际湿度比设定湿度低时，控制器控 制电磁阀打开，给植物浇水；当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出 信号关闭电磁阀，停止浇水。 该浇水自动控制系统的方框图如图 4-26 所示： 比较器 + 控制器 电磁阀 - 湿度传感器 图 4-26 土壤湿度控制系统方框图 从这一控制系统方框图中可以看出，在系统的输入端和输出端之间，除了有从 设定湿度到实际土壤湿度的信息传递，还有从输出端返回到输入端的信息传递，即 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。 简单闭环控制系统的方框图如图 4-27 所示： 比较器 + 被控对象 - 检测装置 图 4-27 简单闭环控制系统方框图 图中，检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端； 是比较器，它将给 定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理， 并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量 稳定在给定的范围内。与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置 组成的反馈通道。 图 4-31 抽水控制系统示意图 搭建抽水控制系统模型 体验目的：通过搭建抽水控制系统模型，感受反馈在控制系统中的作用。 情境展示：为了避免暴雨季雨水收集池中溢出的雨水白白浪费， 陈晨打算为雨水收集池 增加一个蓄水箱，当雨水收集池的水位达到溢出口位置时，潜水泵把雨水收集池中的水抽到 蓄水箱中，为厕所冲刷之用。当收集池的水位降低至池高度的 1/4 时，潜水泵就停止抽水。 问题分析：该装置要实现当水位达到一定高度时潜水泵开始抽水，水位降低到某位置时 潜水泵停止抽水，其核心部件是什么？ 活动准备： 材料：雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、水管、电极式水位传感器、控制电路模块等。 工具：钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀、多用电表等。 主要过程： 1. 搭建模型，如图 4-32 所示，将雨 水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、电极 式水位传感器、控制器、水管等依次连接。 2. 测试。 （1）向雨水收集池注水，当水位达 到溢水口时，潜水泵启动，抽水到冲厕 蓄水箱。 （2）当雨水收集池水位降到池高度 的 1/4 时，潜水泵停止抽水。 思考： 1. 观察雨水收集池的水位高度与潜 图 4-32 抽水控制系统模型 水泵工作状态，填写下表： 雨水收集池水位高度 潜水泵工作状态 水位达到溢水口时 水位降到池高度的 1/4 时 2. 采用单一传感器如何实现该水位控制？ 电极式水位传感器是该控制系统中的检测反馈装置，检测水位信号并将其返回 到输入端，当水位达到或低于雨水收集池高度的 1/4 时，停止抽水。 反馈 在自动控制系统中，将输出量通过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。例如，普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源， 而自动保温电水壶在壶内温度达到设定值时自动切断电源，这就是运用反馈实现自 动控制的结果。 在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含 从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的 控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺 少的形式。 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 因素都可以视为干扰因素。有的干扰因素是环境造成的，如冬天使用电饭锅做饭比 夏天更加费电；有的干扰因素是人为原因所致，如当电饭锅在保温状态时，频繁地 打开锅盖并将冷的食物放入锅中等。 在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中 进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。 对于大多数控制系统，在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调的温 度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰。当室外温度升 高时，空调监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰， 使室温保持稳定。 教学扩音器与干扰 教学扩音器，俗称“小蜜蜂”。在教学中使用“小蜜蜂”， 既能有效保护教师的嗓子，又能保证所有学生都能听清楚教学 内容。 “小蜜蜂”虽然优点颇多，但也存在易受外界电磁波干扰 的缺点。教师佩戴“小蜜蜂”讲课的过程中，当手机接收到短 信和电话时，“小蜜蜂”就会发出“嗡嗡”的噪音。 是什么原因导致“小蜜蜂”发出噪音呢？原因就在于手机 在收发信号时信号强度较大，“小蜜蜂”射频信号屏蔽能力不 足时会拾取到手机的信号脉冲，因此产生了射频干扰，便发出 了噪音。射频干扰是电磁波所带来的干扰，当两个频率相差不 多的电磁波同时被接收机接收，就造成了干扰。 在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。而在有些情况下，却可以利用干 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。但在生产生活中，我们需要以慎重、严谨 的态度对待干扰因素。 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，对于 同一个控制问题，开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。但如果控制系 统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制 系统也可以保证一定的精度。在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭 环控制系统。 黑箱方法 在生活中，有时我们需要认识的对象内部无法打开或不便打开，这 时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能。例如， 中医看病通过“望、闻、问、切”来了解病人的病况，最后对病情做出判断；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。这些 事例中，人们都没有打开物体直接观看内部结构，而是通过观察外部形态或做试验 等方法来认识事物。 这种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 打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。 图 4-36 挑西瓜与“黑箱”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 箱方法的一种运用。 1. 粮库的温度和湿度都需要控制。小型粮库一般是定期进行人工检测，根据需 要进行温度和湿度的控制。如果粮库的规模扩大了，需要实现温度和湿度的自动控 制，请设计控制方案，画出控制方框图。 2. 设计抽水马桶水箱水位自动控制系统，要求：当水箱中的水位低于某一指定 的高度时，进水口立即进水；当水箱中的水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。 （第 2 题） 根据设计需求，请完成以下工作： （ 1 ）画出控制方框图。 （2）选择适当的材料，制作水箱水位控制的模型。 3. 某花农正在筹建一个小型花房，花房的温度冬季一般控制在 18℃左右，夏季 一般控制在 25℃左右。请画出花房的温度控制系统的方框图，简要说明它的工作 过程。 （第 3 题） 与实施 ● 任务一 探究控制系统的设计要素 ● 任务二 设计与实施雨水收集池水位控制系统 1. 根据控制系统的要求，确定被控 量和控制量。 2. 能够设计控制系统的方案，并搭 建一个控制系统装置或模型。 3. 对所搭建的控制系统进行调试运 行以及综合评价。 下雨天，雨水收集池的水位不断升高，当水位升至溢水口时，声光报警装置启 动，同时水泵开始向位于高处的蓄水箱抽水。当雨水收集池的水位降到水池高度的 1/4 时，应停止抽水。 设计一个控制系统，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。 明确控制 的目的 分析被控 对象的主 要特性 控制系 统的方 案选择 控制系统的 调试、运行 和评价 控制系 统的成 本分析 图 4-37 控制系统设计要求 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。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。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。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、 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；如果是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则只需在开关环节加一个 定时器就可以了。 闭环控制系统的设计 闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不 一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求： 第一 ，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离， 系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生 振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳 定系统。 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。 设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统 体验目的：通过设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统，体验针对雨水收集池进 行水位报警控制和水位控制的过程。 情境展示：同学们设计和制作好的雨水收集池，在雨水过多时会发生漫溢，在不下雨时 又因为水位过低而无水可用，针对这一问题，大家积极寻找解决问题的方法和途径。 问题分析：雨水收集池水位报警和水位控制系统应具有以下功能： 当雨水收集池的水位 升到溢水口时，发出声音报警；当雨水收集池的水位到达溢水口时，把水抽到高处的冲厕蓄 水箱；当雨水收集池的水位降到水池高度的 1/4 时，停止抽水。 根据设计要求，当雨水收集池的水位升到溢水口时，需要报警；一旦水位降到溢水口以 下时，就取消报警。这部分采用开环控制即可。 当雨水收集池的水位升到溢水口时，需要启动水泵开始向高处的冲厕蓄水箱抽水，直到 雨水收集池水位降到水池高度的 1/4 时停止抽水，这部分需要采用闭环控制来实现。 主要过程： 采用两个控制系统共同实现上述功能： 一是报警系统，二是水位控制系统。 1. 报警系统 采用水位传感器检测水位，当水位达到溢水口时，使电磁继电器闭合，电路接通，声光报警。 当水位降到溢水口以下时，电磁继电器断开，声光报警取消。 报警控制系统的方框图如下： 警示灯、报警 喇叭 输入 图 4-39 报警控制系统方框图 2. 水位控制系统 采用水位传感器检测水位， 当水位达到溢水口时，潜水泵启动，抽水到冲厕蓄水箱。当 水位传感器检测到水位降到水池的 1/4 时，潜水泵停止抽水。 水位控制系统的方框图如下： 潜水泵 （执行器） 水位传感器 （检测装置） 图 4-40 水位控制系统方框图 3. 制作 （1）请为实现上述控制系统准备材料，并列出材料清单。 （2）请画出实物连接图，并搭建控制系统。 （3）测试系统是否达到控制要求，并写出测试报告。 思考：一般情况下，要实现高水位开始抽水、低水位停止抽水，要用两个传感器。你是 否能用一个传感器来实现这个控制目的呢？ 1. 设计并制作水车控制装置模型，如图所示。利用流 动的水冲击水车，以控制不同的机械装置而产生动作。 2. 某地下车库的车位管理系统，每个车位上方都有传 感器检测是否有车停进来。当车位上无车时，车位上方的 显示灯为绿色；当车位上有车时，车位上方的显示灯为红 色。这样不仅方便驾驶人员找到空车位，还方便后台及时 汇总车库的车位信息，统计空车位数量和位置。 请设计完成这一车位管理系统，并选择你熟悉的材 料、元件，制作该系统的模型。 （第 1 题） 开环控制系统的工作过程 气动控制 ·人工控制 · 自动控制 分析开环控制 系统工作过程 控制的方式 控制的应用 控制及 其设计 辨别反馈在控制系统中的作用 ·反馈 ·干扰因素 · 闭环控制系统与开 环控制系统的比较 ·黑箱方法 控制系统的设计与实施 1. 有一位工程师为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的 “自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想 偷懒就看不到电视。 请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程 的方框图，并分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。 2. 请对太阳能热水器的工作过程进行分析： （ 1 ）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？ （2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低时，通过控制器 启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，说 明其工作过程。 3. 依据帕斯卡原理设计制作一个液压千斤顶模型。 （ 1 ）使用材料：大针管 1 个、小针管 1 个、弹珠 1 个、流速控制器 1 个、输 液管 2 个、饮料瓶 1 个、502 胶水 1 瓶等。 （2）制作千斤顶模型。 （3）填写表格，并说明各材料的作用。 材料 类似液压控制系统的元件 作用 大针管 小针管 弹珠 流速控制器 输液管 饮料瓶 技术与设计 2 评价内容 达成情况 优良 合格 不合格 阐述控制的含义，辨析手动控制、自动控制、智能控制 的特点（TA、ET） 描述简单开环控制系统的基本组成和工作过程（ET） 辨析开环控制系统的特征，会用方框图表达简单开环控 制系统工作过程（ET、TD） 描述闭环控制系统的基本组成和工作过程，会画闭环控 制系统的方框图（ET、TD） 能设计控制系统的方案，搭建一个控制系统装置或模型 并进行调试运行（ID 、ET、TD、CM） 说明 TA——技术意识，ET——工程思维，ID——创新设计，TD——图样表达，CM——物化能力 在平台中完成自我测试 测试成绩 存在的主要问题 后 记 2017 年教育部颁布了《普通高中通用技术课程标准（2017 年版）》， 规定高中通 用技术课程的结构由必修、选择性必修、选修三大部分组成。其中，必修 2 册（技术 与设计 1、技术与设计 2）， 选择性必修包括四大系列 11 册（“技术与生活”系列 3 册， 包括现代家政技术、服装及其设计、智能家居应用设计；“技术与工程”系列 3 册， 包括工程设计基础、电子控制技术、机器人设计与制作； “技术与职业”系列 2 册， 包括技术与职业探索、职业技术基础； “技术与创造”系列 3 册，包括创造力开发与 技术发明、产品三维设计与制造、科技人文融合创新专题），选修 4 册（传统工艺及 其实践、新技术体验与探究、技术集成应用专题、现代农业技术专题）。本套教科书 由长期从事技术教育专业的普通高中通用技术课程标准组组长、南京师范大学顾建军 教授主编，教育部普通高中通用技术课程标准组核心成员、海南省教育研究培训院段青 特级教师和清华大学基础工业训练中心主任李双寿教授为副主编，以高中通用技术课 程标准研制组专家、高校学者、教研员、 一线优秀通用技术教师为主体进行设计和 编写。 本教科书是根据教育部《普通高中通用技术课程标准（2017 年版） 》中“技术 与设计 2”模块的内容要求编写的，供高一年级必修之用。 《技术与设计 2》的编写是在《技术与设计 1》的基础上，采取专题性设计的方式， 进一步提高学生的核心技术素养，强化学生形成技术意识、工程思维、创新设计、图 样表达、物化能力。教材通过情境导入、任务引领、问题嵌入、活动贯穿等努力整合 大概念所蕴含的原理、思想和方法，并强化学生运用技术原理分析和解决实际问题的 能力，发展技术意识和工程思维；通过丰富多彩的设计性、探究性、创造性活动，如 技术试验、技术探究、技术操作等活动激发学生的开放性、批判性思考和创造潜能， 使学生的创新能力得到进一步发展；注重学生工匠精神的培育，通过作品制作、工艺 实践、技术试验、方案物化及优化等，培养学生严谨细致、专心致志、精益求精、追 求卓越等良好品质。 本教科书由顾建军任主编，段青、李双寿任副主编，是在《技术与设计 2》实验 教科书（段青、何立权、程镐初为副主编， 刘新民、张文锦、郁汉琪、赵利华、段青、 管光海参与编写）的基础上修订而成。参与修订的有顾建军、段青、李双寿、管光海、 刘海林、黄越祥、任祖平等，参与讨论的还有黄林、黄建忠、苏焕平、陈长亚、徐金 雷、李骏扬等，全书由顾建军、段青统稿。 本教科书在浙江、江苏、北京、海南、福建、甘肃、辽宁、新疆等 24 个省、直辖市、 自治区进行了试教。根据师生反馈，我们对本教科书先后进行了多次修订。在此感谢 参加试教的各位老师和同学，为我们提出了宝贵的建议。江苏凤凰教育出版社郜键、 董秀敏等为本书的出版付出了艰辛的劳动，在此一并表示衷心的感谢。 编 者 2019 年 8 月 感谢您使用本书，您在使用本书时有建议或疑问，请及时与 我们联系。 联系电话：025-83658728 电子邮箱：jsep_gaojian@126.com 技术与职业 技术与工程 技术与设计1 技术与创造 技术与生活 普通高中教科书 通用技术 必修 书 名 技术与设计2 主 编 顾建军 责任编辑 郜 键 董秀敏 出版发行 江苏凤凰教育出版社 (南京市湖南路 1 号A楼 邮编 210009) 排 版 南京紫藤制版印务中心 印 刷 江苏凤凰新华印务集团有限公司 (电话: 025-68037410) 厂 址 江苏省南京市新港经济技术开发区尧新大道399号 (邮编210038) 开 本 890 毫米 × 1 240 毫米 1/16 印 张 9 版 次 2020年7月第2版 印 次 2021年6月第3次印刷 书 号 ISBN 978-7-5499-8118-2 定 价 10.85元 盗版举报 025 - 83658579 苏教版图书若有印装错误可向出版社联系调换 质量热线: 025-83658528 025-83658526 审批号: 苏费核 (2021年)0375号 举报电话: 12315 绿色印刷产品