基于嵌入式系统的水厂加氯智能控制系统

论文摘要

消毒是保证自来水水质关键的环节。目前在我国自来水消毒方式基本采用加氯消毒,出厂水中的余氯含量已成为衡量消毒效果的最重要指标。加氯消毒过程具有大时延、大时滞、时变性等特点且干扰因素诸多,主要干扰包括:水质、清水池进出口流量、清水池水位以及氯气投加量等,要实现对其良好的控制具有一定的难度。同时,由于技术难度大、资金不足等方面的原因,缺乏相应的检测仪表,加大了加氯控制的难度。针对加氯过程的特点,提出了专家控制系统与模糊自整定PID控制器相结合的串级控制方案,可以解决加氯过程中的诸多问题。利用串级控制结构来实现对加氯不准的及时反馈修正,降低了大时延对系统的影响。氯气投加点到入口余氯采样点之间余氯变化复杂,加上水质突变与流量变化的干扰,传统的PID控制器难以得到满意的效果,采用模糊自整定PID控制器可以实现在线实时修正,减少干扰对系统的影响。同时当流量、水位等发生突变时,专家控制系统通过选取合理的控制参数,来消除这些因素对系统的冲击,有效的提高了控制品质。专家控制系统还具有自学习能力,能够对控制效果较好的参数进行专家系统机器学习,使控制系统能够适应各种自来水生产环境。选用三星S3C2440A作为处理器,并与其他硬件部分结合构成了嵌入式硬件平台;采用开源的Linux作为嵌入式操作系统,实现了Linux嵌入式操作系统内核的裁剪、编译和移植,以及目标板驱动程序的移植。结合嵌入式控制器的软硬件平台,并在Qtopia和Qt/E嵌入式图形开发环境下,实现了加氯控制系统的界面设计与智能控制算法、AD转换、DA转换以及设备控制的C++程序。通过测试,基于嵌入式系统的水厂加氯智能控制系统能够实现对加氯过程的有效控制,具有一定的现实意义和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的及其意义
• 1.2 研究的现状
• 1.3 论文的研究内容安排
• 第二章 加氯系统分析及其控制方案
• 2.1 加氯系统的概述
• 2.2 加氯控制的主要难点和影响因素
• 2.2.1 加氯控制的主要难点
• 2.2.2 加氯控制的影响因素
• 2.3 加氯串级控制系统方案
• 2.3.1 串级控制方案
• 2.3.2 副回路采样点的选取
• 2.3.3 前馈-反馈的应用
• 2.3.4 串级控制的主、副回路设计
• 2.3.5 多模型结构
• 2.4 加氯智能控制系统结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 加氯智能控制系统的设计
• 3.1 专家控制系统的设计
• 3.1.1 专家控制理论基础
• 3.1.2 专家系统知识库的设计
• 3.1.3 特征识别与信号处理
• 3.1.4 专家控制策略
• 3.1.5 推理机的设计
• 3.2 模糊自整定PID 控制器设计
• 3.2.1 模糊控制原理
• 3.2.2 模糊自整定PID 控制器的结构
• 3.2.3 模糊自整定PID 控制器的设计
• 3.3 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 嵌入式控制器软硬件平台的搭建
• 4.1 硬件平台的搭建
• 4.1.1 处理器选型
• 4.1.2 控制器硬件设计
• 4.2 系统软件平台设计
• 4.2.1 控制系统软件架构
• 4.2.2 软件开发平台的搭建
• 4.2.3 Linux 内核的移植
• 4.3 Linux 设备驱动程序的开发和移植
• 4.3.1 Linux 下A/D 驱动程序的移植
• 4.3.2 Linux 下PWM 模拟D/A 驱动程序的移植
• 4.4 本章小结
• 第五章 Qt/Embedded 图形环境下系统的实现
• 5.1 Qt/Embedded 概述
• 5.2 Qt/Embedded 在Linux 下的移植
• 5.2.1 编译Qtopia2.2.0
• 5.2.2 将应用程序加入根文件系统
• 5.2.3 制作映像文件
• 5.3 GUI 程序设计
• 5.3.1 QtDesigner 下图形界面的设计方法
• 5.3.2 主界面窗体设计及其实现
• 5.3.3 余氯设置窗体设计及其实现
• 5.3.4 手动加氯控制窗体设计及其实现
• 5.3.5 自动加氯控制窗体设计及其实现
• 5.4 嵌入式加氯智能控制系统的实现
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间的科研工作和发表论文及获奖情况
• 致谢