2016 东南大学自动化学院本科毕业设计开题报告模板

院（系）专业

设计（论文）题目XZ系列芯模振动制管机芯模制管机

PLC控制系统设计

学生姓名王碧波学号 08009418 起止日期设计地点

指导教师

顾问教师

开题日期 2015年 2月25日江苏华光双顺机械制造有限公司王晓俊周杏鹏

2016 东南大学自动化学院本科毕业设计开题报告模板 [篇2]

一、选题背景与意义（300字左右）

据不完全统计，目前我国城市里的十字路口-交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交-警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用gps全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用plc计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。

比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。

二、课题关键问题及难点（300左右字）

传统的十字路口-交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这就需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

一般可以为红绿灯预先设置好延时，当绿灯方向车流量大，红灯方向车流量小的时候对红绿灯做延时处理，避免有一道路车辆的积压。然而有的路口在不同的时段可能产生很大的差异，因此一般对延时的设置很难做到恰到好处。

模糊控制恰恰有这方面的优势。关键的问题是怎么运用模糊控制，使得从传感器得来的数据能够通过plc很好的为红绿灯亮的时间调节服务。

三、文献综述（或调研报告）（1200字左右）

可编程控制器（http://www.51lunwen.com/benkekaiti/programmable controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

它的特点:

1 可靠性高，抗干扰能力强；

2 通用性高，使用方便；

3程序设计简单，易学，易懂；

4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；

5系统设计周期短；

6安装简便，调试方便，维护工作量小；

7对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产；

它的使用情况大致可归纳为：开关量的逻辑控制，模拟量控制，运动控制，过程控制，数据处理，通信及联网。

对于智能交通灯的设计，目前比较流行的是使用plc来完成的。因为它的特点明显，是现在的主流设备。

而交通问题正好是当下的比较热点的问题。随着社会的发展，交通日渐的拥堵。传统的交通灯已经不能满足需要了。智能交通灯的是深受欢迎的，它可以贴近生活的为我们解决日趋严重的交通问题。因此plc智能交通控制系统是个很有意义的研究项目。

四、方案（设计方案、研制方案、研究方案）论证（不少于100字）

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(plc)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。选用plc作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

五、工作计划（不少于300字）

1、画出十字路口-交通灯的布置图。

2、根据主要工序画出模拟控制系统的流程图。

3、选择plc系统设备，画出plc外部接线图，设计i/o分配表。

4、根据流程图对plc交通灯进行编程，选择梯形图作为编程语言。

5、整理技术资料，对程序进行修改，最后仿真调试。

6、制作模型，将理论付诸于实际中，完成模型的联通及运行。

2016 东南大学自动化学院本科毕业设计开题报告模板 [篇3]

1. 本课题的来源、选题依据：

（1）此设计需要学生综合应用数控技术的基础理论，主要是希望能够通过此次的毕业设计更好的掌握工艺设计和编程方面的基本知识和技能；

（2）此次设计主要包括了外圆螺纹，外圆切槽，外圆表面以及内镗孔的加工等，在对零件进行工艺分析时，要着重考虑零件的同轴度与垂直度要求；

（3）数控车床是数控机床中应用最为广泛的一种机床。选用合理的机床和合理的加工工艺会直接影响生产效率、成本，资源的消耗。

2. 本课题的设计（研究）意义（相关技术的现状和发展趋势）：

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,它广泛用于机械制造与自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产自动化问题。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造的渗透形成的机电一体化产品。发展我国数控技术及装备是提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性保证。

数控加工工艺与编程是数控专业教学体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分，通过毕业设计使我们掌握数控加工工艺及程序编制的基本知识和基本理论；学会选择机床、刀具、夹具及零件表面的加工方法；掌握数控加工工艺设计方法和数控加工程序编制方法的能力；初步具备制定中等复杂程度的数控加工工艺及编程的能力；同时，还能分析解决生产中一般工艺性问题。此次的毕业设计主要解决的问题是零件图的工艺分析、毛坯的选择、刀具的.选用、机床的选择、加工方案及加工路线的确定、切削用量的确定、车削加工程序的编写。

数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。它广泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。随着计算机、自动控制技术的飞速发展，数控技术已广泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。它的应用不但给传统制造业带来革命性的变化使制造业成为工业的象征；而且随着数控技术的不断发展和应用领域的不断扩大，当前世界上数控技术不断地向高速化、高精密化、多功能化、高可靠性、数控系统的开放性、数控机床设计cad化、结构新型化、编程技术的自动化、数控系统的智能化、网络化、柔性化、集成化、加工功能复合化发展，同时更重视新技术标准、规范的建立。

3. 本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）：

（1）查有关的资料，学习相关知识，完成开题报告；

（2）对零件图进行数控加工工艺分析，确定编程尺寸，并编写数控加工程序；

（3）合理选择机床、刀具、夹具，确定切削用量、零件表面的加工方法；

（4）绘制数控加工进给路线图、数控加工工序卡、数控加工刀具卡片；

（5）完成毕业设计说明书。

4. 文献综述（列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与本课题相关的主要参考要点）：

[1]杨建明，数控加工工艺与编程．出版于北京理工大学出版社，2015年8月第七次印刷

[2]王爱玲，代写硕士论文数控加工理论与实用技术．出版于机械工业出版社，2015年5月第一次印刷

[3]高凤英，数控机床编程与操作切削技术．出版于东南大学出版社，2015年第二次印刷

[4]杜国臣，数控机床编程与操作．出版于机械工业出版社，2015年第六次印刷

[5]朱正心，机械制造技术．出版于机械工业出版社，2015年第14次印刷

[6]魏斯亮，互换性与技术测量．出版于北京理工大学出版社，2015年8月印刷

[7]杨良根，数控技术毕业设计指导．出版于北京理工大学出版社，2015年8月印刷

[8]徐夏民，数控原理与数控系统．出版于北京理工大学出版社，2015年6月印刷

[9]huzhanqi，http://www.51lunwen.com/ktbgfw/numerical control technology．wuhan polytechnic university press

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

2016 东南大学自动化学院本科毕业设计开题报告模板 [篇4]

院（系）

专业

设计（论文）题目基于MCU的通用控制器设计

学生姓名学号

指导教师

顾问教师

日期 2012 年 3 月 13 日

一、选题背景和意义

1.选题背景、

运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统控制电机的转矩，转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制。

纵观运动控制系统的发展历程，交，直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使他们所处的地位，所起的作用不同，但他们始终是随着工业的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善并发生着变化。由于历史上最早出现的是直流电动机，所以19世纪80年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到19世纪末，出现了交流电动机，这才使得交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。

随着生产技术的发展，对电气传动在启制动，正反转以及调速精度，调速范围，静态特性，动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的，由最早的旋转交流机组控制发展为放大机，磁放大机控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性，可靠性，经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛，然而由于直流电动机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速，高电压，大容量发展，逐渐显示出直流调速的弱点。

普遍应用于恒速运行场合的交流电动机，可以弥补直流电动机的不足。于是人们又开始了新一轮交流调速的研究。仅对占传动总量三分之一强的风机，水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可以节电30%左右。近三四十年来，随着电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，并实现了产品的系列化。从调速性能看，完全可与直流调速系统媲美。

另外，借助数字和网络技术，智能控制已深入到运动控制系统的各个方面，例如：模糊控制，神经网络控制等，各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为运动控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。运动控制系统正由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段。

2.研究现状

早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。

微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制

造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制-作-工-艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。

对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。

采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。

3.本次研究意义

电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化。

本课题着力于研究电机控制器的通用化开发。

应用于科研的板卡，其功能齐全，但是价格昂贵。一旦研究成果需要推广，就遇到成本难以下降的局面。自行开发的板卡，又要大量重复的编程劳动，使开发周期加长。利用MCU，编写在一定领域具有通用功能的控制器程序，借鉴和利用MATLAB的信号流图，研究通过编码信息下载,在MCU程序的解释下,实现控制功能.

由于采用微处理器，应用新控制理论和方法，使实现实时控制成为可能，并且增加了系统功能和柔性。具有控制灵活，智能化水平高，参数易修改等优点，从而达到很高的控制精度和良好的稳定性。

二、课题重难点及预期目标

按照本课题的要求，需要掌握的知识有自动控制系统相关的理论知识，直流电动的调速系统原理及数学模型，然后要学会用MATLAB的Simulink和SimPower System工具箱，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对双闭环调速系统进行建模与仿真分析，得出最佳的控制系统模型。下一步便是学会使用STM32，通过编程将得到的控

制系统转化为计算机语言来实现全数字控制。课题的重难点在于MATLAB的仿真分析，PROTEL设计绘制电路板以及STM32F107的编程使用。

预期目标是：1.设计出一个通用性较好的PID控制器；

2.PID控制算法的单片机实现；

3.设计制作出基于STM32F107开发板的电机驱动板。

三、文献综述

根据直流电机的工作基本原理，由直流电机的机械特性方程

KeTKK aet

可知直流调速方法有三种：

（1）改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单；缺点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。一般应用于电动玩具中。

（2）改变电动机主磁通。该方法的优点是能够实现平滑调速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。

（3）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定向下变速，属于恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。可调的直流电源有以下三种：①旋转变流机组：用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的流电源。这种方法的优点是可以在许的转矩范围内四象限运行，缺点设备多、体积大、费用高、效率低安装须打地基、运行有噪声、维护方便，50年代广泛使用，今天很少用。②静止式可控整流器：用静止可控整流器，如晶闸管可控整流器以获得可控直流电压。③直流斩波器和脉宽调制变器：以恒定直流电源供电，用直流波器和脉宽调制变换器获得可控的平电压。

比较上面三种直流调速方法可看出，改变电阻调速缺点很多，目前很少使用，仅在一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，做额定转速以上作小范围升速。因此自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。【1】

对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。绝大多数情况下采用开关驱动方式。这种方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机的电枢电压，实现调速。

图1 PWM 调速控制和电压波形图

图1是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形图。

电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为 U0(t1Us0)t1t2t1UsUs T

式中，-占空比，=t1/T

占空比表示了在一个周期T 里，开关管道通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由上式可知，当电源电压Us 不变的情况下，电枢电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，达到调速的目的，这就是PWM调速原理。

在PWM 调速时，占空比是一个重要参数。以下3 种方法都可以改变占空比的值。

（1）定宽调频法

保持t1 不变，只改变t2，使周期与频率也随之改变。

（2）调宽调频法

保持t2 不变，只改变t1，使周期与频率也随之改变。

（3）定频调宽法

使周期保持不变，同时改变t1、t2。

前两种方法在调速时，改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会产生震荡，因此很少用。目前主要用定频调宽法。【2】，【3】

当今正在使用和不断发展的直流电机的主流调速方法—晶闸管电动机调速系统主要包含以下几种形式：1、开环晶闸管电动机系统；2、转速负反馈的单闭环调速系统；3、转速、电流双闭环调速系统；4、三环调速系统；5、晶闸管电动机系统的可逆线路；6、有环流可逆调速系统；7、无环流可逆调速系统。

直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。不仅存在从单一调速方式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展完善之中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不断的完善和发展之中。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。

直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。第一它与电机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控制对象，对控制对象的研究越深入控制效果才会越好。第二与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。微型计算机的发展，尤其是微控制器的发展为直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。微控制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且使各种先进控制算法得以实现。任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的发展而不断完善。

当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速

装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。【4】-【7】

直流调速系统中数字PID 控制器的参数选择用下列两种试验确定法来选择PID 参数，这是目前最常用且行之有效的方法。

1 凑试法

凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响来改变参数，直到认为俄到满意的响应为止。PID 控制器各参数值对系统响应的影响如下：

增大比例系数KP,可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数TI,会有利于减小超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分常数TD也可以加快系统的响应，使超调量减小，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。在考虑了以上参数对控制过程的影响以后，凑实时，可按先比例-积分-再微分的顺序反复调试参数。

2 经验法

用凑试法确定PID 参数需要经过多次反复的试验，为了减少凑试次数，可以借鉴他人的经验，事先作少量的试验，已得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数推导出PID 控制参数。【8】

参考文献：

【1】张粤等电机与控制系统东南大学出版社 1999

【2】王晓明电动机的ADSP控制北京航空航天大学出版社 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】周渊深交直流调速系统与MATLAB仿真中国电力出版社 2015

【5】陈维山，赵杰机电系统计算机控制哈尔滨工业大学出版社 1999

【6】高钟毓王永梁机电控制工程清华大学出版社 1993

【7】里嗣福等计算机控制基础中国科技大学出版社 2001

【8】程刚单片机控制直流调速系统的研究百家论剑 2015年第23期