探讨科研工作在自动控制原理教学中发挥的作用

赵燕东 王海兰

摘 要:本文将科研项目“土壤墒情实时监测系统的研究”结果与自动控制原理教学紧密结合,以土壤墒情这个大滞后系统为研究对象,以降雨作为δ输入函数,分别研究裸露土壤墒情、甜菜土壤墒情及玉米土壤墒情系统在δ函数作用下的响应,加深学生对控制系统的认识,收到了较好的教学效果。

关键词:科研 自动控制原理 土壤墒情 δ函数 降雨

自动控制原理是自动化专业最主要的专业基础课。该课程涉及控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基础理论和相关技术。其特点是概念抽象、数学含量大、计算繁杂,使学生难于理解,根据多年的教学经验:大多数学生在学习完自动控制原理这门课后,都不能很好地将所学知识与实际工作结合起来,不知道该如何应用自动控制原理的理论知识来解决实际问题。因此要求该课程无论在教学的内容上,还是教学方式上都要有所更新,本文试探地将科研项目引入到自动控制原理的教学中来。

本文作者长期从事土壤墒情实时监测的研究,土壤墒情是影响植物生长的一个重要因素,而影响土壤墒情的因素又非常多,例如:降雨、人工灌溉等因素。如果将土壤看成被控体,土壤含水率就是被控量,以上影响土壤含水率的任何一个因素都可以看成是系统的输入,种植在土壤上的作物对土壤墒情的影响可以看作是系统干扰。即可构成一个土壤墒情实时监测系统(如图1所示)。

自动控制原理中着重讲述了采用三种方法(时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法)来对一个系统的动态性能和稳态性能进行分析综合。其中当采用时域分析法来讨论一个系统的性能时,选取一个合适的典型输入信号作为被测系统的输入,是问题研究的重要前提,然后观察系统在这个输入下的输出,从而达到研究其动态性能与稳态性能的目的。在教学中常用到的典型输入信号有:单位阶跃信号、单位脉冲δ信号,单位斜坡信号和正弦信号等,学生对现实生活中什么样的情况可以看作这些信号不清楚。

本文将一次降雨看作是一个典型的脉冲输入信号,作用到土壤墒情监测系统上,来研究剖析其动态、稳态性能。

一、系统构成

本研究系统以土壤墒情为研究对象,将土壤水分传感器埋入距地面20cm的土壤中(见图2),实时监测土壤含水率。以降雨作为脉冲输入信号。观测从2008年7月至2008年10月的土壤墒情变化。当年降雨如图3所示。

二、系统响应

由土壤水分传感器实时监测土壤墒情,如图4所示:

由此可以看出土壤墒情实时监测系统在脉冲信号δ(降雨)的作用下,土壤含水率滞后8小时开始上升,保持一段时间的相对稳定后,土壤含水率在各种因素的影响下开始平稳下降,由此,可以计算系统的上升时间、土壤墒情变化速率等参数。

三、干扰对系统的影响分析

针对裸露的土壤、种有甜菜的和种有玉米的土壤中同时做上述实验,仍然将降雨作为土壤墒情监测系统的输入信号,将种植的甜菜和玉米对水的需求作为系统的干扰,实时监测土壤墒情。在同一次降雨的作用下,三种土壤墒情变化,如图5所示:

种植玉米的土壤墒情与没有干扰(裸土系统)的土壤墒情相比,它们上升时间和土壤含水率最大值非常接近,但由于玉米根部的吸水性导致其土壤含水率较裸土含水率下降速度快;种植甜菜的土壤墒情监测系统与裸土系统的上升时间基本一致,但含水率的最大值要低于裸土系统和种植玉米的最大土壤含水率,由于甜菜的根茎比玉米的根茎粗壮,保水性能较好,导致种植甜菜的土壤墒情变化比种植玉米的土壤墒情变化缓慢。

四、结束语

本文首先阐述了一个开环系统的组成、研究系统性能时常用的典型输入信号。结合科研项目“土壤墒情实时监测系统的研究”,以土壤墒情这个大滞后系统为研究对象,以降雨作为δ输入函数,以甜菜及玉米作为系统干扰,系统地分析了土壤墒情系统在 函数作用下的动态、稳态性能,加深学生对控制系统的认识,收到了较好的教学效果。

参考文献

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[2]窦曰轩.自动控制原理[M].北京:机械工业出版社,2006.10

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