發(fā)布時間：2020-11-20 06:21

　　 隨著我國綜合國力快速發(fā)展,經濟總量不斷增加,對資源的消耗在不斷加大,人口增加及農業(yè)發(fā)展,導致對水資源需求逐漸增大。由于我國水資源儲量并不豐富,節(jié)約用水成為可持續(xù)發(fā)展的一項關鍵任務。水資源是我們日常生活中必不可少的資源,農田灌溉對水資源消耗較大,渠道灌溉控流不精確導致水資源浪費嚴重。為了減少水資源浪費,實現(xiàn)精確控流,引出了本文的研究目的,即設計及改進農田渠道灌溉分水閘門控制系統(tǒng),使其可以精確地對流量實現(xiàn)計量及控制。通過查閱大量文獻,發(fā)現(xiàn)目前分水閘門系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對流量計量,若想控制流量大小,還需手動操作閘門,導致控流不夠精確。明渠測流原理表明,閘孔自由出流態(tài)流量計算所需參數(shù)最少,閘門流量較易計算,也比較適合精確控流;閘孔淹沒出流狀態(tài)下,射流會對閘門流量計算產生影響,導致測流不夠精確,更難實現(xiàn)精確控流;而堰流狀態(tài)下流量大小與閘門開度大小無關。所以,將閘門出流維持在閘孔自由出流狀態(tài),是實現(xiàn)流量精確計量及控制的前提,本文采用堰閘來極大限度保證閘門出流狀態(tài)為自由出流。文章介紹了人工蜂群算法并對其進行改進,提高算法收斂速度及精度。將該算法應用到閘門控制中,根據(jù)明渠測流公式計算出最優(yōu)閘門開度,控制器調節(jié)閘門開度到對應的大小,實現(xiàn)更加迅速,精準地控流。用戶給定一個可控范圍內的流量值,便可計算出該值對應的閘門開度。采用STM32F4系列的MCU作為閘門現(xiàn)場控制終端的控制器,將μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)移植到MCU上,并將各部分硬件集成起來,通過設計不同的任務,實現(xiàn)各種功能,如液位測量、閘門開度測量及控制、遠程通信、現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲等。在遠程控制中心的設計過程中,采用當下最流行的界面設計軟件QT來進行監(jiān)控中心用戶界面設計,并采用SQL Sever數(shù)據(jù)庫軟件進行遠程操作中心數(shù)據(jù)庫設計,將分水閘門終端數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。采用Socket服務器監(jiān)聽技術,以接收現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)。所設計的系統(tǒng)在原有閘門控制系統(tǒng)基礎上引入了改進人工蜂群算法來計算最優(yōu)閘門開度,從而將原系統(tǒng)單一測流功能變?yōu)闇y流與自動控流一體化,實現(xiàn)了對原系統(tǒng)的改進與優(yōu)化。通過實驗對比,表明了所設計的系統(tǒng)比原系統(tǒng)控制效果更好,符合設計的目的與要求。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S277.9;TP273
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 研究目的和意義
    1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
    1.3 存在的問題
    1.4 主要研究內容
    1.5 本章小結
第2章 閘門控制系統(tǒng)的設計要求及結構
    2.1 閘門控制系統(tǒng)的設計要求
        2.1.1 分水閘門現(xiàn)場控制器的控制要求
        2.1.2 分水閘門控制系統(tǒng)的技術要求
        2.1.3 遠程控制中心及通信要求
    2.2 外圍條件
    2.3 分水閘門控制器外部連接設備
    2.4 現(xiàn)有的分水閘門控制系統(tǒng)的結構組成
    2.5 本章小結
第3章 硬件選型及硬件電路設計
    3.1 硬件選型
        3.1.1 終端處理器的選型
        3.1.2 無線通訊模塊選型
        3.1.3 傳感器的選型
        3.1.4 供電電源
    3.2 主控板電路設計
        3.2.1 分水閘門現(xiàn)場終端硬件系統(tǒng)的結構
        3.2.2 模擬信號采集
        3.2.3 限位開關數(shù)據(jù)采集
        3.2.4 JTAG調試電路
        3.2.5 電源電路
        3.2.6 存儲電路
        3.2.7 串口電路
    3.3 步進電機驅動模塊
    3.4 無線通信模塊
        3.4.1 與控制器的連接
        3.4.2 SIM卡電路
    3.5 屏幕顯示模塊
    3.6 印刷電路板設計
    3.7 本章總結
第4章 分水閘門控流優(yōu)化
    4.1 明渠閘門流量計算原理
    4.2 閘門控流的數(shù)學模型分析
    4.3 人工蜂群算法
        4.3.1 人工蜂群算法介紹
        4.3.2 人工蜂群算法基本模型
        4.3.3 人工蜂群算法的研究現(xiàn)狀
    4.4 人工蜂群算法的改進
        4.4.1 反向學習相關內容
        4.4.2 將反向學習運用于人工蜂群算法
        4.4.3 改進人工蜂群算法的實驗結果
    4.5 改進人工蜂群算法在最優(yōu)閘門開度計算中的應用
    4.6 與其他算法的比較
        4.6.1 粒子群算法簡介
        4.6.2 收斂速度比較
        4.6.3 計算精度與穩(wěn)定性比較
    4.7 將改進人工蜂群算法應用于分水閘門控制系統(tǒng)的分析
    4.8 自由出流狀態(tài)的保證方法
    4.9 本章小結
第5章 相關軟件設計
    5.1 遠程控制中心
        5.1.1 遠程控制中心數(shù)據(jù)庫表設計
        5.1.2 遠程控制中心操作界面設計
    5.2 終端控制器軟件設計
        5.2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)概述
        5.2.2 系統(tǒng)選擇
        5.2.3 系統(tǒng)任務運行流程
        5.2.4 系統(tǒng)任務的上下文切換
        5.2.5 μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的消息傳遞
        5.2.6 μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的軟硬件結構介紹
    5.3 將μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)應用于STM
        5.3.1 μC/OS-Ⅲ的系統(tǒng)文件介紹
        5.3.2 μC/OS-Ⅲ文件的移植
        5.3.3 關鍵程序的設計
    5.4 本章總結
第6章 系統(tǒng)實驗測試
    6.1 系統(tǒng)軟硬件測試
        6.1.1 系統(tǒng)的硬件測試
        6.1.2 系統(tǒng)軟件測試
    6.2 閘門控流實驗
    6.3 本章總結
第7章 總結與展望
    7.1 工作總結
    7.2 論文展望
參考文獻
致謝
科研成果

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本文編號：2891077