池塘偏心式水动力装备控制系统研发与试验

发布时间：2020-10-28 17:59

　　 水体流动是养殖池塘水质净化的基础,高效率的水动力形成装备研发及其优化控制具有重要意义。本文基于池塘养殖的发展现状和水质调控需求所设计的低能耗偏心式水动力装备,根据增氧和水动力平衡运行需要对控制算法进行了研究,最终设计出软硬件控制系统。偏心式水动力装备控制系统以STM32单片机为核心,通过溶解氧、温度及pH值进行现场环境反馈,利用固态继电器实现弱电控制强电。该控制系统采用LCD显示屏、蜂鸣报警器、按键作为人机交互方式,通过SD卡实现本地数据存储,利用4G上传网上平台。在上海市光明集团东风农场水产养殖基地进行了水动力装备控制系统的集成控制试验,结果表明水动力装备控制系统设计具有较好的稳定性和可靠性,具有进一步在池塘养殖行业推广的价值。本论文的研究内容和取得的成果如下:(1)控制系统总体设计。对偏心式水动力装备提水、破水、推水的工作原理进行了分析,就水动力形成和增氧平衡工作进行了设计计算,确定了包含水质数据采集、数据处理、数据存储、数据通讯、电机状态反馈、报警模式、强弱电安全控制等功能模块组成的系统。根据基本控制计算能力需要,以STM32F427芯片为核心进行控制板卡设计。(2)控制需求分析和控制算法设计。进行多个目标协调控制机制研究,分析偏心式水动力装备增氧、水动力形成方式,结合生物膜填料有效工作时对水动力形成的需求,考虑能耗问题,设计了单参数、三参数和时间参数等不同控制模式。基于池塘物质能量循环规律,利用DO(溶氧)、温度、pH值作为输入,氨氮作为输出,采用BP神经网络算法对氨氮进行预测并纳入控制系统。(3)控制板卡硬件系统开发。根据控制对象为380V、1.5kW的交流电机工作要求,结合板卡设计规则,对硬件核心系统包括CPU、FLASH存储(1M)、SRAM存储(192KB)、晶振(25MHz)、定时器、Reset等进行逻辑设计与模拟,对基于RS458接口的DOS-600溶氧和DPS-600PH传感器、SD数据存储与SIM900A型通讯系统、人机交互系统等对各模块电路进行原理设计,进一步完成PCB图设计、电路板加工和调试。(4)控制系统软件设计与开发。依据硬件基础,搭建算法总体架构,包含多个目标协调控制不同工作模式的构建,自主标定和数据判别能力的传感器数据读取、存储及远程通讯的程序设计,用YB19264-ZA型LCD屏呈现出5层菜单不同界面的人机交互系统设计,LCD屏分4行显示,每行可显示12个汉字。此外,人机交互系统还包括6个按键的程序设计。使用KeilμVision 5软件对各模块程序进行调试和优化,完成控制系统的软件开发。(5)控制系统综合性试验与数据分析。选择上海市光明集团东风水产养殖场为试验基地,基于现场实际情况对系统进行优化改进,包括雷电等恶劣天气条件下的系统稳定性和可靠性验证等。试验完成的主要结果包括:(1)验证了偏心式水动力装备及其控制系统投入使用后的系统运行可靠性,利用控制算法及预测算法获取了长周期的水质数据,氨氮参数等;(2)经实际试验,在3～5mg/L溶氧指标要求下,本系统能耗比手动控制的水动力设备降低25%以上,氨氮指标试验塘相对于对照塘上风口平均降低24.8%,下风口平均降低16.25%。(3)基于池塘能量循环原理采用生物膜填料进行水质净化,并结合水质采样的分析结果,证明了偏心式水动力装备控制系统在池塘水质净化方面起到了良好的效果。
【学位单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S969
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 概述
    1.2 课题研究的背景和意义
    1.3 国内外水动力装备控制技术研究现状
    1.4 课题研究的思路与内容
        1.4.1 课题研究的思路
        1.4.2 课题研究的内容
    1.5 课题解决的关键问题
第二章 水动力装备控制机理研究
    2.1 引言
    2.2 水动力装备结构原理
    2.3 池塘物质能量循环原理
    2.4 水动力装备控制系统构建
    2.5 本章小结
第三章 水动力装备控制系统的硬件设计
    3.1 引言
    3.2 装备控制系统的硬件设计
        3.2.1 水动力装备控制系统的结构设计
        3.2.2 控制系统主要硬件的选型设计
    3.3 控制系统的硬件板卡开发
        3.3.1 控制板卡原理图设计
        3.3.2 控制板卡PCB图设计
        3.3.3 控制板卡样板的印刷与制作
    3.4 控制系统硬件板卡辅助模块
        3.4.1 控制盒设计
        3.4.2 配电箱设计
    3.5 本章小结
第四章 水动力装备控制系统的软件设计与调试
    4.1 引言
    4.2 系统整体软件功能设计
    4.3 人机交互系统软件设计
        4.3.1 各显示界面及按键设计
        4.3.2 SD卡存储数据的程序设计
        4.3.3 4G数据传输上位机的程序设计
    4.4 系统控制算法设计
        4.4.1 溶氧单参数控制算法设计
        4.4.2 BP网络预测算法仿真
    4.5 软件程序调试优化及初步实验
    4.6 本章小结
第五章 偏心式水动力装备控制系统的效果试验
    5.1 引言
    5.2 控制系统综合控制效果试验
        5.2.1 试验要点
        5.2.2 试验准备
        5.2.3 试验过程
        5.2.4 试验分析
        5.2.5 试验总结
    5.3 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
作者在校科研成果
    1 发表论文
    2 获奖荣誉
    3 专利成果

【参考文献】

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本文编号：2860419