發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 06:21

　　 隨著我國綜合國力快速發(fā)展,經(jīng)濟(jì)總量不斷增加,對(duì)資源的消耗在不斷加大,人口增加及農(nóng)業(yè)發(fā)展,導(dǎo)致對(duì)水資源需求逐漸增大。由于我國水資源儲(chǔ)量并不豐富,節(jié)約用水成為可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。水資源是我們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的資源,農(nóng)田灌溉對(duì)水資源消耗較大,渠道灌溉控流不精確導(dǎo)致水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了減少水資源浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)精確控流,引出了本文的研究目的,即設(shè)計(jì)及改進(jìn)農(nóng)田渠道灌溉分水閘門控制系統(tǒng),使其可以精確地對(duì)流量實(shí)現(xiàn)計(jì)量及控制。通過查閱大量文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)目前分水閘門系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)量,若想控制流量大小,還需手動(dòng)操作閘門,導(dǎo)致控流不夠精確。明渠測(cè)流原理表明,閘孔自由出流態(tài)流量計(jì)算所需參數(shù)最少,閘門流量較易計(jì)算,也比較適合精確控流;閘孔淹沒出流狀態(tài)下,射流會(huì)對(duì)閘門流量計(jì)算產(chǎn)生影響,導(dǎo)致測(cè)流不夠精確,更難實(shí)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(guān)。所以,將閘門出流維持在閘孔自由出流狀態(tài),是實(shí)現(xiàn)流量精確計(jì)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn),提高算法收斂速度及精度。將該算法應(yīng)用到閘門控制中,根據(jù)明渠測(cè)流公式計(jì)算出最優(yōu)閘門開度,控制器調(diào)節(jié)閘門開度到對(duì)應(yīng)的大小,實(shí)現(xiàn)更加迅速,精準(zhǔn)地控流。用戶給定一個(gè)可控范圍內(nèi)的流量值,便可計(jì)算出該值對(duì)應(yīng)的閘門開度。采用STM32F4系列的MCU作為閘門現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)不同的任務(wù),實(shí)現(xiàn)各種功能,如液位測(cè)量、閘門開度測(cè)量及控制、遠(yuǎn)程通信、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在遠(yuǎn)程控制中心的設(shè)計(jì)過程中,采用當(dāng)下最流行的界面設(shè)計(jì)軟件QT來進(jìn)行監(jiān)控中心用戶界面設(shè)計(jì),并采用SQL Sever數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操作中心數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì),將分水閘門終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。采用Socket服務(wù)器監(jiān)聽技術(shù),以接收現(xiàn)場(chǎng)控制器數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在原有閘門控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了改進(jìn)人工蜂群算法來計(jì)算最優(yōu)閘門開度,從而將原系統(tǒng)單一測(cè)流功能變?yōu)闇y(cè)流與自動(dòng)控流一體化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)原系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比,表明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比原系統(tǒng)控制效果更好,符合設(shè)計(jì)的目的與要求。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
    1.3 存在的問題
    1.4 主要研究?jī)?nèi)容
    1.5 本章小結(jié)
第2章 閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)
    2.1 閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
        2.1.1 分水閘門現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制要求
        2.1.2 分水閘門控制系統(tǒng)的技術(shù)要求
        2.1.3 遠(yuǎn)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(shè)備
    2.4 現(xiàn)有的分水閘門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
    2.5 本章小結(jié)
第3章 硬件選型及硬件電路設(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)
        3.2.1 分水閘門現(xiàn)場(chǎng)終端硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
        3.2.2 模擬信號(hào)采集
        3.2.3 限位開關(guān)數(shù)據(jù)采集
        3.2.4 JTAG調(diào)試電路
        3.2.5 電源電路
        3.2.6 存儲(chǔ)電路
        3.2.7 串口電路
    3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)
    3.7 本章總結(jié)
第4章 分水閘門控流優(yōu)化
    4.1 明渠閘門流量計(jì)算原理
    4.2 閘門控流的數(shù)學(xué)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(jìn)
        4.4.1 反向?qū)W習(xí)相關(guān)內(nèi)容
        4.4.2 將反向?qū)W習(xí)運(yùn)用于人工蜂群算法
        4.4.3 改進(jìn)人工蜂群算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    4.5 改進(jìn)人工蜂群算法在最優(yōu)閘門開度計(jì)算中的應(yīng)用
    4.6 與其他算法的比較
        4.6.1 粒子群算法簡(jiǎn)介
        4.6.2 收斂速度比較
        4.6.3 計(jì)算精度與穩(wěn)定性比較
    4.7 將改進(jìn)人工蜂群算法應(yīng)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(jié)
第5章 相關(guān)軟件設(shè)計(jì)
    5.1 遠(yuǎn)程控制中心
        5.1.1 遠(yuǎn)程控制中心數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)
        5.1.2 遠(yuǎn)程控制中心操作界面設(shè)計(jì)
    5.2 終端控制器軟件設(shè)計(jì)
        5.2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述
        5.2.2 系統(tǒng)選擇
        5.2.3 系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行流程
        5.2.4 系統(tǒng)任務(wù)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(jié)構(gòu)介紹
    5.3 將μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)應(yīng)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(guān)鍵程序的設(shè)計(jì)
    5.4 本章總結(jié)
第6章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    6.1 系統(tǒng)軟硬件測(cè)試
        6.1.1 系統(tǒng)的硬件測(cè)試
        6.1.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試
    6.2 閘門控流實(shí)驗(yàn)
    6.3 本章總結(jié)
第7章 總結(jié)與展望
    7.1 工作總結(jié)
    7.2 論文展望
參考文獻(xiàn)
致謝
科研成果

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本文編號(hào)：2891077