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一、选题依据(背景与意义、国内外研究现状与发展趋势)
在某种程度上,数学的整个对象就是在原来似乎混沌占统治地位的地方创造秩序,从无序和混沌之中抽取出结构和不变量。所以,把无序的数字转化为有序的模型,这才是数学家乃至所有数学爱好者所追求的。
平方数,也叫完全平方数或正方形数,是可以写成整数的二次方的数。它是一种很“完美”的数,有关于它有许多很有序的规律,至今为止,已经有很多的数学爱好者乐此不疲地去研究它,而且也得出了不少有趣而且有用的结论。至今为止,平方数的一些基本的性质。例如,性质1:完全平方数的末位数只能是0,1,4,5,6,9。性质2:奇数的平方的个位数字为奇数,十位数字为偶数。等等。
还有很多著名的数学家长久以来乐此不疲地研究平方数,也把它的有关知识作为一种工具用于证明、计算其他定理、命题。例如,意大利著名的数学家Lagrange,他在整数论上也有有关平方数的Lagrange定理:任何一个正整数都可写成四个平方数之和。并且在证明中他运用了欧拉恒等式:若則
此类例子还有很多,在此不一一列举了。
本论文是对一道有关平方数的竞赛题的解法与推广,我的目标是从无序的题目中找出有序的、有规律的结果,从而体会数学的规律美。过程主要是猜想——计算机辅助验证——数学方法证明。
猜想在一般的观念里,似乎是具有一定的偶然性,但实际上,猜想要靠长期积累下来的对数学的直觉和经验形成一种敏锐的洞察力和技巧。这是一个长期的过程。
数学题不一定单纯地做出答案就行了,很多情况下还可以更深入地研究,挖掘出它的背景,进行再推广、再发散。很多看似简单的数学题其背后的内容却是十分丰富的,需要有心人去探讨研究,这样才能真正深刻的理解。有些计算量相当大的数学题应用笔算和一般的计算器已经不能满足需求,这时我们要借助计算机,利用程序设计来解。现在我就要解一道有关于平方数的竞赛题,由于计算量相当的大,笔算和一般的计算器已经不能满足需求,所以我通过在VisualBasic6.0环境下对算法进行分析和验证,验证结论的正确性。
那些最初表现为令人怀疑的东西,只有经过某种思维过程后,再通过起批准和保证作用的证明,才能最終表现为无可置疑的真理。证明通过揭示事物的核心而增强理解,是数学的力量。
二、研究目标与主要内容(含论文提纲)
研究目标:本论文主要研究型如平方数的结构,我们知道,,,,等关于的结果是无序的,而对于,先关于n代入几个数,例如,,,,……,由此猜想:,并且这个结果可以用数学归纳法证明,所以是有序的。再进一步可得,关于的输出结果也是有序的。在竞赛数学中经常出现有关平方数的一些问题,因此系统研究型如平方数,当取什么值时,其结果是有序的,既有理论价值又有应用价值。
论文提纲:首先,寻找可能的取值。当n取比较小的值时,可以采用笔算的方法来计算结果、找寻规律,但当n取比较大的值时,发现计算量相当大,用笔算和一般的计算器已经远远不能满足需求,这时就会想到借助计算机辅助计算,利用程序设计来解。我采用的是VisualBasic(简称VB)这种常见的程序设计语言。一种语言就是一种思想。经过计算发现当取任意正整数,而时,都可以产生有序的结果。
找规律:当时,;
当时,;
当时,;
当时,;
当时,;
当时,;
当时,;
当时,;
当时,……
由此可猜想得出:的一个有序的结果。同样道理,、也可得出有序的结果,也可发现、、、、的结果没有一定的规律可寻。猜想在一般的观念里,似乎是具有一定的偶然性,但实际上,猜想要靠长期积累下来的对数学的直觉和经验形成一种敏锐的洞察力和技巧。这是一个长期的过程。
然后,利用计算机辅助计算验证预期结果对某些初值的正确性。
最后,利用数学方法给出严谨的论证,而我所采用的论证方法是简单易懂的数学归纳法。
三、拟采取的研究方法、研究手段及技术路线、实验方案等
利用文献研究法与理论研究法,通过图书馆、书店、网络等途径对平方数相关各方面的资料进行查阅、研究、归纳、总结。理论与实践研究法相结合。先是通过对一些简单的n值进行观察,再用笔算和计算器进行初步计算,根据已得的结果,推广到极大的n值,进行理论上的猜想,然后运用计算机辅助(VisualBasic)这种常见的程序设计语言计算验证,最后证明猜想的结果。
四、研究的整体方案与工作进度安排(内容、步骤、时间)
进度安排:
序号时间内容
112.1-2.14明确选题并完成文献综述和外文资料翻译
22.14-2.28完成开题报告并举行开题报告会
33.1-3.20完成计算、实验和绘图,并完成论文的引言部分
43.20-3.30完成论文的初稿
53.30-4.20指导教师阅读审看并修改,完成终稿
64.20-4.30论文答辩,学生材料上交教务科
75.1-5.15教务科材料汇总整理上
五、研究的预期目标及主要特点
预期目标:在某种程度上,数学的整个对象就是在原来似乎混沌占统治地位的地方创造秩序,从无序和混沌之中抽取出结构和不变量。所以,把无序的数字转化为有序的模型,这才是数学家乃至所有数学爱好者所追求的。本论文就是研究一种平方数,从一种无序的结果转化为有序的、有规律的结果。
主要特点:进行大胆的猜想,运用计算机辅助计算帮助验证结果,得出的结论很有规律性。
六、指导教师意见:
指导教师签名:
本科毕业设计(论文)开题报告
课题名称:浅谈太极拳与健康
系别:体育系
专业:体育教育
指导教师:
作者姓名:
一、综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义:
太极拳是中华民族智慧的结晶,有着极其精湛的拳艺和深刻而丰富的哲理。
太极拳的发展不仅得益于“略难易套”的奠基,更重要的是“去繁从简”的推广普及。20世纪下半叶,太极拳在传统套路的基础上向简化方向发展,从50年代中的简化太极拳(二十四式),70年代末的四十八式太极拳,80年代的四十二式等竞赛套路到90年代的八式、十六式太极拳等,一个简化太极拳系列逐步形成。它与各流派的传统太极拳共同构成有利于当代“全民健身”的运动体系。这个体系已突破过去的“适应性”,它即适合中老年人,体弱病患者,上班族,也适合运动员竞赛和青少年锻炼。
美国华盛顿大学医学院的科学家发现,中国太极拳之类的锻炼方式有助于加强老人双腿的稳定能力,降低因为摔倒而受伤的可能性。这一发现是基于从美国8个治疗中心为老年人计划的锻炼项目获得的结果。这些持续时间从10周到9个月不等的项目分别涉及举重、肢体伸展、耐力和平衡训练等内容,参与者随后接受最长达4年之久的跟踪调查。结果发现,参加锻炼的2328名年龄在60岁以上的老年人,摔倒的可能性减少了大约13%。而这些锻炼形式中,太极拳效果最好,年龄至少在70岁以上者摔倒的可能性下降了25%。
就美国老年人而言,摔倒是其最严重的健康问题之一。大约30%的65岁以上的老人一年至少摔倒一次,其中10—15%的摔倒过程会导致股骨或其他部位骨折,进而促使老年人整体健康状况恶化甚至死亡。
科学家们指出,比较之下,动作舒缓,注意平衡的太极拳或许能帮助老年人意识到自己的体能,灵活和耐力的极限,使其在行动中更为小心,达到防止摔到的目的。
总之,太极拳对于人体的神经系统和内分泌系统、系统、循环呼吸系统、消化系统、运动系统等均有良好的防病治病的作用。对于泌尿系统和生殖系统也有良好的保健作用,只要长期坚持习练,就可以使少年智慧超群,青年人朝气蓬勃,老年人焕发们青春。人历来都说:“人活七十古来稀。”现在变了,由于社会进步,生活改善,再加上坚持修炼太极拳,就有可能变成:“七十古稀不古稀,八十还是小弟弟,九十赛场去比武,百岁摆设寿星宴。”应当特别指出的是,太极拳对于陶冶人的情操,提高人的整体素质也非常灵验。我们可以从观察到大量事例证明,凡是长期坚持习练太极拳的人,绝大多数举止沉稳,性情温和,谈吐不俗,气质高雅。我们说太极拳是身心兼修的高级典雅的文化活动和健身运动,这是多少代人通过实践总结的经验之谈,不是一句空话。
二、研究的基本内容,拟解决的主要问题:
本文是从太极拳对人体健康入手,对太极拳,如何运用太极拳加强健身的问题展开研究,然后从以下几个方面探讨一些理论上的认识。
1.太极拳的起源,发展及现状。
2.太极拳对人体健康的意义所在。
3.太极拳的特点亦健身功能。
4.太极拳在现代社会的健康变革思路。
5.论述太极拳将发展成为怎样一项目群构成的运动大体系。
三、研究步骤、方法及措施:
步骤:
1.依据论文参考题目查阅资料。
2.根据对收集到的资料的阅读构思论文提纲写出开题报告。
3.根据选题的论文题目,继续进行收集与分析。
4.进行论文的初稿撰写。
方法及步骤:
1.文献阅读法
2.分类统计法
3.对不同观点加以探讨
4.撰写论文
四、研究工作进度:
查阅相关资料与文摘
确定研究方向
撰写开题报告
开始正文的写作(草稿)
完成论文中期检查
论文答辩
五、主要参考文献:
[1]周之华等.24式太极拳运动强度与规律研究[j].中国体育科技.XX.36(7):42.
[2]王忠山.太极拳对老年人血脂.血液流变学指标影响的追踪研究[j].天津体育学院学报.1999.14(1):51-53.
[3]徐明.温佐惠.老年人太极拳运动前后心肿功能的变化[j].成教体育学院学报.1997.23(3):79-82.
[4]周莉.纪仲秋.第八套广播操.24式太极拳运动强度与规律的研究[j].中国体育科技.XX.38(6):34-35.
[5]刘静.陈佩杰.邱歪相等.长期太极拳运动对中老年女性心肺机能影响的跟踪研究[j].中国运动医学杂志.XX.22(3):290-293.
[6]马效萍.宋文民.太极拳对老年人身体功能的影响[j].中国临床康复.XX.7(18):2636.
[7]wongam.linyc.chonswetal.coordinationexerciseandposturalstabilityinelderlypeople:effectoftaichichuan.archiresofphysicalmedicinerehabilitation.XXmay.82(5):608.
[8]孙炜.糖尿病患者血浆神经肽y含量变化的意义.放射免疫学杂志.XX.14(5):273-274.
[9]王敬浩等.太极拳运动对高脂血症合并ii型糖尿病患者的疗效观察及其机理探讨.体育与科学.XX.1:61-63.
[10]倪红莺.雷芗生.陈秋月等.42式太极拳一量负荷对中老年知识分子心肺机能的影响[j].中国体育科技.XX.3(7):18-20.25.
六、教研室评议意见:
教研室负责人
年月日
七、系领导审核意见:
1.通过;2.完善后通过;3.未通过
1、研究背景及意义
倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代,其控制方法和思路在处理一般工业过程中有广泛的用途,此外,其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用,如机器人行走过程中的平衡控制,火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等,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。但同时是一个比较复杂的不稳定,多变量,带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性,一方面是系统的参数不确定性,一方面是系统受到不确定因素的干扰。倒立摆系统具有成本低廉,结构简单,参数和结构易于调整的优点。作为控制理论研究中一种比较理想的实验手段,倒立摆系统为自动控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台,以用来检验某控制理论或方法的典型案例,促进了控制系统新理论和新思想的发展。为解决倒立摆控制系统的超调和快速性之间的矛盾,各种干扰对其的影响,进而对控制器进行了设计,自抗扰控制方法可以克服这些缺点,因此要用ADRC来控制直线倒立摆系统。
2、研究现状及发展趋势
鉴于倒立摆的稳定控制研究的重要意义,国内外学者对此给予了广泛关注。国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究,在60年代后期,作为一个典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念,并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力。
近年来,随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视,模糊控制、神经网络、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动系统的控制上。Charies W.Andorson在1988年应用自学习模糊神经网络成功控制一级摆;周建波等用基于B网络的规则控制也解决了单摆的稳定性控制问题;徐红兵等提出了基于变结构的模糊神经网络控制算法,实现了二级倒立摆系统的稳定性控制;1995年,张明廉等人应用拟人智能控制理论成功的解决了三级倒立摆这一控制界的世界性难题;2001年9月19日,北京师范大学李洪兴教授领导的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成功地实现了三级倒立摆实物系统控制,又于2002年8月11日在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。
二、研究内容
本课题的主要研究内容集中基于ADRC的倒立摆控制系统研究,并针对其动态响应和运行稳定性,主要。主要内容简述如下:
(1)建立倒立摆控制系统的数学模型;
(2)设计自抗扰控制器,包括:TD,NLSEF,ESO。然后对各部分的参数进行设计和调整;
在Simulink 环境下建立系统仿真模型,验证基于自抗扰控制技术的倒立摆控制系统控制策略的有效性。
三、研究方法
(1)查阅相关国内外文献资料(包括相关规范等),了解与该课题相关的理论知识,分析研究当前相关设计的优秀方案,在学习的基础上添加在自己的创新元素。
(2)建立在所学知识的基础上,分步骤的完成各项设计任务,在工作计划内按时完成相应的工作,包括自动配料系统的硬件框图、程序框图、设计仿真等。
(3)各元器件的选型及设计内容的整理,开始进行设计说明书的撰写。
(4)完成对设计内容的进一步修改,完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
四、国内外文献综述
倒立摆系统本身为多变量、非线性、强耦合的不稳定系统,由于以上特性,其精确控制对实现工业生产中复杂对象的控制有着重要的应用价值。主要的控制方法有线性控制、预测和变结构控制、智能控制等。智能控制是目前应用较为广泛的控制方法,研究的热点,其主要理论来自于人的实践经验,不需要精确的数学模型。模糊控制有两种典型算法,其Mamdani算法最为常用,Sugeno型适合应用在动态非线性系统中。Mamdani算法中,分别对小车位置和摆杆角度进行控制,两个控制器形成串联结构,每个控制器只有二维,避开了四输入变量,这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题。这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题中PID控制的单级直线倒立摆,虽然能很好控制摆杆角度,但是对于小车位置控制存在一定的偏差,文中模糊控制的倒立摆系统虽然具有一定的抗扰能力,但是加入稍强的干扰就无法达到稳定的控制效果,而自抗扰控制(Active Disturbance Re-jection Control,ADRC)的主动抗扰特性可以削减和解决这些外扰因素,而达到稳定的控制效果。但是传统的自抗扰控制器只能稳定控制摆杆角度,并不能兼顾小车位置的控制,这就使倒立摆控制在现实中的运用上受到限制。
目前ADRC的应用领域广泛。包括纸幅张力控制,硬盘驱动控制,DC-DC变换器。它也可以解决执行机构的非线性问题,如压电陶瓷执行器的滞环问题。基于ADRC算法,一些多输入多输出系统可以获得解耦控制,如微型机电系统(micro-electro-mechanical system),和连续搅拌槽式反应器(continuous stirred tank reactor)。ADRC的应用不只局限于控制领域,他也可以用来执行健康监视和故障诊断等任务。当下的ADRC理论基础相对完善,理论上所需要的仅是一些特殊情况下的稳定性证明。而未来的发展趋势是简化ADRC算法,完善单参数ADRC算法调节策略,将ADRC算法逐步替代PID算法,应用到工业界的各个领域,提高控制性能和效率。由于ADRC算法是一种基于控制的控制算法,因此其应用时也应遵循下图所示的过程,即理论>技术>应用>理论三者的循环补充。
五、研究方案及工作计划
1、研究方案
(1)查阅相关国内外文献资料(包括相关规范等),了解与该课题相关的理论知识,分析研究当前相关设计的优秀方案,在学习的基础上添加在自己的创新元素。
(2)建立在所学知识的基础上,分步骤的完成各项设计任务,在工作计划内按时完成相应的工作,包括自动配料系统的设计框图、程序框图、仿真设计等。
(3)各元器件的选型及设计内容的整理,开始进行设计说明书的撰写。
(4)完成对设计内容的进一步修改,完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
2、工作计划
第1周:根据设计任务书要求选择合适合理的方案设计直线倒立摆控制系统系统的课题。
第2周:根据确定方案,比较、选择设计适合的研究方案等。
第3周:根据题目要求,设计软件框图,并进一步优化改进。
第4-5周:完成整体电路设计,画出原理图并验证其可行性。
第6-8周:根据课题要求和电路原理图编写程序。
第9周:对软件进行仿真调试,优化软件设计使之符合要求。
第10周:结合软件进行调试、修改,并使最终方案满足设计要求。
第11-12周:撰写毕业论文。
第13周:修订毕业设计论文、完善毕业设计。
第14周:提交正式设计论文。
第15周:准备参加毕业答辩。
第16周:参加答辩,整理毕业设计材料提交。
六、参考文献
[1]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2004.
[2]孙德宝.自动控制原理[M].北京:化学工业出版社,2002.
[3]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2001.
[4]周伯敏.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,1999.
[5]夏德钤,翁贻芳.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,2004.
[6]刘时鹏. MATLAB环境下直线单级倒立摆系统实时控制实验的研究与设计[D].重庆大学,2004.
[7]Liu B,Hong J,Wang L.Linear inverted pendulum control based on improved ADRC[J]. Systems Science & Control Engineering An Open Access Journal,2019,7(3):1-12.
[8]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.
[9]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2002.
[10]Katsuhiko Ogata,卢伯英等译.现代控制工程[M].北京:电子工业出版社,2000.
[11]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
[12]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京:机械工业出版社,1999.
[13]原菊梅.基于模拟退火算法的数字PID控制器参数整定的研究[J].北京工商大学学报:自然科学版,2004,22(4),40-42.
[14]韩京清.自抗扰控制技术[J].前沿科学,2007(01):25-32.
[15]韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策,1998(001):19-23.
指导教师审核意见
该论文《基于ADRC的一级直线倒立摆控制系统设计与仿真》选题与专业结合较紧密,选题的范围比较适中。该选题的研究具有一定的实践指导意义。内容安排合理,逻辑关系清晰,紧扣论文主题。
拟采取的研究方法具有一定的合理性。整个论文按时完成的可行性较大。该开题报告符合要求,同意该同学开题,并进入下一阶段的论文写作。
指 导 教 师(签名):年 月日
教研室负责人批阅意见