高中技术08 结构设计与控制系统
结构设计与控制系统
【教学目标】
熟练掌握并运用分析构件受力变形形式、工序与生产流程、控制系统的方法。
【知识归纳】
1. 结构
(1) 构件受力变形形式:受拉、受压、受剪切、受弯曲、受扭转
(2) 结构类型:实体结构、框架结构、壳体结构、组合结构
(3) 影响结构稳定性因素:重心位置高低、支撑面大小、结构形状
(4) 影响结构强度的主要因素:结构形状、使用的材料、构件之间的连接方式
(5) 连接:铰连接、刚连接
*梁的受力与钢筋位置:钢筋位于梁受拉一侧
2. 生产流程
(1) 生产流程(工序、时序):串行工序、并行工序
(2) 流程优化涉及工期、工艺、成本、质量、技术
3. 系统
(1) 系统基本特性:整体性、相关性、目的性、动态性、环境适应性
(2) 系统分析步骤: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
(3) 系统分析原则:整体性原则、科学性原则、综合性原则
4. 控制与系统
(1) 控制:人工控制(手动控制)、自动控制
(2) 控制系统:开环控制系统、闭环控制系统
(3) 开环控制系统
① 方框图:
② 特点:
a输入量决定输出量,输出量不影响输入量
b控制精度低,结构简单,成本低
c没有自动纠正能力
(4) 闭环控制系统
① 方框图:
② 特点:
a输入量、输出量相互影响
b有检测装置(反馈)
c控制精度高,结构复杂,成本高
5. 功能模拟法
6. 黑箱方法
【知识梳理】
1. 结构
(1) 结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。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) 构件：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。
(3) 构件受力变形形式:受拉、受压、受剪切、受弯曲、受扭转
(4) 结构类型:从力学架构与形态方面考虑，通常将结构分为实体结构、框架结构和壳体结构等基本类型。
(5) 结构稳定性
结构的稳定性是指结构在外力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主要有：重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面大小、结构的形状。如果结构重心所在点的垂线落在支撑面范围内，则结构处于稳定状态。
(6) 影响结构强度的主要因素:结构形状、使用的材料、构件之间的连接方式
(7) 构件的连接方式通常有两种：刚连接和铰连接。榫接、胶接、焊接都属于刚连接。
*不同截面形状的构件所能承受力的程度不同，同种材料横截面越大强度越大。钢筋抗拉，混凝土抗压（钢筋的位置问题）
【典型例题】
1.如图所示的健身器材，使用者可双手握住扶手，双脚站在踏板上，进行漫步动作。当使用者站在踏板上不运动时，连杆的主要受力形式为( )
A．受拉、受弯曲
B．受压、受弯曲
C．受扭转、受弯曲
D．受压、受扭转
2.赵州桥是中国现存的最著名的古代石拱桥。从结构的形态和受力特点来看，他的结构类型属于（ ）。
A．实体结构
B．框架结构
C．壳体结构
D．桁架结构
2. 生产流程
(1) 流程的含义：流程是一项活动或系列连续有规律的事项或行为进行的程序，也可以理解为为了一定的目的去做事情的顺序。人们在处理问题时，合理的时序和程序过程，就是流程。任何流程都反映了一定的时序，体现出一定的环节。
(2) 流程对生产、生活和工作的意义
流程在生活中的意义：提高生活质量、提高工作效率、节约时间、保护身体安全等。
流程在生产活动中的意义：保证产品质量、提高生产效率、节约资源、安全生产、提高经济效益、提高管理水平等。
(3) 时序和环节：先后顺序称为时序，有的时序是不可颠倒的（往往反映事物或活动的内在规律或机理），有的时序是可以颠倒的。我们把完成某一个目标，组织某项生产或某个活动的若干个过程称为环节，环节具有层次性。
(4) 上一道工序完成之后才能进入下一道工序被称为“串行工序”；
(5) 几项工作同时进行，被称为“并行工序”。注:判断框的分支不属于并行；环节多工期不一定长。
(6) 流程优化
工期：缩短时间，如串行→并行。引入新设备、新技术，主要考虑投入产出比
工艺：改变生产方式（如切削法，少切削法）
成本：降低成本，如运输问题关注路程、油耗、载重比
注：流程优化可能增加环节。
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。简单的说，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。
3. 系统
(1) 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。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。
(2) 构成系统的三个条件：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整体的功能是局部所没有的。
(3) 系统基本特性:整体性、相关性、目的性、动态性、环境适应性
整体性：侧重于“要素(部分)影响要素(部分)，要素(部分)影响整体”
①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。②系统中某个要素发生变化或出现故障，都会影响其他要素或整体功能的发挥。③系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。④系统的要素配合好才能发挥系统的整体功能，换句话说，要素好系统整体性能未必好。
相关性：侧重于“在整体完好的情况下，要素(部分)与要素(部分)，要素(部分)与整体之间的关联”，构成系统的各要素之间是相互联系、相互作用、相互依赖、相互影响的关系，是彼此相关的。
目的性：任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这是区别不同系统的主要标志。
动态性：物质都是不断变化的，因此系统是一个动态的系统，处在运动变化和发展之中。
环境适应性：系统都在于一定的环境中，并不断的与外界环境进行物质的、能量的和信息的交换，系统必须适应外部环境的变化。
(4) 根据需要，系统可以分为自然系统和人造系统，也可以分为实体系统和抽象系统。
(5) 系统分析
决策的方法：经验决策和科学决策。
系统分析的含义：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查、分析、比较、试验，并在此基础上拟定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。
简单理解：全面分析，产生方案→一般只找到故障原因，确定方案，并未实施
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
系统分析原则:整体性原则、科学性原则、综合性原则
√ 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，再看某一阶段；先看长远，再看当前。
√ 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。
√ 综合性原则：a.当系统存在若干个目标时，需要综合分析，统筹兼顾不可顾此失彼，因小失大。b.某些情况下，综合若干方案的有点，会取得意外的效果。
(6) 系统优化：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)。
影响系统优化的因素和约束条件
① 影响系统优化的因素：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。
② 约束条件：对系统优化起着限制作用，并且不能人为调节的因素。
系统优化方法：
① 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。
② 系统优化的方法是多样的，数学模型求解、科学的估算、试验等方法都可以实现。
【典型例题】
如图所示为扫地机器人，它能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。从系统特性角度分析，以下有关该机器人的叙述中错误的是( )
A．能清扫地面、吸纳垃圾，体现系统的目的性
B．有本机、电池、集尘盒等组成，体现了系统的整体性
C．适用面积为150—200 m2，体现了系统的环境适应性
D．用久了，毛刷上卷，清扫效果下降，体现了系统的动态性
4. 控制与系统
(1) 控制: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。
控制三要素：控制的对象、控制目的和控制手段。
控制方法：
√ 按控制过程中人工干预的情形分：
① 人工控制：控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行。
② 自动控制：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。
√ 按执行机构的不同分：机械控制（齿轮、轴）、气动控制、液压控制、电子控制（电子元器件、电路板）等。
控制的应用：
① 生活：控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程序下按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。
② 生产：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广泛的应用。
③ 军事国防：控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。
(2) 控制系统:开环控制系统、闭环控制系统
(3) 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的控制系统。
① 方框图:
输入量：控制系统的给定量。
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。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要控制的装置或生产过程。
输出量：控制系统所要控制的量。
② 特点:
a输入量决定输出量,输出量不影响输入量
b控制精度低,结构简单,成本低
c没有自动纠正能力
③ 例子：定时控制系统（微波炉定时加热、电风扇定时）、红外线感应系统（自动门、自动水龙头）、防盗报警系统、声控光控系统等。
(4) 闭环控制系统：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。
闭环控制系统控制的是物理量（被控量）：温度、湿度、压力、速度、水位、位置等
① 方框图:
与开环控制系统相比，闭环控制系统多了检测装置、比较器(检测装置有的开环系统也有)。输出量与输入量之间的信号形成一个回路
给定量：即输入量。
被控量：即输出量。
检测装置：测量出被控量并返回到系统的输入端。
比较器：将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值。
常见的控制器：微电脑、控制电路、控制平台、控制装置、控制处理中心、单片机等
常见的执行器：电机（马达、泵、压缩机）、开关（阀门）、加热器（制冷器）。
常见的被控对象：房间、箱体、土壤、管道、水、空气……
② 特点:
a输入量、输出量相互影响
b有检测装置(反馈)
c控制精度高,结构复杂,成本高
③ 例子：温度控制系统（冰箱、空调、恒温箱）、水位控制系统（游泳池水位控制、马桶水位控制）等。
④ 干扰：在控制系统中，除输入量(给定值)以外，引起被控制量变化的各种因素称为干扰因素。
⑤ 反馈：在自动控制系统中，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，称为反馈。（检测装置+控制器）
反馈方法：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向，称为反馈方法。
5. 功能模拟法：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。如：机器或设备模仿人
6. 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。如：拍西瓜判断生熟。
【典型例题】
1.如图所示是一款智能垃圾桶。投垃圾时，手或垃圾靠近感应区上方，桶盖会自动打开，投入后桶盖会自动关闭，该控制系统的控制手段和控制方式属于( )
A．手动控制、开环控制 B．自动控制、开环控制
C．自动控制、闭环控制 D．手动控制、闭环控制例
2. 某学校铃声控制系统的工作过程是：电脑根据设定的时间顺序，发出电信号给功率放大器，使音箱发出铃声。请根据上述说明，完成(1)(2)题。
(1)关于该控制系统的说法中，不正确的是( )
A．控制器是电脑
B．执行器是功率放大器
C．被控对象是音箱
D．输出量是功率放大器发出的电信号
(2)各种干扰因素会造成系统工作不正常，下列不属于干扰因素的是( )
A．电脑中侵入病毒程序
B．响铃时间顺序设定错误
C．工作电压超出系统正常工作范围
D．系统附近使用无线电设备
3.如图所示为某仓储运货工作示意图，运货车的工作过程是：当传感器检测到车上的载货量达到设定值时，控制电路控制电机转动，车驶向卸货平台；当车上的限位开关接触到卸货平台，电机停止转动，车停下等待卸货；当传感器检测到货物被卸，电机反向转动，车返回装货平台。请回答下列各题，填写“________”处的相应内容。
(1)该运货车的控制方式属于 。(在①闭环控制；②开环控制中选择一项，填写序号)
(2)该运货车的控制手段属于 。(在①手动控制；②自动控制中选择一项，填写序号)
(3)该控制系统中，若车上与卸货平台相接触的限位开关损坏，可能造成 。(在①车到了卸货平台后，电机继续转动；②车到了卸货平台后，不等卸货马上返回装货平台；③传感器无法检测载货量中选择一项，填写序号)
(4)为了防止装货时载货量达到设定值的瞬间，车就开走，产生危险。针对此情况，以下对该系统进行优化的措施中合适的是 。(在①提高传感器的灵敏度；②增加延时装置，装货后延时几秒钟再开动；③降低电机转速中选择一项，填写序号)
【课堂练习】
1.下面是关于钟表的结构图和文字描述，结合自己的理解，请回答第(1)(2)题。
钟表主要由原动系、传动系、擒纵调速系、指针系和上条拨针系等部分组成。机械钟表用发条作为动力的原动系，经过一组齿轮组成的传动系来推动擒纵调速器工作，再由擒纵调速器反过来控制传动系的转速。
(1)下列关于该钟表系统说法正确的是( )
A．各个齿轮发挥着各自的作用，缺一不可，这体现了系统的相关性
B．由于零件的不断磨损，会出现走时不准的情况，这体现了系统的动态性
C．原动系、传动系、发条和齿轮等都为该钟表系统的子系统
D．该钟表的主要功能是为了精确计时，体现了系统的整体性
(2)下列说法错误的是( )
A．二轮、三轮、四轮的受力形式为受扭转
B．棘爪的作用是为了防止发条中的能量被迅速释放
C．通过柄轴上发条的上条系统，该系统是一个减速系统
D．发条和游丝的受力形式为受扭转
2. 如图所示是一个木制双人秋千，以下改进措施能增加其稳定性的是( )
A．更换原材料，把木质改为不锈钢
B．把支撑架两脚的交叉角度增大，增大其支撑面
C．加粗支撑脚，加固坐椅与钢索的连接
D．加固最上端横杠与钢索的连接部分
3.下列四个椅子，其中杆件受拉的是( )
4.关于结构描述错误的是（ ）
A.实体结构的受力特点是外力分布在整个体积中
B．安全帽采用的是壳体结构
C．框架结构支撑空间而不充满空间
D．自行车是框架结构
5.如图所示为某储气罐压力自动控制和自动报警系统示意图。压力变送器检测储气罐中的压力值，该值被送到控制器，与设定压力值进行比较，控制器根据偏差值控制变频气泵的转速，从而使储气罐的实际压力达到设定值。当压力值超出设定上限时，就发出报警信号，并自动排气。请完成下列各题，在有“________”处填上相应的内容。
(1)该系统除了压力自动控制子系统以外，还有________子系统和自动排气装置。
(2)根据示意图及其描述，补充完整压力自动控制系统方框图。
(3)当压力自动控制系统出现故障，导致储气罐内气体压力过高，在此情况下对储气罐有保护作用的是________(在①去车间的送气管道；②自动排气装置中选择一项，填写序号)。
6.如图所示的智能扫地机器人自动工作、自动充电，智能机器人通过电量传感器判定内部电池电量，该电量信息被传送到控制模块，并由控制模块判断是否需要充电。如果电量低于设定电量，控制模块就会做出需要充电决定，机器人充电器自动识别机器人，引导机器人进行充电，直至充满。
(1)根据自动充电原理的描述，补充完整方框图，在“________”处填写相应内容。
①________；② ________；③ ________；④________ 。
(2)为防止充电座被其他物体遮挡或防止机器人进入后无返回的路线，设计师们常需要对常用家具底部高度与家具支撑脚宽度做大量的科学分析与数学统计，这体现了系统分析 原则。
(3)该扫地机器人遇到以下情况工作不会遇到问题的是________(在①沙发与地面间隙过大；②房间之间有台阶；③工作区域有干扰源中选择一项，将序号填写在“________”处)。
(2)该手环佩戴在人的手腕，洗手时容易被水渗入到手环内部的电子元件，造成手环的损坏。要对该系统进行优化，其约束条件是( )
A．设计人员的水平
B．手环的制造成本
C．密封件的选用
D．新型防水技术的掌握
7.电子警察是现代道路交通安全管理的有效手段，计算机根据雷达探测到的汽车位置变化信号，计算出汽车的行驶速度并判断是否超速，如果超速则启动照相机抓拍，并将拍摄到的图像信息输送到监控中心。请根据上述说明，完成以下任务：
(1)该控制系统的控制方式属于 ________控制。(在①开环；②闭环中选择一项，将序号填写在“________ ”处)
(2)该控制系统的控制手段属于________ 。(在①手动控制；②自动控制中选择一项，将序号填写在“________”处)
(3)该控制系统的输出量是________。(在①汽车的行驶速度；②超速车辆的图像；③雷达信号中选择一项，将序号填写在“________ ”处)
(4)为了实时监测汽车行驶速度，应用雷达技术探测汽车的位置变化信号，通过数学模型计算出汽车的行驶速度，判断是否超速。这体现了系统分析的 ________原则。(在①整体性；②科学性；③综合性中选择一项，将序号填写在“________”处)
(5)照相机对超速车辆抓拍时会受到各种干扰，以下因素中不属于干扰因素的是________ 。(在①雨雾；②沙尘；③车辆速度中选择一项，将序号填写在“________”处)
