水平盐穴储气库形态探测器控制系统设计

摘要

盐穴储气库是利用水溶方法，在地下盐层中形成大小和形状各不相同的人造盐腔，用来存储天然气，以满足天然气供气和调峰以及战略储备的需求。因地质条件和采用的水溶方式不同，形成的盐腔分为竖直型和水平型两类。
　　我国有着悠久的采盐历史，在江苏、湖北、安徽等地拥有大量的废弃盐腔，利用废弃盐腔进行天然气储备，具有经济、环保、高效等优点。但是，废弃的盐腔不能直接用于天然气存储，必须进行改造，前提是需要对废弃盐腔进行形态检测。目前，世界上针对废弃盐腔的形态检测，最常用的方法是声呐检测技术，然而传统的声呐检测技术是针对竖直型盐腔设计的，对我国存在的大多数水平盐腔无法实现形态检测。
　　本文设计了一种基于水平盐穴储气库的形态探测器控制系统。系统采用“3机3桨”方式实现探测器的自动运动，采用声呐检测技术在水平盐腔中检测腔体形态，并将测量信息返回至地面监控系统处理、显示，并实现探测器的远程控制。论文提出了探测器控制系统的整体设计方案，包括地面和地下监控系统两部分。地面监控系统由PC机和通讯线路构成，完成盐穴形态数据的处理及成像，实现地面与地下监控系统的信息交换。地下监控系统包括中央控制单元、信息测量模块、运动控制模块、导航模块和通讯模块。中央控制单元是探测器的控制核心，与探测器的工作状态和可靠性密切相关。信息测量和导航模块用于检测探测器周围环境和自身姿态，为运动控制提供依据。通讯模块将测量信息通过光纤传输至地面监控系统，进行数据处理、显示，并将控制信号反馈至中央控制单元，通过运动控制模块实现探测器的自动运动。
　　论文完成了控制系统的硬件和软件设计及系统实验，采用单波束前视图像声呐881A检测盐腔的三维形态特征并传输至地面监控系统。选用磁阻传感器及信号调理电路构成地磁场检测模块，测量探测器的航向角。利用温度传感器和LM324运算放大器完成系统电池监测。采用C8051F020单片机及外围电路组成控制系统，完成信号的采集处理以及探测器的驱动控制。应用C语言编程实现信号的采集处理、探测器的运动控制以及地下和地面监控系统的信息交换。设计了模糊PID控制器，构成角度控制闭环系统，对模糊PID控制器进行了仿真实验，实验结果表明模糊PID控制与传统PID控制相比，具有控制精度高、适应性强、鲁棒性好等优点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 盐穴储气库

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究动态

1．3 主要研究工作

第二章 控制系统整体设计方案

2．1 探测器结构

2．2 探测器控制系统结构

2．3 控制系统设计方案

2．3．1 控制系统硬件设计方案

2．3．2 控制系统软件设计方案

2．4 本章小结

第三章 控制系统硬件设计

3．1 主控芯片C8051F020

3．1．1 C8051F020结构

3．1．2 C8051F020特点

3．2 信息测量模块设计

3．3 导航模块设计

3．4 运动控制模块设计

3．5 辅助电路模块设计

3．5．1 电源模块

3．5．2 通讯模块

3．5．3 电池监测模块

3．6 系统硬件抗干扰设计

3．6．1 内部干扰

3．6．2 外部干扰

3．7 本章小结

第四章 控制系统软件设计

4．1 系统集成开发环境

4．2 系统资源初始化

4．2．1 时钟初始化

4．2．2 I／O端口初始化

4．2．3 串口初始化

4．2．4 PCA模块初始化

4．2．5 ADC0初始化

4．3 各功能模块程序流程

4．3．1 磁阻传感器信号采集处理程序

4．3．2 电机驱动控制程序

4．3．3 串行通信模块程序

4．4 本章小结

第五章 模糊PID控制器结构设计

5．1 模糊控制理论

5．1．1 模糊控制技术

5．1．2 模糊集合

5．1．3 隶属度函数

5．2 模糊控制器设计

5．2．1 精确输入量模糊化设计

5．2．2 模糊规则库的建立

5．2．3 模糊推理

5．2．4 模糊输出量精确化设计

5．3 模糊PID控制

5．3．1 PID控制原理

5．3．2 模糊PID控制策略

5．4 模糊PID控制器算法实现

5．5 本章小结

第六章 实验与分析

6．1 磁阻传感器数据测量结果与分析

6．2 PWM输出波形测试与分析

6．3 模糊PID仿真实验与分析

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

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