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关键词： 淡水养殖   水体增氧   高效节能   溶氧浓度   物联网   自动控制  

摘要： “零排放”圈养桶养殖作为新兴的淡水水产养殖模式,具有绿色、高效、高产的特点。然而高密度养殖也带来了高溶氧需求等问题,特别在炎热的夏季,高温、低压环境会降低水体溶氧浓度,严重时可导致鱼类死亡。因此,针对高密度养殖模式的增氧能耗与效率问题和自动化需求,本文基于物联网技术、传感技术和自动控制技术提出一种推水式微孔曝气增氧装置的设计方案,主要内容从以下四个方面阐述。(1)提出了一种高效、节能的增氧方案,该方案采用高压纯氧作为气源,经由减压阀、电磁阀等气动元件,再通过纳米级氧化铝陶瓷作为曝气器,将氧气分割成直径0.1-0.5mm的气泡。同时启动水下电机螺旋桨形成水流,将氧气泡和水充分混合后推出,达到快速、高效、均匀的增氧目的。(2)基于物联网技术设计了增氧装置的总体硬件电路,实现溶氧浓度、水温、气压和环境温湿度等主要参数的采集、无线传输和增氧自动控制。电路包括核心板和扩展板,核心板中选用带有WiFi通信处理器的CC3200MODA为主控制器,同时增加了外置的硬件看门狗max637以提高工作可靠性。扩展板包含溶氧浓度、空气温湿度和气压等传感检测单元、水下电机PWM调速和控制电路、电磁阀控制电路和电源单元等,分别绘制原理图和PCB图后制板、组装并调试通过。(3)设计嵌入式软件驱动程序和物联网通信协议,程序总体框架包含WiFi网络配置、温湿度传感器SHT35和气压传感器BME680驱动模块、UART溶氧传感器驱动模块和增氧控制模块组成。此外,针对圈养桶养殖模式设计了基于消息队列传输协议的消息结构,同时为保障农业数据传输安全,采用SSL加密算法对信息进行加密。联调后可实现信息采集、增氧机构控制和数据传输等功能。(4)进行增氧装置的优化及性能测试。试验测试了电机与曝气器的距离d和电机的转速对增氧效果的影响,结果表明d为14 cm,控制电机转速的占空比设置为60%时增氧效果最佳。性能测试试验表明该装置的增氧能力为0.0748 kg/h,氧利用率为43.7%,基本满足高密度养殖的增氧需求。说明本文提出的增氧方案是合理可行的,对水产高密度圈养模式的增氧机发展具有一定参考价值。

关键词： 仪表设备   因素   意外事故   管理工作  

摘要： 当前我国经济飞速的发展，我国的工业化程度逐渐提升，化工仪表设备得到广泛的发展，化工仪表设备的正常运行对化工企业的发展具有重要意义，但是在实际的生产中设备会受到许多因素的影响，会出现设备故障等问题，仪表遭受损坏的情况会影响生产的正常运行，导致设备无法正常运行，这会对企业的发展造成不可逆的发展，给企业的经济带来重创，同时也会伤及员工的性命，因此，相关企业要维护好仪表的管理工作，有效防止意外事故的发生。

关键词： 列车车轮   自动探伤   PLC控制系统   伺服驱动器   增量式PID  

摘要： 列车在高速运行时,离不开高质量车轮的支撑,车轮作为列车的重要组成部分之一,是确保列车安全、高效运行的关键。列车车轮在机车厂铸造、加工的过程中轮辋会出现残留物(气孔、夹杂)等,车轮在投入使用前,需要通过探伤执行设备对轮辋等部位进行探伤,确保车轮以健康状态投入使用,进而保证列车安全高效运行。本文以车轮踏面、轮辋探伤的动作过程为主要研究内容,设计了对于车轮踏面、轮辋探伤的执行设备探伤动作过程的控制系统,实现探伤执行设备按照设定的运动轨迹高精度、高效率地完成自动化探伤的目的。(1)通过对探伤动作工艺流程进行分析,明确车轮探伤控制系统应实现的控制功能。以此为根据,完成PLC、伺服驱动器、伺服电机和液压电磁阀等硬件的选型,结合选择的硬件以及控制要求设计了探伤控制系统的总体方案。(2)设计了以西门子S7-1214C型PLC作为控制器,Lab VIEW开发环境作为上位机操作界面的车轮无损探伤控制系统。使用PLC对耦合液槽注排液、探头送进机构送进探头、探头探伤等动作控制功能进行设计;使用上位机对控制系统的登录界面、主界面、伺服参数配置界面等进行设计。(3)基于PROFINET通讯协议实现了S7-1214型PLC对V90伺服驱动器的EPOS基本定位控制方式,驱动器通过发送脉冲驱动电机配合减速机带动车轮转动,转动角度和角速度作为轮辋探伤探头的移动位移、速度使能值,通过PLC完成使能值模拟量的采样并把模拟量发送给伺服电机,带动探头在轮辋探伤。编码器将探头移动位移、速度反馈给PLC,PLC通过TCP通讯方式将反馈信息传送给上位机,实现了上位机PC与下位机PLC之间的数据交互。(4)将增量式PID算法应用到伺服电机的位置与速度的闭环控制中,通过人机界面观察控制过程中伺服电机的转度以及转速实时动态响应曲线。结合PLC与伺服电机进行PID调参功能的测试,通过观察上位机界面PID位置环以及速度环调参曲线,可以得出本文设计的控制系统控制精度比较高而且比较稳定,能够满足现场轮辋探头探伤动作高精度控制的要求,具有很强的实用性。

关键词： 杀鱼机   机器视觉   腹部切割  

摘要： 在渔业加工领域，无论是企业大规模流水线生产还是市场上的水产商家，杀鱼机都发挥着重要的作用。目前市场上的杀鱼机可以对指定体型大小的鱼进行剖腹、刮鳞、去内脏等工序，但对于剖腹工序来说，其剖腹刀具的位置是固定的，或者采用人工调节的方法来调节刀具的高度，自动化程度低，对不同品种和体型大小的鱼无法保证很好的加工质量，常常会造成鱼的腹部剖切不完全或者过度剖切。剖切不完全会影响后续的去内脏工序，而剖切深度过大则会导致胆囊划破，会影响鱼的卖相和口感。因此借助机器视觉技术找到鱼体的腹部轮廓以及腹部轮廓上的入刀点和出刀点，根据鱼体腹部轮廓的变化进行走刀剖切，可以有效地控制剖切深度并解决剖切不合适的问题。　　本文针对目前的杀鱼机剖腹刀具智能化不足的问题，运用机器视觉、图像处理技术研发了一套基于机器视觉的杀鱼机剖腹刀具自动控制系统，可对不同体型大小的四大家鱼实现针对性的腹部剖切。系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统主要包括夹持运动装置、驱动装置、图像采集装置、剖腹刀具调节机构和时序控制系统。软件系统主要包括人机交互界面设计、系统标定、图像预处理、特征点提取以及通讯模块。工作原理是检测装置和杀鱼机相对接，系统标定后，将鱼送入到检测装置中，驱动装置提供动力，夹持运动装置将鱼夹紧经过图像采集区域输送到杀鱼机中。对于鱼体图像，利用边缘检测、角点检测确定出刀点的位置;通过最小外接矩形的长边斜率、长宽比以及面积特征确定入刀点的位置;最后提取出两个点之间的腹部轮廓，结合标定技术，根据腹部轮廓上纵坐标的变化量转化为剖腹刀具控制机构丝杠的进给量，进而转变成电机正反转的圈数，最后通过单片机控制剖腹刀具调节结构，使剖腹刀具沿着鱼的腹部轮廓进行切割，提高了目前杀鱼机的智能化水平。　　本文主要的研究内容包括：　　（1）硬件系统设计：主要包括夹持运动装置、驱动装置、图像采集装置、剖腹刀具调节机构以及控制系统。包括关键部件的选型、设计计算等。关键点是夹持运动装置的设计以及控制系统的设计。　　（2）软件系统设计：主要包括主界面设计、系统标定、图像预处理、特征点提取以及通讯模块。关键点是入刀点和出刀点的提取、系统的标定。　　（3）系统实验：包括系统标定实验、剖腹刀具控制实验以及四大家鱼腹部轮廓提取实验。

关键词： 现场总线控制协议   上位机软件   自动控制   MFC   纳米材料合成  

摘要： 随着科学技术的不断发展,自动化技术正在不断融入到在各类自然学科的蓬勃发展当中。其中高质量纳米晶合成技术是以物理、化学等这些基础学科为基础发展起来的,最为广泛应用的高温热解法正是一种传统的化学实验手段。回顾历史,化学这门学科相关的科研人员一直以传统手工的操作方式来进行相关的科学实验,在实验过程中需要对相关的科研人员进行大量的熟练性训练,耗时耗力,而且实验结果往往因人而异,可重复性差,精密性差。而随着现代材料合成技术进入纳米时代,对化学实验的精密度、可重复性要求日益提高,这样传统手工的实验合成方式显然不能很好的适应物理、化学等自然科学的发展。那么自动化技术以及相关PC智能控制技术的出现为提高传统材料合成技术的精密性、可重复性、转换科研实验方式提供了新方法、新思路。国内外相关纳米晶纳米材料合成技术领域由于全自动纳米材料合成仪的诞生,改变了其发展现状。本研究组研制的这台仪器可以在没有实验人员看守的情况下高效合成形貌、尺寸精密可控,各批次可重复性优异的高质量纳米材料。然而,当前全自动纳米材料合成仪采用老式工控屏的控制方式来进行仪器控制。该控制方式虽然能很好地满足现有的基本纳米材料合成过程控制需求,但考虑到目前纳米材料合成技术的飞速发展趋势,现有基础型一对一的工控屏控制方式难以高效地满足未来大批量、形貌尺寸精密可控、批次可重复纳米材料合成的需求纳米晶。因此需要转换全自动纳米材料合成仪控制方式的设计开发思路,以PC端为主的智能PC控制技术成为了首选。当今,世界很多前沿尖端的核心技术都是以PC端智能控制技术为载体,包括但不限于人工智能、云计算、区块链、脑机接口等,这些技术都离不开PC端智能控制技术的加持。本文的主要创新为通过PC端基于Windows操作系统开发出一款面向全自动纳米材料合成仪纳米晶的控制系统。本论文主要有以下几个方面的研究内容:(1)总线控制协议基本内容与实现;(2)基于微软基础类库(MFC)核心控件的应用程序设计;(3)全自动纳米材料合成仪内部六大核心模块控制功能的设计。首先,在总线控制协议内容与实现方面,我们需要明确MODBUS总线协议和现场总线控制器外围链路(CPL)协议的基本内容以及控制策略。在分析总线协议的基本内容以及命令实现基础上,我们需要进一步从MFC出发,基于五大核心控件对上位机软件控制系统进行设计。其中,核心控件包括CStatic控件、CButton控件、CList Box控件、CCombo Box控件和CEdit控件。其次,我们需要使用CDialog类来实现整体软件控制系统的对话框功能。实时曲线的绘制以及串口功能的实现我们分别采用OScope Ctrl类和CSerial Port类来实现。最后,面向全自动纳米材料合成仪的温度、转子、注射、气流、气阀和气压这六大核心模块,我们需要明确其控制任务以及核心控制命令来对整体的控制功能进行设计开发。设计结束后还需要协调上位机软件控制系统的各类核心功能以及控制组件协同工作,并在具体的合成实验中来测试PC智能端对全自动纳米材料合成仪的控制效果。测试结果表明,我们设计的基于MFC的全自动纳米材料合成仪上位机软件控制系统可高效地控制全自动纳米材料合成仪进行高质量纳米晶纳米材料合成工作。

关键词： PLC   温度自动控制系统   设计  

摘要： 不管是在生活中还是在生产制造中，加强温度控制的精准性都十分重要。传统温度控制方式以位式调节器与PID控制器两种方式为主，已经无法有效满足当下温度控制的精度要求。为此本文提出了一种基于PLC的温度自动控制系统，分别进行了PLC设计与温度控制系统设计，并对设计完成的温度控制系统进行试验验证，有效证明了该系统不仅能够在不同环境温度下精准控制箱体内部温度，同时还可以保持较长时间的温度控制，具有很好的应用价值。

关键词： 微环谐振腔   自动控制   透射光谱   神经网络  

摘要： 随着光学与半导体行业的发展以及传统电子器件的发展瓶颈,“硅基集成光子学”正逐渐成为后摩尔时代的研究热点之一。相比于传统器件,硅光集成器件拥有带宽大、传输延时小以及抗电磁干扰等优势。在集成光子器件中,热光可调谐硅基微环谐振腔因其功耗低、制作工艺成熟、易于集成,成为了近年来集成光子领域研究的热点。但是对于许多应用场景中的多级级联硅基微环谐振腔,其透射光谱受多个驱动电极控制,加热电极导致的热串扰也将增加级联微环透射光谱的调控难度,且调控过程依赖于手动操作,缺少自动控制方法。随着大数据与人工智能技术的发展,在经典的图像识别、自然语言处理等领域之外,以神经网络为代表的深度学习技术在集成光子领域也存在广泛的应用场景。本文主要围绕级联微环谐振腔,对其自动控制与光谱预测方法进行了研究。论文各章节的主要内容如下:第一章介绍了课题的研究背景,包括微环谐振腔的发展、应用和热调技术的进展,以及神经网络技术在光子器件领域的应用等,并说明了微环自动控制以及使用神经网络预测微环透射光谱的研究意义。第二章对微环谐振腔的传输原理进行了介绍与建模,对微环谐振腔的透射谱与相位响应进行了仿真分析。并针对氮化硅级联微环芯片,设计编写了自动控制程序,并对其进行测试,实现了级联微环自动控制的目标。第三章首先介绍了全连接神经网络、卷积神经网络模型的架构并对神经网络正向预测、反向传播算法进行了推导。然后针对氮化硅级联微环芯片,在采集大量透射光谱与控制电压数据的基础上,设计并训练了全连接神经网络与卷积神经网络,实现了根据输入的控制电压数据预测透射光谱的功能。实验表明,全连接神经网络对测试集数据的预测平均误差为0.0013,而卷积神经网络的预测平均误差为0.00055,相比全连接神经网络降低了58%。第四章针对SOI可重构光子滤波器,在采集大量透射光谱与控制电压数据的基础上,设计并优化了神经网络。首先通过训练调参对全连接神经网络进行优化,实验数据表明,其测试集数据的预测平均误差为6.664。接着针对芯片在调控过程中的热串扰问题,在全连接神经网络的基础上设计了一种串扰层。其能够对输入的控制电压数据进行类似热串扰的等效计算,实验表明其预测能力有所提升,测试集数据的预测平均误差减小至6.412。另外,针对预测光谱与实际光谱消光比差异过大的问题,设计了基于消光比误差的损失函数,使得测试集数据的预测平均误差进一步减小至6.139。最后以全连接神经网络为基础,同时结合串扰层与基于消光比误差的损失函数,进一步将测试集数据的预测平均误差降低至5.199,相比最初的全连接网络降低了22%。

关键词： DAC模块   光接收模块   自动控制   高精度  

摘要： 随着科技迅速进步与社会需求的不断攀升,各行业对于大量数据交流的需求呈现螺旋式上升。因此,光子集成芯片作为一种新兴的应用,可以为现在越来越紧缺的电子芯片提供一种新的问题解决途径。与光子集成芯片相关的光互连技术,不仅有抗干扰能力强、功耗低等优点、还可克服电气互联的速度限制,正逐渐成为新一代通信技术的重要发展方向。光子集成芯片中的光开关阵列,能够起到控制光路通断与切换光路的作用,因此可以实现电光调制和光路由等功能。为驱动光波导开关阵列实现信号的调制,则需要对较多数量光路进行电驱动。本文针对多电极光子集成芯片电压调校过程繁琐,或者由驱动电压精度不足所引起的光路控制现象不明显等问题,设计了一种基于STM 32的自动调校驱动电压的驱动电路系统。不仅降低了成本,实现了对光芯片输出信号实时检测与控制,还缩短了电压调校的时间,有效提高了光开关阵列驱动电压精确度。首先,本文详细介绍了光子集成芯片中的热光开关的工作原理及其驱动方式。实验所采用的热光开关具有1个光纤输入端口和16个平行光纤输出端口,根据热光效应利用34个电极来对芯片进行驱动。本文采用载板共地的方法仅用31路输出电压即可实现对芯片的控制。接着,对驱动电路系统整体结构与硬件电路进行了设计。主要包括主控模块,驱动模块和光接收模块。驱动模块实现了32路控制信号输出,可对光芯片进行电压驱动,并控制其输出调制光信号;光接收模块能够实现光功率探测、增益可调的光电转换功能,可实时探测光芯片输出光功率,并将光电转换后的电信号传送给主控模块中的模数转换器;主控模块根据接收并记录芯片的输出状态,在调节光接收模块的光电转换过程中放大增益后,利用手动控制功能或自动调节功能来实现光芯片较为理想驱动电压的筛选功能。之后利用触摸显示屏实现人机交互,并通过与上位机连接的串口实现各种电压或频率的驱动电信号给予光芯片,控制其输出较理想的光调制信号。然后对系统的软件部分进行了设计。包括手动电压控制、自动电压遍历两种功能,并分析了两种功能的程序执行流程。还对涉及到的A/D三重转换原理、SPI通信的时序控制逻辑、串口通信及串口缓存队列等程序进行了介绍并分析了其工作原理。最后,对本文设计的驱动电路系统输出电压准确性,和对光开关芯片的控制功能分别进行了实验。结果表明,驱动电路可实现0 V到20 V范围的电压输出,实际电压输出值与设定值误差小于的1%,输出的控制电压精确度可达5 m V。联合热光开关芯片进行系统测试,在红外CCD相机下观测,系统的手动功能可实现光芯片的光路通断控制与切换。自动遍历电压功能可实现光芯片驱动电压的自动校正,并实现了电光调制功能,验证了系统的可靠性。自动电压遍历功能与手动控制相比,电压偏离绝对值不大于20 m V。证实了此系统的实用性,并且其低廉的成本与高精度的控制在片上光互联的开关阵列等方向具有良好的应用前景。

摘要： 《自动控制原理》课程教授对象广泛，层次也较高，他们是将来建设祖国、推动社会进步的中坚力量，因此在该门课程中进行思政建设，受众面广、影响大。本文总结了南京工业大学电气工程与控制科学学院在《自动控制原理》课程思政建设方面的探索与实践。

关键词： 炼油厂   自动控制系统   设计  

摘要： 近年来，伴随着炼油厂所承担的生产任务越发艰巨，再加上各个炼油厂之间存在着激烈的竞争，为有效加快炼油厂的现代化发展步伐，各个炼油厂都在开展自动控制系统的建设，以通过这一控制系统来对相关的生产要素加以自动化管控，提高生产效率与效益。但因为每个炼油厂都有各自的特点，在开展自动控制系统时需从自身的实际出发，保障系统功能的完整性。基于此，本文重点研究了炼油厂自动控制系统的设计思路，可给炼油厂的自动化建设提供指导。