探討科研工作在自動控制原理教學(xué)中發(fā)揮的作用

趙燕東 王海蘭

摘 要:本文將科研項目“土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究”結(jié)果與自動控制原理教學(xué)緊密結(jié)合,以土壤墑情這個大滯后系統(tǒng)為研究對象,以降雨作為δ輸入函數(shù),分別研究裸露土壤墑情、甜菜土壤墑情及玉米土壤墑情系統(tǒng)在δ函數(shù)作用下的響應(yīng),加深學(xué)生對控制系統(tǒng)的認識,收到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:科研 自動控制原理 土壤墑情 δ函數(shù) 降雨

自動控制原理是自動化專業(yè)最主要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程涉及控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)。其特點是概念抽象、數(shù)學(xué)含量大、計算繁雜,使學(xué)生難于理解,根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗:大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)完自動控制原理這門課后,都不能很好地將所學(xué)知識與實際工作結(jié)合起來,不知道該如何應(yīng)用自動控制原理的理論知識來解決實際問題。因此要求該課程無論在教學(xué)的內(nèi)容上,還是教學(xué)方式上都要有所更新,本文試探地將科研項目引入到自動控制原理的教學(xué)中來。

本文作者長期從事土壤墑情實時監(jiān)測的研究,土壤墑情是影響植物生長的一個重要因素,而影響土壤墑情的因素又非常多,例如:降雨、人工灌溉等因素。如果將土壤看成被控體,土壤含水率就是被控量,以上影響土壤含水率的任何一個因素都可以看成是系統(tǒng)的輸入,種植在土壤上的作物對土壤墑情的影響可以看作是系統(tǒng)干擾。即可構(gòu)成一個土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)(如圖1所示)。

自動控制原理中著重講述了采用三種方法(時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法)來對一個系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進行分析綜合。其中當采用時域分析法來討論一個系統(tǒng)的性能時,選取一個合適的典型輸入信號作為被測系統(tǒng)的輸入,是問題研究的重要前提,然后觀察系統(tǒng)在這個輸入下的輸出,從而達到研究其動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能的目的。在教學(xué)中常用到的典型輸入信號有:單位階躍信號、單位脈沖δ信號,單位斜坡信號和正弦信號等,學(xué)生對現(xiàn)實生活中什么樣的情況可以看作這些信號不清楚。

本文將一次降雨看作是一個典型的脈沖輸入信號,作用到土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)上,來研究剖析其動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

本研究系統(tǒng)以土壤墑情為研究對象,將土壤水分傳感器埋入距地面20cm的土壤中(見圖2),實時監(jiān)測土壤含水率。以降雨作為脈沖輸入信號。觀測從2008年7月至2008年10月的土壤墑情變化。當年降雨如圖3所示。

二、系統(tǒng)響應(yīng)

由土壤水分傳感器實時監(jiān)測土壤墑情,如圖4所示:

由此可以看出土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)在脈沖信號δ(降雨)的作用下,土壤含水率滯后8小時開始上升,保持一段時間的相對穩(wěn)定后,土壤含水率在各種因素的影響下開始平穩(wěn)下降,由此,可以計算系統(tǒng)的上升時間、土壤墑情變化速率等參數(shù)。

三、干擾對系統(tǒng)的影響分析

針對裸露的土壤、種有甜菜的和種有玉米的土壤中同時做上述實驗,仍然將降雨作為土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的輸入信號,將種植的甜菜和玉米對水的需求作為系統(tǒng)的干擾,實時監(jiān)測土壤墑情。在同一次降雨的作用下,三種土壤墑情變化,如圖5所示:

種植玉米的土壤墑情與沒有干擾(裸土系統(tǒng))的土壤墑情相比,它們上升時間和土壤含水率最大值非常接近,但由于玉米根部的吸水性導(dǎo)致其土壤含水率較裸土含水率下降速度快;種植甜菜的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)與裸土系統(tǒng)的上升時間基本一致,但含水率的最大值要低于裸土系統(tǒng)和種植玉米的最大土壤含水率,由于甜菜的根莖比玉米的根莖粗壯,保水性能較好,導(dǎo)致種植甜菜的土壤墑情變化比種植玉米的土壤墑情變化緩慢。

四、結(jié)束語

本文首先闡述了一個開環(huán)系統(tǒng)的組成、研究系統(tǒng)性能時常用的典型輸入信號。結(jié)合科研項目“土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究”,以土壤墑情這個大滯后系統(tǒng)為研究對象,以降雨作為δ輸入函數(shù),以甜菜及玉米作為系統(tǒng)干擾,系統(tǒng)地分析了土壤墑情系統(tǒng)在 函數(shù)作用下的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能,加深學(xué)生對控制系統(tǒng)的認識,收到了較好的教學(xué)效果。

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