一级倒立摆的模糊控制毕业论文开题报告及道桥毕业设计开题报告

毕业设计（论文）材料之二（2）本科毕业设计(论文)开题报告题目：一级倒立摆的模糊控制课题类型：设计□实验研究□论文□学生姓名：学号：专业班级：自动化学院：电气工程学院指导教师：开题时间：20年3月10日一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）在控制理论发展的过程中，一种理论的正确性及在实际应用中的可行性，往往需要一个典型对象来验证，并比较各种控制理论之间的优劣，倒立摆系统就是这样一个可以将理论应用于实际的理想实验平台。本论文在参考大量文献的基础上，建立了一级倒立摆系统的数学模型，对系统进行了稳定性、可控性分析，指出一阶倒立摆的开环不稳定性。文章主要完成了：一级倒立摆动力学模型和模糊PID控制器模块的设计，确定了输入输出信号的论域、隶属度函数和模糊规则，最后利用Matlab中的simulink工具箱创建了基于模糊控制理论的一级倒立摆系统的simulink仿真模型，对倒立摆系统进行分析。仿真结果证明模糊PID控制不仅可以稳定倒立摆系统，还使小车稳定在平衡位置附近，证明了本文设计的模糊PID控制器有良好的稳定性、鲁棒性和适应性倒立摆系统能有效地反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。其典型性在于：作为实验装置，它本身具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整、便于模拟、形象直观的优点；作为被控对象，它是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不稳定系统，可以有效地反映控制中的许多问题；作为检测模型，该系统的特点与机器人、飞行器、起重机稳钩装置等的控制有很大的相似性。对倒立摆因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的理论和实践意义。。二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述）1.倒立摆系统的研究现状到目前为止，人们己经利用包括经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论在内的各种手段先后实现了倒立摆系统的稳定控制。随着微型计算机的发展和广泛应用，又陆续出现了对一级、二级甚至多级倒立摆的稳定控制。倒立摆系统是一个难以控制的不稳定结构，随着级数的增加，控制难度加大。在这样复杂的控制对象面前，把人工智能的方法引入到控制系统中，就为解决倒立摆控制问题提出了新的方向。模糊智能控制和神经网络控制是智能控制的重要方面，它们在倒立摆系统的控制上起到了很大的作用。程福雁等将传统控制理论与模糊控制相结合实现了对二级倒立摆的稳定控制。王卫华采用专家模糊控制解决单级倒立摆的稳定问题。张乃尧等人采用模糊双闭环的方案，成功的对单级倒立摆进行了稳定控制。胡叔旖、孙增沂应用基于规则的方法实现了二级倒立摆的稳定控制。刘妹琴、陈际达等采用递归神经网络控制了单级倒立摆。王琳等采用模糊小脑模型控制器仿真控制了单级倒立摆。1994年8月，北京航空航天大学自动化系张明廉教授、沈程智教授领导的人工智能小组，采用拟人智能控制模仿人面对同样问题的解决思路，成功实现了单电机控制三级平面运动倒立摆的控制。李洪兴教授领导的模糊系统与模糊信息研究中心暨复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制理论，于2001年9月实现了三级倒立摆实物系统控制后，又于2002年8月11日在世界上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。在对倒立摆系统的研究过程中新的控制理论的不断出现，使现有的控制理论得到了不断的完善和发展。2.倒立摆系统研究的发展趋势此前，实现的一级至四级倒立摆均为直线运动倒立摆。直线运动倒立摆实现的是在一个平面上的摆动，轨道较长、传动环节较多、占地空间较大，实践中常常由于传动机构的故障或误差，而不是控制方法本身的问题导致平衡控制失败。随着科学技术的发展，被控对象日趋复杂，对控制性能的要求也日趋提高，直线倒立摆已不能满足复杂系统的需要，由此产生了圆形轨道倒立摆。圆形轨道倒立摆实现了上、下、左、右、前、后任何方向的摆动，与传统的直线轨道倒立摆相比，圆形轨道倒立摆具有控制精度高、功能多、结构紧凑、性价比高等优点，所以圆形轨道倒立摆比传统的直线轨道倒立摆更具有竞争力和应用价值。圆形轨道倒立摆实物系统控制的实现要比直线运动倒立摆实物系统控制的实现困难得多；这不仅是因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍地增加，而且有关机械和电子器件的实现或选用会遇到瓶颈性的困难。因此，圆形轨道倒立摆实物系统是控制领域研究的重要课题之一。

近年来，人们对倒立摆的研究越来越感兴趣，倒立摆的种类也变得丰富多样。倒立摆系统不仅在高科技领域中得到广泛应用，人们还可以通过倒立摆这样一个严格的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力。因此，倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想实验手段常常用来检验控制策略的效果。三、毕业设计（论文）研究方案及工作计划（含工作重点与难点及拟采用的途径）1、研究方案一级倒立摆系统由导轨，小车和一级摆杆组成，小车依靠直流电机施加的控制力，可以在导轨上左右移动，其位移和摆杆角度信息由传感器测得，目标是使倒立摆在有限长的导轨上竖立稳定，达到动态平衡，即不超过一个预先定义好的垂直偏离角度范围。面对一级倒立摆系统这样一个非线性、不稳定的复杂被控对象，其控制方法主要有三类：线性控制、预测控制、智能控制。智能控制方法源自于人类实践经验，不需要精确的数学模型，是当前应用较广的控制方法。在倒立摆系统中应用的智能控制方法有：神经网络控制、模糊控制、仿人智能控制、拟人智能控制以及云模型控制。对一级倒立摆的稳定控制而言，模糊控制方法是一种比较优秀的解决途径，鲁棒性较好。在研究倒立摆这类多变量非线性系统的模糊控制时，一个难题就是规则爆炸，比如一级倒立摆的控制涉及的状态变量共有4个，每个变量的论域作7个模糊集的模糊划分，这样，完备的推理规则库会包含2401个推理规则;而对于二级倒立摆有6个状态变量，推理规则会达到117649，显然如此多的规则是不可能实现的。为了解决这个问题，张乃尧等提出双闭环的倒立摆模糊控制方案，内环控制倒立摆的角度，外环控制倒立摆的位移。范醒哲等人将这一方法推广到三级倒立摆控制系统中，并提出两种模糊串级控制方案，用来解决倒立摆这类多变量系统模糊控制时的规则爆炸问题。shulinagLei和RezaLnagari应用分级思想，将x，dx/dt,θ,dθ/dt4个状态变量分成两个子系统，分别用两个模糊控制器控制，然后来协调子系统之间的相互作用。本文模仿人类简化问题的思路，将单一的复杂控制策略转化为多级简单控制策略嵌套，通过分离变量的方法设计控制器。2、工作计划01-02周：安排毕业设计计划，分配设计任务。02-03周：了解本课题设计要求，针对倒立摆系统学习相关知识。04-05周：完成开题报告以及相关知识点的掌握，掌握倒立摆系统仿真的整体思路，收集整理matlab仿真所需的资料。06-11周：建立级倒立摆动力学模型，完成模糊PID控制器模块的设计，在matlab中完成仿真。11-14周：完善控制效果，分析输出结果，得出仿真结论；翻译英文文献资料。15-16周：编写毕业设计论文和准备毕业答辩。主要参考文献（不少于10篇，期刊类文献不少于7篇，应有一定数量的外文文献，至少附一篇引用的外文文献（3个页面以上）及其译文）[1]王海英.控制系统CAD与仿真[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2002.[2]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].2版.北京：国防工业出版社，2004.[3]蔡自兴.智能控制[M].北京:电子工业出版社,2004.[4]周其鉴,李祖枢,陈民铀.智能控制及其展望[J].信息与控制,2006(2):39-45.[5]刘朝英，宋哲英.MATLAB在模糊控制系统中的应用[J].计算机仿真,2001,18（3）：11-13.[6]李永强，杨明忠.智能控制理论在倒立摆系统中应用研究[J].现代机械，2006，2(3)：100-103.[7]倪桂杰,郭巧菊.基本模糊控制器控制规则的提取[J].自动化仪表,2002,23(3):7-10[8]高飞,薛忠.模糊控制技术中的几个问题[J].西安电子科技大学学报，1998,25（3）：369-373[9]LeeCC.FuzzyLogicinControllSystems:FuzzyLogic.Controller-partI,PartI[J].IEEETrans.onSMC,1990,20(2):404-435.[10]BezdekJ.FuzzyModels-WhatAreThey,andWhy?[J].IEEETransonFuzzySystems，1993,1（1）：1-6.[11]MarioE.MaganaandFrankHolzapfel[J].IEEETransonEducation,1998,2(4):41-44.Fuzzy-LogicControlofanInvertedPendulumwithVisionFeedbackMarioE.MaganaandFrankHolzapfelAbstract—Inthispaperwepresentanexperimentalsetupofafuzzy-logiccontrollerofaninvertedpendulumthatusesvisionfeedback.TheexperimentaltestbedisusedatOregonIndexTerms—Control,fuzzylogic,visionfeedback.I.INTRODUCTIONTheimplementationofafuzzy-logiccontrollerforaninvertedpendulumisnotnew.Infact,oneofthefirstapplicationsofitwastostabilizeaninvertedpendulum.Ourapproachdiffersfrompreviousapproachesinthewayinwhichthephysicalvariablesaremeasured.Thefactthatahumanbeingisabletostabilizeaninvertedpendulumofreasonablelengthandmass,alongwiththeknowledgeofthebrain’sabilitytoprocessabout25imagespersecond,leadsonetoconcludethatthisdatarateshouldbesufficienttocontrolaninvertedpendulumusingcomputervisioninformation.This“lowdatarate”approachisinstrongcontrasttopastresearchthatfocusedonmeasurementupdatesthataretwotothreetimesfaster.Ofspecialinterestisthefactthatincertainrealworldapplicationsthepositionofacontrolledobjectcannotbedeterminedwithtraditionalmethods.Theintroductionofvideocamerasandvisionsystemstoprocesstheirimageshasledtoanewwaytomeasurerelevantquantitieswithouthavingtotouchoreventocomeclosetotheobject.Thedrawbackofthisapproach,ontheotherhand,isthatjust60half-framesareobtainedpersecond.Thisleadstoproblemsthatresultfromdelays,especiallyinconnectionwithfast-movingobjects.Therefore,oneofthegoalsoftheexperimentperformedinourteachingandresearchlaboratorywastoexplorecriticallimitsandinvestigateifthespeedandtheversatilityofthefuzzycontrolleraresufficienttodealwiththem.Thepaperdescribestheexperimentalsetupextensivelysothatitcanalsobeperformedatotherteachingandresearchlaboratories.Suchasetupcanbeusedbybothelectricalandmechanicalengineeringstudentstolearnandapplyfuzzy-logiccontroltechniquesusingnontouchingsensorssuchasvisionsensors.Thetheoreticalbackgroundoffuzzysystemswithregardtoaninvertedpendulumisdevelopedin[6]and[12],whereitistakenasabenchmarkforbinaryinput–outputfuzzyassociativememory(BIOFAM)systems.Usingasimilarapproachasdescribedin[6],wetaketwostatesandonecontrolvariable.Thefirstfuzzystatevariableistheanglethatthependulumshaftmakeswiththevertical.Thesecondistheaverageangularvelocity.Asoutputfuzzyvariableweusethemotorarmaturecurrent.Allthreevariablescanbeeitherpositiveornegativeandarerelatedinthefollowingmanner:Ifthependulumfallstotheleft,themotorvelocityshouldbenegativetocompensate.Ifthependulumsuccessfullybalancesinthemiddle,themotorcurrentshouldbezero.Therefore,everyvariabletakesonacertainsetofvalueswhoserangeislimitedbypracticalconsiderationsthatresultfromphysicalandtechnologicalconstraints.Intheexperimentwequantifyeachsetoruniverseofdiscourseintosevenoverlappingfuzzysetvalues.Thischoiceisbasedonpriorexperience.II.EXPERIMENTALPLATFORMThesetupoftheinvertedpendulumfuzzy-logiccontrolwithvisionfeedbackexperimentconsistsofthefollowingparts:1)amechanicalsystemcomposedofaninvertedpendulummountedonan–table,2)avideocameraandavisioncomputerthatareusedasanontouchingsensortoobtainthestatesofthesystem,3)afuzzy-logiccontrollerthatisimplementedona386personalcomputerusingBorlandC,and4)anactuatorthatconsistsofanarmature-controlleddcservo-motordrivenbyapulsewidth-modulatedamplifier.A.TheMechanicalSystemAleadscrewthatisdirectlycoupledtotheshaftofadcmotorandisguidedbytwosteelbarsusingbearingsdrivesthesled.Thependulumitselfconsistsofa70-cm-longrodandawoodenballdesignedinsuchawaythatthecenterofmasscanbeassumedtobeatthetopoftherod.Thependulumrotatesintheverticalplaneusinglowfrictionrollerbearings.Possibledeviationsrangeupto90,butareactuallyrestrictedtoamuchsmallerrangebytheconstraintsofthesystem.B.TheVisionSystemInordertocontrolthesystem,itisnecessarytomeasurethedifferentstates.Todothis,weuseanIntelledexvisionsystemwitharelativelylow-resolutionvideocamera.Thecameraisequippedwitha16-mmlenswithadjustableaperturetovarytheamountofincidentlight.ThevisioncomputeristheHRmodelwithamemorymanagementunit.ItallowstransferringframesorsinglerowsfromtheA/Dbuffertothemainmemorywithoutlongdelays.TheinformationisevaluatedandwrittentoaserialRS232portthatissettooperateata38-kb/sclockrate[4].C.TheControllerThecontrollerisimplementedona386personalcomputerrunningat16MHz.Thecontrolcommandsaresenttoapoweramplifierviaa10-VD/Aconverter.D.TheActuatorThispartofthesystemconsistsofadcservomotorandapoweramplifier.TheanalogsignalfromtheD/Aconverteristranslatedasacurrentandfedtothemotor.Sincethetorqueofthedcmotorisproportionaltothearmaturecurrent,wecancontrolthespeedofthesledwithavoltagecommandsignal.III.VISIONSYSTEMTosuccessfullycontroltheinvertedpendulumusingvisioninformationitisnecessarytoseparatethewholetaskintotwoparts:dataacquisitionandcontrol.ThevisionsystemisresponsibleforacquiringthedataandtransmittingthemtothePCthatdeterminesthecontrolcommandbasedonthesevalues.Indoingso,routinesforI/Oandprogramstohandletheserialcommunicationapartfromthemaincontrolprogramareneeded.ThistaskisperformedusingCandsmallassemblylanguageprogramsforcontrollingtheserialcommunication.1)VisionSystemConfiguration:ThevisionsystemcoreisanIntel386microprocessorrunningat20MHz.Also,thevisioncomputerhasafastA/DunitthatsamplestheRS170analogsignalandwritesthedigitizeddatainalocalarraythatisseparatedfromthemainmemoryoftheCPU.Becausethecamerasendsthedataofeachframefor15msandpausesfor1.25msduringtheverticalblank,weusethiswindowtocopytheinformationthatweareinterestedintothemainmemory.Thisgivesustheopportunitytomanipulatethedataandcomputetheangleandpositionofthesledsimultaneouslybeforethenextimageisacquired.Sincethisprocesstakesplaceduringarelativelyshortperiodoftime,wecanalsotransmitthepositionofthesledandtheangleoveranRS232serialcommunicationchannelwithoutlosingimageinformation.ThevisionapplicationprogramiswrittenandcompiledinthehostPCandthendownloadedviatheRS232intothevisioncomputer.2)AngleComputation:Thevideopictureconsistsof480rowsand512columnsandaverticalblankperiodtoallowthebeamtoreachtheupperleftcorneragain.Theeasiestwaytodeterminetheangleofthependulumistotaketworowsandfindthepositionofthegreatestdark/brighttransition.Thispositionisrepresentedasthecolumnnumber.Sinceweknowthedistancebetweentherows(e.g.,400lines)andthecolumns(e.g.,10points)wecandeterminetheanglebyusingasimpletrigonometricfunction.Thefollowingfigureillustratestheprocedure.Inordertohavereliablevaluesfortheangleweneedahighcontrastofthevideopicture.Toensurethis,thependulumrodispaintedblackandawhitebackgroundisused.Todetectthepointwiththegreatestblack/whitetransitioninarowweusealinearsearchalgorithmthatcomparesthecontrastofthepixelsandreturnsthepositionoftheonewiththegreatestdarkvalue.Fromthecoordinates,wecalculatetheanddistancesandobtaintheanglefromdist.hor.dist.vert.Toprotectthesledfromrunningintoitsmount,weusethepositiongiveninthelowerrowtodeterminefiveareasofthesledposition.Theyareencodedasintegervaluesandtransmittedtothecontrolcomputer.Thefollowingtableshowstheareasinpixels.IV.THEFUZZYLOGICCONTROLLERTheproposedfuzzy-logiccontrollerusedtocontroltheexperimentalinvertedpendulumusesconventionaltriangularmembershipfunctionstofuzzifythedatameasuredbythevisionsystem[9].Furthermore,thefuzzyinferenceengineimplementsasetofIF-AND-THENrulesontheangularV.PERFORMANCEEVALUATIONInordertoevaluatetheperformanceofourfuzzy-logiccontrolsystem,alltheacquireddataarestoredinafileontheharddisk.Toavoiddelaysintheoutputofthecontrolsignal,themeasuredvaluesaresavedaftertheoutputcommandiscomputed.Theremainingtimeuntilthenewangleandpositionmeasurementsareavailableattheserialportisstillsufficienttostoretheoldvalueswithoutlosingdata.Tobeabletoprocessthedataoff-line,theangleinformationisstoredwithaprecisionof0.1.WecanobserveinFig.7thattheaverageamplitudethatresultsfromthedeviationofthependulumisabout2.7.Wecanalsoseeinthesamefigurethatthesystemdisplaysanoscillatorybehavior.Theamplitudeoftheoscillationsdependsonthemaximumacceleration,inertia,andotherfactors.Fromthesamefigure,wecandeterminethattheperiodoftheoscillationsisapproximately400ms.VI.OBSERVATIONSAswitheveryreal-lifedesign,wehavealsomadeassumptionsthatsimplifythedesignproceduredescribedinthispaper.Therefore,itisimportanttoverifythatsuchassumptionsarevalidandthattheydonotresultinanunacceptablesystemperformance.Fig.8showsthattheresponsedelayisabout25ms.Also,duringthewritecyclesofthePC,dataarelostresultinginaslighttimeshift.Becauseofthisreason,thetimedelayof25mscanonlybedeterminedfromtheverybeginning.Thesometimes-sharpchangesinthevelocityarealsocausedbymissingmeasurementvalues.Ingeneral,weseethatittakesthemotorabout100mstoreverseitsmovementandseveralhundredmillisecondstoapproachtopspeed.Anotherproblemwiththeexperimentalsystemisthatofprecisioninthedataacquisition.Notonlyistherateofdatameasurementsveryslow(60measurementspersecond),buttheyarealsonotveryexact.Thisresultsfromthefactthatthewholefieldofviewthatweobserveandinwhichthependulummovesspans480pixels.Notingthattwosteelbarsthatare60cmlongguidethesled,wegetamaximalresolutionof1.25mm/pixel.Sincewecalculatetheanglefromthetrigonometricrelationshipbetweentheconstantverticaldistanceandthevariablenumberofpixelsinthehorizontaldirection,wegetaresolutionofabout0.25.Thismeansthat,ifthependulumis0.2offcenter,suchapositionwillgoundetected.Last,butnotleast,istheerrorcontributionduetothecoarsequantizationoftheangle.Weknowthatfuzzylogicisbasedonmembershipfunctionsandonthetechniqueofinference.Thismeansthatavalueisnotonlyamemberofaparticularset,butalso,tosomedegree,amemberofseveraldifferentsets.Now,withcoarsequantizationwelosepartoftheflexibilityofthefuzzy-logicsystem.Inreality,therangeoftheanglethatisusedneverexceeds5.Forlargerdeviations,thesystemturnedouttobetooslowtocompensate.TheoutputvaluesarethereforeamplifiedtogivethemaximumoutputcurrentalreadyinthecasewhenthecontrollerwantstoapplyapositiveornegativeMEDIUMcontrolforce.Althoughweimplementedamatrixwith49rules,weeffectivelyuseonlythecorematrix.Thisleadstoanotherdeteriorationofthecontrollerperformance.VII.SUMMARYANDCONCLUSIONTheproposedvisionfeedbackfuzzy-logiccontrollerisabletokeeptheinvertedpendulumintheuprightposition,thoughforalimitedtime.Inwhatfollows,wewilldiscussmodificationsthatmightleadtoanimprovementinthebehavioroftheexperimentalsystem.Thefuzzy-logiccontrollerimplementationisentirelywritteninBorlandC.ThisprogramminglanguagerunningonMS-DOS6.2operatingsystemdoesnotprovideareal-timeenvironmentfortheexperimentandresultsinre-entryproblemsofsubroutines.Thisproblemcouldbeavoidedbyintroducingreal-timesubroutinesthatarenotpartofthestandardCpackage.Tocontroltheinvertedpendulumsuccessfullyforlongperiodsoftime,wewouldhavetomakeuseofnotonlytheangleofthependulum,butalsothepositionandperhapsthevelocityofthesled.Usingthepositionofthesledalsowillinturnleadtoafour-dimensionalfuzzy-logiccontrolsystem.Theadditionofanextrastate,however,willrenderthemanualtuningapproachtodeterminethefuzzysetvaluesamorechallengingtask.Itmightevenbenecessarytoimplementanadaptivefuzzy-logiccontrollerthatobtainssuitablecontrolparametersafteraperiodof“training”[11],[12].Thiswillrequiremajorchangesnotonlyinthecontrollerprogram,butalsointhedataacquisitionsystem,sincethesledpositionisnotpartofthepresentcontrolstrategy.Furtherproblemsarisefromthefactthatweusethedifferencebetweentwoanglesasinputfortheangularvelocity.Sincethemeasurementsarenoisyandhavearelativelylargequantizationerror,weendupcomputinganevennoisierestimateofthevelocity.Introductionoffilteringtechniquesinthevisionsystemcanpotentiallyresultinabettersystemperformancebecauseofasmallerangularvelocityerror.Themechanicaltimeconstantsofourexperimentalsystemlimittheresponsetimeandpreventfastchangesinthemovementofthesled[1],[3],[7].Toachieveanimprovement,itwouldbebeneficialtochangethedesignfromtheleadscrew–tabletoabelt-drivenconfigurationthatismoreresponsive,hasasmallermassandlessfriction.Anotheraspectistheuseofadifferentcameratoacceleratetheacquisitionofdatathroughthevisionsystem.TheIntelledexVisionSystemisabletogivearesetpulsetothevideocamera.Thiswouldmakeitpossibletoacquiremorethanjust60framespersecondandalsodecreasetheresponsetimeofthesystem.Alsoweencounterproblemsthatresultfromthelimitedresolutionofthevideocamera.Thefactthatwehaveonly480pixelsfortheentirehorizontalfieldofviewleadstolargequantizationerrorsandalowprecision.Itwouldbeextremelybeneficialtoimprovetheaccuracyofthemeasuredangle,sincetheprecisionoftheinputdataisofgreatimportanceforthecontroller.Afterreviewingtheexperimentalresults,itseemsclearthatitwouldbenecessarytomakesubstantialchangestoachieveamoresatisfactoryperformanceofthevisionfeedbackfuzzy-logiccontrolsystem.Forexample,betterinferencerules(perhapsadaptive)inthefuzzy-logiccontrollerthatusepositionandvelocityinformationofthesled,alongwithafasterandmoreprecisevisiondataacquisitionsystemwouldcertainlylengthenthetimethatthependulumiskeptintheuprightposition.1设计项目的背景和依据1.1项目背景黑河市爱辉区是黑龙江省北部的交通枢纽，是新兴的工业城市，是黑龙江省北部的政治、经济、教育、文化和交通中心。爱辉区与俄阿州首府布拉戈维申斯克市隔黑龙江相望。布市是俄远东第三大城市，布市市区面积105平方公里，人口50万，港口年吞吐能力300万吨，机场有50多条航线与国内外大中城市连接。作为与俄布市仅一江之隔的爱辉区，在发展对俄经贸上有着得天独厚的地缘优势。俄罗斯以乌拉尔山为界分成欧洲、亚洲两个部分，爱辉区和俄布市的所处区位正是东部边界的核心，与俄远东和西伯利亚发展经贸，距离近、交通便利。西岗子镇位于黑龙江省黑河市南45公里，黑大、黑嫩公路交汇处，北部、东部被锦河农场和爱辉镇环抱；南部和西部与坤河乡、红色边疆农场、爱辉区种畜场、二站乡、锦河农场分场接壤，公别拉河由西向东横穿该镇，支流多、水利资源丰富。西沟水电有限责任公司、宋集屯水库位于该镇辖区内。该镇地处交通枢纽，是黑大、黑齐公路的交汇点，北黑铁路的三级站所在地，是陆路出入黑河市的必经之地，交通网络分发达。地缘资源和基础条件得天独厚。镇辖区内有富地营子铜矿、宋集屯煤矿、盘肠沟煤矿等场矿企业。自然资源十分丰富，辖区面积624平方公里，有耕地10.2万亩，草原6.4万亩，林地42.7万亩，水面和矿藏资源1.7万亩，矿藏有煤炭、铜、大理石、花岗岩、玛瑙等。共有13个行政村和40个省、市、区、镇直企事业单位和驻军部队，全镇国民经济生产总值7000万元，农业人均收入2450元。爱辉区的旅游资源十分丰富，有具有重大历史意义的爱辉古城，有“北方沙头角”之称的大黑河岛、具有地方特色黑龙江界江游、省级风景名胜区卧牛湖和胜山原始森林游等自然景观，颇具游猎民族特色的鄂伦春民俗旅游活动。还可以通过旅贸大通道观赏俄罗斯及至欧洲风光。本设计选题是黑河爱辉公路锦河林场至西岗子镇段两阶段初步设计。该设计公路位于黑龙江省山区，是爱辉地区的重要干线公路，爱辉区地处连接俄罗斯远东地区的重要地带，因此本项目是我省发展水陆联运国际贸易大通道的一个重要的组成部分，对于带动沿线地区的经济发展具有十分重要的意义。同时，也是我省北部地区公路网中非常重要的一条出省通道；更是黑河辖区内至关重要的一条边防公路，本工程的实施使边防公路进一步形成网络，这对于加强我省边防实力具有重要且深远的军事意义。设计任务书和指导书已详细研读，设计任务和具体内容基本明确，所给地形图已按要求放大四倍至1：1万比例尺，所给路线起、终点位置已经确定，并初步研判了可能的选线方案。本设计所需的现行国家或行业《标准》和《规范》，以及各种参考用书已准备就绪，按要求检索查阅了一定数量的中外文相关文献资料，设计所需软件和硬件条件业已齐备，开题前的各项准备工作基本完成。本设计项目是在土木与建筑工程学院学校指导教师以及企业指导教师的具体指导下，独立完成一段指定起、终点位置的一般公路两阶段初步设计任务，以此达到对四年所学专业知识的巩固、深化与综合应用，使理论与实践相结合，以及解决工程实际问题的能力得到锻炼，进而全面提升自己的专业能力和素质，为毕业后适应生产单位的实际工作需要打牢专业基础。1.2设计依据（1）毕业设计任务书和指导书。(2)所给地形图及交通量。(3)交通运输部颁发的现行规范和标准：（4）公路工程技术标准(JTGB01-2003)；（5）公路自然区划标准(JTJ003-86)；（6）公路环境保护设计规范(JTJ/T006-11)；（7）公路路线设计规范(JTGD20-2006)；(8)公路路基设计规范(JTGD30-2004)；(9)公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD40-2011)；(10)公路沥青混凝土路面设计规范(JTGD50-2006)；(11)公路排水设计规范(JTJ018-97)；(12)公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2011)。2国内外及本项设计现状分析2.1国外公路设计现状国外首先利用法规约束和对驾驶员安全教育来增强人们的安全意识，为此多次制定并修改了公路几何设计标准来保证公路设计的安全性，其主要体现在平衡、协调处理快速、安全、环保和美观的要求，灵活地运用技术标准。另外，在设计中采用了汽车运行车速的理念，路线设计中追求各线形指标的相互配合协调、高低指标之间的过渡缓和、路线线形均衡，追求实际行驶车速相对平稳等，这对降低工程造价、克服超速现象、减少交通事故、保护生态环境和道路景观及与环境的相互协调具有重要的意义。美国联邦公路管理局认为“在公路建设的同时加强保护自然生态环境、景观、人文历史及社会资源的同时为公路提供安全、高效的交通运输服务是他么面临的一个巨大挑战”每一个地理位置、地形地貌、气候气象、社会环境、文化传统、风俗习惯及审美观点在设计中都应充分予以考虑并得到尊重。国外道路设计理论和体系更注重路线与地形、环境的配合和协调。在设计中充分强调路线的一致性和连续性，其目的是让设计者按照“公路设计灵活性”的新理念对路线进行设计，寻求到达更符合公路沿线可持续发展的需要和利益最大化的目标。软件方面国外比较好的就是CARD/1和英国的MOSS。其中CARD/1是一款强大的道路勘测设计一体化软件。该软件以精细的功能、灵活的出图机制、开放的集成环境等特点而著称，广泛应用于测绘、道路、铁路（含高速铁路和轨道交通）、管网、环保工程等领域的规划和设计。2.2国内公路设计状况早期以“设计的公路应该是经济的公路”为设计理念，使建设方案最大限度地降低公路造价；中期公路基础建设发生了历史性的转变，公路由以前的“以通为主”向“提高公路的快速性”方向转变，主要任务是提高公路等级质量和通行能力，以“快速、安全、舒适”为理念；当前交通部大力提倡公路设计的“六个坚持、六个树立”，要适应“安全、环保、可持续发展”的新要求。并在在高速公路的监控，通信，收费系统与实施方面，对控制方式，收费方式，设备的布置，管理的软件及少量硬件设备的开发等已经达到了实用阶段。现在国内一般设计院都用纬地软件，是中交一勘院和西安的一个软件公司开发的，其他的还有EICAD等等，国内的设计院大部分都用的是基于CAD上的软件，如纬地道路辅助设计系统、海地道路辅助设计系统及路线大师道路设计系统等。2.3本设计所采用的理念及技术手段总体设计必须坚持“以人为本，树立全面、协调、可持续发展观”，深入贯彻“六个坚持，六个树立”，充分体现“安全、舒适、和谐、美观、耐久”的公路设计新理念。从环境保护和土地资源利用等角度，重视路外居民和公众的感受，考虑地面以下的地质、文物、矿藏等健身条件，重视公路与沿线自然、生态、社会、人文等周边环境的协调性。因此通过适当的改善路线平纵线性，采取必要的工程处理以及设施完善、可靠地交通安全设施，以确保公路结构本身的安全稳定，消除道路上的事故多发点和道路安全隐患，为行车、行人提供安全保障。公路景观设计应重点体现对原有景观资源的保护、利用和开发，最大限度地保护和恢复生态原始地貌，使公路与自然环境相协调。从景观设计入手，例如公路沿线局部路段的优美自然风光，可将其露在视野范围内，从公路结构入手，路基边坡应以曲线边坡为主，挡墙宜由高至低或由低至高渐变且与路线线性吻合。本设计将采用纬地，CAD等软件进行辅助设计。2.4本项设计自然状况黑河爱辉公路锦河林场至西岗子镇段公路是黑龙江省公路网建设中的重要组成部分,以下自然情况需进行确定：路线位于东经125°29′-127°40′北纬49°24′-50°58′之间,地势变化情况山岭重丘区；地表植被桦柞树林和草皮；地质年代第四世纪冲积和洪积层；土壤状况黑黏性土、内陆软土；沿线所处自然区划为Ⅰ2区；气候：①年平均气温0.4℃,②降雨量450—550mm。③冬季主导风向西北风④年最大风速2-3.5m/s⑤最大冻深为3.5m。水文情况：地表排水良好；沿线公路主要病害路基融沉、冻胀翻浆等。2.2资源状况⑴砂砾：黑河市运通砂场，汽车运输。⑵碎石、片石：黑河市运通石场，汽车运输。⑶水泥：黑河水泥厂，汽车运输。⑷石灰、粉煤灰：嫩北石灰场，汽车运输。⑸钢材：由北安市运至，汽车运输。⑹汽、柴油：黑河石油公司。⑺水：井水。⑻电：国电配合自发电。2.3交通量调查经调查统计本公路设计初年的年平均昼夜交通量折算为小客车为4805.9辆/日；交通量年平均增长率为8.2%。计算出本公路20年预期年平均昼夜交通量折算为小客车为21482.6辆/日。拟建设一条一级公路。2.4路线起点桩号及起讫点坐标起点桩号：K19+500。起点坐标：N-5564000，E-22343000。终点坐标：N-5576000，E-22352000。3拟采用的主要技术标准3.1公路等级根据拟建公路的功能、路网规划和交通量预测数据确定为一级公路。3.2设计速度根据公路等级和地形条件，设计速度按80公里/小时确定。3.3其它拟采用的主要技术标准⑴路基宽度：24.50m⑵行车道宽度：4×3.75m⑶路肩：2×2.5m(硬路肩)+2×0.75m(土路肩)⑷中间带宽度：(0.5+2+0.5)m⑸极限/一般/不设超高最小半径：250m/400m/2500m⑹最大纵坡：4.0%⑺最小坡长：200m⑻竖曲线最小半径一般值：凹形3000m；凸形4500m竖曲线最小半径极限值：凹形2000m；凸形3000m⑼一般路基、小桥涵设计洪水频率：1/50⑽大、中桥设计洪水频率：1/100=11\*GB2⑾汽车荷载：公路-Ⅰ级。3.4路面类型及结构面层采用：水泥混凝土板；基层采用：水泥稳定碎石；底基层采用：石灰粉煤灰稳定土；垫层采用：天然砂砾或碎石材料。4设计的基本内容和拟解决的主要问题4.1设计内容本设计选题是黑河爱辉公路锦河林场至西岗子镇段两阶段初步设计。基本内容为公路几何线型设计，纵断面设计，横断面设计及土石方量的计算，路线平面交叉设计。本设计的所有图纸均采用计算机出图。具体设计内容包括：（1）几何线形设计选择一条符合现行公路技术标准，经济合理、线形美观均衡、技术可行并与地形相协调的等级公路，根据计算出的设计参数，利用公路路线CAD绘出路线平纵横图；（2）路基工程设计计算路基超高和加宽结合路基排水要求，进行路基设计；（3）路面设计根据公路荷载等级及当地自然资源状况进行路面设计4.2拟解决的主要问题（4）立体交叉设计按立体交叉等级及技术标准，进行立体交叉设计，绘出立体交叉设计图。4.2拟解决的主要问题路线的确定：沿线旅游资源丰富，在满足设计技术指标的前提下，要尽量减少填挖量，保持原有自然风貌，做到道路与当地风貌的完美结合。使我们的道路也成为一道风景！岛状冻土问题：由于气候变暖岛状多年冻土趋于退化状态。一般应根据冻土层厚度采取直接挖除或加速其融化降低含水量来进行处理。同时搞好路基两侧排水，路基边坡角以外地面边坡植被不被破坏，保持原保温土层。我省伊春市内公路建设已积累较多处理岛状冻土的经验，设计时应多多借鉴。路基填料：路基填料宜采用粗粒透水性好的材料，以降低毛细水的影响，避免在路基内出现二次结冰冻胀。冻土区路基高度不宜低于2．0m，当路堤高度大于4．0m时，基底的保温层和隔离层厚度应适当加大。5技术路线根据设计任务书提供的当地交通量，结合地形、地质等条件，确定拟设公路等级和设计速度；按确定的公路等级和设计速度，在路线起终点之间，采用纸上定线的方法，进行平面设计和方案比选；根据已确定的路线走向，在考虑工程造价、填挖平衡及平纵组合要求的情况下，严格按公路技术标准规定的各种技术指标，进行纵断面设计；按已确定的公路等级和设计速度，拟定路基横断面尺寸，根据平纵线形要求，计算路基超高和加宽；按平面交叉等级及技术标准，进行平面交叉设计；按设计说明书编写要求，结合本设计的实际内容，编写设计说明书。6设计方法=1\*GB2⑴两阶段的初步设计和纸上定线的方法；=2\*GB2⑵理论与实际相结合的方法；=3\*GB2⑶校内理论教师和企业实战相结合的方法；=4\*GB2⑷个人和集体相结合的方法。7文献摘要文献摘要⑴：\o"浅谈山区公路定线"浅谈山区公路定线[J].夏小英.科技成果纵横，2007，(02)文章指出，公路平面线形是由直线、平曲线组合而成的，它几乎涉及到技术标准里的所有重要指标。因此，公路平面曲线形设计的成败关键，是定测阶段应着重对待的问题。在平面线形设计中,除要掌握线形设计的一般原则外,别应处理好直线、圆曲线、回旋线的合理组合，这三种曲线的组合形式在规范中共列了六种，它们分别是：基本型、S型、卵型、凸型、复合型和C型。地处山区，由于地形的复杂性，除基本型外，在特殊地形条件下还运用S型和C型的组合。文章指出，测设山岭重丘二级公路，在地形条件复杂地段,两曲线之间的直线长度往往很难达到规定值的要求，S型和C型是经常采用的型式。在实际工作中，两同向曲线或反向曲线交点位置适宜,选定两曲线半径后，中间直线长度不足，为使两曲线径向衔接,势必要增大两曲线的半径或回旋线的长度，导致工程量增加。在这种情况下，可视L值的大小，在AB或EF导线中间增设小偏角交点，以减小工程量，达到经济合理的目的。公路纵断面，定线人员定线前必须掌握好路线最大纵坡、最小纵坡以及最大坡长(坡长限制)、最小坡长的控制指。对于越岭线还要按标准规范要求控制好路线平均纵坡度，并根据平均纵坡度进行实地放坡。定线中依据放好的坡度旗，结合地形，拟定所采用的横断面型式，以决定所定线位的高低。有时遇到特别复杂的地形,仅依靠坡度旗是定不出理想线位的，定线人员必须做到勤跑、勤想,在充分熟悉实际地形的基础上，经反复比较，才能得到一条最佳的合理线位，否则，仅凭主观臆断，所定路线不是过饱,就是挂空，就会造成返工现象。横断面，路线测量中以达到技术标准为基本前提，但横向平衡不可忽视，它直接体现出经济指标是否合理。文献摘要⑵：公路几何设计与交通安全[J].孙波涛贾志强.交通科技，2010，(10)公路的路面横向分布即路幅宽的布置方式对交通安全也有一定的影响，车行道、路缘带、路肩以及中央分隔带的形状和尺寸都应根据使用功能、交通量大小、交通流的组成以及安全行车要求进行合理设计，做到连续性和一致性。交通事故数的相对值与车行道宽度有直接关系，一般随车行道宽度的变窄而增加但如果车行道过宽，易形成一个车道两辆车并行行驶。因此