2016 東南大學自動化學院本科畢業設計開題報告模板

院（系） 專 業

設計（論文）題目XZ系列芯模振動制管機芯模製管機

PLC控制系統設計

學 生 姓 名 王碧波 學號 08009418 起 止 日 期設 計 地 點

指 導 教 師

顧 問 教 師

開題日期 2015年 2月25日 江蘇華光雙順機械製造有限公司 王曉俊 周杏鵬

2016 東南大學自動化學院本科畢業設計開題報告模板 [篇2]

一、選題背景與意義（300字左右）

據不完全統計，目前我國城市裏的十字路口-交通系統大都採用定時來控制(不排除繁忙路段或高峯時段用交-警來取代交通燈的情況)，這樣必然產生如下弊端:當某條路段的車流量很大時卻要等待紅燈，而此時另一條是空道或車流量相對少得多的道卻長時間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現象是未對實際情況進行實時監控所造成的，不僅讓司機乘客怨聲載道，而且對人力和物力資源也是一種浪費。

智能控制交通系統是目前研究的方向，也已經取得不少成果，在少數幾個先進國家已採用智能方式來控制交通信號，其中主要運用gps全球定位系統等。出於便捷和效果的綜合考慮，我們可用如下方案來控制交通路況:製作傳感器探測車輛數量來控制交通燈的時長。具體如下:在入路口的各個方向附近的地下按要求埋設感應線圈，當汽車經過時就會產生渦流損耗，環狀絕緣電線的電感開始減少，即可檢測出汽車的通過，並將這一信號轉換為標準脈衝信號作為可編程控制器的控制輸入，並用plc計數，按一定控制規律自動調節紅綠燈的時長。

比較傳統的定時交通燈控制與智能交通燈控制，可知後者的最大優點在於減緩滯流現象，也不會出現空道佔時的情形，提高了公路交通通行率，較全球定位系統而言成本更低。

二、課題關鍵問題及難點（300左右字）

傳統的十字路口-交通控制燈，通常是事先經過交通流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而實際上交通流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。即使是經過長期運行、適用的方案，仍然會發生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有什麼車輛，而紅燈方向卻排着長隊等候通過。這就需要有一種能夠根據流量變化情況自適應控制的交通燈。

一般可以為紅綠燈預先設置好延時，當綠燈方向車流量大，紅燈方向車流量小的時候對紅綠燈做延時處理，避免有一道路車輛的積壓。然而有的路口在不同的時段可能產生很大的差異，因此一般對延時的設置很難做到恰到好處。

模糊控制恰恰有這方面的優勢。關鍵的問題是怎麼運用模糊控制，使得從傳感器得來的數據能夠通過plc很好的為紅綠燈亮的時間調節服務。

三、文獻綜述（或調研報告）（1200字左右）

可編程控制器（ controller）是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計製造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（programmable logic controller），簡稱plc，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。

它的特點:

1 可靠性高，抗干擾能力強；

2 通用性高，使用方便；

3程序設計簡單，易學，易懂；

4採用先進的模塊化結構，系統組合靈活方便；

5系統設計週期短；

6安裝簡便，調試方便，維護工作量小；

7對生產工藝改變適應性強，可進行柔性生產；

它的使用情況大致可歸納為：開關量的邏輯控制，模擬量控制，運動控制，過程控制 ，數據處理 ，通信及聯網。

對於智能交通燈的設計，目前比較流行的是使用plc來完成的。因為它的特點明顯，是現在的主流設備。

而交通問題正好是當下的比較熱點的問題。隨着社會的發展，交通日漸的擁堵。傳統的交通燈已經不能滿足需要了。智能交通燈的是深受歡迎的，它可以貼近生活的為我們解決日趨嚴重的交通問題。因此plc智能交通控制系統是個很有意義的研究項目。

四、方案（設計方案、研製方案、研究方案）論證（不少於100字）

車輛的流量記數、交通燈的時長控制可由可編程控制器(plc)來實現。當然，也可選用其他種類的計算機作為控制器。選用plc作為控制器件是因為可編程控制器核心是一台計算機，它是專為工業環境應用而設計製造的計算機。它具有高可靠性豐富的輸入/輸出接口，並且具有較強的驅動能力;它採用一類可編程的存儲器，用於其內部存儲程序，執行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用户的指令，並通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

五、工作計劃（不少於300字）

1、畫出十字路口-交通燈的佈置圖。

2、根據主要工序畫出模擬控制系統的流程圖。

3、選擇plc系統設備，畫出plc外部接線圖，設計i/o分配表。

4、根據流程圖對plc交通燈進行編程，選擇梯形圖作為編程語言。

5、整理技術資料，對程序進行修改，最後仿真調試。

6、製作模型，將理論付諸於實際中，完成模型的聯通及運行。

2016 東南大學自動化學院本科畢業設計開題報告模板 [篇3]

1. 本課題的來源、選題依據：

（1）此設計需要學生綜合應用數控技術的基礎理論，主要是希望能夠通過此次的畢業設計更好的掌握工藝設計和編程方面的基本知識和技能；

（2）此次設計主要包括了外圓螺紋，外圓切槽，外圓表面以及內鏜孔的加工等，在對零件進行工藝分析時，要着重考慮零件的同軸度與垂直度要求；

（3）數控車牀是數控機牀中應用最為廣泛的一種機牀。選用合理的機牀和合理的加工工藝會直接影響生產效率、成本，資源的消耗。

2.本課題的設計（研究）意義（相關技術的現狀和發展趨勢）：

數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術,它廣泛用於機械製造與自動化領域，較好地解決多品種、小批量和複雜零件加工以及生產自動化問題。數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興製造的滲透形成的機電一體化產品。發展我國數控技術及裝備是提高我國製造業信息化水平和國際競爭能力的重要性保證。

數控加工工藝與編程是數控專業教學體系中構成數控加工技術專業知識及專業技能的重要組成部分，通過畢業設計使我們掌握數控加工工藝及程序編制的基本知識和基本理論；學會選擇機牀、刀具、夾具及零件表面的加工方法；掌握數控加工工藝設計方法和數控加工程序編制方法的能力；初步具備制定中等複雜程度的數控加工工藝及編程的能力；同時，還能分析解決生產中一般工藝性問題。此次的畢業設計主要解決的問題是零件圖的工藝分析、毛坯的選擇、刀具的選用、機牀的選擇、加工方案及加工路線的確定、切削用量的確定、車削加工程序的編寫。

數控技術是數字程序控制數控機械實現自動工作的技術。它廣泛用於機械製造和自動化領域，較好地解決多品種、小批量和複雜零件加工以及生產過程自動化問題。隨着計算機、自動控制技術的飛速發展，數控技術已廣泛地應用於數控機牀、機器人以及各類機電一體化設備上。它的應用不但給傳統制造業帶來革命性的變化使製造業成為工業的象徵；而且隨着數控技術的不斷髮展和應用領域的不斷擴大，當前世界上數控技術不斷地向高速化、高精密化、多功能化、高可靠性、數控系統的開放性、數控機牀設計cad化、結構新型化、編程技術的自動化、數控系統的智能化、網絡化、柔性化、集成化、加工功能複合化發展，同時更重視新技術標準、規範的建立。

3.本課題的基本內容、重點和難點，擬採用的實現手段（途徑）：

（1）查有關的資料，學習相關知識，完成開題報告；

（2）對零件圖進行數控加工工藝分析，確定編程尺寸，並編寫數控加工程序；

（3）合理選擇機牀、刀具、夾具，確定切削用量、零件表面的加工方法；

（4）繪製數控加工進給路線圖、數控加工工序卡、數控加工刀具卡片；

（5）完成畢業設計説明書。

4.文獻綜述（列出主要參考文獻的作者、名稱、出版社、出版時間以及與本課題相關的主要參考要點）：

[1]楊建明，數控加工工藝與編程．出版於北京理工大學出版社，2015年8月第七次印刷

[2]王愛玲，代寫碩士論文數控加工理論與實用技術．出版於機械工業出版社，2015年5月第一次印刷

[3]高鳳英，數控機牀編程與操作切削技術．出版於東南大學出版社，2015年第二次印刷

[4]杜國臣，數控機牀編程與操作．出版於機械工業出版社，2015年第六次印刷

[5]朱正心，機械製造技術．出版於機械工業出版社，2015年第14次印刷

[6]魏斯亮，互換性與技術測量．出版於北京理工大學出版社，2015年8月印刷

[7]楊良根，數控技術畢業設計指導．出版於北京理工大學出版社，2015年8月印刷

[8]徐夏民，數控原理與數控系統．出版於北京理工大學出版社，2015年6月印刷

[9]huzhanqi， control technology．wuhan polytechnic university press

[10]mike mattson，cnc programming principles and applications．mechanical industry press

2016 東南大學自動化學院本科畢業設計開題報告模板 [篇4]

院（系）

專 業

設計（論文）題目 基於MCU的通用控制器設計

學 生 姓 名 學號

指 導 教 師

顧 問 教 師

日期 2012 年 3 月 13 日

一、選題背景和意義

1.選題背景、

運動控制系統是以機械運動的驅動設備——電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論指導下組成的電力傳動自動控制系統，這類系統控制電機的轉矩，轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的控制。

縱觀運動控制系統的發展歷程，交，直流兩大電氣傳動並存於各個工業領域，雖然各個時期科學技術的發展使他們所處的地位，所起的作用不同，但他們始終是隨着工業的發展，特別是電力電子和微電子技術的發展，在相互競爭，相互促進中，不斷完善併發生着變化。由於歷史上最早出現的是直流電動機，所以19世紀80年代以前，直流電氣傳動是唯一的電氣傳動方式。直到19世紀末，出現了交流電動機，這才使得交流電氣傳動在工業中逐步得到廣泛應用。

隨着生產技術的發展，對電氣傳動在啟制動，正反轉以及調速精度，調速範圍，靜態特性，動態響應等方面提出了更高的要求，這就要求大量使用調速系統，由於直流電動機的調速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調速系統。它的發展過程是這樣的，由最早的旋轉交流機組控制發展為放大機，磁放大機控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現直流調速；再後來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現數字化的直流調速，使系統的快速性，可靠性，經濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統的應用非常廣泛，然而由於直流電動機具有電刷和換向器，製造工藝複雜且成本高，維護麻煩，使用環境受到限制等缺點，並且很難向高轉速，高電壓，大容量發展，逐漸顯示出直流調速的弱點。

普遍應用於恆速運行場合的交流電動機，可以彌補直流電動機的不足。於是人們又開始了新一輪交流調速的研究。僅對佔傳動總量三分之一強的風機，水泵設備而言，如果改恆速為調速的話，就可以節電30%左右。近三四十年來，隨着電力電子技術，微電子技術，現代控制理論的發展，為交流調速產品的開發創造了有利條件，並實現了產品的系列化。從調速性能看，完全可與直流調速系統媲美。

另外，藉助數字和網絡技術，智能控制已深入到運動控制系統的各個方面，例如：模糊控制，神經網絡控制等，各種觀測器和辨識技術應用於運動控制系統中，大大改善了控制系統的性能，為運動控制系統走向複雜的多層的網絡控制提供了可能。運動控制系統正由簡單的單機控制系統走向多機多種控制過程協調的系統集成階段。

2.研究現狀

早期直流傳動的控制系統採用模擬分離器件構成，由於模擬器件有其固有的缺點，如存在温漂、零漂電壓，構成系統的器件較多，使得模擬直流傳動系統的控制精度及可靠性較低。隨着計算機控制技術的發展，微處理器已經廣泛使用於直流傳動系統，實現了全數字化控制。由於微處理器以數字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，全數字直流調速控制精度、可靠性和穩定性比模擬直流調速系統大大提高。所以，直流傳動控制採用微處理器實現全數字化，使直流調速系統進入一個嶄新的`階段。

微處理器誕生於上個世紀七十年代，隨着集成電路大規模及超大規模集成電路制

造工藝的迅速發展，微處理器的性價比越來越高。此外，由於電力電子技術的發展，制-作-工-藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用於控制電機提供了可能，利用微處理器控制電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發揮，使電機的性能更符合工業生產使用要求，還促進了電機生產商研發出各種如步進電機、無刷直流電機、開關磁阻電動機等便於控制且實用的新型電機，使電機的發展出現了新的變化。

對於簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關元器件，使電路開通或關斷就可實現對電機的控制。現在帶微處理器的可編程控制器，已經在各種的機牀設備和各種的生產流水線中普遍得到應用，通過對可編程控制器進行編程就可以實現對電機的規律化控制。對於複雜的微處理器控制電機,則要利用微處理器控制電機的電壓、電流、轉矩、轉速、轉角等，使電機按給定的指令準確工作。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直流電機調速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結構都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恆定的電網上運行時，它們的速度不能方便而經濟地調節。高性能的微處理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即數字信號處理器)的出現，為採用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質基礎，使電機傳動的自動化程度大為提高。在先進的數控機牀等數控位置伺服系統，已經採用瞭如DSP等的高速微處理器，其執行速度可達數百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運算。

採用微處理器控制，使整個調速系統的數字化程度，智能化程度有很大改觀；採用微處理器控制，使調速系統在結構上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電機穩態運行時轉速精度等方面達到較高水平。由於微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。

3.本次研究意義

電機控制器的發展朝着集成化和通用化的方向發展着。目前，電機控制專用集成電路芯片技術已經比較成熟，電機控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得不足。而且，電機控制專用集成電路品種規格繁多，產品資料和應用資料豐富，但是又很分散，需要花時間收集整理、分析消化。

本課題着力於研究電機控制器的通用化開發。

應用於科研的板卡，其功能齊全，但是價格昂貴。一旦研究成果需要推廣，就遇到成本難以下降的局面。自行開發的板卡，又要大量重複的編程勞動，使開發週期加長。利用MCU，編寫在一定領域具有通用功能的控制器程序，借鑑和利用MATLAB的信號流圖，研究通過編碼信息下載,在MCU程序的解釋下,實現控制功能.

由於採用微處理器，應用新控制理論和方法，使實現實時控制成為可能，並且增加了系統功能和柔性。具有控制靈活，智能化水平高，參數易修改等優點，從而達到很高的控制精度和良好的穩定性。

二、課題重難點及預期目標

按照本課題的要求，需要掌握的知識有自動控制系統相關的理論知識，直流電動的調速系統原理及數學模型，然後要學會用MATLAB的Simulink和SimPower System工具箱，採用面向電氣原理結構圖的仿真技術，對雙閉環調速系統進行建模與仿真分析，得出最佳的控制系統模型。下一步便是學會使用STM32，通過編程將得到的控

制系統轉化為計算機語言來實現全數字控制。課題的重難點在於MATLAB的仿真分析，PROTEL設計繪製電路板以及STM32F107的編程使用。

預期目標是：1.設計出一個通用性較好的PID控制器；

控制算法的單片機實現；

3.設計製作出基於STM32F107開發板的電機驅動板。

三、文獻綜述

根據直流電機的工作基本原理，由直流電機的機械特性方程

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可知直流調速方法有三種：

（1）改變電樞迴路電阻。該方法的優點是系統結構簡單；缺點是效率低。因此，該方法適於小功率直流電機、開環控制且僅能有級調速。一般應用於電動玩具中。

（2）改變電動機主磁通。該方法的優點是能夠實現平滑調速；缺點是調速範圍小而且通常是配合調壓調速在基速以上作小範圍的升速。現已很少單獨使用，通常以非獨立控制勵磁的方式出現。

（3）調節電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定向下變速，屬於恆轉矩調速方法。對於要求在一定範圍內無級平滑調速的系統來説，這種方法最好。可調的直流電源有以下三種：①旋轉變流機組：用交流電動和直流發電機組成機組以獲得可調的流電源。這種方法的優點是可以在許的轉矩範圍內四象限運行，缺點設備多、體積大、費用高、效率低安裝須打地基、運行有噪聲、維護方便，50年代廣泛使用，今天很少用。②靜止式可控整流器：用靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器以獲得可控直流電壓。③直流斬波器和脈寬調製變器：以恆定直流電源供電，用直流波器和脈寬調製變換器獲得可控的平電壓。

比較上面三種直流調速方法可看出，改變電阻調速缺點很多，目前很少使用，僅在一些起重機、捲揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統中採用。弱磁調速範圍不大，往往是和調壓調速配合使用，做額定轉速以上作小範圍升速。因此自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主，必要時把調壓調速和弱磁調速配合使用。【1】

對直流電機電樞電壓的控制和驅動中，對半導體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。絕大多數情況下采用開關驅動方式。這種方式使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈寬調製PWM 來控制電動機的電樞電壓，實現調速。

圖1 PWM 調速控制和電壓波形圖

圖1是利用開關管對直流電動機進行PWM 調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。

電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為 U0(t1Us0)t1t2t1UsUs T

式中，-佔空比，=t1/T

佔空比 表示了在一個週期T 裏，開關管道通的時間與週期的比值。的變化範圍為0≤≤1。由上式可知，當電源電壓Us 不變的情況下，電樞電壓的平均值U0取決於佔空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，達到調速的目的，這就是PWM調速原理。

在PWM 調速時，佔空比是一個重要參數。以下3 種方法都可以改變佔空比的值。

（1）定寬調頻法

保持t1 不變，只改變t2，使週期與頻率也隨之改變。

（2）調寬調頻法

保持t2 不變，只改變t1，使週期與頻率也隨之改變。

（3）定頻調寬法

使週期保持不變，同時改變t1、t2。

前兩種方法在調速時，改變了控制脈衝的週期，當控制脈衝的頻率與系統的固有頻率接近時，將會產生震盪，因此很少用。目前主要用定頻調寬法。【2】，【3】

當今正在使用和不斷髮展的直流電機的主流調速方法—晶閘管電動機調速系統主要包含以下幾種形式 ：1、開環晶閘管電動機系統；2、轉速負反饋的單閉環調速系統；3、轉速、電流雙閉環調速系統；4、三環調速系統；5、晶閘管電動機系統的可逆線路；6、有環流可逆調速系統；7、無環流可逆調速系統。

直流調速系統的發展過程是一個從簡單到複雜、從開環到閉環、從單環到多環、從單向調速到可逆調速的不斷豐富完善的過程。不僅存在從單一調速方式向多種調速方式的縱向發展過程，而且每一種調速系統本身也都在發展完善之中。如開環閉環、單閉環、雙閉環、三環、有環流可逆調速系統和無環流可逆調速系統都在不斷的完善和發展之中。單閉環不僅是轉速閉環一種，根據應用要求不同可以採用電壓負反饋、電流補償等替代措施。有環流可逆調速系統目前有兩種，無環流可逆調速系統目前有三種，它們都在不斷完善和發展之中。

直流調速系統的產生與發展都與其他學科存在緊密聯繫。第一它與電機學有緊密地聯繫，因為對於調速來説，電機是控制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會越好。第二與半導體變流技術的發展密不可分，電力電子技術元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調速系統的性能才會越好。微型計算機的發展，尤其是微控制器的發展為直流調速系統的進一步發展插上了翅膀。微控制器在這裏的應用，改變了控制系統的結構，改變了傳感元件的檢測技術，並且使各種先進控制算法得以實現。任何設計都不是終極設計，都在隨着其他科技的發展而不斷完善。

當前直流調速已發展到一個很高的技術水平：功率元件採用可控硅；控制板採用表面安裝技術；控制方式採用電源換相、相位控制。特別是採用了微處理器及其他先進電力電子技術，使數字式直流調速裝置在精度的準確性、控制性能的優良性和抗干擾的性能有很大的提高和發展，在國內外得到廣泛的應用。數字化直流調速

裝置作為目前最新控制水平的傳動方式顯示了強大優勢。全數字化直流調速系統不斷升級換代，為工程應用和工業生產提供了優越的條件。【4】-【7】

直流調速系統中數字PID 控制器的參數選擇用下列兩種試驗確定法來選擇PID 參數，這是目前最常用且行之有效的方法。

1 湊試法

湊試法是通過模擬或閉環運行系統， 來觀察響應曲線，然後根據各控制參數對系統響應的大致影響來改變參數，直到認為俄到滿意的響應為止。PID 控制器各參數值對系統響應的影響如下：

增大比例係數KP,可以加快系統的響應速度，有利於減少靜態誤差；但是過大的比例係數會使系統有較大的超調，因此產生振盪，破壞系統的穩定性。增大積分常數TI,會有利於減小超調，減少振盪，使系統更穩定；但系統靜態誤差的消除將隨之減慢。 增大微分常數TD也可以加快系統的響應，使超調量減小，穩定性增加；但系統的抗干擾能力降低。在考慮了以上參數對控制過程的影響以後，湊實時，可按先比例-積分-再微分的順序反覆調試參數。

2 經驗法

用湊試法確定PID 參數需要經過多次反覆的試驗，為了減少湊試次數，可以借鑑他人的經驗，事先作少量的試驗，已得到若干基準參數，然後按照經驗公式，用這些基準參數推導出PID 控制參數。【8】

參考文獻：

【1】張粵等 電機與控制系統 東南大學出版社 1999

【2】王曉明 電動機的ADSP控制 北京航空航天大學出版社 2015

【3】[6] A. Peterchev, J. Xiao, S. Sanders, "Architecture and IC

implementation of a digital VRM controller", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1, January 2003 .

【4】周淵深 交直流調速系統與MATLAB仿真 中國電力出版社 2015

【5】陳維山，趙傑 機電系統計算機控制 哈爾濱工業大學出版社 1999

【6】高鍾毓 王永樑 機電控制工程 清華大學出版社 1993

【7】裏嗣福等 計算機控制基礎 中國科技大學出版社 2001

【8】程剛 單片機控制直流調速系統的研究 百家論劍 2015年第23期

四、設計方案可行性

本次設計具有某些方面的探索性質，當前的控制器設計主要僅僅是針對某一台電機而設計的，因此不具有通用性。本次通用控制器的設計可以借鑑一般控制器的設計過程，例如MATLAB仿真，PID算法的單片機實現皆是有先例可循，故而在這些共同領域來説，難度不大。

但體現本次設計通用性的PID控制器設計方面，控制結構的選取，控制算法的應用，系統的魯棒性都是需要一些方面的創新和突破的，是具有一定難度的。

五、進度安排

六、指導教師意見

七、開題審查小組意見