水體流動是養(yǎng)殖池塘水質凈化的基礎,高效率的水動力形成裝備研發(fā)及其優(yōu)化控制具有重要意義。本文基于池塘養(yǎng)殖的發(fā)展現(xiàn)狀和水質調控需求所設計的低能耗偏心式水動力裝備,根據(jù)增氧和水動力平衡運行需要對控制算法進行了研究,最終設計出軟硬件控制系統(tǒng)。偏心式水動力裝備控制系統(tǒng)以STM32單片機為核心,通過溶解氧、溫度及pH值進行現(xiàn)場環(huán)境反饋,利用固態(tài)繼電器實現(xiàn)弱電控制強電。該控制系統(tǒng)采用LCD顯示屏、蜂鳴報警器、按鍵作為人機交互方式,通過SD卡實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)存儲,利用4G上傳網(wǎng)上平臺。在上海市光明集團東風農(nóng)場水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進行了水動力裝備控制系統(tǒng)的集成控制試驗,結果表明水動力裝備控制系統(tǒng)設計具有較好的穩(wěn)定性和可靠性,具有進一步在池塘養(yǎng)殖行業(yè)推廣的價值。本論文的研究內容和取得的成果如下:(1)控制系統(tǒng)總體設計。對偏心式水動力裝備提水、破水、推水的工作原理進行了分析,就水動力形成和增氧平衡工作進行了設計計算,確定了包含水質數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通訊、電機狀態(tài)反饋、報警模式、強弱電安全控制等功能模塊組成的系統(tǒng)。根據(jù)基本控制計算能力需要,以STM32F427芯片為核心進行控制板卡設計。(2)控制需求分析和控制算法設計。進行多個目標協(xié)調控制機制研究,分析偏心式水動力裝備增氧、水動力形成方式,結合生物膜填料有效工作時對水動力形成的需求,考慮能耗問題,設計了單參數(shù)、三參數(shù)和時間參數(shù)等不同控制模式。基于池塘物質能量循環(huán)規(guī)律,利用DO(溶氧)、溫度、pH值作為輸入,氨氮作為輸出,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對氨氮進行預測并納入控制系統(tǒng)。(3)控制板卡硬件系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)控制對象為380V、1.5kW的交流電機工作要求,結合板卡設計規(guī)則,對硬件核心系統(tǒng)包括CPU、FLASH存儲(1M)、SRAM存儲(192KB)、晶振(25MHz)、定時器、Reset等進行邏輯設計與模擬,對基于RS458接口的DOS-600溶氧和DPS-600PH傳感器、SD數(shù)據(jù)存儲與SIM900A型通訊系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等對各模塊電路進行原理設計,進一步完成PCB圖設計、電路板加工和調試。(4)控制系統(tǒng)軟件設計與開發(fā)。依據(jù)硬件基礎,搭建算法總體架構,包含多個目標協(xié)調控制不同工作模式的構建,自主標定和數(shù)據(jù)判別能力的傳感器數(shù)據(jù)讀取、存儲及遠程通訊的程序設計,用YB19264-ZA型LCD屏呈現(xiàn)出5層菜單不同界面的人機交互系統(tǒng)設計,LCD屏分4行顯示,每行可顯示12個漢字。此外,人機交互系統(tǒng)還包括6個按鍵的程序設計。使用KeilμVision 5軟件對各模塊程序進行調試和優(yōu)化,完成控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。(5)控制系統(tǒng)綜合性試驗與數(shù)據(jù)分析。選擇上海市光明集團東風水產(chǎn)養(yǎng)殖場為試驗基地,基于現(xiàn)場實際情況對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,包括雷電等惡劣天氣條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性驗證等。試驗完成的主要結果包括:(1)驗證了偏心式水動力裝備及其控制系統(tǒng)投入使用后的系統(tǒng)運行可靠性,利用控制算法及預測算法獲取了長周期的水質數(shù)據(jù),氨氮參數(shù)等;(2)經(jīng)實際試驗,在3～5mg/L溶氧指標要求下,本系統(tǒng)能耗比手動控制的水動力設備降低25%以上,氨氮指標試驗塘相對于對照塘上風口平均降低24.8%,下風口平均降低16.25%。(3)基于池塘能量循環(huán)原理采用生物膜填料進行水質凈化,并結合水質采樣的分析結果,證明了偏心式水動力裝備控制系統(tǒng)在池塘水質凈化方面起到了良好的效果。
【學位單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S969
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 概述
    1.2 課題研究的背景和意義
    1.3 國內外水動力裝備控制技術研究現(xiàn)狀
    1.4 課題研究的思路與內容
        1.4.1 課題研究的思路
        1.4.2 課題研究的內容
    1.5 課題解決的關鍵問題
第二章 水動力裝備控制機理研究
    2.1 引言
    2.2 水動力裝備結構原理
    2.3 池塘物質能量循環(huán)原理
    2.4 水動力裝備控制系統(tǒng)構建
    2.5 本章小結
第三章 水動力裝備控制系統(tǒng)的硬件設計
    3.1 引言
    3.2 裝備控制系統(tǒng)的硬件設計
        3.2.1 水動力裝備控制系統(tǒng)的結構設計
        3.2.2 控制系統(tǒng)主要硬件的選型設計
    3.3 控制系統(tǒng)的硬件板卡開發(fā)
        3.3.1 控制板卡原理圖設計
        3.3.2 控制板卡PCB圖設計
        3.3.3 控制板卡樣板的印刷與制作
    3.4 控制系統(tǒng)硬件板卡輔助模塊
        3.4.1 控制盒設計
        3.4.2 配電箱設計
    3.5 本章小結
第四章 水動力裝備控制系統(tǒng)的軟件設計與調試
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)整體軟件功能設計
    4.3 人機交互系統(tǒng)軟件設計
        4.3.1 各顯示界面及按鍵設計
        4.3.2 SD卡存儲數(shù)據(jù)的程序設計
        4.3.3 4G數(shù)據(jù)傳輸上位機的程序設計
    4.4 系統(tǒng)控制算法設計
        4.4.1 溶氧單參數(shù)控制算法設計
        4.4.2 BP網(wǎng)絡預測算法仿真
    4.5 軟件程序調試優(yōu)化及初步實驗
    4.6 本章小結
第五章 偏心式水動力裝備控制系統(tǒng)的效果試驗
    5.1 引言
    5.2 控制系統(tǒng)綜合控制效果試驗
        5.2.1 試驗要點
        5.2.2 試驗準備
        5.2.3 試驗過程
        5.2.4 試驗分析
        5.2.5 試驗總結
    5.3 本章小結
第六章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
作者在校科研成果
    1 發(fā)表論文
    2 獲獎榮譽
    3 專利成果

【參考文獻】

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本文編號：2860419