高中通用技术 第三、四单元知识点 苏教版必修2

专心 爱心 用心1 第三单元第三单元 系统与设计系统与设计 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 专心 爱心 用心2 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 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 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 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 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 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 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 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 专心 爱心 用心3 缺少任何一个 手电筒都不能正常工作 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 P89 第四单元第四单元 控制与设计控制与设计 一 控制的手段与应用 1 控制的手段 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 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 专心 爱心 用心4 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 专心 爱心 用心5 专心 爱心 用心6 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 专心 爱心 用心7 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 专心 爱心 用心8 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 P119 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 专心 爱心 用心9 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