控制科学与工程专业介绍

发布时间:2021-10-22 10:09:14

控制科学与工程专业介绍 本文关键词：控制，科学，工程，介绍，专业

控制科学与工程专业介绍 本文简介：控制科学控制科学与工程一级学科控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内独立于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应该如何描述与分析对象与环境信息，采取何种控制与决策行为。例如：它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系

控制科学与工程专业介绍 本文内容：

控制科学

控制科学与工程一级学科

控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内独立于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应该如何描述与分析对象与环境信息，采取何种控制与决策行为。例如：它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系统和经济系统的范畴中。与生物学、医学的结合更有力地推动了生物控制论的发展。同时，相邻学科如计算机、通信、微电子学和认知科学的发展也促进了控制科学与工程的新发展，使本学科所涉及的研究领域不断扩大。

本学科下设五个二级学科：控制理论与控制工程，检测技术与自动化装置，系统工程，模式识别与智能系统，导航、制导与控制。各二级学科的主要研究范畴及相互联系如下。

“控制理论与控制工程”学科以工程领域内的控制系统为主要对象，以数学方法和计算机技术为主要工具，研究各种控制策略及控制系统的建模、分析、综合、设计和实现的理论、技术和方法。

“检测技术与自动化装置”是研究被控对象的信息提取、转换、传递与处理的理论、方法和技术的一门学科。它的理论基础涉及现代物理、控制理论、电子学、计算机科学和计量科学等，主要研究领域包括新的检测理论和方法，新型传感器，自动化仪表和自动检测系统，以及它们的集成化、智能化和可靠性技术。

“系统工程”是为了解决日益复杂的社会实践问题而形成的从整体出发合理组织、控制和管理各类系统的综合性的工程技术学科。系统工程以工业、农业、交通、军事、资源。环境、经济、社会等领域中的各种复杂系统为主要对象，以系统科学、控制科学、信息科学和应用数学为理论基础，以计算机技术为基本工具，以优化为主要目的，采用定量分析为主、定性定量相结合的综合集成方法，研究解决带有一般性的系统分析、设计、控制和管理问题。

“模式识别与智能系统”主要研究信息的采集、处理与特征提取，模式识别与分析，人工智能以及智能系统的设计。它的研究领域包括信号处理与分析，模式识别，图象处理与计算机视觉，智能控制与智能机器人，智能信息处理，以及认知、自组织与学习理论等。

“导航、制导与控制”是以数学、力学、控制理论与工程、信息科学与技术、系统科学、计算机技术、传感与测量技术、建模与仿真技术为基础的综合性应用技术学科。该学科研究航空、航天、航海、陆行各类运动体的位置。方向、轨迹、姿态的检测、控制及其仿真，是国防武器系统和民用运输系统的重要核心技术之一。

推荐学校：北京航空航天大学、华中科技大学、清华大学、东北大学、浙江大学、西安交通大学、哈工大、上交、东南大学、北京理工大学、南京理工大学、中科大、山大（22）

电气工程及其自动化

概况:电气工程及其自动化涉及电力电子技术,计算机技术,电机电器技术信息与网络控制技术,机电一体化技术等诸多领域,是一门综合性较强的学科,其主要特点是强弱电结合,机电结合,软硬件结合.

该专业培养具有工程技术基础知识和相应的电气工程专业知识,受过电工电子,系统控制及计算机技术方面的基本训练,具有解决电气工程技术分析与控制问题基本能力的高级工程技术人才.

业务培养目标：本专业培养在工业与电气工程有关的运动控制、工业过程控制、电气工程、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术等领域从事工程设计、系统分析、系统运行、研制开发、经济管理等方面的高级工程技术人才。

业务培养要求：本专业学生主要学习电工技术、电子技术、自动控制理论、信息处理、计算机技术与应用等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识。学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练，具有工业过程控制与分析，解决强弱电并举的宽口径专业的技术问题的能力。

主干课程：大学物理,机械制图,数字电子技术,模拟电子技术,电力电子技术,自动控制原理,电机学,微机原理,计算机控制技术

主干学科：电气工程、控制科学与工程、计算机科学与技术

主要课程：电路原理、电子技术基础、计算机原理及应用、计算机软件基础、控制理论、电机与拖动、电力电子技术、信号分析与处理、电力拖动控制系统、工业过程控制与自动化仪表等

推荐学校：清华大学、西安交大、华中科技大学、浙江大学、华北电力大学、天津大学、上交、西南交大、沈阳工业大学、哈工大、山东大学、北交、武大。

材料科学与工程

属于工学学科门类之中的其中一个一级学科，下设3个二级学科，分别是：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。

业务培养目标：本专业培养具备包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料等材料领域的科学与工程方面较宽的基础知识，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作，适应社会主义市场经济发展的高层次、高素质全面发展的科学研究与工程技术人才。

业务培养要求：本专业学生主要学习材料科学与工程的基础理论，学习与掌握材料的制备、组成、组织结构与性能之间关系的基本规律。受到金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料以及各种先进材料的制备、性能分析与检测技能的基本训练。掌握材料设计和制备工艺设计、提高材料的性能和产品的质量、开发分析与检测技能的基本训练。掌握材料设计和制备工艺设计、提高材料的性能和产品的质量、开发研究新材料和新工艺方面的基本能力。

推荐学校：清华、上交、北京科技大学、哈工大、华南理工、浙江大学、西北工业大学、四川大学、中南、西安交大、天津大学、北航、山大、华中科技大学。

土木工程：同济大学、清华大学、湖南大学、哈工大、中南、浙大、东南大学、河海大学、大连理工、天津大学

水利工程：河海大学、大连理工、武汉大学、清华大学、天大、西安理工大学、华中科技大学。

机械工程：上海交通大学、西安交通大学、西南交通大学、吉林大学、同济大学

、清华大学

篇2：桥梁结构振动与控制分析研究结题报告

桥梁结构振动与控制分析研究结题报告 本文关键词：分析研究，振动，桥梁，结题，结构

桥梁结构振动与控制分析研究结题报告 本文简介：第五期SRTP结题报告桥梁结构振动与控制分析研究第五期SRTP结题报告桥梁结构振动与控制分析研究指导老师：沈火明教授项目组成员：张徐20074968李恒20074977张冰清20085379桥梁结构振动与控制分析研究一、课题的研究意义及研究方法1.1课题的研究意义桥梁结构的振动是引起桥梁损坏(破坏)

桥梁结构振动与控制分析研究结题报告 本文内容：

第五期SRTP结题报告

桥梁结构振动与控制分析研究

第五期SRTP结题报告

桥梁结构振动与控制分析研究

指导老师：沈火明

教授

项目组成员：张

徐

20074968

李

恒

20074977

张冰清

20085379

桥梁结构振动与控制分析研究

一、课题的研究意义及研究方法

1.1

课题的研究意义

桥梁结构的振动是引起桥梁损坏(破坏)的一个重要因素，引起桥梁振动的因素主要有：地震引起的振动、荷载引起的振动及车

桥耦合作用引起的振动。传统的结构强度设计方法通过增强结构物自身抗力来抵御地震作用，即由结构本身储存和消耗地震能量。但由于人类测震技术的不成熟，尚不能准确估计振动的强度和特性。因此，可能会出现结构不满足安全性的要求而产生安全事故。

近年来发展起来的结构控制技术是建筑结构抗震领域内的一个新的研究热点,它是通过采用结构振动控制的理论与方法改变结构系统的动力学性能或阻尼耗散性能来增加和改善结构的抗震能力，是一种积极主动的对策。因此，近年来桥梁结构的振动控制倍受学术界、工程界的广泛关注,并获得了长足的进步。结构振动与控制的研究与应用有着广泛的前景，它的研究和发展将给结构工程抗震设计带来一张革命，其巨大的经济效益和社会效益已得到证明。

1.2

本文的研究思路和方法

本文以竖向弯曲振动时桥梁跨中挠度的振动幅度为控制目标，通过分析安装TMD前后桥梁跨中挠度的振动幅度变化量来讨论TMD对桥梁振动的控制效果，并探索TMD的参数优化。

对于TMD控制下的车桥耦合系统的振动，已被采用的数值研究方法有两类：一类在建立系统耦合方程组的基础上，借助编程语言或数值计算软件（如MATLAB和VB等），利用数值积分方法编程求解耦合方程组；另一类，借助仿真分析软件（如有限元软件和Simulink等）实现对系统的仿真分析。本文将采取第一类方法，编程求解方程组。

针对简支梁桥在列车匀速通过时的竖向弯曲振动，本文先建立车桥耦合振动理论模型，利用数值计算方法结合MATLAB软件，编程求解车桥时变系统振动微分方程组，获得列车过桥时桥梁竖向振动位移响应；再建立车—桥-TMD耦合振动理论模型，求解获得单个以及多个TMD控制下的桥梁竖向位移响应，分析TMD的控制效果，并讨论TMD参数优化对控制效果的影响。

1、

理论模型及求解方法

2.1

车辆-简支梁桥竖向振动模型

2.1.1

模型简化

模型中，车体、转向架、车轮均被认为是刚体，相互间通过弹簧阻尼系统连接；不考虑车轮与钢轨表面粗糙，认为钢轨固结于桥梁上作为桥梁的一部分，不考虑钢轨及轨下结构局部变形造成的影响，于是轮轴的竖向位移等于轮轨接触点（即车轮与桥梁接触点）的竖向位移。

由于仅考虑系统的竖向振动，本文中车辆简化为二系弹簧悬挂系统，仅考虑车体沉浮、点头，前后转向架构架沉浮运动，每节车辆四个自由度。桥梁采用简支欧拉梁模型。系统简化模型及坐标系建立如图1所示。

图1

系统简化计算模型

图中各物理量意义如下：

-行车速度；

yc-车体中心竖向沉浮位移；

φi-第i节车体点头位移；

Jc-车体点头惯量；

mc-车体质量；

cs2-二系悬挂阻尼；

ks2-二系悬挂刚度；

mt-转向架构架与轮对质量之和；

yt-构架中心竖向沉浮位移；

cs1-一系悬挂阻尼；

ks1-一系悬挂刚度；

a-同一节车转向架中心距离；

EI-桥梁抗弯刚度；

d-前后两节车相邻轮对间距；

L-桥梁全长；

w-桥梁挠度，以水平位置为坐标起点；

mk-TMD质量；

kk-TMD刚度；

Ck-TMD阻尼；

yz-TMD竖向位移；

li-第i个轮对与第一个轮对之间的距离；

2.1.2

车辆系统振动微分方程

第i节车振动方程

车体沉浮运动：

(2-1)

车体点头运动：

（2-2）

构架沉浮运动：

(2-3)

(2-4)

对车厢整体可得

（2-5）

（2-6）

其中p2i-1，p2i分别为第i节车厢前后两个车轮与桥梁之间的作用力。

2.1.3

简支梁桥振动方程

本为采用简支欧拉梁模型，不考虑桥梁阻尼时，振动方程为：

（2-7)

其中，ρA-桥梁单位长度的质量；

F(x,t)-t时刻x处作用在梁上的外力，包括桥梁自重和轮轨相互作用力，即

（2-8）

其中，N表示车辆节数；

表示dirac函数；

将式（2-8）代入式（2-7）得，

（2-9）

为求解方程（2-9），利用分离变量法设

（2-10）

其中为简支梁的振型函数，n为模态截断数，Tj(t)形态振幅函数。将式（2-10）代入式（2-9），各项自0到L积分，利用振型函数的正交性与dirac函数的性质，并令,,得

j=1,2,.,n

(2-11)

将式（2-5）与式（2-6）代入式(2-11),消去变量Pi，得

j=1,2,.,n

(2-12)

为简化表达，令，整理得，

j=1,2,.,n

(2-13)

这样，式（2-1）~式（2-4）与式(2-13)一起组成车桥时变系统耦合振动微分方程组，方程组共有（4N+n)个方程，以yci,yt2i-1,yt2i,Φi,Tj(t)共（4N+n）个未知量为求解变量，结合初值条件，可利用动力学连续数值积分方法联合求解。

2.2

车—桥—TMD耦合模型（以跨中悬挂单个TMD为例）

设TMD质量为mk，弹簧刚度为kk，阻尼为ck，悬挂位置为跨中，以静平衡位置为坐标起点，振动位移为yz，则TMD的运动方程为

（2-14）

简支梁跨中悬挂TMD时，车辆系统振动方程不受影响，简支梁所受外力应考虑梁与TMD之间的相互作用，即通过TMD弹簧与阻尼器传递的力，于是，式（2-8）变为

（2-15）

其中，为dirac函数。

此时，式（2-13）变为

j=1,2,.,n

（2-16）

这样，式（2-1）~式（2-4）与式(2-14)、式（2-16）一起组成车—桥—TMD时变系统耦合振动微分方程组，方程组共有（4m+n+1）方程，以yci,yt2i-1,yt2i,φi,Tj(t),yz共（4m+n+1）个未知量为求解变量，结合初值条件，可利用动力学连续数值积分方法联合求解。

2.3

求解步骤与方法（以单个TMD控制系统为例）

车—桥—TMD系统耦合方程组写成矩阵形式为：

（2-17）

其中，x-以yci,yt2i-1,yt2i,Φi,Tj(t),yz

构成的未知向量，即

分块表示为：；

M,C,K-总体等效质量,阻尼,刚度矩阵;

-等效载荷向量；

2.3.1

系数矩阵

a)质量矩阵分块表示

其中,；,I表示单位矩阵；

mz=mk;,,,;

;

其中，限于篇幅，hij(t)简写为hij.

b)阻尼矩阵分块表示为,;

;

;;;;

;

，

c)刚度矩阵分块表示为,;

;

;;;;

;

，

d)载荷向量分块表示为

;;;,,.

2.3.2求解方法

本文采用Newmark-β法，利用MATLAB软件编程求解矩阵方程组（2-17），获得系统的位移响应。

三、实际算例

根据（二）中建立的计算模型与求解方法，本文给出以下实际算例。

实例研究一辆10节编组的列车通过一座简支梁桥时，引起的桥梁振动，并利用TMD控制桥梁振动。列车采用德国ICE动车和拖车，前后2节动车中间8节拖车编组，桥梁为一全长32m简支梁桥。具体车辆与桥梁参数见附录。

3.1

桥梁静挠度

根据材料力学中简支梁在均布压力下跨中挠度的计算公式，本文算例中的桥梁在自重下跨中挠度为：

3.2

实施控制前，列车过桥时引起的跨中振动响应

如图2，给出了列车以100km/h车速匀速通过时，简支梁跨中挠度的时程曲线。t=0s时，列车开始上桥，约9s时，列车刚好完全离开桥梁。

图2

100km/h车速下跨中振动响应

从图中可以看出，当列车以100km/h的速度通过时，跨中最大挠度发生在列车刚上桥后，为60.4mm，相对于跨中静挠度27.9mm超出一倍以上，振幅为32.5mm，这对于桥梁结构本身和列车的安全都是有害的也是危险的，因此需要对其进行控制。

图中，t=9s后列车离开桥梁，跨中位移并没有衰减，而是继续作以静挠度为均值，以列车刚离开桥瞬间振幅为幅值的简谐振动。这是因为算例中的简支梁没有考虑桥梁本身的阻尼，当列车离开桥梁后，桥梁自由振动，此后跨中响应仅决定于其初值条件即车离开桥时跨中的振动情况，由于不存在阻尼这种振动将持续不会衰减，但这仅是算例中假设前提下的情况。

为研究桥梁跨中位置在列车通过时相对于静平衡位置的振动，将图3.1中的时程曲线沿纵坐标向下平移27.9mm，得到图3如下：

图3

跨中振幅时程曲线

3.3

实施控制前，跨中振幅随车速的变化情况

本为计算了列车以60

km/h-200

km/h不同车速通过桥梁时，跨中振幅的变化情况，如图4

所示。

图4

桥梁的振幅随车速的变化曲线

从图中可以看出，随着列车过桥车速的增加，简支梁跨中振幅基本呈增加趋势，个别车速下振幅出现局部峰值，车速为185km/h时振幅甚至接近42mm。

3.4

利用单个TMD控制桥梁在列车通过时的振动

本文以车速为100km/h为例，讨论单个TMD对桥梁振动的控制作用。计算中的TMD质量、阻尼和刚度参数由Den

Hartog

参数调整公式（式3-1）给出。

，，，

（3-1）

其中，μ为TMD质量比，cz和cc分别为TMD的阻尼系数和临界阻尼系数。

如图5所示，给出了车速100km/h，跨中悬挂质量比为0.08%的单个TMD时，桥梁跨中振幅的时程曲线。

图5

单个TMD控制下的跨中振动曲线

从图中可以看出，跨中悬挂质量比为0.08%的单个TMD时，跨中振幅为30.6mm。相对于控制前的32.5mm振幅，控制效果为5.85%。若改变TMD质量比，将获得不同的控制效果。于是，以控制效果最大为控制目标，可获得最佳TMD质量比参数。同时，图中看出当列车离开桥梁后，跨中位移呈现向静平衡位置衰减趋势，这是由于模型中考虑了TMD阻尼的作用。

3.5

单个TMD控制的最佳质量比

如图6所示，本文给出了车速为100km/h时，单个TMD的控制效果随TMD质量比变化曲线。

图6

单个TMD的控制效果随TMD质量比变化曲线

从上图可以看出质量比μ=0.05%时，获得最佳控制效果为24.3%，此时跨中振幅为24.6mm，最大挠度52.5mm，该TMD减振效果显著。

3.6

实现MTMD对桥梁振动的控制

MTMD形式多样，涉及的参数也多如：TMD的悬挂位置，各TMD的质量，阻尼，刚度，TMD相互间的频率间隔等。本文算例仅讨论频率呈线性分布，等间距悬挂的5个TMD的控制作用。

图7给出了等质量比，频率间线性分布的5个TMD等间距悬挂时，跨中振动的时程曲线，其中，MTMD参数为质量比μ=0.001%，频率间隔df=3Hz。

图7

MTMD控制下的跨中振幅曲线

从上图可以看出，5个TMD控制时，跨中振幅为24.2mm，控制效果为25.54%，相对于最佳质量比的单个TMD控制效果虽然只增加了1.24%，但总质量却只有单个TMD的1/10，这非常有利于降低悬挂TMD对桥梁静挠度的影响。同时，如果调节MTMD的参数，可以获得不同的控制效果。

于是，以控制效果最大为目标，以质量比和频率间隔为优化变量，根据优化理论，利用二维优化搜索方法可以获得MTMD的最佳参数。

由于涉及的程序较大，本文受条件限制未能利用该方法研究MTMD的最佳参数，只是给出了保持总质量比的前提下控制效果随频率间隔的变化情况（如图8）。

图8

MTMD控制效果随频率间隔的变化曲线

从上图可以看出，控制总质量为0.05%，当频率间隔较低时，随着df增加，控制效果呈增加趋势但变化不明显；当df=11.5Hz时，控制效果取最大值；当频率间隔高于11.5HZ时，控制效果明显迅速衰减。所以取频率间隔为11.5Hz，可以获得最佳控制效果为26.1%。

3.7

算例结论

3.1~3.6的算例中，本文运用（二）中建立的模型以及求解方法，实现了TMD和MTMD对简支梁桥在列车匀速通过时的振动响应的控制。

四、总结

本文讨论了列车过桥时引起的车桥耦合振动，建立了车辆—简支梁桥与车辆—简支梁桥—TMD耦合振动微分方程，推导了方程的求解过程。讨论了TMD对桥梁振动的控制作用，利用数值计算研究了TMD的参数优化对控制效果的影响。在建立理论模型的基础上，运用该模型计算了实际车桥耦合振动响应，并实现了TMD对桥梁的控制作用。但本文中的模型还十分粗糙，与实际情况差距较大，若要指导实际工程应用尚需更加符合实际的细化模型。同时，本文没有验证数值计算结果的可靠性。

参考文献

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振动控制结构的发展及应用.济南大学学报(自然科学版),2006，04.

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年3

月.

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[5]许磊平,刘伟庆等.TMD

抑制桥梁振动仿真分析.防灾减灾工程学报.2009,6.

[6]黄维平,强士中.大跨度悬索桥的双向TMD振动控制.桥梁建设,2000年第4期

[7]张红艳,白长青,许庆余.多自由度复杂结构的TMD调谐减震控制研究.应用力学学报,2008,12.

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在大跨斜拉桥减震控制中的应用.工业建筑,2007

[9]肖艳平,沈火明,叶献辉.两种桥梁振动控制方法的对比分析.噪声与振动控制,2006年8

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[10]李小珍,强士中.列车-桥梁耦合振动研究的现状与发展趋势.铁道学报，2002年10月。

[11]郝超，强士中.移动荷载作用下桥梁的振动控制.国外桥梁，1999.

[12]左一舟.关于列车-轨道(

桥梁)

时变系统空间振动方程的建立及其求解.铁道科学与工程学报,2005年2月

[13]晋智斌,强士中,李小珍.高速列车-桥梁竖向随机振动的时域分析方法.地震工程与工程振动，2008,06.

附录一：实际算例中车桥参数表

桥梁参数

全长L=32m

弯曲刚度EI=5.18e10

单位长度质量m=1.08e4

车辆参数表

动车参数

拖车参数

车体质量/kg

5.88e4

4.55e4

构架质量/kg

6.45e3

3.87e3

车体的点头刚度/kg*m2

3.089e6

2.391e6

二系阻尼系数/kg/s

9e4

0.292e5

一系阻尼系数/kg/s

3e4

0.219e5

二系弹簧刚度/N/m

1.52e6

0.324e6

一系弹簧刚度/N/m

3.418e6

2.82e7

轮对间隔/m

11.46

附录二：数值计算程序代码

%用纽马克法计算结构的动力学运动方程，返回值为简支梁跨中挠度

%单个TMD控制

function

w_mid=bz2t1(vv,t,mu)

global

ax1

ax2

dax1

dax2;

rn=5;

n=rn;

%所考虑桥梁振型的前n阶

nn=n+41;

g=9.81;

%重力加速度------------------------m/s^2

EI=5.18e10;

m=10.8e3;

L=32;

v=vv/3.6;

%列车移动荷载的速度------------km/h(->m/s)

Ms1=5.88e4;

%车体质量---------------------------kg

Mp1=6.45e3;

%构架质量（含轮对质量）------kg

Is1=3.089e6;

%车体的点头刚度-------------------kg*m^2

Cs1=0.9e5;

%二系阻尼系数----------------------kg/s

Cp1=0.3e5;

%一系阻尼系数----------------------kg/s

Ks1=1.52e6;

%二系弹簧刚度----------------------N/m

Kp1=2.418e6;

%一系弹簧刚度----------------------N/m

ax1=11.46;

%轮对间隔-----------------------------

Ms2=4.55e4;

%车体质量----------------------------kg

Mp2=3.87e3;

%构架质量（含轮对质量）--------kg

Is2=2.391e6;

%车体的点头刚度-------------------kg*m^2

Cs2=0.292e5;

%二系阻尼系数----------------------kg/s

Cp2=0.219e5;

%一系阻尼系数----------------------kg/s

Ks2=0.324e6;

%二系弹簧刚度----------------------N/m

Kp2=28.2e6;

%一系弹簧刚度----------------------N/m

ax2=17;

%轮对间隔-----------------------------

dax1=3.67+3.5;

dax2=3.67*2;

c1=EI/m/L^4*pi^4;

%桥梁自由振动频率-----------------1/s

c2=pi/L;

%c2*v

车辆行进谐振频率----------1/s

c3=2*Mp1/m/L;

c4=Ms1/m/L;

c5=2*Is1/m/L/ax1;

c6=(2*Mp1+Ms1)*g/m/L;

c7=2*Mp2/m/L;

c8=Ms2/m/L;

c9=2*Is2/m/L/ax2;

c10=(2*Mp2+Ms2)*g/m/L;

l=zeros(20,1);

%第i个轮对与以一个轮对之间的距离li-----m

l(2)=ax1;

l(3)=ax1+dax1;

for

j=4:18

rem(j,2)==0

%判断奇偶

l(j)=l(j-1)+ax2;

else

l(j)=l(j-1)+dax2;

end

l(19)=l(18)+dax1;

l(20)=l(19)+ax1;

k0=zeros(1,n);

nt=5;

f0=sqrt(c1);

%基频

Mk=mu*m*L;

Kk=m*L*mu*c1/(1+mu)^2;

Ck=2*Mk*sqrt(3*mu/8/(1+mu)^3)*f0;

m10=ones(1,n);

m11=diag(m10);

m21=zeros(41,n);

m20=[Mp1,Mp1,Ms1,Is1,.

Mp2,Mp2,Ms2,Is2,.

Mp1,Mp1,Ms1,Is1,Mk];

m22=diag(m20);

c11=zeros(n,n);

c12=zeros(n,41);

c221=[Cp1+Cs1,0,-Cs1,0.5*ax1*Cs1;

0,Cp1+Cs1,-Cs1,-0.5*ax1*Cs1;

-Cs1,-Cs1,2*Cs1,0;

0.5*ax1*Cs1,-0.5*ax1*Cs1,0,0.5*ax1*ax1*Cs1];

c222=[Cp2+Cs2,0,-Cs2,0.5*ax2*Cs2;

0,Cp2+Cs2,-Cs2,-0.5*ax2*Cs2;

-Cs2,-Cs2,2*Cs2,0;

0.5*ax2*Cs2,-0.5*ax2*Cs2,0,0.5*ax2*ax2*Cs2];

c220=zeros(4,4);

c40=zeros(4,1);

c42=zeros(1,40);

c22=[c221,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c222,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c222,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c222,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c222,c220,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c220,c222,c220,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c220,c220,c222,c220,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c222,c220,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c222,c220,c40;

c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c220,c221,c40;

c42,Ck];

k11=zeros(n,n);

ii=1:n;

Pkk=sin(0.5*ii*pi);

k11=(ii.^4*c1);

k11=diag(k11);

k12=zeros(n,41);

k221=[Kp1+Ks1,0,-Ks1,0.5*ax1*Ks1;

0,Kp1+Ks1,-Ks1,-0.5*ax1*Ks1;

-Ks1,-Ks1,2*Ks1,0;

0.5*ax1*Ks1,-0.5*ax1*Ks1,0,0.5*ax1*ax1*Ks1];

k222=[Kp2+Ks2,0,-Ks2,0.5*ax2*Ks2;

0,Kp2+Ks2,-Ks2,-0.5*ax2*Ks2;

-Ks2,-Ks2,2*Ks2,0;

0.5*ax2*Ks2,-0.5*ax2*Ks2,0,0.5*ax2*ax2*Ks2];

k220=zeros(4,4);

k40=zeros(4,1);

k42=zeros(1,40);

k22=[k221,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k222,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k222,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k222,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k222,k220,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k220,k222,k220,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k220,k220,k222,k220,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k222,k220,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k222,k220,k40;

k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k220,k221,k40;

k42,Kk];

Y0=zeros(nn,1);

%位移初始条件

Y10=zeros(nn,1);

%速度初始条件

Y20=zeros(nn,1);

%加速度初始条件

X_mid=[sin(pi/2),sin(pi),sin(3*pi/2),sin(2*pi),sin(5*pi/2)];

%前5阶振型在跨中取值

t==0

return

else

dt=0.005;

%积分步长

nm=t/dt;

Gama=0.50;

Beta=0.25;

a0=1/Beta/dt^2;

a1=Gama/Beta/dt;

a2=1/Beta/dt;

a3=0.5/Beta-1;

a4=Gama/Beta-1;

a5=dt/2*(Gama/Beta-2);

a6=(1-Gama)*dt;

a7=Gama*dt;

w_mid=zeros(nm+1,1);

%跨中挠度

diracl=zeros(1,20);

for

k=0:nm

t=k*dt;

for

m=1:20

%diracli

diracl(m)=diraci(l(m)/v,(L+l(m))/v,t);

end

ii=1:n;

mt=2*Mk/m/L*sin(ii*pi/2);

ctt=-Ck*sin(ii*pi/2);

ktt=-Kk*sin(ii*pi/2);

P011=sin(ii*v*t*c2);

P022=sin(ii*(v*t-ax1)*c2);

P033=sin(ii*(v*t-ax1-dax1)*c2);

P044=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2)*c2);

P055=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2)*c2);

P066=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2-ax2)*c2);

P077=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2-ax2-dax2)*c2);

P088=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2-ax2-dax2-ax2)*c2);

P099=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2-ax2-dax2-ax2-dax2)*c2);

P01010=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-ax2-dax2-ax2-dax2-ax2-dax2-ax2)*c2);

P01111=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-4*ax2-4*dax2)*c2);

P01212=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-5*ax2-4*dax2)*c2);

P01313=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-5*ax2-5*dax2)*c2);

P01414=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-6*ax2-5*ax2)*c2);

P01515=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-6*ax2-6*dax2)*c2);

P01616=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-7*ax2-6*dax2)*c2);

P01717=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-7*ax2-7*dax2)*c2);

P01818=sin(ii*(v*t-ax1-dax1-8*ax2-7*dax2)*c2);

P01919=sin(ii*(v*t-ax1-2*dax1-8*ax2-7*dax2)*c2);

P02020=sin(ii*(v*t-2*ax1-2*dax1-8*ax2-7*dax2)*c2);

m12=[-c3*diracl(1)*P011,-c3*diracl(2)*P022,-c4*(diracl(1)*P011

+diracl(2)*P022

),c5*(diracl(1)*P011

-diracl(2)*P022

),.

-c7*diracl(3)*P033,-c7*diracl(4)*P044,-c8*(diracl(3)*P033

+diracl(4)*P044

),c9*(diracl(3)*P033

-diracl(4)*P044

),.

-c7*diracl(5)*P055,-c7*diracl(6)*P066,-c8*(diracl(5)*P055

+diracl(6)*P066

),c9*(diracl(5)*P055

-diracl(6)*P066

),.

-c7*diracl(7)*P077,-c7*diracl(8)*P088,-c8*(diracl(7)*P077

+diracl(8)*P088

),c9*(diracl(7)*P077

-diracl(8)*P088

),.

-c7*diracl(9)*P099,-c7*diracl(10)*P01010,-c8*(diracl(9)*P099

+diracl(10)*P01010

),c9*(diracl(9)*P099

-diracl(10)*P01010

),.

-c7*diracl(11)*P01111,-c7*diracl(12)*P01212,-c8*(diracl(11)*P01111

+diracl(12)*P01212

),c9*(diracl(11)*P01111

-diracl(12)*P01212

),.

-c7*diracl(13)*P01313,-c7*diracl(14)*P01414,-c8*(diracl(13)*P01313

+diracl(14)*P01414

),c9*(diracl(13)*P01313

-diracl(14)*P01414

),.

-c7*diracl(15)*P01515,-c7*diracl(16)*P01616,-c8*(diracl(15)*P01515

+diracl(16)*P01616

),c9*(diracl(15)*P01515

-diracl(16)*P01616

),.

-c7*diracl(17)*P01717,-c7*diracl(18)*P01818,-c8*(diracl(17)*P01717

+diracl(18)*P01818

),c9*(diracl(17)*P01717

-diracl(18)*P01818

),.

-c3*diracl(19)*P01919,-c3*diracl(20)*P02020,-c4*(diracl(19)*P01919

+diracl(20)*P02020

),c5*(diracl(19)*P01919

-diracl(20)*P02020

),mt

];

c21=[Cp1*P011;Cp1*P022;k0;k0;.

Cp2*P033;Cp2*P044;k0;k0;.

Cp2*P055;Cp2*P066;k0;k0;.

Cp2*P077;Cp2*P088;k0;k0;.

Cp2*P099;Cp2*P01010;k0;k0;.

Cp2*P01111;Cp2*P01212;k0;k0;.

Cp2*P01313;Cp2*P01414;k0;k0;.

Cp2*P01515;Cp2*P01616;k0;k0;.

Cp2*P01717;Cp2*P01818;k0;k0;.

Cp1*P01919;Cp2*P02020;k0;k0;ctt];

k21=[Kp1*P011;Kp1*P022;k0;k0;.

Kp2*P033;Kp2*P044;k0;k0;.

Kp2*P055;Kp2*P066;k0;k0;.

Kp2*P077;Kp2*P088;k0;k0;.

Kp2*P099;Kp2*P01010;k0;k0;.

Kp2*P01111;Kp2*P01212;k0;k0;.

Kp2*P01313;Kp2*P01414;k0;k0;.

Kp2*P01515;Kp2*P01616;k0;k0;.

Kp2*P01717;Kp2*P01818;k0;k0;.

Kp1*P01919;Kp1*P02020;k0;k0;ktt];

p11=c6*(diracl(1)*P011

+diracl(2)*P022

)+.

c10*(diracl(3)*P033

+diracl(4)*P044

diracl(5)*P055

+diracl(6)*P066

diracl(7)*P077

+diracl(8)*P088

diracl(9)*P099

+diracl(10)*P01010

diracl(11)*P011

+diracl(12)*P01212

diracl(13)*P01313

+diracl(14)*P01414

diracl(15)*P01515

+diracl(16)*P01616

diracl(17)*P01717

+diracl(18)*P01818

)+.

c6*(diracl(19)*P01919

+diracl(20)*P02020

);

%载荷向量

p12=2*mu*g*X_mid

;

p13=2*g/pi*[2;0;2/3;0;2/5];

p1=p11+p12+p13;

p2=zeros(41,1);

P=[p1;p2];

M=[m11,m12;m21,m22];

C=[c11,c12;c21,c22];

K=[k11,k12;k21,k22];

K1=K+a0*M+a1*C;

P1=P+M*(a0*Y0+a2*Y10+a3*Y20)+C*(a1*Y0+a4*Y10+a5*Y20);

Y=inv(K1)*P1;

Y2=a0*(Y-Y0)-a2*Y10-a3*Y20;

Y1=Y10+a6*Y20+a7*Y2;

Y0=Y;

Y10=Y1;

Y20=Y2;

T=Y0(1:n,1);

w_mid(k+1)=X_mid*T;

%桥梁振型振幅

end

篇3：工程技术综合实践项目设计报告-基于蓝牙控制的智能车

工程技术综合实践项目设计报告-基于蓝牙控制的智能车 本文关键词：蓝牙，工程技术，实践，控制，智能

工程技术综合实践项目设计报告-基于蓝牙控制的智能车 本文简介：工程技术综合实践项目设计报告（电类）项目名称：基于蓝牙控制的智能车指导教师：戴世通周国玲戚东辉蔡文婷项目成员：贾航辉、赵全、杨濛雨、张锴西安理工大学工程训练中心*年*月*日目录工程技术综合实践课程任务书1项目组成员及分工2概述31总体设计31.1系统功能及技术指标功能：蓝牙遥控小车。技术指标：31.

工程技术综合实践项目设计报告-基于蓝牙控制的智能车 本文内容：

工程技术综合实践

项目设计报告

（电类）

项目名称：

基于蓝牙控制的智能车

指导教师：

戴世通

周国玲

戚东辉

蔡文婷

项目成员：

贾航辉、赵全、杨濛雨、张锴

西安理工大学工程训练中心*年*月*日

工程技术综合实践课程任务书1

项目组成员及分工2

概述3

总体设计3

1.1

系统功能及技术指标

功能：蓝牙遥控小车。

技术指标：3

1.2

系统构成3

1.3主要设备及元器件选型3

1.4系统核心处理策略6

详细设计6

2.1功能划分

2.2

PCB设计7

2.3系统硬件资源清单8

3.软件设计9

3.1

软件功能模块9

3.2

源程序（见附录1）10

结构设计10

调试与测试10

5.1

调试10

5.2

测试10

5.3

调试测试后发现的不足10

6结论10

感想11

附录1

小车源程序12

装置总造价表15

工程技术综合实践课程任务书

项目名称

基于蓝牙控制的智能车

项目组号

教师组组长

戴世通

电话

15388600332

E-mail

[email protected]

指导教师

戴世通

周国玲

戚东辉

蔡文婷

项目组学生人数

项目内容：（包括功能描述、完成内容、技术要求、工艺要求等）

功能描述：

用手机终端作为遥控器，使用蓝牙技术与小车通讯，进而控制小车的运动。

完成内容：

项目管理；成本核算与记录；文档收集整理；项目分析与调研；确定项目方案；元器件选择与购买；硬件电路设计；PCB设计与制作；元器件安装与调试；编程与调试；壳体设计与制作；产品装配与调试。

技术要求：

产品基于AVR单片机，通过手机蓝牙和车载蓝牙实现数据的传输。

通过

ICCAVR编程。

车模要求：舵机控制转向，可适当添加减震装置。

通过手控和重力感应两种模式进行控制。

工艺要求：

（1）线路板各元件布局均匀、整齐、紧凑，尽量减小和缩短各元件之间的引线和连接。

（2）线路板焊盘、线、过孔的尺寸、间距符合标准，线拐弯处不得出现尖角。

（3）产品外形美观大方，便于操作使用。

涉及知识：

（1）AVR单片机编程，涉及ATmega16的PWM和串口通讯。

（2）舵机的使用。

（3）BTS7960电机驱动芯片的驱动电路。

（4）PCB原理图和封装的绘制

项目组成员及工作任务分配（序号1为项目组长）

序号

班

级

姓

名

工作内容

联系方式

自121

贾航辉

编写程序，整车的装配与调试。

18066702924

自121

赵全

电路的设计及PCB的绘制。

18292092074

自121

杨濛雨

线路板的焊接，工艺美化。

13669277254

自121

张锴

查阅资料收集文档，采购。

13572428364

课程指导组审批意见*年*月*日

项目组成员及分工

序

号

姓

名

学

号

班

级

工

作

内

容

备注

贾航辉

3120413021

自121

编写程序，设计电路，装配与调试。

赵全

3120413017

自121

PCB绘制。

杨濛雨

3120413014

自121

线路板的焊接，工艺美化。

张锴

3120413012

自121

查阅资料收集文档。

概述

本产品基于AVR

ATmega16单片机，用手机终端作为遥控器，使用蓝牙技术与小车通讯，通过PWM调速控制小车速度，舵机转向，控制小车飞快移动。

总体设计

1.1

系统功能及技术指标

功能：蓝牙遥控小车。

技术指标：

（1）线路板各元件布局均匀、整齐、紧凑，尽量减小和缩短各元件之间的引线和连接。

（2）线路板焊盘、线、过孔的尺寸、间距符合标准，线拐弯处不得出现尖角。

（3）产品外形美观大方，便于操作使用。

1.2

系统构成

ATmega16

蓝牙

电机驱动

舵机

图1-1

系统构成图

1.3主要设备及元器件选型

（1）ATmega16单片机，价格便宜，能输出4路相位正确的PWM波。简单易学。

ATmega16

有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512

字节EEPROM，1K

字节SRAM，32

个通用I/O

口线，32

个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG

接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/

计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP

封装)

的ADC

，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI

串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

图1-2

Mega16引脚图

（2）HC-06蓝牙模块，有效控制距离15米。

图1-3

蓝牙模块

（3）舵机，用于小车转向，方便灵活，比差速效果好很多。

舵机选用MG995型舵机，优点是价格便宜，金属齿轮，耐用度高。

图1-4

MG995舵机

舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，控制线是用来传送脉冲的。脉冲的参数有最小值，最大值，和频率。一般而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms。这个基准信号定义的位置为中间位置。舵机有最大转动角度，中间位置的定义就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。最重要的一点是，不同舵机的最大转动角度可能不相同，但是其中间位置的脉冲宽度是一定的，那就是1.5ms。如下图：

图1-5

舵机控制波形图

当舵机接收到一个小于1.5ms的脉冲，输出轴会以中间位置

为标准，逆时针旋转一定角度。接收到的脉冲大于1.5ms情况相

反。

（4）BTS7960驱动芯片+360H电机，驱动能力强，提高小车的速度

1.4系统核心处理策略

手机APP软件通过蓝牙发送数据给单片机，单片机通过读取串口接收的不同数据做出相应的动作。蓝牙模块与手机之间通讯波特率为9600.手机发送相应的ASCII码,单片机通过蓝牙接收，A、B、C、D分别对应前后左右。其中左右转向即当单片机接收到CD信号时，通过PD7口（OC2）输出50HZ，不同占空比的PWM波控制舵机转向。同时，指令123分别用于电机调速。

1.5其他小车材质为亚克力板

。

详细设计

ATmega16

蓝牙

电机驱动

舵机

2.1功能划分

图2-1

功能模块图

2.12系统原理图及元器件清单

图2-2

系统原理图

2.2

PCB设计

图2-3

PCB-2D视图

图2-4

PCB-3D视图

2.3系统硬件资源清单

序号

名称

规格

型号

数量

AVR

单片机

DIP-40直插

Mega-16

单片机底座

锁紧座

自锁开关

6脚

复位开关

蓝牙模块

HC-06

BTS7960

贴片

7805稳压IC

7806稳压IC

整车模一套

亚克力板

充电电池组

表2-1

硬件资源清单

备注：电阻，电容，杜邦线等原件不一一列出。

3.软件设计

3.1

软件功能模块

开始

初始化

输入指令指令

输出

结束

前

后

左

右

清除

PWM输出

图3-1

程序流程图

3.2

源程序（见附录1）

结构设计

考虑到车模整体的美观，和后轮间距，最终决定做出10cm*10cm的PCB板。把电池放于下边以降低小车重心。由于联轴器与传动轴之间靠塑料机米固定连接，为了加强整体强度，在这些容易滑脱的地方通过AB胶粘合。

调试与测试

5.1

调试

舵机PWM调试

（1）舵机调中，实时改变舵机输入PWM的占空比，确定舵机归中的的占空比大小。

（2）确定舵机的左极限，右极限。

电机PWM调试

电机驱动使用两片BTS7960搭成全桥驱动电路，可通过大电流。给两片BTS7960输入不同占空比20K的PWM波.观察电机转速，设置3个速度档位，最快速度不超过普通人奔跑速度。最终确定最大速度为20K占空比40%的PWM输入。

组装调试。

舵机的左右摆角为左右极限时，前轮胎会卡在车体上。所以通过程序控制左右摆角为合适角度。

5.2

测试

实测效果良好，可达到预期目标。速度，操作灵活性，有效控制距离都达预期目标。

5.3

调试测试后发现的不足

（1）PCB板可以全换为贴片元件，能减小一半的板子面积。

（2）超出有效控制距离后失控，应该设置为失控后停车。

（3）受车体本身材料限制，为防止损坏车体，最大速度不能很大。

6结论

小车达到系统设计要求，可通过手机蓝牙实时控制PWM波调速。转向灵活、轻巧，控制简单。可在手动控制和重力感应控制之间切换。最大速度设置为50%占空比，已经超越人的跑步速度。考虑到车体为亚克力板材质，速度不再提高。由于此次PCB的绘制是第一次，难免出现许多问题。电容的引脚距离比实物小了些，误将串口与IO口连在了一起。不过在后期都一一校正。这里要感谢戴老师在PCB绘制方面的指点。

感想

发现无处不在，这辆小车是在无意中产生的。当时在调飞思卡尔，用车上的蓝牙向电脑，发送数据观测车的状态。突然想既然能发送数据，他也就能收数据，通过串口调试助手向蓝牙发送相应数据，果然可以控制小车。后期使用的手机的串口APP，蓝牙小车就这样诞生了。小车适合小孩玩耍使用，轻便灵活。造价低。性能高。

附录1

小车源程序

include

define

uint

unsigned

int

uint

void

delay_100ms(

uint

)

{

while(

k>0

)

{

for(

i=42;

i>0;

i--

);

k--;

}

/*串口初始化*/

void

uart_init()

{

UCSRA=0x02;

//异步正常模式

UCSRB=0x18;

//允许发送接受中断和使能

UCSRC=0x06;

//8位数据

UBRRH=0x00;

UBRRL=12;

//波特率位9600

}

void

chushi()

{

PORTD

0b11111111;

DDRD

0b11111110;

PORTB

0b11111111;

DDRB

0b11111111;

}

void

init_pwm()

{

TCCR1A

0b10100010;//10100010

TCCR1B

0b00011001;

ICR1

100;

//1199周期

中值91

左极限

有极限150

OCR1A

00;

OCR1B

00;

TCCR2=0x6c;

OCR2=21;

}

void

main()

{

char

num;

double

n,j;

chushi();

init_pwm();

uart_init();

while

(1)

//16

{

num=UDR;

if(num==

)

{

OCR1A

20;

OCR1B

10;

}

else

if(num==

)

{

OCR1A

30;

OCR1B

10;

}

else

if(num==

)

{

OCR1A

100;

OCR1B

}

switch(num)

{

case

OCR2=16;

OCR1A

30;

OCR1B

10;

break;

case

OCR2=26;

OCR1A

30;

OCR1B

10;

break;

case

OCR2=21;

OCR1A

30;

OCR1B

10;

break;

case

OCR2=21;

OCR1A

00;

OCR1B

00;

break;

case

OCR2=21;

OCR1A

10;

OCR1B

=30;

break;

}

for(n=210;n>=160;n--)

{

j=n/10;

OCR2=j;

delay_100ms(4);

}

for(n=160;n=210;n--)

{

j=n/10;

OCR2=j;

delay_100ms(4);

}*/

}

装置总造价表

组号

项目名称

基于蓝牙控制的智能车

元器件费用（元）

线路板制作费（元）

100

外壳组装费用（元）

180

总造价（元）

360

填表人：*年*月*日