交通运输-1114190601-卞文峰-基于Matlab的飞机高压直流电源系统

毕业设计（论文）

题 目

基于MATLAB的飞机高压

直流电源系统仿真

飞行学院 交通运输 2011级2班 卞文峰 1114190601 术守喜 讲师

系 （院） 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称

二〇一五年六月十九日

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

20 年 月 日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名：

20 年 月 日

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基于MATLAB的飞机高压直流电源系统仿真

摘 要

本文总结了国内外电力系统和飞机电源系统的研究及发展，利用MATLAB对飞机高压直流电源系统仿真进行研究，对系统的建模和仿真方法进行了详细的介绍及分析。

首先，本文以同步发电机为切入点，因为同步发电机是飞机电源系统仿真的核心所在。在对同步发电机进行介绍之后又介绍了MATLAB仿真语言，其中对MATLAB里面的运行环境SIMULINK有了重点介绍。其次，分析了系统仿真的分类、飞机电气系统的构成以及模型的建立。最后，在SIMULINK中仿真运行了飞机电源系统的研究模块。

经过系统在SIMULINK中的运行结果，证实该仿真能够真实的反映飞机电源系统的性能、模型的选取和设定是准确的。同时，本文的仿真办法具有较高的实用价值，有助于对飞机电源系统的性能分析，为飞机电源系统的仿真提供了一个新的思路。

关键词：飞机电源系统；高压直流；仿真；MATLAB；SIMULINK

I

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Simulation of High Voltage DC Power Supply System

Based on MATLAB

Abstract

This paper summarizes the research and development of power system and aircraft power system at home and abroad, researching on the simulation of high voltage DC power supply system for aircraft by MATLAB, and introduce as well as analyzes the modeling and simulation of the system.

Firstly, this paper takes the generator as the starting point, because the generator is the core of the aircraft power system simulation. After introducing the synchronous generator, the MATLAB simulation language is introduced, focusing on the introduction of the operating environment of MATLAB, SIMULINK. Secondly, the classification of system simulation, the constitution of electrical system and the establishment of the model is analyzed.Finally, the research module of the aircraft power supply system is simulated in SIMULINK.

After the operation results of the system in SIMULINK,it proved that the simulation can truly reflect the performance of the aircraft power system, the selection and setting of the model are accurate.At the same time,the simulation method of this paper is of high practical value, Be helpful for the analysis of aircraft power supply system and provides a new way for the simulation of the aircraft power supply system.

Keywords:Aircraft power system, High voltage DC, Simulation, SIMULINK, MATLAB

II

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................ II 目 录 ............................................................................................................................. III 第一章 绪 论 ................................................................................................................. 1 1.1 引言 ............................................................................................................................... 1 1.2 研究背景 ....................................................................................................................... 1 1.3 研究目的和意义 ........................................................................................................... 2 第二章 同步电机及MATLAB简介 ............................................................................... 3 2.1 同步电机 ....................................................................................................................... 3 2.2 MATLAB软件简介 ...................................................................................................... 4 第三章 电气系统仿真及模型建立 ................................................................................. 8 3.1 系统仿真分类 ............................................................................................................... 8 3.2 数字仿真技术 ............................................................................................................... 8 3.3飞机电气系统简介 ....................................................................................................... 8 3.4 模型建立 ....................................................................................................................... 9 第四章 发电机系统建模及仿真分析 ........................................................................... 14 4.1 同步发电机模型 ......................................................................................................... 14 4.2 高压直流发电机系统模型 ......................................................................................... 17 4.3 仿真结果及分析 ......................................................................................................... 18 第五章 结 论 ............................................................................................................... 20 参考文献 ........................................................................................................................... 21 谢 辞 ............................................................................................................................. 22

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第一章 绪 论

1.1 引言

飞机电源系统是组成飞机电气系统的重要组成部分之一，飞机电气系统主要包括了飞机电源系统和飞机配电系统。伴随着现代科学技术的不断进步，现阶段飞机中主要的飞机电气系统，主要是向飞机上需要用电的设备（飞机电子系统、飞机火源控制系统和飞机电力控制系统等等）提供电能，使飞机在日常的起飞、降落和作战任务中正常运行。科学技术越来越发达，航空事业也发展的越来越快速，飞机上对于电气系统的控制和操作也越来越难以实现和复杂，组成也越来越多样，电气系统的许多非正常运行情况都会导致个别系统的失效以及飞机的飞行失常。针对以上现象的发生，可以看出人们对飞机电气系统的要求也越来越严格，而发展一个稳定的电气系统，也是保证飞机的各系统正常运行和正常飞行的重要前提条件。 1.2 研究背景

飞机电源系统的发展前后经历了不同的历程，主要包括有低压直流电源、交流电源、高压直流电源的发展。其中交流电源系统就经历过三个过程，包括恒速恒频电源系统、变速恒频电源系统和变速变频交流电源系统。早在第二次世界大战的时候，低压直流电源就渐渐的走向成熟，低压直流电源也是世界上最早采用的飞机电源。但是，低压直流电源中直流发电机的电刷和换向器却大大的限制了飞机的最大容量，与此同时，其二次电源过重，使得它的供电效率比较低下。然后，美国研发了恒速传动装置，恒速传动装置开辟了恒速恒频交流电源这个十分重要的时代。恒速恒频交流电源的优点有可以承受很高的负载，它在工作时对温度的要求也并没有那么的严格。其主要缺点是：恒速传动装置在生产的过程中以及它的使用、维修和维护的过程中，实现的过程很困难，在进行电能的转换时，效率低下，不能满足一些飞机的要求，并且电能质量已经到了一个相对饱和的程度。现代电力技术的不断进步，使得变速恒频电源慢慢的开发并投入使用中。它的优点是能没有电刷也能够起动、电源发电的形式比较灵活。缺点只能在比较低的温度下进行工作，一旦发生短路或者是负载超负荷将会停止工作。通过先将飞机发动机传动到一台无刷的交流发电机上，再利用电子转换器将电压调到270V，得到了直流电与恒频交流电，这就

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是高压直流电源的工作原理。高压直流电源具有许多的良好特性譬如电网的重量很轻，很容易就能够实现不间断供电，这些良好特征使得高压直流电源具备了良好的应用前景。 1.3 研究目的和意义

本文在研究飞机供电系统的过程中，主要是使用了计算机仿真的方法来完成研究，这样做在带来重大的社会效益和经济效益的同时，也降低了系统开发研制的成本，使得调试过程和系统实验过程的安全性得以相应的提高。对于飞机电源系统的数字电子仿真方法研究在近些年来已经收到越来越多业内人士的关注。本文利用MATLAB软件中SIMULINK这个运行环境，结合PSB这个工具箱，针对飞机高压直流电源系统进行计算机仿真，通过仿真的一系列结果可以得出，理论分析的结果与仿真结果基本一致，说明本文的研究方法是切实可行的。

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第二章 同步电机及MATLAB简介

2.1 同步电机 2.1.1同步电机的概念

同步电机的特点是它的转子旋转速度是一个特定的值，这个转速被称为同步转速，也就是说转速n与频率f之间的关系为：

n?n1?60fr/min (1) p同步发电机已经能够供给现代工业和农业生产过程中所需要使用的全部交流电。虽然已经开始研究其他的发电方式，但是目前电力系统中实际在运行的发电机几乎都不系三相同步发电机。

同步电机主要作为发电机运行，由同步发电机发出的电能几乎构成了世界绝大多数的电能。火车站的汽轮发电机，水电站的水轮发电机，以及核电站的汽轮发电机，甚至一些风电场的风力发电机都是同步发电机。 2.1.2同步电机的基本工作原理

同步电机的定子和异步电机相同，齿和槽存在于定子铁心上，三相绕组设置在槽内。磁极是通过在转子上装励磁绕组形成的，对励磁绕组通入直流电流后，转子磁场就会在电机内部产生。

如果用原动机带动转子旋转，则磁场与定子绕组间就会有相对运动，就会在绕组中产生三相交流电动势，这时同步电机就成为一台发电机。

每一个导体所产生的速度电动势e的表达式为e=Blv。当电机的转速n为常数时，由于任何一台电机的l都是一个常数，所以式中e正比于B。由于磁场和导体间的想对运动，不同瞬间，导体会处于磁场中不同位置，因此导体的感应电动势e随时间而变化的波形就和气隙磁通密度B在气隙中沿圆周分部的空间波形B（x）相似，当按正弦规律分布主磁场的气隙磁通密度时，导体感应电动势也将会随时间变化，即：

B(x)?Bmsin?t (2)

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e?B(x)lv?Bmlvsin?t?2sin?t (3)

三相定子绕组是对称的，因此三相电动势是大小相等，设E为相电动势幅值，B相初相角为0°，得到下列公式：

eA?Esin(?t) (4) eB?Esin(?t?120?) (5)

eC?Esin(?t?240?) (6)

当一对磁极经过导体时，导体的感应电动势e（t）就会相应的改变，如果转子的极对数为s，那么如果转子旋转一周，导体中感应出来的电动势就变化了s个周期。转子每分钟转多少次，就是这个转子的转速，则本文中的感应电动势的频率是：

sn (7)f?60由此可见，当转速n与极对数s一定时，发电机发出的直流电的频率也就相对的固定下来了。反之，如果同步发电机的原动机有相应的转速，那么极对数和频率要求一定，也就是同步转速。

将同步发电机定子绕组与三相交流电源进行连接，此时频率为f的电流流过绕组，在电机的摸个间隙中产生旋转磁场。在一定条件下，转子磁极将会与旋转磁场一起旋转，此时它们有相同的转向和转速，那么此刻同步电机将作为电动机运行，同步转速就是转子转速：

n?n1?60f (8)p综上所述，同步电机它的转子转速总是由电机极对数和电枢电流频率所共同决定的同步转速，“同步”机因而得名。 2.2 MATLAB软件简介 2.2.1 MATLAB介绍

利用计算机进行仿真试验是一种可行的研究方法，在此过程中，必须将系统的数学模型进行变换，变换为适合在计算机上进行数字仿真的形式，也就是变换成程

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序化式的数学模型，即建立仿真模型。仿真模型的建立最关键地方就在于仿真工具的选取，如果选取了合适的工具，那么利用计算机进行仿真就会变得很简单，与此同时还会提供简单明白的求解方法。

现在，想要通过仿真软件进行电子电路的仿真，能够选取的软件有多种多样。一般大致上可以分成两类。一类是基于电路的仿真语言，譬如SABER、PSPICE。电路里面的数据，比如说电感、电容和电阻都是可以用其他等效办法来进行设定的，其他信息还可以用支路节点矩阵或着是图形来进行表示，如果有需要，还可以等效成相应的电路。另一类软件如MATLAB，ACSL等是基于微分方程的仿真语言。对于研究电源系统工作人员来说，MATLAB是最为常见的仿真软件，它有着自己独有的特点和适用范围。本文重点介绍MATLAB这款软件。

MATLAB有着非常先进的计算能力，并且还具有发散式的研究思想，这些特点使它变成现在最受欢迎的仿真软件之一，在分析数据，开发程序，建立模型等多方面都有着鲜明的优势。

MATLAB具有独有的集成环境，它的集成环境集程序和图形为一体。在MATLAB的运行环境下，对于要进行解答的式子，用户不用再从复杂的原始程序开始入手，再用编写出相对简单的数字公式即可，有着很高的好、工作效率。由于MATLAB的交互应用于它的编程语言存在关系，所以在交互应用的时候，输入的源代码可以轻松的变成能够应用的程序，所以MATLAB是一种演算式的仿真语言。MATLAB的工具箱能够用于各式各样的问题的解答。MATLAB中的M文件其实就是经过扩展的一些MATLAB函数语言，在应对多种学科问题时，如处理信号、处理图形、识别系统类型等方面都能很好的给与解决。MATLAB在不断的变化，越来越能满足多方面的需求，其拥有的工具箱种类和功用也是越来越多，使用的范围也在逐步扩大。现在版本的MATLAB具有识别系统类型、分析数据波形、理论的优化、控制非线性模型、处理系统信号、处理图形、神经网络分析等等50多个方面的处理。

MATLAB语言具有以下几个特点：

1.MATLAB数据的几本类型都是不需要进行定义的，方便理解与应用，精度都比较高。

2.对于简单的计算，MATLAB可以运用命令行计算，而对于相对复杂的应用计

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有时为了更加方便的研究模型，将它们合并为一个整体进行研究。下图是进行数字仿真时详细的步骤。

问题阐述分析与描述系统建立数学模型建立仿真模型编写程序运行模型修改程序否是程序问题？正常运行？是否仿真结果分析是修改仿真模型仿真模型问题？否是修改数学模型数学模型问题？结束 图3.2 数字仿真流程图

对上述步骤我们进行如下划分：

1.模型建立阶段。我们需要依据研究的目的、方法，模型建立需要的原理和原

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始系统的数据来建立系统的模型。

2.模型变换阶段。在模型建立之后，我们根据模型的种类，计算机的类型，研究的方向把模型进行处理，变成能在计算机上运行的形式。

3.模型试验阶段。这个阶段主要是设计方案，再按照设计的步骤，将数据导入进去，在计算机上对模型进行运行，观察输出结果，形成结果报告。

以上三个阶段的仿真过程如下图。

实际系统模型建立阶段数学系统模型变换阶段仿真系统模型实验阶段仿真实验结果

图3.3 仿真的三个阶段

3.4.3模型化步骤

进行模型化处理，处理程序如下所示。

大于20A的大于20A去除不运行性能不的性能不同且正同的负载的负载常运行的负载电源电网中连 小于20A接的所有负载去除大于20A性能相同的负载的合并

图3.4 飞机电源系统模型化处理框图

3.4.4模型化结构图

在对飞机电源系统进行一系列模型化处理后，可以得到相应的数学模型，要想建立健全飞机电源系统的数学模型，就必须先建立单台发电机的供电网络的数学模型，然后将发电机与飞机电源的其他组成部分进行连接，构成一个系统的模型，除此之外，其他部件也需要进行相应的分析。

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起动发电机碳片调压器电池组液压系统雷达系统二次电源系统其他 图3.5 飞机电源系统

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第四章 发电机系统建模及仿真分析

4.1 同步发电机模型

在MATLAB中有专用的PSB电气系统仿真模块，各种同步电机的仿真模型都在模块当中，这些电机的仿真模型主要就是根据同步电机的基本方程来进行搭建的，其仿真精度和真实度比较是接近真实的发电机。为了使其中存在的电机模型满足使用要求，还需要对电机模型进行相应的修改。图4.1为常见的三级式同步电机模型图。

永磁式副励磁机交流励磁机交流发电机A调压器B6C定子转子Wff32NS14Wf5

图4.1 三级式同步电机

4.1.1 永磁机模型

永磁机主要给发电机控制器提供工作电源，并且同时给励磁机提供励磁。永磁机的指标要求：输出电功率P=700VA，输出3相交流电，工作转速14500～27000r/min，永磁机转子为4对极。根据上述参数可以算出永磁输出电压的频率为966～1800Hz。根据某型电机参数得到交轴电感为0.15mH，永磁机的磁通为0.009Wb，永磁机直轴电感为0.1mH。在本仿真中，转速设置为14500r/min。

根据上述已有的数据来进行永磁机模块的参数设置。在仿真中永磁机的机械接口有两种选择，电功率输入和转速输入，在仿真中要注意选择转速输入。需要注意的是永磁机的输入转速为角速度，需要将输入转速转换成角速度。仿真中是将输入转速乘以系数2π/60得到角速度。主要参数设置如下图。

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图4.2 永磁机参数

永磁机输出电压主要与永磁机磁通和输入转速有关系，通过设置磁通可以改变输出电压。对于输出电压，需满足空载时线电压V≥55VAC。由于高压直流电机的输入转速是可变的，所以在仿真中对于输入转速按照最低转速来设置，最低转速满足设计要求，即可保证在高转速下满足设计要求。在输入转速14500r/min情况下对永磁机单独仿真，其输出线电压波形如图4.3所示，线电压有效值为59V，输出频率966Hz，满足设计要求。在三级式电机工作时，永磁机输出电压由于外接了整流桥，输出波形不可能是这种比较完好的正弦波，其输出波形含有大量的谐波，输出波形发生畸变。

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图4.3 永磁机输出波形图

4.1.2.电磁式同步发电机模型

在Matlab中的PSB模型库中有基本标么值、基本国际单位制式和标准标么制式3种电磁式同步发电机模型，唯一不同的是参数输入格式区别，而它们的工作原理完全一样。在电磁式同步发电机模型中，发电机的输入包括励磁电压和输入转速，但是需要值得注意的是，在模型中输入的励磁电压信号是采用的是SIMULINK信号，在MATLAB仿真中SIMULINK信号和PSB模型信号是不能互相直接连接的。一般情况下通过受控电流源、受控电压源将SIMULINK信号转化为PSB信号；我们将通过电压表和电流表转化为SIMULINK信号。后级发电机的励磁电压信号需要通过接收前面的电压表输出的PSB信号产生，并且后级发电机的励磁电压SIMULINK信号要与前面的信号互相连接，需要对同步发电机做适当的修改，以确保本仿真模型的正确。

本仿真中选取的同步发电机模型是标准标么制式的模型。该模型的输出端m是同步发电机工作的工作参数输出口，一共有22个输出参数，且均为SIMULINK信号，其中包括励磁电流信号等多个信号。改进的主要原理是将输出励磁电流信号反馈到一个受控电流源，将受控电流源两端作为励磁电压的输入，这样能保证输出的励磁电流的正确性。要将该电压信号作为同步发电机模型励磁电压输入，要先通过电压表检测受控电流源端的电压。但是由于仿真模型的缺陷，需要在受控电流源串

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联一个小的电阻，保证模型的正确编译运行。在设置受控电流源时需要注意电流的输出方向，电流方向必须为从Vf＋流到Vf－，如图4.4所示。将改造后的模型进行封装，减少外部连线，封装后的励磁电压输入接口成为PSB信号，同时励磁电压输入有正端和负端，可以直接接励磁，如图4.4所示。

mABC1wPm5a6b7cVf_12ARB3Conn3Vf+Conn21Synchronous MachineGain1pu Fundamental +s-+-Gain24Vf-Controlled Current SourcevVoltage Measurement

图4.4 同步发电机模型

对于高压直流发电机来说，它的励磁机是电磁式发电机，而它的主发电机也是电磁式发电机，所以他们两者都能够采用前面我们讲到的模型。只需要在模型参数的设置上不同即可。

对于同步发电机仿真模型需要注意的是其输入转速为标么值，在这里给定的转速参考值为15000r/min。

参数如下：

转速：15000～25000r/min

额定电功率：主P＝64KVA（主发电机）、励P＝2.4KVA（励磁机） 极对数：主P＝4（主发电机）、励P＝6（励磁机）

额定输出电压：线U＝110V（主发电机）、线U＝70V（励磁机） 4.2 高压直流发电机系统模型

在分析了同步发电机的模型之后，本节搭建高压直流发电机的仿真模型，如图4.5所示。图4.5中三级电机的机械输入均为转速，但是永磁机的转速和后两级电机的发电机转速是不同的，励磁机和主发电机是标么角速度，永磁机转速输入是角速

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度。永磁机工作时输出三相交流电经过全桥不可控整流桥1变换为直流电，励磁机的励磁电压输入就是这个直流电。二极管D主要作用是在电功率管T关断期间给励磁机的励磁线圈续流用的。

ABCabcgABC TmmABCgABC+AB-abcgABC+ABabc+ 1C-C-励磁机整流桥1 励磁机整流桥2 主发电机整流桥3

图4.5 高压直流发电机仿真模型

高压直流发电机主发电机输出的电压经过整流桥输出脉动直流电，再经过电容C滤波得到270V直流电，再输出给用电设备供电。调压器通过电压表检测输出端电压，将检测电压同参考电压比较，得到输出电压与参考电压的差值，误差信号经过调节器校正环节后，再和三角波进行比较，生成PWM信号，该PWM信号驱动电功率管开关工作，用来实现控制和稳定输出电压的目的。在仿真中参考电压值为单位1，检测电压需要乘以1/250分压系数。PWM调制所需要的三角波频率为5000Hz，载波频率越高说明调节的精度越高。但是过高的频率也是不行的，它会降低程序运行的速度，严重时还会产生发散，所以我们选择的频率也是偏低的。

考虑到对滤波电容的选择，可以根据主发电机输出电压的波形进行初步估计，有如下公式：

C?t(Rlnu) （9） u??u其中u为三相输出线电压；?u为三相线电压波交点处电压值，为0.9u；R为额定工作用电设备电阻值；t为时间常数T/20，T为三相输出电压周期。

通过计算可以估算出滤波电容约为0.8mF，再根据模型仿真实际调试，滤波电容确定为0.4mF。 4.3 仿真结果及分析

通过以上分析，我们得到飞机电源系统的同步发电机模型，以下为主电源系统空载时的仿真运行结果。其中图4.6为整流之前的三相交流电，图4.7为整流之后的

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直流电。

图4.6 整流之前三相交流电

图4.7 整流之后的直流电

通过运行结果我们可以得到本次仿真结果比较成功，仿真出合理的飞机高压直流电源波形。

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第五章 结 论

作者通过查阅大量文献资料，主要做的工作是：

1.概述飞机电气系统的发展状况，并且说明本次论文的目的与意义。

2.分析了同步发电机的相关知识，对同步发电机有了一个大致的了解。然后介绍了MATLAB软件，尤其是里面的SIMULINK运行环境，其是本文的研究基础与重点。

3.介绍分析电气系统仿真的相关知识，对建模有了详细的介绍，为后文的模型建立和模型分析奠定理论基础。

4.对发电机系统进行分析建模，以及对模型运行结果分析讨论。

当然，因本人水平有限，论文还存在很多不足之处，在今后的学习工作中本人会加强自我的学习，完善相关知识体系，同时也希望各位老师批评指正。

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参考文献

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谢 辞

本次论文从题目的选定、论文的创作、修改和到最后定稿都得到了指导老师术守喜老师的悉心指导。在创作论文的过程中老师定时叫我们过去，指导论文工作，详细周到的告诉我们哪里需要修改，哪里不够严谨等等。我在他身上学到了很多，他认真的工作态度，谨慎的工作方法都是我日后学习努力的方向，我也将受益一生。在此，我谨向术老师表示深深的谢意。

另外，本论文能够顺利的完成并通过，我也请教了我的很多专业课老师和在相关专业的同学及朋友，老师无私的给我传授知识，牺牲了他很多的业余时间，同学朋友们给我想办法，帮助我想思路、找材料，也牺牲了很多时间和精力。他们的无私帮助是我努力的源泉，也是我坚持下来的莫大动力，我也在此对他们表示衷心的感谢。

再次衷心地感谢所有在我论文写作过程中给予我帮助的人们，谢谢!

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9fig.html