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水文监测对水资源的开发利用、防汛抗旱等具有极其重要的意义。在水文监测中,转子式流速仪被广泛使用。为保证流速仪在测量流速时的精度,需要定期对其进行检定。然而目前国内流速仪检定系统大多设备陈旧,技术落后,检定精度和自动化水平均较低。科学技术的发展,特别是嵌入式技术、计算机软件和控制理论的日益成熟,为流速仪检定系统的改进创造了必要条件。受水利部中国东部水利水文检测中心的委托,本课题的主要任务就是设计出高精度、高可靠性的智能化流速仪检定系统,满足行业需求。
整个检定系统分为水槽和轨道、检定车、控制室三个部分,本文重点讨论后两者。检定车车载系统采用多模块设计方法,包括操作台、变频器、流速仪检测和悬挂系统、检定车低速运行控制系统等模块。各模块按照一定的通信协议,并通过通信接口电路协调工作。
本系统设计了一个通用的嵌入式最小系统--LPC2214系统板。这样,针对不同模块功能就只需设计不同的外围电路,提高了开发效率。操作台核心控制器作为车载系统的核心部件,控制其它车载模块的工作并提供人机接口。文中从硬件和软件两部分进行阐述,其中软件方面嵌入了uCOS-Ⅱ,并引入了状态空间搜索法,实现了智能的自动检定过程。
控制室上位机采用C#编写,按照功能逻辑划分出多个子界面,简洁明了,操作方便。利用多线程技术并依靠.NET对COM组件的良好支持,实现了Word、Excel形式报表的自动生成。在处理检定数据时,通过最小二乘法拟合绘制出高低速v-n曲线。其中低速段曲线采用了更加合理的回归模型,避免了手工绘制曲线带来的误差。
文章最后讨论了检定车低速运行控制系统。通过绝对位置和相对位置相结合的测量方法,检定车获得了更为精确的实际位置。在低速控制中,使用多倍周期测速法提高了车速检测的分辨率,并通过模糊PID控制调节PWM输出,抑制了检定车的低速“爬行现象”,使检定系统在0.01米/秒~6.00米/秒的车速范围内均具有极高的速度精度,特别是将低速段的车速精度误差控制在了500左右。整个检定系统在国内同行业处于技术领先地位。