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论文 摘要：梳理了电气工程技术从电磁学理论的建立到新技术革命时期电气工程技术的进步这样一个发展脉络，介绍了电气学科的形成与发展，并分析了电气工程技术的发展趋势。 论文关键词：电气工程技术;电气学科;发展史 一、电气工程技术的发展史 电气工程(Electrical Engineering)是现代科技领域核心学科之一，传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。21世纪的电气工程概念已经远远超出这一范畴，如今电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为。电气工程的发展程度直接体现了国家的科技进步水平，因此，电气工程的教育和科研在发达国家大学中始终占据重要地位。 1.电磁学理论的建立及通讯技术的发展 大自然中的雷电使人类对电有了最早、最朴素的认识，天然磁石吸铁是人类对磁现象的最早观察，然而，人类对电磁现象的研究始于16世纪的英国，1663年德国科学家盖利克发明了摩擦起电的仪器，1729年英国科学家发现电荷可以通过金属传导等等，这是人类对电的早期实验，之后又出现了一系列具有里程碑意义的发现与发明。 (1)库仑定律。1785年法国物理学家库仑通过扭秤测量静电力和磁力总结出：两个电荷之间的作用力与它们间距离的平方成反比，与它们所带电荷量的乘积成正比，这就是著名的库仑定律。这一发现的历史意义在于它标志着人类对电磁现象的研究从定性阶段进入了定量阶段。 (2)“伏打电池”。1799年意大利物理学家伏特经过反复实验发现把任何潮湿物体放到两个不同金属之间都会产生电流，一年后伏特发明了世界上第一个电池，自此人类对电的研究由静电扩大到了动电，开辟了电学研究的新领域。 (3)奥斯特发现电流的磁效应和安培右手定则。1820年奥斯特偶然发现通电铂丝周围的小磁针发生轻微晃动，之后他经过反复实验证实了这一发现。其后安培进行了更深入的研究，提出了右手定则，发现了电流方向与磁针转动方向之间的关系。安培还通过实验发现了两个通电导体和两个通电线圈之间相互作用的规律，从而奠定了电动力学的基础。 (4)法拉第发现电磁感应。英国科学家法拉第是第一个成功完成磁生电实验的人，并归纳出产生感应电流的五种情况：一是变化着的电流;二是变化着的磁场;三是运动的稳定电流;四是运动的磁场;五是在磁场中运动的电线。法拉第把这一现象叫做“电磁感应”。电磁感应的发现使生产电成为可能，至今，发电机、电动机、变压器都是运用电磁感应原理工作的。 (5)麦克斯韦建立电磁场理论。英国数学家、物理学家麦克斯韦总结了前人的一系列成果，用数学方程式表示电磁场，建立了完整的电磁理论体系，揭示了光、电、磁本质上的统一，并预言了电磁波的存在。1873年他出版的电磁场理论经典着作《电磁学通论》是里程碑式的自然科学理论巨著。 任何科学发明与发现都是许许多多的科学家不懈努力的成果，德国物理学家欧姆、高斯、赫兹，美国物理学家亨利，俄国物理学家 楞 次等等都为电磁理论的形成作出过贡献，本文不在一一类举。 电磁理论的建立为无线电通信揭示的发展奠定了基础，19世纪通信技术取得了突破性成果，先后发明了有线电报、有线电话和无线通信。 2.电工技术的初期发展 人类社会发展历程中经历了三次工业革命，对人类的进步起到了巨大的作用。第一次工业革命从18世纪中叶到19世纪中叶，以瓦特发明的蒸汽机为标志，以机械化为特征，中心在英国;第二次工业革命从19世纪后半期到20世纪中叶，以工业生产电气化为主要标志，其成果是电力、钢铁、化工“三大技术”与汽车、飞机和无线电通信“三大文明”，其中心在美国和德国;第三次工业革命从20世纪中叶到21世纪初，以社会生产、生活信息化为特点，又叫新技术革命。第二次工业革命就是从电工技术初创和应用开始的。 (1)直流发电机的诞生。1831年英国企业家研制出了史上第一台发电机——蒸汽动力永磁发电机;1832年法国科学家匹克斯发明了世界上第一台直流发动机;1866年西门子发明了自激式励磁直流发电机;1870年格拉姆发明了实用自激直流发电机，结构可靠，电流稳定，输出功率大，被各国广泛采用作为照明灯电源。 (2)远距离输电和电力工业技术体系的初步建立。1875年法国巴黎火车站建成世界上最早的一座火力发电厂。爱迪生不仅发明了灯泡，他还在1882年建立了美国第一家直流发电厂，装有6台直流发电机，通过电缆输送照明用电，不过当时的最大输送距离只有1.6km。之后爱迪生还建立了一座水电站，形成了电力工业体系的雏形。 (3)交流发电机电荷电动机的诞生。1876～1878年俄国人亚布洛切科夫成功试验了单相交流输电技术。1885年，英国工程师菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建成。同年，美国人威斯汀豪率领的团队完成了交流发电、供电系统，并创建了交流配电网。1883年，美籍电气工程师特斯拉发明了世界上第一台感应电动机，5年后他又发明了两相异步电动机和交流电传输系统。1888年，俄国工程师德布罗夫斯基和德尔伏发明了三相交流制。1891年，德国安装了世界上第一台三相交流发电机，并建成了第一条三相交流输电线路。自此，三相异步电动机得到了广泛应用，电能逐步取代了蒸汽成为动力源，电力工业得到了迅速发展。 3.电工理论的建立 (1)电路理论的建立。关于电路的早期研究有：1778年伏特提出了电容的概念，给出了导体上储存电荷的计算方法Q=CU;1826年欧姆发表了欧姆定律;1831年法拉第提出了电磁感应定律;1832年亨利提出了磁通量计算公式。 1845年德国物理学家基尔霍夫提出了关于任意电路中电流、电压关系的基本定律：电流定律(任意时刻电路中任何一个节点的各条支路电流的代数和为零);电压定律(任何时刻电路中任意一个闭合回路的各元件电压的代数和为零)。这两个定律发展了欧姆定律，奠定了电路系统分析的基础。 1853年英国物理学家汤姆逊推导出了电路震荡方程，并得出了莱顿瓶发电过程中电流在反复震荡且不断衰减的结论，并计算出震荡频率与R、L、C参数之间的关系，奠定了动态电路分析的基础。1855年，汤姆逊还建立了长距离电缆的等效电路模型。 1893年美籍电气学家施泰因梅茨提出了计算交流电路的方法——“相量法”，其实用、易懂，至今在分析正弦交流电路时依然沿用此法。 其间，赫尔姆霍兹提出的等效发电机原理、基尔霍夫建立的长距离架空线路发布参数电路模型、亥维赛德找出的求解电路暂态过程运算法、傅立叶用数学方法建立的热传导定律等等都对电工理论的丰富和完善起到了重要作用。 (2)电网络理论的建立。通信技术的兴起推动了电网络理论的发展。1924年，福斯特给出了电感和电容二端网络的电抗定理，建立了由给定频率特性设计电路的电网络理论。 1945年美国科学家伯德总结出了分析线性电路和控制系统的频域分析方法。1953年梅森创建了采用信号流图分析复杂回馈系统的方法，并被广泛应用。20世界50年代美国科学家达默制成了第一批集成电路，从此电路理论中增加了对含源器件的电路分析和综合。20世纪70年代在L.O.Chua等科学家的努力下，器件建模理论逐渐日趋完善。20世纪中期计算机的出现使电网络的计算机辅助分析和设计成为电路理论研究中的基本手段。
写论文需要介绍其制作原理：利用电磁感应原理制成的。外力(水轮机,汽轮机,内燃机等)带动转子转动,(励磁直流发电机)向转子绕组（线圈）里输入励磁电流产生磁场,磁场跟着转子旋转形成旋转磁场,切割定子的三相线圈在定子线圈中产生电流,向外部输出三相的交流电.发电机（）平台专家为你解答
基于神经网络逆系统的磁悬浮开关磁阻电动机的解耦控制 隐极同步电动机转矩可控性与解偶性分析 基于BUCK变换器的无刷直流电机转矩脉动抑制方法 基于NIOS软核处理器的直流无刷电机控制系统设计 感应电机的无速度传感器逆解耦控制 交_交变频多相同步电动机调速系统谐波转矩分析 一种新型两相感应电动机变频调速SPWM控制技术 一种利于开关磁阻电机降噪的新散热筋结构 基于瞬时无功功率理论对异步电机控制方法的改进 交流永磁同步电机伺服系统的变结构控制 直接平均转矩控制的磁链控制改进 TRT同步发电机无刷励磁系统的设计研究 笼型转子无刷双馈电机的电磁分析和等效电路 永磁式双凸极电机角度提前控制方式 带整流负载同步发电机的Saber建模及仿真 无轴承异步电机的单DSP控制 基于模糊与自校正技术的超声电机伺服控制 基于RBF神经网络的开关磁阻电机单神经元PID控制 精密工作台直线电机推力波动补偿研究 双绕组交直流发电机参数的局部辨识 混合动力汽车中开关磁阻电动_发电机纯硬件控制器的研究 基于换相过程分析的无刷直流电动机机械特性的研究 基于模糊模型无位置传感器开关磁阻电机的位置检测 气隙对双凸极电励磁发电机特性的影响分析 基于Park矢量模信号小波分解的感应电机轴承故障诊断方法 基于等效电感方法的电磁式双凸极电机系统简化控制模型 异步电机矢量控制中扩展卡尔曼滤波器的优化研究 两相异步电机的动态特性仿真 三相绕组Y接法单相电容电动机瞬态过程仿真研究 一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案 基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究 无刷双馈电机基于同步角的矢量解耦控制 基于电压解耦原理的感应电机无速度传感器矢量控制 基于离散趋近律控制的直流电机速度控制系统 神经网络和模糊算法相结合的永磁同步电机的鲁棒控制 无轴承永磁同步电机控制系统设计与仿真 基于正交神经网络的无刷直流电机控制器设计 模糊自适应PI控制永磁同步电机交流伺服系统 三相异步电机的DSP矢量控制系统 新型横向磁通永磁电机研究 运用比较法浅析异步电动机运行状态 基于CMEXS_函数永磁同步电机控制系统仿真建模研究 复合笼条转子感应电动机不同转子材料特性对起动性能的影响 无刷直流电机PWM调制方式的优化研究 无位置传感器的方波驱动无刷直流电机控制系统 基于PIC单片机的二维步进电机控制系统 交流变频调速电机设计与应用 一种基于单片机的步进电机控制驱动器 直线电机系统的开发研究与应用 DSP在短行程直线电机精密位置控制中的应用研究 单片机在交流电动机软启动中的应用 数控直线电机进给定位误差补偿技术研究 异步电动机变频调速再启动方法的研究 多相异步电机谐波电流与谐波磁势的对应关系 新型无刷直流直线电机系统的总体设计 交流复励电动机的工作特性 无速度传感器异步电机按定子磁链定向的矢量控制系统 直流伺服电动机模糊控制器的设计与仿真 一种感应电机直接转矩控制磁链观测的改进方法 RTDS中同步电机模型特性研究 基于多模型自适应控制器的感应电机变频调速系统 基于矢量控制IM实时控制的dSPACE实现 基于专用集成芯片的无刷直流电机控制器 开关磁阻电机模糊PID控制系统研究 浅析直流变频电机用电磁线的开发 双处理器实现无位置传感器开关磁阻电机控制 无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统 基于编码器插值技术的光衰减器电机定位系统 无刷直流电机无位置传感器的检测方法 低压异步电机重绕修理中的绝缘结构问题 基于SIMULINK的永磁无刷直流电动机及控制系统的建模与仿真 交流单相感应电动机非对称空间矢量变频调速的研究 应用PTC和ZnO实现同步发电机快速灭磁 阻尼绕组对直接转矩控制同步电机动态行为的影响 复合型超声马达纵向振动建模 基于限流变压器的高压异步电机软起动控制器 一种新型四相SR电机功率变换器的分析与设计 PLC在三相异步电动机控制中的应用 基于DSP的混合式步进电机直接转矩控制研究 无刷直流电机神经网络内模自适应控制器设计 磁场定向不准对感应电动机系统性能影响的分析 无刷直流电机广角波控制方法的研究 单个逆变器驱动两台并联感应电机的无速度传感器矢量控制方法 感应电动机交_交变频调速系统的双内模控制研究 基于神经网络的开关磁阻电机无位置传感器控制 开关型磁阻电动机固有频率解析计算 三自由度球形电机位置测量研究 双凸极永磁电机的控制模式 PLC对步进电动机改变转速控制的实验 MRAS异步电机无速度传感器矢量控制低速性能的改善 基于MRAS的异步电机转子时间常数实时辨识 基于DSP的无刷直流电机锁相稳速系统 基于DSP控制的小功率异步电机变频调速系统 基于耦合场的大型同步发电机定子温度场的数值计算 基于光电传感器编码的永磁球形步进电机运动控制 新型内嵌式SMA电机的非线性模型 液体媒质超声波电机运行特性的实验研究与分析 集中绕组永磁无刷直流电机电枢反应及绕组电感的解析计算 永磁同步电动机直接转矩控制的弱磁运行分析 永磁直线同步电机推力波动优化及实验研究 基于恒定开关频率空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制
文章《机械类毕业论文》正文开始>>摘 要：综合运用了PI控制器，PWM控制器等 现代 工业 控制常用的控制部件及相关设计方法。主要介绍了直流电动机PWM控制系统原理，设计了调速系统，分析了直流脉宽调速系统的机械特性，最后建立了PWM控制与变换器的数学模型。关键词：调速；直流电动机；PWM控制；PI控制器1 直流电动机PWM控制系统1.1直流电动机PWM控制系统原理。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。它通过分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单方向旋转。对于可逆系统，又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式[1]。这里只研究双极性驱动。1.2 H型双极性可逆PWM驱动系统控制原理。“H”型是双极性驱动电路的一种，也称为桥式电路。如图1所示。其电路是由四个开关管和四个续流二极管组成，单电源供电。四个开关管分为两组，V1和V4为一组，V2和V3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。在每个PWM周期里，当控制信号Vi1高电平时，开关管V1和V4导通，此时Vi2为低电平，因此V2和V3截止。电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号Vi1为低电平时，开关管V1和V4截止，此时Vi2为高电平，因此V2和V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压U0可以用下式决定：U0=（■-■）US=（2■-1）US=（2a-1）US（1）可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所承受的平均电压取决于占空比α大小。当α=0时，U0=-US，电动机反转，且转速最大；当α=1时，U0=US，电动机正转，转速最大；当 时，α=1/2时U0=0，电动机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。2 调速系统的设计对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在满足性能指标的前提下应尽可能的简单。PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或提高系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。而增加的负实零点则用来提高系统的阻尼度，缓和PI控制器极点对系统稳定性产生的不利影响。只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在控制系统中，PI控制器主要用于改善控制系统的稳态性能[2]。闭环调速系统的转速和电流调节器都采用PI调节器。采用PI调节器的自动控制系统。从传递函数看，自动调节系统为：■=WP1（S）=KP■=KP+■（2）U1可分成比例部分U1P，和积分部分U1I，其中，比例部分与偏差成正比积分部分同偏差的积分有关，把两部分加起来，就是调节器的输出信号U1。当偏差信号ε是阶跃信号时，比例部分会突然加大，而积分部分则按线性增长，经过一定时间后，U1输出达到限幅值。而实际系统中，偏差信号ε只是一开始突跳，随着输出信号USC的增长，偏差信号ε便逐渐降低，U1是否能够升到限幅值，就要看U1的增长和ε的衰减哪一方更快。如果调节对象的时间常数远大于调节器的时间常数，则ε下降较慢，由于调节器的积分作用，尽管在下降，U1仍继续增长，在ε衰减到零以前U1还来得及升到限幅值[3]。如果调节对象的时间常数较小，则ε衰减较快，当积分量还来不及把U1抬高到限幅值以前，ε已经衰减到零，U1也就不能再增长，这时积分器不会饱和。在动态过程中，PI调节器输出电压U1是否饱和对系统的输出波形很有影响。若U1一旦饱和，只有ε变负，即USC＞Usr时，才有可能使它退出饱和，因此 必然超凋。3 直流脉宽调速系统的机械特性由于采用了脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，五金加工脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的[4]。所谓稳态，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。US=Rid+L■+E（0≤t //4级速度可调：0、1、2、3； 对应占空比：0、1/4、2/4、3/4#include 靠别人不如靠自己，努力吧 双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计一．基本思想本文应用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，所以采用Ⅰ型系统就够了。再从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因而电流环应以跟随性能为主，即应选择典型Ⅰ型系统。对于转速环，由于要求满足系统抗干扰性能好、转速无静差，并且系统结构决定将转速环校正成典型Ⅱ系统。二．双闭环调速系统的实际动态结构框图图2-1 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-1。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使得二者在时间上恰好的配合。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常 纤维增强树脂基复合材料层合结构具有比强度高、比刚度大、阻尼特性好、疲劳寿命长、结构可设计性强等优点,在航空、航天及一些特殊领域中被广泛使用。然而,复合材料的各向异性,非均匀性等特点给复合材料结构的力学分析带来了一系列的挑战。尤其在航空航天领域,飞行器在运行过程中所处的环境和所受的载荷都非常复杂。除了考虑飞行器在这些复杂环境下的自振特性和确定性外载作用下的动力响应外,考虑随机性外载的影响也不容忽视。随机振动理论和方法就是处理这类问题的先进思想和重要手段,但在国内外航空航天领域中还很少实际应用,主要原因之一就是现有随机振动分析方法复杂而且低效,这在很大程度上限制了飞行器设计水平的提高。虚拟激励法是高效精确的随机振动分析方法,迄今已经在大跨度结构抗震、抗风,海洋平台和汽车随机振动等多个工程领域被数以百计的专家针对各工程领域的特点予以发展而取得很多实际成效。但是迄今为止,这一有力的工具却并未在航空航天领域被充分认识和应用,在这些具有战略意义的重要领域中,所应用的随机振动分析方法依然复杂低效,缺乏创新意识。本论文针对这一现状,依据航空航天领域材料和结构的复杂性,以及飞行器所处环境的复杂性,将虚拟激励法作了有针对性的发展,以完全自主版权的DDJ有限元程序系统为开发平台,完成了求解复合材料结构随机振动的高效精确分析程序。本论文中,着重对如下问题进行了研究:1.建立了基于Mindlin一阶剪切变形理论的复合材料层合板有限元分析模型,推导了层合板的有限元列式,在DDJ程序平台上对复合材料层合板的自振频率和模态进行了分析。将虚拟激励法引入到航空航天领域广泛使用的复合材料层合结构的随机振动分析中,针对复杂的复合材料结构有限元模型和非经典阻尼体系,发展了包含全部参振振型和随机激励点之间耦合项的随机振动高效求解方法,比较圆满地解决了传统计算方法精度差、效率低的应用障碍。2.本文推广虚拟激励法于敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构的平稳和非平稳随机振动分析,建立了高效精确计算方法。尤其是综合考虑了粘弹性阻尼材料的性能参数随频率变化的特点以及复合材料层合结构本身的模态阻尼,建立了组合系统的非经典阻尼表达。为了解决随频率变化的非经典阻尼体系的平稳/非平稳随机响应,本文结合精细积分方法提出了一种直接解法,只需用原系统的实模态对虚拟激励法做出相应的发展,就可精确地求解频变阻尼系统的随机振动。据此对飞机水平尾翼的复合材料安定面结构进行了模拟研究,从精细的计算模型及合理的计算结果可以看出,本文所提出的方法对于这类相当复杂的复合材料结构的随机振动分析十分有效。3.研究飞机对大气紊流响应的主要方法是随机振动功率谱法。用高效、精确的分析方法计算不同飞行环境下飞机的响应,以预测飞机疲劳寿命和可靠度等是航空工程领域研究热点。本文在考虑了二维平面流中简谐振动平板产生的非定常力基础上,又按照虚拟激励法的特点同时考虑了竖向简谐风的影响,进而研究了复合材料二维机翼的大气紊流响应。随机激励谱选用了Dryden紊流频谱模型。结果表明,在处理二维机翼在大气紊流响应的随机问题中,基于简谐响应分析的虚拟激励法不但是精确算法,而且效率非常高,具有很大的实用优势。发展这一方法对于该领域的数值计算是很有价值的。4.计算流体动力学(CFD)是研究流体动力学的有力工具。本文为计算机翼颤振/抖阵分析中的气动参数,首次使用雷诺平均湍流模型对二维翼型截面的颤振导数进行了求解。基于D.K.Sun等最新提出的CFD网格控制算法以及所建立的数值风洞,计算了结构简谐运动下的气动力,并识别了湍流场中NACA0012翼型的颤振导数。将由此得到的颤振导数和气动力应用到大气紊流引起的随机振动计算中,并将计算结果与基于Theodorsen函数得出的响应解析解进行比较,得到了相当满意的一致。本文计算的CFD气动参数充分考虑了气体的分子粘性和紊流粘性,其作用相当于附加阻尼,因此比Theodosen函数方法限制更少、应用范围更广,而且在此基础上还可以考虑三维流和可压缩性。因此本文实施的基于CFD的气动力计算方法具有广阔的应用前景,将成为应用虚拟激励法于航空航天结构时确定气动参数的有力工具。可以说,这一成功的尝试为随机振动方法更广泛地应用于航空航天工程走出了很重要的一步。 航班运行调度是指调度飞机与安排机组人员的生产资源配置工作，以落实航班计划的具体实施。航班运行调度工作一直存在安全与成本的矛盾：首先必须考虑航班运行安全因素，使执行航班飞行任务的飞机能够按规定完成例行检修，且机组人员值勤的飞行时间、值勤时间以及休息时间严格满足有关规章条例要求；在确保运行安全基础上，需要考虑航班运行成本因素，优化航班运行过程中的飞机日利用率与机组资源利用效率。妥善解决这一对矛盾对于航空公司组织生产运营、完成生产计划，以及实现飞机与机组人员等关键资源的优化配置有着至关重要的意义。为此，本文在详细深入分析国内外研究现状和我国航空公司运行特点基础上，结合民航当局有关航班运行管理规章，重点研究航班运行调度过程中的飞机排班问题和机组排班问题。出于降低问题复杂性、提高航班运行调度计划编排效率以及便于局部调整计划考虑，本文将机组排班问题分解成勤务组编排和机组轮班两个子问题分别进行研究。关于飞机排班问题，建立协同多任务分配方法，为每一架飞机指派每天的航班飞行任务和必要的例行检修任务，在确保航班运行安全基础上，提高飞机日利用率。首先，分析例行检修约束，构建飞机日利用率优化模型。随后，运用分枝定价算法求解。算法引入检修节点、虚拟飞机源节点以及剩余飞行时间的定义，将协同多任务分配过程表示为分区间的生成飞机路径，通过迭代求解由部分飞机路径构成的限制主问题，以及寻找飞机路径以改进目标值的定价问题，获得线性松弛问题的最优解；给出多种分枝方法划分解空间，以删除分数解，生成飞机排班计划。最后以实际航班计划为例，验证所提出的模型与算法的有效性。关于勤务组编排问题，考虑机组配置多样性，提出协同多任务分配方法，为每一个航段分配合适的机组配置，并严格遵循相应人员配置的机组需满足的编排约束，将航段组织为机组资源利用效率较高的勤务组。首先，根据不同人员配置的机组需满足的休息要求，为每一种机组配置构建相应的连接网络，通过由不同连接网络生成飞行路径实现协同多任务分配。其次，建立满足值勤期限制和飞行时间限制、优化机组资源利用效率的数学模型，使用分枝定价算法求解。并基于遵循时间限制因机组配置不同而各异但有序的特点，提出机组配置修正算子，以提高算法寻优效率。最后，选择与飞机排班问题相同的算例，验证所给的模型和算法的有效性。关于机组轮班问题，研究机组稳定性最优的轮班计划，将勤务组衔接为机组人员搭配相对固定的轮班任务，以提高机组人员满意度。首先，在分析机组轮班规则基础上，为每一个机型、基地以及机组人员岗位职级构建相应的连接网络，建立以执行勤务组计划所需机组人员数量最少为优化目标的数学模型，采用分枝定价算法求解。随后，给出机组稳定性的定义及其量化方法，针对不同岗位职级分别建立满足轮班任务数量约束，并优化机组稳定性的数学模型，设计启发式迭代算法，编排尽量减少机组人员构成发生变化的机组轮班计划。最后，根据勤务组编排问题的求解结果进行算例验证分析。本文通过以上三大部分的研究，给出了飞机排班、勤务组编排和机组轮班的调度模型和求解算法，实现了航班运行调度计划编排。 [1] 吴东华,夏洪山. 基于多目标模糊线性规划求解方法的飞机排班问题研究[J]. 计算机科学. 2012(01)[2] 赵正佳. 航空公司机组排班计划研究[J]. 运筹与管理. 2011(06)[3] 朱星辉,朱金福,高强. 基于约束编程的飞机排班问题研究[J]. 交通运输系统工程与信息. 2011(06)[4] 牟德一,王志新,夏群. 基于机组延误概率的鲁棒性机组配对问题[J]. 系统管理学报. 2011(02)[5] 孙宏,张培文,胡海青,廖仲宇. 航空公司机组飞行实力利用率影响因素分析[J]. 交通运输工程与信息学报. 2010(02)[6] 李耀华,谭娜. 飞机指派问题优化模型及算法研究[J]. 控制工程. 2010(02)[7] 王莹,刘军,苗建瑞. 基于列生成算法的动车组检修计划优化[J]. 中国铁道科学. 2010(02)[8] 徐海荣,张兴媛,胡盛斌. 差值排序算法在飞机排班问题中的应用[J]. 计算机应用与软件. 2010(01)[9] 宋静波. 基于单亲遗传算法的飞行机组指派技术[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2009(03)[10] 李远,彭辉,沈林成. 协同任务规划中基于约束满足的资源冲突检测与消解[J]. 系统工程与电子技术. 2009(04) 希望对你有帮助哪怕只有一点点机电一体化毕业论文机电产品和相应的生产装备种类与水平是一个国家工业基础能力的重要标志之一。光机电一体化技术使产品或体积减小、重量减轻，降低资源消耗；或增强智能化和可靠性，使产品具备更加良好的性能价格比；或降低成本，让更多的人有能力享用新产品……变化的实质是使产品具有更强的市场竞争能力。机电产品生产装备的进步往往带来一个具体生产行业技术与产品的升级换代，工业生产与人民生活产生质的变化、甚至是革命性的飞跃。支持发展这一技术领域的目的在于：提高和改变传统机电产品的性能、质量、品种结构和配套现状，开发新一代具有国际竞争能力的智能型产品，促进传统机电产品的升级换代；开发高度自动化、高精度制造装备，满足国民经济各部门技术装备的需要。2005年度，科技型中小企业技术创新基金将重点支持光机电一体化领域中下列六个方面适宜中小企业承担的技术产品：l、工业生产过程控制系统；2、高性能、智能化仪器仪表；3、先进制造技术及其装备；4、医疗仪器技术、设备与医学专用软件；5、发电厂及电力系统信息化与自动化；6、地面机动交通工具行业相关技术产品。(一)简述机电一体化机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。(二)简述机电一体化代表产业数控技术1.随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。数控加工技术是一项能大幅度提高机械加工件精确度及其生产效率的先进制造技术，不仅能适应单件、各种批量生产，还能加工传统方法难加工的形状复杂、精确度高的零件。因此，发展现代化的数控加工技术及其装备、相关的加工工艺，是机械制造业实现自动化、柔性化及集成化生产的基础，它将促进机械制造业产品结构、生产方式及管理体制发生深刻变化，更好地发挥数字技术及信息技术对提升制造水平的重大作用。本基金将重点支持：有良好市场前景的数控单元技术的创新项目、具有结构及工艺创新的高性能的数控制造设备。（1）具有市场竞争力的高可靠数控系统及驱动系统；（2）高性能加工编程软件及应用软件；（3）先进数控机床及其关键功能部件；（4）先进数控加工用刀具摘要：简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。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，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业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。1数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面〔1～4〕。1．1高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*！000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.25轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。1.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.4重视新技术标准、规范的建立1.4.1关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。。4.2关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。2对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。3对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.2发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。参考文献：〔1〕中国机床工具工业协会行业发展部。CIMT2001巡礼〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-20.〔2〕梁训王宣，周延佑。机床技术发展的新动向〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-28.〔3〕中国机床工具工业协会数控系统分会。CIMT2001巡礼〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(5)：13-17.〔4〕杨学桐，李冬茹，何文立，等距世纪数控机床技术发展战略研究〔M〕。北京：国家机械工业局，2000. 引言温度的测量是人们日常生活、工业生产和实验研究等场合必不可少的，实时的准确的高精度的温度测量值对人类生产生活活动至关重要。传统的温度测量方法大多采用酒精或者水银柱温度计，存在携带不方便易碎，测量准确度低，容易受人为因素的干扰等缺点。特别是在煤矿井下的温度测量中，传统温度计的易碎性的弊端显得尤为突出，因此必须采用现代电子技术设计高精度且携带方便的温度监测系统。为了刚好的解决诸如矿井井下现场等恶劣环境的温度测量工作，我们设计了一种低功耗、结构简单、简便使用的解决方案。本方案选用了单线智能化的数字温度传感器DS18B20[1]，能够以数字形式直接输出监测点的实时温度，具有测量误差小、分辨率高、成本低等优点。1 系统总体设计系统主要有单片机主控器、数字温度传感器以及液晶显示的温度监测系统，另外为了保证温度监测的时效性，本系统加入了数字时钟模块。本系统以ATmega16 作为主控制器，主要有主控器、单线数字温度传感器DS18B20、时钟芯片DS1302、液晶模块LCD12864 等组成。系统结构图如所示。2 系统硬件设计2.1 电源模块系统的供电电源采用7805 线性三端稳压器件输出5v 电压来提供。该系列稳压器件能够输出多种固定的电压，内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可以达到1A。电路在设计上加入了一个二极管1N4007，防止电源适配器极性不正确烧毁系统，起到保护作用[2]。电源部分的电路设计所示。2.2 温度采集模块系统采用的温度传感器是美国DALLAS 公司生产的单总线型数字温度传感器DS18B20，它的测量范围在-55℃~+125℃，以0.5℃间隔变化，具有可编程的9 位至12 位A/D 转换精度，测得数字量串行输出[3]。此外，DS18B20 还有应用简单无需任何外围元件、测温精度高等特点，广泛应用于恒温控制、工业系统、消费电子产品等[4,5]。DS18B20 接口电路所示。2.3 时钟模块时钟模块采用美国DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302，该芯片内部含有一个实时时钟/日历和31 字节的静态RAM，提供了秒分时日月年星期等信息，还有闰年自动调整功能和24/12 小时格式切换功能[6]。通过控制DS1302 的寄存器可以很方便的完成时钟模块的功能设计。DS1302 接口电路所示。2.4 液晶显示模块显示模块采用128×64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可以显示汉字和图形，提供了8 为并行和串行两种外置接口方式，具有光标显示、画面移位、睡眠模式等。LCD12864 接口电路所示。3 系统软件设计系统开发软件采用Winavr，开发语言为C 语言。系统采用模块化的编程思想，将程序切割成几个模块，对各个模块单独编程调试，最后再汇总到一起总调。程序设计部分主要包括DS18B20 的底层及应用程序、DS1302 的底层及应用程序，还有系统主程序部分。主程序流程图所示。4 结束语本文设计一种以ATmega16 作为主控器的时钟温度测量系统，完成了硬件和软件的设计调试，与传统的温度测量手段相比，具有操作简单，精度高，不易受干扰等特点。本文设计的测量系统可以应用于诸如矿井井下，粮库，车间等场合，具有很好的应用前景。 论文题目：直流电动机调速器硬件设计专业：自动化本科生：刘小煜 （签名）＿＿＿＿指导教师：胡晓东 （签名）＿＿＿＿直流电动机调速器硬件设计摘 要直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为0.08、积分参数为0.01时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motorMajor: AutomationName: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstractThe dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目录第一章 绪论 11.1直流调速系统发展概况 11.2 国内外发展概况 21.2.1 国内发展概况 21.2.2 国外发展概况 31.2.3 总结 41.3 本课题研究目的及意义 41.4 论文主要研究内容 4第二章 直流电动机调速器工作原理 62.1 直流电机调速方法及原理 62.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 72.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 112.3.1 单闭环直流调速系统的组成 112.3.2速度负反馈单闭环系统的静特性 122.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特征 132.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性 142.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 152.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理 172.5.1原理框图 172.5.2 数字式PI调节器设计原理 18第三章 直流电动机调速器硬件设计 203.1 系统硬件设计总体方案及框图 203.1.1系统硬件设计总体方案 203.1.2 总体框图 203.2 系统硬件设计 203.2.1 C8051F020单片机 203.2.1.1 单片机简介 203.2.1.2 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 233.2.1.3 单片机端口配置 233.2.2主电路 253.2.3 LED显示电路 263.2.4 按键控制电路 273.2.5 转速检测、反馈电路 283.2.6 12V电源电路 303.3硬件设计总结 31第四章 实验运行结果及讨论 324.1 实验条件及运行结果 324.1.1 开环系统运行结果 324.1.2 单闭环系统运行结果 324.2 结果分析及讨论 324.3 实验中遇到的问题及讨论 33结论 34致谢 35参考文献 36论文小结 38附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39附录2 直流电动机控制系统程序清单 42附录3 硬件实物图 57第一章 绪论1.1直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况1.2.1 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。1.2.3 总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.3 本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。1.4 论文主要研究内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。系统硬件设计为：以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。具体内容如下：（1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。第二章 直流电动机调速器工作原理2.1 直流电机调速方法及原理直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通Φ。3种调速方式的比较表2-1所示.表2-1 3种电动机调速方式对比调速方式和方法 控制装置 调速范围 转速变化率 平滑性 动态性能 恒转矩或恒功 率 效率改变电枢电阻 串电枢电阻 变阻器或接触器、电阻器 2:1 低速时大 用变阻器较好用接触器、电阻器较差 无自动调节能力 恒转矩 低改变电枢电压 电动机-发电机组 发电机组或电机扩大机（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 较好 恒转矩 60%～70%静止变流器 晶闸管变流器 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%直流脉冲调宽 晶体管或晶闸管直流开关电路 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%改变磁通 串联电阻或可变直流电源 直流电源变阻器 3:1～5:1 较大 差 差 恒功率 80%～90%电机扩大机或磁放大器 好 较好晶闸管变流器 好由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：式2-1式中 ——占空比，占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。图2-1 PWM调速控制原理图2-2 输入输出电压波形产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。（2）、软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。（3）、专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。（4）、单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法（4）获得PWM信号。2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理2.3.1 单闭环直流调速系统的组成只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。 使用幸福校园需要安装Adobe Flash Player ver.9版本以上。 请安装Flash Player。[页数]:31 [字数]:14854 [目录] 1 绪 言 2 系统设计方案的研究 3 系统设计应用举例 4 总结与展望 [摘要] 随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力拖动控制技术研究和应用的繁荣,为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。晶闸管-直流电动机调速系统的成熟为现代工业提供了高效、高性能的动力。直流电动机调速系统以其优良的调速性能具有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理是交流调速控制的基础。本文介绍了带电流截止负反馈转速单闭环直流电动机调速系统的设计研究，由直流电机模块、晶闸管整流模块、转速反馈环节、电流截止负反馈环节和脉冲产生模块等组成。该系统主要采用转速反馈量和电流截止负反馈量与给定量的偏差经来改变触发器移相控制信号调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现对直流电动机的转速进行调节的原理。首先给出电动机的数学模型，分析了转速闭环调速系统的工作原理。为了限制启动电流过大引入了电流截止负反馈，并介绍了电流截止负反馈环节的作用。其次根据原理方案建构出系统原理框图，并利用Matlab/Simulink工具软件对该系统建立了仿真模型，对系统进行了仿真研究。然后给出了直流电动机调速系统的应用实例，并按实例设置各模块的参数进行仿真。本系统经过综合考虑和合理分析，各物理量仿真波形基本符合要求。 [正文] 1 绪 言 1.1 课题研究背景在现代化的生产和生活中，电动机一直起着十分重要的作用，无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常中的家用电器，都大量地使用各种各样的电动机。据相关资料介绍，现有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%消耗于电动机而动力与运动是可以互相转换的，从这个意义上讲，电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力转动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性，此文章主要通过仿真研究直流调速的基本原理和调速性能直流电机的研究论文
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