设计与应用科技：系统与控制
同学们好！欢迎来到「系统与控制」的复习笔记。如果这个课题听起来有点专业，别担心，我们会将它拆解成简单易懂的部分。你可以把它想象成学习日常用品（从你的电话到洗衣机）如何运作的秘密规则。理解系统对于任何设计师或工程师来说都是一种超能力，学完这个部分，你将能够以一种全新的、系统化的方式来看待世界！
基本构成单元：输入-处理-输出 (I-P-O)
几乎所有旨在执行任务的设计，都可以被视为一个简单的系统。最基本的思考方式就是使用输入-处理-输出 (I-P-O) 模型。这是一个描述系统如何运作的简单三步流程。
让我们用一个日常比喻：烘面包！
- 输入：你把一片面包放入多士炉并按下手柄。这里的输入是面包、电力，以及你按下手柄的动作。
- 处理：多士炉内部的发热元件变热，并在设定时间内烘烤面包。这是「动作」或「思考」的部分。
- 输出：烘好的面包弹出来了！输出是烘好的面包和热量。
以下是其正式定义：
- 输入：系统开始运作所需的能量、物料或信息。这是「投入了什么」。
- 处理：系统对输入进行的操作或改变。这是「它执行了什么」。
- 输出：处理完成后，系统产生的结果或产品。这是「获得了什么」。
我们可以将其绘制成一个简单的方块图：
[ 输入 ] ---> [ 处理 ] ---> [ 输出 ]
课程大纲中的实例
1. 风筒
- 输入：来自插座的电力，按下「开」关。
- 处理：电动机转动风扇，发热线圈变热。
- 输出：一股热风。
2. 洗衣机
- 输入：脏衣物、水、洗衣液、电力，以及按下「开始」按钮。
- 处理：洗衣机注水，滚筒转动洗涤衣物，污水排出，滚筒高速旋转以去除多余水分。
- 输出：干净、湿润的衣物。
复杂系统怎么办？子系统！
非常复杂的产品由许多协同运作的小系统组成。我们称这些为子系统。想想一辆汽车。整辆汽车是主系统，但引擎是个子系统，刹车是个子系统，冷气又是另一个子系统。它们都有各自的I-P-O，但共同运作以使汽车运行。
例如，港铁系统是一个庞大的系统。它包括机械子系统（列车和路轨）、电子子系统（八达通读卡器和信号），甚至气动子系统（气动门）。
I-P-O 的重点提示
输入-处理-输出模型是分析和理解任何产品或系统如何运作的基本工具。如果你能识别一个装置的I-P-O，你已经像设计师一样思考了！
作出决策：逻辑门
电子系统如何「决定」做什么？答案就在于逻辑门。这些是电子产品中最简单的决策者。它们使用二进制信号：1（开或真）和0（关或假）。
一个逻辑门接收一个或多个二进制输入，并根据一个简单的规则产生单一二进制输出。对于文凭试，你需要了解三种基本逻辑门：「与」、「或」和「非」。
「与」门 (AND Gate)
规则：只有当所有输入都为 1 时，输出才为 1。
比喻：想想微波炉。要让它启动（输出=1），炉门必须关上（输入 A=1）并且你必须按下启动按钮（输入 B=1）。如果其中任何一个条件未达成，微波炉就不会启动。
真值表：（显示所有可能的输入组合及其相应输出的表格）
输入 A 输入 B 输出
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
「或」门 (OR Gate)
规则：只要任何一个输入为 1，输出就为 1。
比喻：想想一个有两道门的住宅门铃。如果有人按前门按钮（输入 A=1）或者按后门按钮（输入 B=1），门铃就会响（输出=1）。不论按下哪一个，门铃都会响起。
真值表：
输入 A 输入 B 输出
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
「非」门 (NOT Gate) 或反相器 (Inverter)
规则：输出是单一输入的相反。
比喻：想想一种在停电时自动亮起的应急灯。当有市电时（输入=1），灯是关闭的（输出=0）。当停电时（输入=0），灯就会亮起（输出=1）。
真值表：
输入 输出
0 1
1 0
逻辑门的重点提示
逻辑门是所有数码电子产品的基本构建单元。「与」、「或」和「非」门能作出简单的逻辑决策，当它们组合起来时，可以执行极为复杂的任务。
驱动对象：机械系统
机械系统利用力学和运动来完成任务。它们主要涉及齿轮、杠杆和连杆。在设计与应用科技中，我们经常从将一种运动转换成另一种运动的角度来思考它们，例如在设计机械玩具时。
常见的运动转换机械装置
- 连杆装置：一个由连接杆组成的系统，可用于传递或改变运动方向。例子：当你踩下脚踏时，垃圾桶盖会打开的机制。
- 凸轮与从动件：一个特别形状的旋转部件（凸轮）推动另一部件（从动件）向上或向下、向前或向后移动。这会产生重复、特定的运动模式。例子：在一个自动机玩具中，当转动手柄时，凸轮可以使角色的手臂摆动。
- 滑块曲柄：这种机械装置将旋转运动（转动）转换为往复运动（直线来回移动），反之亦然。例子：汽车引擎中的活塞和曲轴，或是旧式蒸汽火车的车轮和连接杆。
- 齿条与小齿轮：一个圆形齿轮（小齿轮）与一条扁平、有齿的杆（齿条）啮合。当小齿轮旋转时，齿条会作直线移动。例子：大多数汽车的转向系统。转动方向盘（小齿轮）会移动齿条以转动汽车的车轮。
- 棘轮与棘爪：一种有用的装置，只允许单向运动，并防止其向后移动。例子：束线带——你可以拉紧它，但不能松开。另一个例子是棘轮扳手，它向一个方向转动时发出咔嗒声，但向另一个方向转动时则锁紧。
机械系统的重点提示
这些简单的机械装置是几乎所有机器基本的构建单元。通过了解如何转换运动，你可以设计出以有趣和实用的方式移动的产品。
保持坚固：物理结构
一个产品不仅仅关乎它的功能；还关乎它在不同力作用下如何保持稳定。这部分是关于确保我们的设计坚固和稳定。
力与强度
结构必须能够承受力（推力和拉力）。坚固的设计会分散这些力，以免任何单一部件过载。在框架结构（称为桁架）中使用三角形等形状，是创造非常坚固而轻巧结构的经典方法。想想桥梁或起重机臂！
稳定性与平衡
稳定性是结构抵抗被推倒的能力。这主要由两件事决定：
- 重心 (CG)：物件想象中的「平衡点」。重心越低，物件就越稳定。
- 支撑底座：物件与地面接触的区域。支撑底座越宽，物件就越稳定。
比喻：想象一下金字塔和一个又高又薄的饮水杯。金字塔有一个非常宽的底座和非常低的重心，使其极为稳定。而水杯则底座狭窄，重心较高，容易被推倒。在设计台灯或落地风扇等产品时，你应始终以宽阔、沉重的底座为目标，以保持其稳定。
物理结构的重点提示
良好的设计不仅要有功能性；还要结构坚固。务必考虑产品将面对的力，并通过使用宽阔的底座和低的重心来设计以提高稳定性。
电子力量：基本电子学
这是我们将所有知识融会贯通的地方！基本电子系统运用我们之前学过的I-P-O模型。你经常会使用电子学习套件来搭建这些简单的电路。
一个简单的电子控制电路有三个主要部分：
- 输入（传感器）：这些部件「感应」周围的世界。例子：光敏电阻 (LDR) 检测光线强度，热敏电阻检测温度，按钮开关检测按压。
- 处理（控制）：这是电路的「大脑」，负责作出决策。它可能是一个由几个晶体管或逻辑门组成的简单电路，或是一个更复杂的微控制器。这部分根据传感器提供的信息来决定如何操作。
- 输出（致动器）：这些部件「执行」某些动作。它们产生例如光、声音或运动的效果。例子：发光二极管 (LED) 发光，蜂鸣器发出声音，马达转动。
一个简单例子：自动夜灯
让我们利用我们的I-P-O和电子学知识来设计一个简单的自动夜灯。
- 输入：一个光敏电阻 (LDR) 来检测何时变暗。
- 处理：一个简单的处理电路（或许使用「非」门逻辑！）指令：「如果光敏电阻检测到黑暗，则发送信号打开灯」。
- 输出：一个发光二极管 (LED) 亮起并发光。
使用电子学习套件是亲身观察这些原理运作的最佳方式。搭建一个能对其环境作出反应的电路真的很有满足感！
基本电子学的重点提示
简单的电子系统遵循输入-处理-输出模型，利用传感器收集信息，处理电路进行决策，以及致动器产生输出。