設計與應用科技：系統與控制
各位同學好！歡迎來到「系統與控制」的溫習筆記。如果這個課題聽起來有點專業，別擔心，我們會將它拆解成簡單易懂的部分。你可以把它想像成學習日常用品（從你的電話到洗衣機）如何運作的秘密規則。理解系統對於任何設計師或工程師來說都是一種超能力，學完這部分，你將能夠以一種全新的、系統化的方式來看待世界！
基本構成單元：輸入-處理-輸出 (I-P-O)
幾乎所有旨在執行任務的設計，都可以被視為一個簡單的系統。最基本的思考方式就是使用輸入-處理-輸出 (I-P-O) 模型。這是一個描述系統如何運作的簡單三步流程。
讓我們用一個日常比喻：烘麵包！
- 輸入：你把一片麵包放入多士爐並按下手柄。這裡的輸入是麵包、電力，以及你按下手柄的動作。
- 處理：多士爐內部的發熱元件變熱，並在設定時間內烘烤麵包。這是「動作」或「思考」的部分。
- 輸出：烘好的麵包彈出來了！輸出是烘好的麵包和熱量。
以下是其正式定義：
- 輸入：系統開始運作所需的能量、物料或資訊。這是「你放入了什麼」。
- 處理：系統對輸入進行的操作或改變。這是「它做了什麼」。
- 輸出：處理完成後，系統產生的結果或產品。這是「你得到了什麼」。
我們可以將其繪製成一個簡單的方塊圖：
[ 輸入 ] ---> [ 處理 ] ---> [ 輸出 ]
課程大綱中的實例
1. 風筒
- 輸入：來自插座的電力，按下「開」關。
- 處理：電動機轉動風扇，發熱線圈變熱。
- 輸出：一股熱風。
2. 洗衣機
- 輸入：污糟的衣物、水、洗衣液、電力，以及按下「開始」按鈕。
- 處理：洗衣機注水，滾筒轉動洗滌衣物，污水排出，滾筒高速旋轉以去除多餘水分。
- 輸出：乾淨、濕潤的衣物。
複雜系統怎麼辦？子系統！
非常複雜的產品由許多協同運作的小系統組成。我們稱這些為子系統。想想一輛汽車。整輛汽車是主系統，但引擎是個子系統，煞車是個子系統，冷氣又是另一個子系統。它們都有各自的I-P-O，但共同運作以使汽車運行。
例如，港鐵系統是一個龐大的系統。它包括機械子系統（列車和路軌）、電子子系統（八達通讀卡器和訊號），甚至氣動子系統（氣動門）。
I-P-O 的重點提示
輸入-處理-輸出模型是分析和理解任何產品或系統如何運作的基本工具。如果你能識別一個裝置的I-P-O，你已經像設計師一樣思考了！
作出決策：邏輯閘
電子系統如何「決定」做什麼？答案就在於邏輯閘。這些是電子產品中最簡單的決策者。它們使用二進制訊號：1（開或真）和0（關或假）。
一個邏輯閘接收一個或多個二進制輸入，並根據一個簡單的規則產生單一二進制輸出。對於文憑試，你需要了解三種基本邏輯閘：「與」、「或」和「非」。
「與」閘 (AND Gate)
規則：只有當所有輸入都為 1 時，輸出才為 1。
比喻：想想微波爐。要讓它啟動（輸出=1），爐門必須關上（輸入 A=1）並且你必須按下啟動按鈕（輸入 B=1）。如果其中任何一個條件未達成，微波爐就不會啟動。
真值表：（顯示所有可能的輸入組合及其相應輸出的表格）
輸入 A 輸入 B 輸出
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
「或」閘 (OR Gate)
規則：只要任何一個輸入為 1，輸出就為 1。
比喻：想想一個有兩道門的單位門鐘。如果有人按前門按鈕（輸入 A=1）或者按後門按鈕（輸入 B=1），門鈴就會響（輸出=1）。不論按哪一個，只要有按就行。
真值表：
輸入 A 輸入 B 輸出
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
「非」閘 (NOT Gate) 或反相器 (Inverter)
規則：輸出是單一輸入的相反。
比喻：想想一種在停電時自動亮起的應急燈。當有市電時（輸入=1），燈是關閉的（輸出=0）。當停電時（輸入=0），燈就會亮起（輸出=1）。
真值表：
輸入 輸出
0 1
1 0
邏輯閘的重點提示
邏輯閘是所有數碼電子產品的基本建構單元。「與」、「或」和「非」閘能作出簡單的邏輯決策，當它們組合起來時，可以執行極為複雜的任務。
驅動物件：機械系統
機械系統利用力學和運動來完成任務。它們主要涉及齒輪、槓桿和連桿。在設計與應用科技中，我們經常從將一種運動轉換成另一種運動的角度來思考它們，例如在設計機械玩具時。
常見的運動轉換機械裝置
- 連桿裝置：一個由連接桿組成的系統，可用於傳遞或改變運動方向。例子：當你踩下腳踏時，垃圾桶蓋會打開的機制。
- 凸輪與從動件：一個特別形狀的旋轉部件（凸輪）推動另一部件（從動件）向上或向下、向前或向後移動。這會產生重複、特定的運動模式。例子：在一個自動機玩具中，當轉動手柄時，凸輪可以使角色的手臂擺動。
- 滑塊曲柄：這種機械裝置將旋轉運動（轉動）轉換為往復運動（直線來回移動），反之亦然。例子：汽車引擎中的活塞和曲軸，或是舊式蒸汽火車的車輪和連接桿。
- 齒條與小齒輪：一個圓形齒輪（小齒輪）與一條扁平、有齒的桿（齒條）嚙合。當小齒輪旋轉時，齒條會作直線移動。例子：大多數汽車的轉向系統。轉動方向盤（小齒輪）會移動齒條以轉動汽車的車輪。
- 棘輪與棘爪：一種有用的裝置，只允許單向運動，並防止其向後移動。例子：索帶——你可以拉緊它，但不能鬆開。另一個例子是棘輪扳手，它向一個方向轉動時發出咔嗒聲，但向另一個方向轉動時則鎖緊。
機械系統的重點提示
這些簡單的機械裝置是幾乎所有機器基本的建構單元。通過了解如何轉換運動，你可以設計出以有趣和實用的方式移動的產品。
保持堅固：物理結構
一個產品不僅僅關乎它的功能；還關乎它在不同力作用下如何保持穩定。這部分是關於確保我們的設計堅固和穩定。
力與強度
結構必須能夠承受力（推力和拉力）。堅固的設計會分散這些力，以免任何單一部件過載。在框架結構（稱為桁架）中使用三角形等形狀，是創造非常堅固而輕巧結構的經典方法。想想橋樑或起重機臂！
穩定性與平衡
穩定性是結構抵抗被推倒的能力。這主要由兩件事決定：
- 重心 (CG)：物件想像中的「平衡點」。重心越低，物件就越穩定。
- 支撐底座：物件與地面接觸的區域。支撐底座越寬，物件就越穩定。
比喻：想像一下金字塔和一個又高又薄的飲水杯。金字塔有一個非常寬的底座和非常低的重心，使其極為穩定。而水杯則底座狹窄，重心較高，容易被推倒。在設計檯燈或落地風扇等產品時，你應始終以寬闊、沉重的底座為目標，以保持其穩定。
物理結構的重點提示
良好的設計不僅要有功能性；還要結構堅固。務必考慮產品將面對的力，並通過使用寬闊的底座和低的重心來設計以提高穩定性。
電子力量：基本電子學
這是我們將所有知識融會貫通的地方！基本電子系統運用我們之前學過的I-P-O模型。你經常會使用電子學習套件來搭建這些簡單的電路。
一個簡單的電子控制電路有三個主要部分：
- 輸入（感應器）：這些部件「感應」周圍的世界。例子：光敏電阻 (LDR) 檢測光線強度，熱敏電阻檢測溫度，按鈕開關檢測按壓。
- 處理（控制）：這是電路的「大腦」，負責作出決策。它可能是一個由幾個電晶體或邏輯閘組成的簡單電路，或是一個更複雜的微控制器。這部分根據感應器提供的資訊來決定如何操作。
- 輸出（致動器）：這些部件「執行」某些動作。它們產生例如光、聲音或運動的效果。例子：發光二極管 (LED) 發光，蜂鳴器發出聲音，馬達轉動。
一個簡單例子：自動夜燈
讓我們利用我們的I-P-O和電子學知識來設計一個簡單的自動夜燈。
- 輸入：一個光敏電阻 (LDR) 來檢測何時變暗。
- 處理：一個簡單的處理電路（或許使用「非」閘邏輯！）指令：「如果光敏電阻檢測到黑暗，則發送訊號打開燈」。
- 輸出：一個發光二極管 (LED) 亮起並發光。
使用電子學習套件是親身觀察這些原理運作的最佳方式。搭建一個能對其環境作出反應的電路真的很有滿足感！
基本電子學的重點提示
簡單的電子系統遵循輸入-處理-輸出模型，利用感應器收集資訊，處理電路進行決策，以及致動器產生輸出。