趙燕東 王海蘭

摘 要:本文將科研項(xiàng)目“土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究”結(jié)果與自動(dòng)控制原理教學(xué)緊密結(jié)合,以土壤墑情這個(gè)大滯后系統(tǒng)為研究對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),收到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:科研 自動(dòng)控制原理 土壤墑情 δ函數(shù) 降雨

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)最主要的專(zhuān)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(jì)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)。其特點(diǎn)是概念抽象、數(shù)學(xué)含量大、計(jì)算繁雜,使學(xué)生難于理解,根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn):大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)完自動(dòng)控制原理這門(mén)課后,都不能很好地將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工作結(jié)合起來(lái),不知道該如何應(yīng)用自動(dòng)控制原理的理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。因此要求該課程無(wú)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(xiàng)目引入到自動(dòng)控制原理的教學(xué)中來(lái)。

本文作者長(zhǎng)期從事土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究,土壤墑情是影響植物生長(zhǎng)的一個(gè)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(gè)因素都可以看成是系統(tǒng)的輸入,種植在土壤上的作物對(duì)土壤墑情的影響可以看作是系統(tǒng)干擾。即可構(gòu)成一個(gè)土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如圖1所示)。

自動(dòng)控制原理中著重講述了采用三種方法(時(shí)域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法)來(lái)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析綜合。其中當(dāng)采用時(shí)域分析法來(lái)討論一個(gè)系統(tǒng)的性能時(shí),選取一個(gè)合適的典型輸入信號(hào)作為被測(cè)系統(tǒng)的輸入,是問(wèn)題研究的重要前提,然后觀察系統(tǒng)在這個(gè)輸入下的輸出,從而達(dá)到研究其動(dòng)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(hào)有:單位階躍信號(hào)、單位脈沖δ信號(hào),單位斜坡信號(hào)和正弦信號(hào)等,學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中什么樣的情況可以看作這些信號(hào)不清楚。

本文將一次降雨看作是一個(gè)典型的脈沖輸入信號(hào),作用到土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上,來(lái)研究剖析其動(dòng)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(duì)象,將土壤水分傳感器埋入距地面20cm的土壤中(見(jiàn)圖2),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水率。以降雨作為脈沖輸入信號(hào)。觀測(cè)從2008年7月至2008年10月的土壤墑情變化。當(dāng)年降雨如圖3所示。

二、系統(tǒng)響應(yīng)

由土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情,如圖4所示:

由此可以看出土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在脈沖信號(hào)δ(降雨)的作用下,土壤含水率滯后8小時(shí)開(kāi)始上升,保持一段時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定后,土壤含水率在各種因素的影響下開(kāi)始平穩(wěn)下降,由此,可以計(jì)算系統(tǒng)的上升時(shí)間、土壤墑情變化速率等參數(shù)。

三、干擾對(duì)系統(tǒng)的影響分析

針對(duì)裸露的土壤、種有甜菜的和種有玉米的土壤中同時(shí)做上述實(shí)驗(yàn),仍然將降雨作為土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào),將種植的甜菜和玉米對(duì)水的需求作為系統(tǒng)的干擾,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(méi)有干擾(裸土系統(tǒng))的土壤墑情相比,它們上升時(shí)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(cè)系統(tǒng)與裸土系統(tǒng)的上升時(shí)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(yǔ)

本文首先闡述了一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的組成、研究系統(tǒng)性能時(shí)常用的典型輸入信號(hào)。結(jié)合科研項(xiàng)目“土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究”,以土壤墑情這個(gè)大滯后系統(tǒng)為研究對(duì)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(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能,加深學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),收到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理第四版[M].北京:科學(xué)出版社,2007

[2]竇曰軒.自動(dòng)控制原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.10

[3]趙燕東.基于駐波率原理的土壤水分測(cè)量方法與傳感器的研究[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1999

[4]隋媛. 冷季型草坪草抗旱生理與節(jié)水灌溉的研究[D].北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院,2006

[5]匡秋明,趙燕東,白陳祥.節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(6):136-139