探討科研工作在自動控制原理教學中發揮的作用

趙燕東 王海蘭

摘 要:本文將科研項目“土壤墑情實時監測系統的研究”結果與自動控制原理教學緊密結合,以土壤墑情這個大滯后系統為研究對象,以降雨作為δ輸入函數,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在δ函數作用下的響應,加深學生對控制系統的認識,收到了較好的教學效果。

關鍵詞:科研 自動控制原理 土壤墑情 δ函數 降雨

自動控制原理是自動化專業最主要的專業基礎課。該課程涉及控制系統的模型建立、系統分析、系統設計的基礎理論和相關技術。其特點是概念抽象、數學含量大、計算繁雜,使學生難于理解,根據多年的教學經驗:大多數學生在學習完自動控制原理這門課后,都不能很好地將所學知識與實際工作結合起來,不知道該如何應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的內容上,還是教學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中來。

本文作者長期從事土壤墑情實時監測的研究,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干擾。即可構成一個土壤墑情實時監測系統(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)來對一個系統的動態性能和穩態性能進行分析綜合。其中當采用時域分析法來討論一個系統的性能時,選取一個合適的典型輸入信號作為被測系統的輸入,是問題研究的重要前提,然后觀察系統在這個輸入下的輸出,從而達到研究其動態性能與穩態性能的目的。在教學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,學生對現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,作用到土壤墑情監測系統上,來研究剖析其動態、穩態性能。

一、系統構成

本研究系統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、系統響應

由土壤水分傳感器實時監測土壤墑情,如圖4所示:

由此可以看出土壤墑情實時監測系統在脈沖信號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定后,土壤含水率在各種因素的影響下開始平穩下降,由此,可以計算系統的上升時間、土壤墑情變化速率等參數。

三、干擾對系統的影響分析

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測系統的輸入信號,將種植的甜菜和玉米對水的需求作為系統的干擾,實時監測土壤墑情。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)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測系統與裸土系統的上升時間基本一致,但含水率的最大值要低于裸土系統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、結束語

本文首先闡述了一個開環系統的組成、研究系統性能時常用的典型輸入信號。結合科研項目“土壤墑情實時監測系統的研究”,以土壤墑情這個大滯后系統為研究對象,以降雨作為δ輸入函數,以甜菜及玉米作為系統干擾,系統地分析了土壤墑情系統在 函數作用下的動態、穩態性能,加深學生對控制系統的認識,收到了較好的教學效果。

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