农田灌溉分水闸门控制系统的优化设计

发布时间：2020-11-20 06:21

　　 随着我国综合国力快速发展,经济总量不断增加,对资源的消耗在不断加大,人口增加及农业发展,导致对水资源需求逐渐增大。由于我国水资源储量并不丰富,节约用水成为可持续发展的一项关键任务。水资源是我们日常生活中必不可少的资源,农田灌溉对水资源消耗较大,渠道灌溉控流不精确导致水资源浪费严重。为了减少水资源浪费,实现精确控流,引出了本文的研究目的,即设计及改进农田渠道灌溉分水闸门控制系统,使其可以精确地对流量实现计量及控制。通过查阅大量文献,发现目前分水闸门系统主要功能是实现对流量计量,若想控制流量大小,还需手动操作闸门,导致控流不够精确。明渠测流原理表明,闸孔自由出流态流量计算所需参数最少,闸门流量较易计算,也比较适合精确控流;闸孔淹没出流状态下,射流会对闸门流量计算产生影响,导致测流不够精确,更难实现精确控流;而堰流状态下流量大小与闸门开度大小无关。所以,将闸门出流维持在闸孔自由出流状态,是实现流量精确计量及控制的前提,本文采用堰闸来极大限度保证闸门出流状态为自由出流。文章介绍了人工蜂群算法并对其进行改进,提高算法收敛速度及精度。将该算法应用到闸门控制中,根据明渠测流公式计算出最优闸门开度,控制器调节闸门开度到对应的大小,实现更加迅速,精准地控流。用户给定一个可控范围内的流量值,便可计算出该值对应的闸门开度。采用STM32F4系列的MCU作为闸门现场控制终端的控制器,将μC/OS-Ⅲ系统移植到MCU上,并将各部分硬件集成起来,通过设计不同的任务,实现各种功能,如液位测量、闸门开度测量及控制、远程通信、现场数据存储等。在远程控制中心的设计过程中,采用当下最流行的界面设计软件QT来进行监控中心用户界面设计,并采用SQL Sever数据库软件进行远程操作中心数据库设计,将分水闸门终端数据存储到数据库中。采用Socket服务器监听技术,以接收现场控制器数据。所设计的系统在原有闸门控制系统基础上引入了改进人工蜂群算法来计算最优闸门开度,从而将原系统单一测流功能变为测流与自动控流一体化,实现了对原系统的改进与优化。通过实验对比,表明了所设计的系统比原系统控制效果更好,符合设计的目的与要求。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S277.9;TP273
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究目的和意义
    1.2 国内外发展现状
    1.3 存在的问题
    1.4 主要研究内容
    1.5 本章小结
第2章 闸门控制系统的设计要求及结构
    2.1 闸门控制系统的设计要求
        2.1.1 分水闸门现场控制器的控制要求
        2.1.2 分水闸门控制系统的技术要求
        2.1.3 远程控制中心及通信要求
    2.2 外围条件
    2.3 分水闸门控制器外部连接设备
    2.4 现有的分水闸门控制系统的结构组成
    2.5 本章小结
第3章 硬件选型及硬件电路设计
    3.1 硬件选型
        3.1.1 终端处理器的选型
        3.1.2 无线通讯模块选型
        3.1.3 传感器的选型
        3.1.4 供电电源
    3.2 主控板电路设计
        3.2.1 分水闸门现场终端硬件系统的结构
        3.2.2 模拟信号采集
        3.2.3 限位开关数据采集
        3.2.4 JTAG调试电路
        3.2.5 电源电路
        3.2.6 存储电路
        3.2.7 串口电路
    3.3 步进电机驱动模块
    3.4 无线通信模块
        3.4.1 与控制器的连接
        3.4.2 SIM卡电路
    3.5 屏幕显示模块
    3.6 印刷电路板设计
    3.7 本章总结
第4章 分水闸门控流优化
    4.1 明渠闸门流量计算原理
    4.2 闸门控流的数学模型分析
    4.3 人工蜂群算法
        4.3.1 人工蜂群算法介绍
        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现状
    4.4 人工蜂群算法的改进
        4.4.1 反向学习相关内容
        4.4.2 将反向学习运用于人工蜂群算法
        4.4.3 改进人工蜂群算法的实验结果
    4.5 改进人工蜂群算法在最优闸门开度计算中的应用
    4.6 与其他算法的比较
        4.6.1 粒子群算法简介
        4.6.2 收敛速度比较
        4.6.3 计算精度与稳定性比较
    4.7 将改进人工蜂群算法应用于分水闸门控制系统的分析
    4.8 自由出流状态的保证方法
    4.9 本章小结
第5章 相关软件设计
    5.1 远程控制中心
        5.1.1 远程控制中心数据库表设计
        5.1.2 远程控制中心操作界面设计
    5.2 终端控制器软件设计
        5.2.1 嵌入式实时操作系统概述
        5.2.2 系统选择
        5.2.3 系统任务运行流程
        5.2.4 系统任务的上下文切换
        5.2.5 μC/OS-Ⅲ系统的消息传递
        5.2.6 μC/OS-Ⅲ系统的软硬件结构介绍
    5.3 将μC/OS-Ⅲ操作系统应用于STM
        5.3.1 μC/OS-Ⅲ的系统文件介绍
        5.3.2 μC/OS-Ⅲ文件的移植
        5.3.3 关键程序的设计
    5.4 本章总结
第6章 系统实验测试
    6.1 系统软硬件测试
        6.1.1 系统的硬件测试
        6.1.2 系统软件测试
    6.2 闸门控流实验
    6.3 本章总结
第7章 总结与展望
    7.1 工作总结
    7.2 论文展望
参考文献
致谢
科研成果

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本文编号：2891077