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是國家果茶良種場XX省優(yōu)質(zhì)果茶良種繁育場，是國家“九五”種子工程在湖南實施的重點項目，建于1998年8月，1999年三月由農(nóng)業(yè)部授名為“國家（湖南）果茶良種場”。
廠址位于XX市西郊雷鋒大道7公里處，占地面積620畝。為加速實施全省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，先后從美國﹑法國﹑埃及﹑日本及國內(nèi)10多個省市科研育種單位引進優(yōu)質(zhì)果茶品種資源158個，優(yōu)質(zhì)果茶種苗40多萬株，建成果茶母本園150畝。每年可向社會提供優(yōu)質(zhì)果茶苗木200多萬株，果茶母（接）穗1萬公斤以上，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶產(chǎn)品1000噸以上。
果茶場也是省城第一座以品茶、園藝、垂釣為主題的農(nóng)業(yè)觀光園。這里空氣清新，景色怡人。春有草莓、櫻桃、“明前”茶；夏有枇杷、蘋果、葡萄、桃、李、楊梅、無花果與瓜類；秋有板栗、柿、棗、梨、獼猴桃；冬有柑桔、橙類等。一年四季。百果飄香，是個名副其實的“百果園”。
該廠第二期工程將于2003年完成，面積將擴至1000多畝。年生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶苗木將達到1000萬株，優(yōu)質(zhì)果茶產(chǎn)品產(chǎn)量也將成倍增加，更多的農(nóng)業(yè)高新技術將落戶該場。果茶苗木和產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢測、采后處理、加工和多種農(nóng)業(yè)觀光設施將全部完善和配置。屆時，一個全新的高科技生態(tài)農(nóng)業(yè)示范、觀光園將會展現(xiàn)在你的面前。
百果園是農(nóng)業(yè)高科技的結(jié)晶，而滴灌系統(tǒng)是其中的重中之重。百果園現(xiàn)建成的620畝果園，全部由從以色列引進的先進滴噴灌系統(tǒng)控制，該園地勢起伏較大，最高處海拔達86.60m，最低處64.72m，傳統(tǒng)灌水方式很難進行，而先進的滴灌系統(tǒng)由于對地形的適應能力強，而且特別適應山地丘陵地區(qū)，所以滴灌正好大施其能，由低處水庫中取水，經(jīng)過過濾加壓，然后由遍布全園的各種管道把帶有肥料、除蟲劑的水準確地送到每片需水地園中，保證果樹的正常需水。不過其系統(tǒng)自動化程度不高，全園僅能使用微機控制電磁閥的開啟，不能精確實現(xiàn)作物的輪灌、對灌水時間和灌水量還不能實現(xiàn)有效的控制，有望進一步提高。
2滴灌系統(tǒng)
滴灌就是滴水灌溉技術，它是利用低壓管道系統(tǒng)，使滴灌水成點滴地、緩慢地、均勻而又定量地浸潤作物根系最發(fā)達的區(qū)域，使作物主要根系活動區(qū)的土壤始終保持在最優(yōu)含水狀態(tài)。滴灌不同于傳統(tǒng)的地面灌溉濕潤全面積土壤，因此滴灌有節(jié)約灌溉用水量、促進作物生長和提高產(chǎn)量的作用，是一種很有發(fā)展前途的局部灌水技術。
百果園主要種植柑桔、葡萄、水蜜桃、茶等低矮果樹，如果采用其它灌水方法，不僅浪費水資源，而且很難保證滿足果樹的需水量，而滴灌具有省水節(jié)能、省工省地省肥、操作簡單，易于實現(xiàn)自動化、對土壤地形適應性強、保護和保持生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，所以滴灌成為了百果園地首選。
2.1百果園滴灌系統(tǒng)的組成
百果園滴灌系統(tǒng)主要由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和尾部設備灌水器以及流量、壓力控制部件和測量儀表等組成，如圖所示。全園滴灌系統(tǒng)組成示意圖：
1.水源2．水泵3.供水管4.蓄水池5.逆止閥6.施肥開關7.灌水總開關8.壓力表
9.主過濾器10.水表11.支管12.微噴頭13.滴頭14.毛管(滴灌帶、滲灌管)
15.滴灌支管16.尾部開關(電磁閥)17.沖洗閥18.肥料罐19.肥量調(diào)節(jié)閥20.施肥器21.干管
2.1.1水源
江河、湖泊、水庫、井、渠、泉等水質(zhì)符合微灌要求的均可作為水源，百果園采用從園中的水庫中取水。
2.1.2首部樞紐
百果園的首部樞紐包括泵組、動力機、肥料罐、過濾設備、控制閥、進排氣閥、壓力表、流量計等。其作用是從水庫中取水增壓并將其處理成符合微灌要求的水流送到系統(tǒng)中去。百果園中采用五級加壓式離心泵，在水庫中取水，現(xiàn)取現(xiàn)用，計劃建一水塔蓄水。
2.1.3輸配水管網(wǎng)
輸配水管網(wǎng)的作用是將首部樞紐處理過的水按照要求輸送分配到每個灌水單元和灌水器。包括干、支管和毛管三級管道，毛管是微灌系統(tǒng)末級管道，其上安裝或連接灌水器。微灌系統(tǒng)中直徑小于或等于63毫米的管道常用聚乙烯(PE)管材，大于63毫米的常用聚氯乙烯（PVC）管材。百果園中干、支管采用PVC管和UPVC管，毛管采用PE管。
2.1.4尾部設備
尾部設備是微灌系統(tǒng)的關鍵部件，包括微管和與之相聯(lián)的灌水器(小微管、滴頭、微噴頭、滴灌帶、滲灌頭、滲灌管等)插桿等。灌水器將微灌系統(tǒng)上游所來的壓力水消能后將水成滴狀、霧狀等施于所需灌溉的作物根部或葉面。
2.2百果園滴灌灌溉系統(tǒng)
灌溉系統(tǒng)的第一期工程是由以色列的普拉斯托公司負責承建，全園采用先進的滴、噴灌相結(jié)合的微灌節(jié)水技術，是我國南方發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的典范，其具體情況見下：
2.2.1設計原則
滴灌灌溉系統(tǒng)設計除了滿足節(jié)水、節(jié)能、省力等之外，通常應遵循以下主要原則：
①必須滿足果園果樹生長對水分的要求；
②灌溉系統(tǒng)設計應結(jié)合耕作實際，便于操作；
③應使所選擇的灌水方法既能滿足作物的灌溉要求，又不因灌溉而造成病害、蟲害的發(fā)生；
④在盡可能的情況下，灌溉系統(tǒng)設計時應考慮施肥及噴藥裝置；
⑤在盡可能的情況下，應使灌溉系統(tǒng)在滿足灌溉要求的同時，工程建設的綜合造價最小。
2.2.2設計步驟
2.2.2.1資料的收集在系統(tǒng)設計時，必須掌握以下資料：
①地形資料：根據(jù)實際情況測繪大比例尺地形圖，其中包括果園的平面布置、道路、水源位置、高差等。
②土壤資料：主要是土壤理化性質(zhì)、地下水埋藏深度和土層厚度等。土壤理化性質(zhì)主要包括土壤類別、干容重、含鹽情況、土壤田間持水率等。
③氣象資料：區(qū)域年均降雨量及季節(jié)分布、平均氣溫、極端氣溫（包括最高、最低氣溫）、最大凍土層深度、無霜期、蒸騰蒸發(fā)資料等。
④水源資料：水源屬性（個人或集體）、種類、水源位置、水質(zhì)、含沙情況、水位、供水能力、利用和配套情況等。若水源為機井時，還應調(diào)查機井的靜水位和動水位，當?shù)叵滤惠^淺時，一定要調(diào)查清楚地下水位及其周年變化規(guī)律。若水源為渠水時，應調(diào)查清楚水源的含泥沙種類、含沙量、水位、供水時間、可能的配水時間等。同時，還應特別注意水源的保證率問題，不論是只用于果園的水源還是與周圍大田混用的水源，都應考慮這個問題。
⑤百果園作物種植資料：其中包括作物的種類、種植密度（其中最主要的是行距和株距）等。
⑥百果園的環(huán)境資料：包括百果園周圍的地形、交通和供電等。
2.2.2.2灌水方法的選擇灌水方法選擇適當與否，除了影響工程投資外，還直接影響著灌溉系統(tǒng)的效益發(fā)揮和灌溉保證率。因此，應根據(jù)作物種類、作物的種植制度、種植季節(jié)、水源情況、果園設施情況、工程區(qū)社會經(jīng)濟情況等，合理地選擇相對投資較省、灌溉保證率較高且有利于果園果樹生長的灌水方法。百果園灌溉系統(tǒng)的灌水方法采用以滴灌為主，滴噴灌相結(jié)合的方式。
2.2.2.3滴灌系統(tǒng)布置，百果園滴灌系統(tǒng)的管道分干管、支管和毛管等三級，布置時干、支、毛三級管道要求盡量相互垂直，以使管道長度和水頭損失最小。通常情況下，園內(nèi)一般出水毛管平行于種植方向，支管垂直于種植方向。
2.2.2.4滴灌灌溉制度的擬定
①灌水定額：是指作為滴灌系統(tǒng)設計的單位面積上的一次灌水量，如果用灌水深度表示，可用式（4-8）計算，即
H——計劃濕潤層深度（米），一般蔬菜0.20-0.30米深根蔬菜或果樹0.3-1.0米；
p——土壤濕潤比，70%-90%。
②設計灌水周期：滴灌設計灌水周期是指按一定的灌水定額灌水后，在作物適宜土壤含水率的條件下，保障作物正常生長的可能延續(xù)時間T，用式（4－9）計算，即
③一次灌水延續(xù)時間：一次灌水延續(xù)時間是指把設計灌水定額水量，在不產(chǎn)生徑流的條件下，均勻分布于果園田間所用的灌水時間，用式（4－10）計算，即
i.輪灌區(qū)數(shù)目的確定：（a）對于固定式滴灌系統(tǒng)，輪灌區(qū)數(shù)目可按式（4-11）計算：（b）對于移動式滴灌系統(tǒng)，則有：
ii.一條毛管的控制灌溉面積：（a）對于固定式滴灌系統(tǒng)，毛管固定在一個位置上灌水，控制面積為
f=SeL(4-13)
式中f——每條毛管控制的灌溉面積（平方米）
L——毛管長度（米），移動式滴灌系統(tǒng)中為出流毛管長度。
（b）對于移動式滴灌系統(tǒng)，一條毛管控制的灌溉面積為
2.2.2.5滴灌系統(tǒng)控制灌溉面積大小的計算在灌溉水源能夠得到充分保證的條件下，滴灌面積的大小取決于管道的輸水能力。對于水源流量不能滿足整個區(qū)域需要時，滴灌面積為
2.2.2.6管網(wǎng)水力計算滴灌系統(tǒng)各級管道布置好以后，即可從最末端或最不利毛管位置開始，逐級推算各級管道的水頭損失（包括沿程水頭損失和局部水頭損失）。在設計中，同一條支管上的第一條毛管最前端出水孔處水頭與最末一條毛管最末端出水孔處水頭之間的差值，不超過滴頭設計工作壓力的20％，流量差值不超過10％；對于采用壓力補償式滴水器時，僅要求區(qū)域內(nèi)滴頭流量差值不超過10％，并據(jù)此確定支、毛管的最大設計長度；在滴灌中，由于管網(wǎng)中水流壓力通常小于0．3兆帕，所以多選用PVC塑料管道。管道中水流在運動過程中的壓力損失通常包括沿程阻力損失和局部阻力損失。工程設計中塑料管道的沿程阻力損失常選用式（4－16）、（4－17）計算，局部阻力損失常用式（4－18）計算。①沿程阻力損失hf
當管道有多個出水口時，管道的沿程阻力應考慮多口出流對沿程阻力的折減問題，多口出流折減系數(shù)k，對應計算公式
②局部阻力hj
工程設計中為了計算方便，局部阻力損失也常按沿程阻力損失hf的10％估算。
2.2.2.7管道系統(tǒng)設計包括各級管道的管材與管徑的選擇、各級固定管道的縱剖面設計、管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。
①管材的選擇：可用于灌溉的管道種類很多，應該根據(jù)滴灌區(qū)的具體情況，如地質(zhì)、地形、氣候、運輸、供應以及使用環(huán)境和工作壓力等條件，結(jié)合各種管材的特性及適用條件進行選擇。一般情況下，對于地理固定管道，可選用鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥管、石棉水泥管、鑄鐵管和硬塑料管。鋼管易銹蝕和腐蝕，最好不要選用。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，地埋管道多選用塑料管。選用塑料管時一定要注意，不同材質(zhì)的塑料管在幾何尺寸相同的情況下可承受的工作壓力相差甚遠，特別是在使用低密度聚乙烯管（PE管）時，一定要注意管壁的厚度是否達到了能承受系統(tǒng)所要求壓力的厚度，若沒有達到，千萬不能使用，否則將會埋下隱患，造成運行時管道發(fā)生爆破，甚至導致整個管道系統(tǒng)癱瘓。用于滴灌地埋管道的塑料管，最好選用硬聚氯乙烯管（UPVC管）。對于口徑150毫米以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能價格比上的優(yōu)勢下降，應通過技術經(jīng)濟分析選擇合適的管材。塑料管經(jīng)常暴露在陽光下使用，易老化，縮短使用壽命。因此，地面移動管最好不采用塑料管。
②管徑的選擇：當輪灌編組和輪灌順序確定之后，各級管道在每一輪灌組所通過的流量即可知道。通常選用同一級管道在各輪灌組中可能通過的最大流量，作為本級管道的設計流量，依據(jù)這個設計流量來確定管道的管徑。若某一級管道，其最大流量通過的時間占管道總過水時間的比例甚小，也可選取一個出現(xiàn)次數(shù)較多的次大流量，作為管道的設計流量來確定管徑。同一級管道的不同管段通過的最大流量不同時，可分段確定設計流量。（a）支管管徑的確定：支管是指直接安裝豎管和滴頭的那一級管道。支管管徑的選擇主要依據(jù)灌溉均勻的原則。管徑選得越大，支管運行時的水頭損失就越小，同一支管上各滴頭的實際工作壓力和灌水量就越接近，灌溉均勻度就越接近設計狀況。但這樣增大了支管的投資，對移動支管來說還增加了拆裝、搬移的勞動強度。管徑選得小，支管投資減少，移動作業(yè)的勞動強度降低，但由于運行時支管內(nèi)水頭損失增大，同一支管上各滴頭的實際工作壓力和灌水量差別增大，結(jié)果造成果園各處受水量不一致，影響滴灌質(zhì)量。為了保證同一支管上各滴頭實際出水量的相對偏差不大于20％，國家標準GBJ85-85規(guī)定：同一支管上任意兩個滴頭之間的工作壓力差應在滴頭設計工作壓力的20％以內(nèi)。顯然，支管若在平坦的地面上鋪設，其首末兩端滴頭間的工作壓力差應最大。若支管鋪設在地形起伏的地面上，則其最大的工作壓力差并不見得發(fā)生在首末滴頭之間?？紤]地形高差Z的影響時上述規(guī)定可表示為
許的水頭損失即為從式（4－20）
可以看出：逆坡鋪設支管時，允許的hw的值小，即選用的支管管徑應大些；順坡鋪設支管時，因Z的值本身為負值，其允許的hw的值可以比0.2hp大些，也就是說因支管順坡鋪設時，因地形坡降彌補了支管內(nèi)的部分水力坡降，選用的支管管徑可適當?shù)男⌒?。當一條支管選用同管徑的管子時，從支管首端到朱端，由于沿程出流，支管內(nèi)的流速水頭逐次減小，抵消了局部水頭損失，所以計算支管內(nèi)水頭損失時，可直接用沿程水頭損失來代替其總水頭損失，即h''''f=hw，式（4－20）可改寫為
滴頭選定后，滿頭的設計工作壓力可從滴頭性能表中查得。兩滴頭進水口高程差（實際上就是兩滴頭所在地的地面高差）可以從系統(tǒng)平面布置圖中查取。則h''''f即可求出。利用公式h''''f=FfLQm／db，在其他參數(shù)已知的情況下反求管徑d，d就是該支管可選用的最小管徑的計算值。因管材的管徑已標準化、系列化。因此，還需按管材的標準管徑將計算出的管徑規(guī)范取整。對滴灌系統(tǒng)的支管，考慮到運行與管理的方便，最大的管徑一般不超過100毫米，并且應盡量使各支管取相同的管徑，至少也需在一個作業(yè)區(qū)中統(tǒng)一。對于固定管道式滴灌系統(tǒng)，地理支管的管徑可以不同，但規(guī)格不宜太多，同一條支管一般最多變徑兩次。（b）支管以上各級管道管徑的確定：一般情況下，這些管道的管徑是在滿足下一級管道流量和壓力的前提下按費用最小的原則選擇的。管道的費用常用年費用來表示。隨著管徑的增大，管道的投資造價（常用折舊費表示）將隨之增高，而管道的年運行費隨之降低。因此，客觀上必定有一種管徑，會使上述兩種費用之和為最低，這種管徑就是我們要選擇的管徑，稱之為經(jīng)濟管徑。經(jīng)濟管徑中對應的流速稱為經(jīng)濟流速。圖4-7就是用最小年費用法計算經(jīng)濟管徑的原理示意圖。用這種方法確定管徑概念清楚，但計算相當繁瑣，往往需要分別計算出多種管徑的年投資和年運行費，比較后再確定。隨著科學技術的進步，計算機技術的飛速發(fā)展，許多優(yōu)化設計方法，如微分法、動態(tài)規(guī)劃法等已在管道灌溉管網(wǎng)的設計中得到應用，具體方法可參閱有關書籍。對于規(guī)模不太大的滴灌工程，也可用式（4－22）、式（4－23）的經(jīng)驗公式估算管道的直徑：
應該指出的是，由于管道系統(tǒng)年工作小時數(shù)少，而所占投資比例又大。因此，一般在灌溉系統(tǒng)壓力能得到滿足的情況下，選用盡可能小的管徑是經(jīng)濟的，但管中流速應控制在2.5～3米／秒以下。
③管道縱剖面設計：管道縱剖面設計應在系統(tǒng)平面市置圖繪制后進行，設計的主要內(nèi)容是確定各級固定管道在平面上的位置及各種管道附件的位置。管道的縱剖面應力求平順，減少折點，有起伏時應避免產(chǎn)生負壓。
ⅰ埋深及坡度：地埋管的埋深指管徑距地面的垂直距離，埋深應根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件、地面荷載和機耕要求確定。一般管道在公路下埋深應為0.7～1.2米；在農(nóng)村機耕道下埋深為0．5～0．9米。地埋管的坡度主要視地形條件而定，同時也應考慮地基好壞及管徑大小。一般在地形條件許可的情況下，管徑小、基礎穩(wěn)定性好的管道坡度可陡一點；反之應緩些?？偟膩碚f，管道坡度不得超過1:1，通?？刂圃?:1.5～1:3以下。
ⅱ管道連接及附件：地埋管道的連接多采用承插或黏接的形式，轉(zhuǎn)向處用彎頭，分水處用三通或四通接頭，管徑改變處采用異徑接頭，管道末端用堵頭。為方便施工和安裝，同類管件應考慮其規(guī)格盡量統(tǒng)一。
為了按計劃進行輸水、配水、管道系統(tǒng)上應裝置必要的控制閥。白果園中為了實現(xiàn)灌水的有效控制,設置了30多個電子閥.而且各級管道的首端還設了進水閥或水分閥；當管道過長或壓力變化過大時，設置節(jié)制閥。為保證管道的安全運行，還安裝一些附設裝置。自壓系統(tǒng)的進水口和各類水泵吸水管的底端應分別設置攔污棚和濾網(wǎng)，管道起伏的高處應設排氣裝置，自壓系統(tǒng)進水閥后的干管上設高度高出水源水面高程的通氣管，管道起伏的低處及管道末端設泄水裝置，管道可能發(fā)生最大水錘壓力處設置安全閥。
2.3評價
從整體上來看,XX白果園的滴灌系統(tǒng)是建設的比較完善的一套滴水灌溉系統(tǒng),設計施工都符合現(xiàn)代滴灌的要求,是一套先進的現(xiàn)代化滴水灌溉系統(tǒng)，而且產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效果。不過當時考慮到經(jīng)濟條件的限制，其毛管采用了單行直線布置，灌水均勻度不高，鑒于對多種毛管布置形式的比較分析，筆者認為百果園應改進為雙行毛管平行布置；而且其控制系統(tǒng)自動化程度不高，全園僅能使用微機控制電磁閥的開啟，不能精確實現(xiàn)作物的輪灌、對灌水時間和灌水量都不能實現(xiàn)有效的控制，故需進一步對其控制系統(tǒng)加以設計改進。正在建設的二期工程應該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗，改進一期工程中的不足，特別是應該實現(xiàn)灌水的全自動控制。
3灌溉自動化控制系統(tǒng)
灌溉中的滴灌系統(tǒng)，能很方便實現(xiàn)自動化控制，灌水的自動化控制能有效的實現(xiàn)節(jié)水灌溉，也是農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的要求。對微灌的自動化控制，根據(jù)控制系統(tǒng)運行的方式不同，一般可分為手動控制、半自動控制和全自動控制三類：
①手動控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的所有操作均由人工完成，如水泵、閥門的開啟、關閉，灌溉時間的長短，何時灌溉等等。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是成本較低，控制部分技術含量不高，便于使用和維護，很適合在我國廣大農(nóng)村推廣。不足之處是使用的方便性較差，不適宜控制大面積的灌溉。
②全自動控制系統(tǒng)
系統(tǒng)不要人直接參與，通過預先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以長時間地自動啟閉水泵和自動按一定的輪灌順序進行灌溉。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設備。這種系統(tǒng)中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機外，還包括中央控制器、自動閥、傳感器（土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等）及電線等。
③半自動控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域沒有安裝傳感器，灌水時間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預先編制的程序，而不是根據(jù)作物和土壤水分及氣象資料的反饋信息來控制的。這類系統(tǒng)的自動化程度不等，有的一部分實行自動控制，有的是幾部分進行自動控制。
為了對先進的滴灌自動化控制系統(tǒng)有具體認識和了解，下面我們將對滴灌的自動化控制作詳細介紹：
3.1滴灌首部控制樞紐
滴灌自動化系統(tǒng)的基本控制方法有：時間控制、水量控制和反饋控制三種。時間控制系統(tǒng)是按預定好的時間放水或關水；水量控制系統(tǒng)是按照設計的配水量放水或關水；反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)灌區(qū)內(nèi)濕度感受器的反應，然后將信號傳送到首部控制樞紐部分來關水或放水。滴灌系統(tǒng)更便于完全實現(xiàn)自動化，這在地多人少、勞力緊張的邊遠地區(qū)，沙漠地帶的防護林區(qū)，鐵路路基沿線，經(jīng)濟力量雄厚的城郊蔬菜種植區(qū)顯得特別重要。目前，國外發(fā)達國家在滴灌區(qū)普遍使用了計算機管理系統(tǒng)，并通過專用的滴灌系統(tǒng)軟件來控制和檢測作物生長、土壤狀況和氣象趨勢，取得了良好的效果。大大提高了現(xiàn)代化的土壤水分、作物生長測定技術的可能性和實用性，具有農(nóng)藝上的綜合性，為人們充分利用現(xiàn)代化儀器設備在滴灌系統(tǒng)中應用提供了巨大的潛力。滴灌系統(tǒng)軟件根據(jù)作物對水分的需求和土壤墑情制定出合理的灌溉計劃和作物管理計劃。
3.2作物生產(chǎn)管理計劃制定
控制軟件系統(tǒng)應能提供一套科學的管理系統(tǒng)，它通過提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及減少用水量來提高水分利用效率，能給農(nóng)民及有關用戶提供一套針對灌溉方案制定作物生產(chǎn)管理的先進、完善的管理系統(tǒng)，用戶能夠使用它獲得他們的每一塊農(nóng)田的土壤水分狀況圖，方便的數(shù)據(jù)資料存取能夠得到每一塊農(nóng)田的準確土壤水分含量，還能夠確定準確的日水分利用量，能夠給每塊農(nóng)田制定出合理的灌溉管理決策，能夠根據(jù)每一塊農(nóng)田各自的灌水量需求對不同農(nóng)田進行灌溉優(yōu)先排序，以便制定優(yōu)化灌溉計劃使農(nóng)場或用戶獲得整體最高產(chǎn)量。
控制軟件系統(tǒng)應能允許灌溉管理者根據(jù)作物水分需求和作物對灌溉的反應制定合理的灌溉計劃，作為一個完整的灌溉計劃和作物生產(chǎn)管理軟件包，它能夠?qū)喔葲Q策的制定和作物管理進行數(shù)據(jù)資料存儲、運算處理、顯示輸出。土壤水分數(shù)據(jù)資料主要由中子探測儀、石膏電阻塊和張力計測定獲得。天氣數(shù)據(jù)資料由自動氣象站獲得，作物生長資料如籽粒大?。ㄖ睆剑?、株高和葉片硝酸鹽含量等可直接田間測定，根據(jù)相應的作物響應，作物生長資料結(jié)合土壤水分資料能夠制定出合理的灌溉計劃，通過實際調(diào)查能夠提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的管理技術能夠詳細地驗證作物生長、土壤水分和氣候之間的關系，因此能很好地解決一些灌溉管理和作物生長問題，其中包括過量灌溉導致的灌溉水排滲問題、肥料向根部以下淋溶損失問題以及為了達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標的籽粒重和穗粒數(shù)或結(jié)果率的控制管理問題。
3.3滴灌系統(tǒng)灌溉計劃制定
滴灌系統(tǒng)灌溉計劃一般是指確定何時進行灌溉及應該的灌溉量，灌溉計劃的應用可消除代價巨大的不可預測的農(nóng)業(yè)災害，如在作物生長臨界期由于土壤類型和作物自身生長能力，不同的農(nóng)田具有不同的土壤水分虧缺量和日水分利用量，因此不同的農(nóng)田需要不同的灌溉計劃。農(nóng)民通過土壤水分測定技術利用軟件處理和顯示不同層次土壤水分特征，能加深對發(fā)生于土壤內(nèi)的各種過程的理解，以便進行更精細的灌溉計劃和灌溉管理決策的制定，以確保土壤水分總是保持作物生長所需的最佳含水量。
當土壤水分和被作物利用的水分的準確數(shù)量被測定后，通過軟件可以計算下一次滴灌的日期和準確的灌水量，它將考慮當前每天水分利用狀況、天氣變化和歷史資料來幫助管理者制定以后的灌水計劃。它把農(nóng)田從最干到最濕分為不同等級。了解需要灌溉補充的水量有助于協(xié)調(diào)不同用戶之間和同一用戶內(nèi)部的水分供給，充分了解雨后何時開始灌溉能使農(nóng)民最大限度地利用自然降水，而把灌水過多和灌水不及造成地危險減到最小。
3.4土壤水分時間圖和深度圖的應用
3.4.1時間圖時間顯示某一指定土壤容積含水量、根區(qū)土壤含水量或作物響應隨時間的變化。時間圖的基本顯示：直線表示根區(qū)土壤含水量的飽和點和需灌溉補充點；供給的和有效的灌溉和降雨情況；箭頭指示預測的灌溉日期；關于水分飽和點、需灌溉補充點、當前和過去的土壤水分測定值及計劃安排的灌水日期和灌水量的總結(jié)表；作物生長及其對灌溉管理技術措施的響應；該軟件所做的時間圖可進行大小調(diào)整，通過調(diào)整縱坐標軸上的最大值和最小值及橫坐標上的日期范圍能夠把圖形中用戶想要的區(qū)域或作物生長期內(nèi)的某特定階段的圖形放大。圖形能夠進行疊加來同時比較不同地點的田塊或不同年份的數(shù)據(jù)。當季和前季的作物的生長，土壤水分和天氣資料的疊加圖形比較灌溉管理達到高度的協(xié)調(diào)一致。用戶可以選擇任何關鍵數(shù)據(jù)來建立相互作用關系圖。
3.4.2深度圖深度圖顯示土壤容積含水量沿土壤剖面隨深度的變化而變化的情況，通過該軟件和現(xiàn)代化儀器結(jié)合能夠迅速直接測定和分析土壤水的剖面分布情況。根區(qū)吸收水分模式可以在深度圖中看到，對深度圖分析能使農(nóng)民確定每一種農(nóng)作物包括塊根作物在土壤剖面中被研究的土壤體積范圍和土壤剖面的每一深度層的作物利用的水分數(shù)量、土壤緊實度、土壤質(zhì)地變化、高石灰?guī)r含量、地下水位和鹽分等問題能夠通過對根部活動的仔細分析而發(fā)現(xiàn)。深度圖也可以用來確定滲入和排出土壤剖面的水分的運動狀況及深度和數(shù)量，從中能夠給定灌溉飽和點和需灌溉補充點的準確設計值。灌溉或降水后從土壤的根區(qū)排出的水分數(shù)量能夠通過深度圖準確測定，根據(jù)可以調(diào)節(jié)灌溉所用時間以避免水分從土壤剖面排出而損失，控制土壤剖面排出水的數(shù)量將防止地下水水位地升高和土壤養(yǎng)分的淋溶損失，同時也將降低灌水及滴灌水及抽水的成本。深度圖是一個非常有用的工具，能夠解決在不同類型土壤中灌溉水的水平和垂直運動的關鍵問題，通過分別繪制灌溉前和灌溉后距滴管不同距離的各個點的土壤水分含量圖可比較灌溉水的運動狀況，用戶能夠利用研究所得的結(jié)果來減少水分和肥料排滲，同時確保作物根系能夠一直得到適量的水分。
3.5軟件的程序特點
3.5.1程序結(jié)構(gòu)滴管軟件的數(shù)據(jù)存儲于一個樹狀結(jié)構(gòu)，這使得制定灌溉方案是查詢數(shù)據(jù)資料非常方便。管理人員可能負責管理幾個農(nóng)場或幾塊農(nóng)田，每個農(nóng)場或農(nóng)田可能有許多檢測點，每一個檢測點都有一套不同時間收集的實際測定的讀數(shù)記錄。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機軟件處理，能顯示有關每一單個田塊的詳細資料，還能夠向農(nóng)民分別顯示每一年的作物種植的詳細資料。能夠顯示農(nóng)場的每個監(jiān)測田塊或某一年份的每一監(jiān)測點的情況，指明灌溉飽和點和需灌溉補充點，當前作物日水分使用情況，土壤水分平衡和預測出的三次灌溉的日期，土壤水分含量和作物日用水量的測定值，對未來作物在整個生長季節(jié)的長期的用水量作出估算。顯示某一具體的時期的每一深度層的土壤水分含量的讀數(shù)記錄和根區(qū)的總水分含量，同時顯示土壤水分需要量，中子儀測定并估算的日水分使用量。利用滴灌軟件可進行數(shù)據(jù)資料綜合分析，從中總結(jié)重要的信息形成報告，以幫助制定每日的管理決策方案。同時也可以編輯出前幾個生長季的作物生長、水分管理。土壤等數(shù)據(jù)資料，并進行綜合分析，為以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的評價標準。該軟件程序的所以結(jié)構(gòu)層次能為所選擇的農(nóng)場、監(jiān)測點和某一日期建立報告。報告分為五種：深度圖、時間圖、記錄讀數(shù)報告。監(jiān)測點報告和灌溉計劃報告。用戶可以根據(jù)自己的需要已及自己微機系統(tǒng)對程序進行修改編譯，選擇公制和英制計量單位進行數(shù)據(jù)資料綜合分析，將田間測定得到的數(shù)據(jù)讀數(shù)記錄自動粘貼到?jīng)]一個具體的農(nóng)場欄、監(jiān)測點欄和日期欄。每一個監(jiān)測點的測定日期，時間及估計的水分日利用量能夠在粘貼之前輸入。
3.5.2數(shù)據(jù)輸入在讀數(shù)記錄屏幕中可以人工錄入和顯示田間實際收集的數(shù)據(jù)，如土壤水分張力計的讀數(shù)、作物籽粒大小。有關作物的數(shù)據(jù)可以測定得到，作物生長參數(shù)與土壤水分含量相關聯(lián)可以確定作物生長期的水分需求量。氣候數(shù)據(jù)資料可以人工輸入或由氣象站自動裝載。天氣數(shù)據(jù)參數(shù)的個數(shù)沒有限制，它可以與任一個作物生長測定值和任一水平的土壤水分含量相關聯(lián)制作相互作用關系圖。從氣象數(shù)據(jù)資料中可以得到蒸發(fā)損失的總水分量的數(shù)據(jù)并且把它與測定的日水分使用量相比較來調(diào)整該地區(qū)的作物灌溉計劃。
3.5.3軟件的數(shù)據(jù)處理利用滴管軟件可以計算使土壤剖面達到灌溉飽和點所需的準確時間數(shù)。同時計算自從播種或其他生長時期（如發(fā)芽、開花等）以來的天數(shù)，使土壤水分能夠與過去多年的作物生長資料數(shù)據(jù)參數(shù)同步分析，以確定作物水分利用效率。使用作物累積日水分方程。能夠很好地評估作物總產(chǎn)量，尤其是對于玉米、小麥和棉花?？梢酝ㄟ^作物－水分方程和氣象資料估算理論產(chǎn)量。通過速率方程，計算作物生長速率。計算作物當前日水分利用量占整個生長季日水分利用量地比例。同時也可計算不同水分含量地土壤水分變化速率，這些速率地變化表明土壤緊實問題和土壤干旱地程度。滴灌軟件可以分析某一作物在生長季內(nèi)日水分利用狀況地資料。結(jié)合現(xiàn)代先進地土壤水分測定儀器使用，該軟件能夠指導我們最有效地利用有限的水資源獲得最大農(nóng)業(yè)效益。例如能夠確定每次灌溉的準確時間和灌水量。同時減小過量灌溉和水分不足對產(chǎn)量的影響。建立各種不同作物之間水分利用及水分利用效率的差異；建立如不同品種、土壤緊實情況、不同的耕作史等不同條件下水分利用及水分利用效率的差異；建立現(xiàn)代耕作技術和傳統(tǒng)耕作技術條件下的水分利用效率的關系。確定灌溉和降水的利用效率，用以觀察分析根系吸收水分模式。有助于合理管理地下水和鹽化問題，能夠減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失問題。建立土壤水分含量、作物長勢及天氣狀況的數(shù)據(jù)庫以使作物產(chǎn)量和質(zhì)量獲得持續(xù)穩(wěn)定的提高，使高效農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3.6灌溉自動化控制系統(tǒng)
要實現(xiàn)灌水的自動化，必須有自動灌溉控制器，該裝置由土壤濕度傳感器、控制器和電磁閥組成，能夠按土壤墑情和作物需水特性實施自動灌溉（溝灌、噴灌、滴灌、滲灌），達到高產(chǎn)、高效、和節(jié)水的目的。適用于庭院花圃、苗圃、果園、菜地和農(nóng)地。隨著經(jīng)濟發(fā)展，庭院花圃、苗圃水分的自動灌溉倍受歡迎。它能省水省事，使花木生長更好。一畝庭院花圃、苗圃地投資1.0－1.5萬元，可以建立自動灌溉控制系統(tǒng)。自動灌溉控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)科學灌溉，節(jié)能、省水，使菜地和農(nóng)地產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。智能化，精準化灌溉技術是伴隨著計算機應用技術、傳感器制造技術、塑料工業(yè)技術的提高而逐步實現(xiàn)的
自動化計算機灌溉控制系統(tǒng)大約在80年代初由雨鳥公司、摩托羅拉等幾家公司開發(fā)、研制成功，并投入使用。由于技術復雜、應用難度大，價格高昂，這種控制設備最早應用于高爾夫球場灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代，計算機工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展，使得灌溉系統(tǒng)中央計算機系統(tǒng)操作難度越來越小，功能越來越豐富，價格也逐漸降了下來。這種系統(tǒng)在園林綠化上用得也越來越多了起來，雨鳥公司針對不同用途，研制、開發(fā)出了中央計算機控制系統(tǒng)：Maxicom
智能化灌溉中央計算機控制系統(tǒng)具有如下功能：
①動采集各種氣象數(shù)據(jù)，計算并記錄蒸發(fā)蒸騰量ET；
②根據(jù)前一天的ET值自動編制當天灌溉程序并實施灌溉；
③可由連接的土壤濕度傳感器、風速傳感器、雨量傳感器等干涉程序，啟動、關閉、暫停灌溉系統(tǒng)；
④連接流量傳感器可自動監(jiān)測、記錄、警示由于輸水管斷裂引起的漏水及電磁閥故障；最大限度利用管網(wǎng)輸水能力；
⑤運行程序而不起動灌溉系統(tǒng)（干運行），測試程序合理性，不合理時預先修改；
⑥自動記錄、顯示、儲存各灌溉站的運行時間；自動記錄、顯示、儲存?zhèn)鞲衅鞣答仈?shù)據(jù)，以積累資料，修改程序，修改系統(tǒng)等。
⑦頻繁灌溉功能：可將設計好的灌水延續(xù)時間分成若干時段，以便提供足夠的土壤入滲時間，減少坡地或粘性土地地面徑流損失。
⑧一套中央計算機系統(tǒng)可控制無數(shù)臺田間控制系統(tǒng)（稱為衛(wèi)星站），一套中央計算機控制系統(tǒng)可控制小到一個公園，大到上百個公園，甚至全城的所有灌溉系統(tǒng)。
⑨儲存數(shù)百套灌溉程序；一臺田間控制器（衛(wèi)星站）可使4個輪灌區(qū)獨立灌溉或同時灌溉。
⑩手動干涉灌溉系統(tǒng)：可在閥門上手動啟、閉系統(tǒng)，可在田間衛(wèi)星站上手動控制系統(tǒng)，也可在計算機上手動啟、閉任何一站，任何一個電磁閥?？煽刂乒喔认到y(tǒng)以外的其它設備，如：道路或公共場所燈光，大門、噴泉、水泵等
自動化中央計算機控制系統(tǒng)主要由中央計算機，集群控制器(CCU)，田間控制器（衛(wèi)星站），電磁閥構(gòu)成。中央計算機可裝置在任何一個地方。比如：一套中央計算機系統(tǒng)控制50個公園的灌溉系統(tǒng)。中央計算機可安裝在市園林局認為合適的位置。CCU安裝在各個公園內(nèi)。中央計算機與CCU之間的通訊，可采用有線連接（近距離），無線連接，電話線連接或移動通訊方法連接。一臺CCU最多可連接28個田間控制器。CCU與田間控制器之間同樣可選上述數(shù)種通訊方式。由中央計算機到終端電磁閥的工作過程為：中央計算機編程，并將程序下達到CCU。CCU將各輪灌區(qū)灌溉控制程序再發(fā)到相關田間控制器。田間控制器依中央計算機制作的程序啟閉各輪灌區(qū)電磁閥。如下圖所示：
中央計算機上的初始程序由控制人員編制，之后，計算機每日自動收集由氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)，計算ET值，并不斷對原有程序自動修改。如遇傳感器傳來異常信息（如降雨，過分干燥，系統(tǒng)漏水...），自動中斷或暫停程序，待異常情況排除后，繼續(xù)恢復程序運行。
如果將智能泵站連接到中央計算機控制系統(tǒng)上，則效果會更好。這樣從水泵到電磁閥之間復雜的系統(tǒng)將由一個高度智能化的系統(tǒng)管理起來，可做到最大限度地節(jié)水、節(jié)能，最大限度地保護系統(tǒng)設備運行，避免灌溉系統(tǒng)常發(fā)生的下列幾種問題：
①過量灌溉或灌水不足，浪費水資源或不能滿足植物需水；
②管網(wǎng)破裂，漏失水；
③系統(tǒng)運行壓力不合理；
④水泵運行效率低下；
⑤地形起伏不平時或土壤入滲率低產(chǎn)生地面徑流，浪費寶貴的水資源；
⑥降雨時，灌溉系統(tǒng)照常灌溉；
⑦管理、維護成本高。
3.7百果園灌溉的自動化控制設計
百果園一期工程灌水基本實現(xiàn)了半自動化控制，可以使用電腦控制各電磁閥的開啟。我們可在其基礎上加以改進與提高，使其實現(xiàn)灌水的全自動化，具體見下：
3.7.1控制原理
自動化控制采用電子技術對田間土壤溫濕度、空氣溫濕度等技術參數(shù)進行采集，輸入計算機，按最優(yōu)方案，控制各個閥門的開啟及水泵的運行狀態(tài)，科學有效地控制灌水時間、灌水量、灌水均勻度，為項目區(qū)作物提供一個良好的地、水、肥、氣、熱條件，促使其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。同時進行控制軟件及優(yōu)化灌溉制度的研究，最終形成灌溉專家決策系統(tǒng)。另外，通過變頻器控制改變電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管道壓力，為管道、滴灌等其他灌溉工程的自動化提供依據(jù)。具體包括以下幾個方面：
①田間土壤含水量、鹽分、地溫、空氣溫度、濕度、降水、風速、管道壓力等參數(shù)的自動化采集
②自動化控制設計安裝
③監(jiān)控軟件設計
④變頻系統(tǒng)設計，通過改變水壓力，為微噴、滴灌等工程的自動化提供依據(jù)
⑤系統(tǒng)運行管理模式評價，包括系統(tǒng)評價、灌水指標、灌溉制度等
3.7.2控制系統(tǒng)的組成
欲實現(xiàn)真正意義上的全自動控制，需要控制田間參數(shù)及對象很多，例如土壤濕度、鹽分、空氣溫度、相對濕度、降水量、風速、管道壓力、閥門開啟、水泵電機旋轉(zhuǎn)等，都要送入控制器?？紤]到要控制的對象較多，又要滿足良好的人機界面要求，可以采用工業(yè)控制計算機作為整個控制系統(tǒng)的核心，來協(xié)調(diào)各部分的工作。
系統(tǒng)的組成如下圖所示,整個系統(tǒng)的工作主要工控機和變頻器兩部分來控制，其中變頻器主要用于控制水泵電機的旋轉(zhuǎn)，工控機主要用來采集田間土壤及氣象指標，按照設定的程序，控制各地塊中電磁閥的開啟，并通過變頻器控制電機的運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。
3.7.3監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件是工控機能夠完成控制功能的重要基礎，監(jiān)控軟件設計的好壞直接關系到整個系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。根據(jù)項目要求及滴灌的特點，筆者建議百果園采用雨鳥公司的“Maxicom”中央控制系統(tǒng)，該軟件只需用戶輸入各地塊種植作物種類及種植日期，系統(tǒng)便會自動計算當前作物所處生育期，確定出各自要求的土壤狀況及氣象信號，控制水泵電機的運行狀態(tài)及閥門的開啟，自動完成整個灌水過程，完全不需要人工干預，實現(xiàn)全自動控制。
該控制軟件在此所完成的主要功能及特點如下：
①自動采集田間數(shù)據(jù)：系統(tǒng)根據(jù)軟件中所預先設定的時間，自動地采集土壤濕度、溫度風速、雨量等參數(shù)，進行相應的處理后，實時顯示在屏幕上。
②作物生育期的判斷：當管理人員輸入各地塊所種植的作物及種植日期后，系統(tǒng)便根據(jù)計算機時鐘自動計算出各種作物已種植的天數(shù)，判斷出作物所處的生育期，自動查找資料庫中所存的原始資料，確定出當前作物最適宜的土壤含水量及灌水定額。
③滴灌的全自動控制：系統(tǒng)采集田間及氣象數(shù)據(jù)后，將當前各地塊土壤含水量與作物適宜含水量相比較，若土壤實際含水量小于作物要求下限值，便自動開啟該地塊的第一個電磁閥。進行灌溉。達到所需灌水定額后，自動關閉第一個電磁閥，同時開啟下一個電磁閥，直到完成整個地塊的灌溉任務。灌溉過程中，若出現(xiàn)溫度過低、風速過大以及降雨過程等天氣時，系統(tǒng)會自動暫停當前的灌溉任務，并保存當前狀態(tài)。當氣象條件滿足時，繼續(xù)進行未完成的任務。
④形式多樣的控制方式：全自動控制外，系統(tǒng)還允許管理人員采用半自動、手動等控制方式。全自動方式只需運行人員輸入各地塊的作物信息，系統(tǒng)便會根據(jù)作物、土壤、氣象等條件自動完成灌溉的全過程，無需人工干預。所謂半自動方式，是指系統(tǒng)允許用戶根據(jù)實際情況控制開停機。用戶可人為啟動某個閥門，或某個地塊，甚至是所有地塊均輪灌一次。當然這些操作全部都是通過鍵盤或鼠標來完成的，而且在工控機屏幕上均有明顯的提示。所謂手動方式是指人工去開啟各個電磁閥，筆者建議百果園選用美國雨鳥公司生產(chǎn)的電磁閥：手動、電動兩用閥門，既可手動，又可電動，使用非常方便。當手動打開某個電磁閥時，噴頭出水，主干管道壓力開始下降，系統(tǒng)會自動通過變頻器升高水泵電機轉(zhuǎn)速，維持管道壓力的恒定，直到完成灌溉任務。
⑤豐富的辦公自動化功能：系統(tǒng)在運行過程中，可自動生成各種定時、日、月、年報表，并通過打印機打印出來。其內(nèi)容包括各種氣象及土壤參數(shù)，可從各報表中得到土壤濕度變化曲線、日最高風速、月平均氣溫、全年總降水量等原始資料，為用戶研究當?shù)氐臍庀蠹巴寥雷兓闆r提供翔實的依據(jù)。
⑥良好的可維持性：可維護性是衡量軟件質(zhì)量好壞的重要指標之一，在編寫本系統(tǒng)時我們也充分考慮了這一點，例如用戶在種植一類新作物時，可能系統(tǒng)的資料庫中并沒有該作物，便無法確定其適宜土壤含水量和灌水定額。此時，用戶可按自定義按鈕，通過鼠標各鍵盤輸出這些參數(shù)，系統(tǒng)便會根據(jù)用戶所定義的數(shù)值運行。另外，用戶還可很方便地修改灌水定額、管道壓力等參數(shù)，滿足實際情況的需要。
⑥友好的人機界面：系統(tǒng)中大部分界面均為示意圖形，實時顯示各傳感器送來的數(shù)值及系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，一目了然。需要用戶操作的部分全部為中文界面，工作人員無需學習便可完成所有操作。另外，在任一界面下，用戶都可以通過按幫助按鈕得到相應的提示，指導用戶完成相應的功能。
3.7.4效果
百果園通過增加自動化控制系統(tǒng)后，灌水時間、灌水量和灌溉周期等完全根據(jù)果樹某些需水參數(shù)自動啟閉水泵和自動灌溉，人的作用僅僅是調(diào)整控制程序和檢修控制設備。既提高了水的有效利用率，又節(jié)省了人力，同時也提高了果樹的產(chǎn)量，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效果。
3.8第二期工程的設想
正在建設第二期工程計劃今年完工，第二期工程的滴灌系統(tǒng)我建議基本上參照第一期工程建設，也采用滴噴灌相結(jié)合的方式，其水源計劃應采用水塔蓄水，用以緩解枯水期水庫少水的矛盾，該可以區(qū)采用先進的電腦全自動控制方式，實行精確灌水，管道布置采用固定式（干管、支管）和移動式（毛管）的有機結(jié)合。二期工程應該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗，改進一期工程中毛管布置形式的不足，還特別是應該增加灌水的全自動控制部分，實現(xiàn)灌水的全自動化，精確控制作物的有效灌水。
4存在的問題及建議
通過對滴灌系統(tǒng)的學習與認識，筆者系統(tǒng)的學習了滴灌這種先進的果園節(jié)水灌溉方法，在實踐的基礎上深化了理論，并對滴灌和滴灌系統(tǒng)有一些不成熟的認識與建議。
4.1滴灌的優(yōu)缺點
4.1.1百果園滴灌的優(yōu)點
4.1.1.1水的有效利用率高，在滴灌條件下，灌溉水濕潤部分土壤表面，可有效減少土壤水分的無效蒸發(fā)。同時，由于滴灌僅濕潤作物根部附近土壤，其他區(qū)域土壤水分含量較低，因此，可防止雜草的生長。滴灌系統(tǒng)不產(chǎn)生地面徑流，且易掌握精確的施水深度，節(jié)水效果達50%-90%。
4.1.1.2環(huán)境濕度低，滴灌灌水后，土壤根系通透條件良好，通過注入水中的肥料，可以提供足夠的水分和養(yǎng)分，使土壤水分處于能滿足作物要求的穩(wěn)定和較低吸力狀態(tài)，灌水區(qū)域地面蒸發(fā)量也小，這樣可以有效控制保護地內(nèi)的濕度，使果園中作物的病蟲害的發(fā)生頻率大大降低，也降低了農(nóng)藥的施用量。
4.1.1.3提高作物產(chǎn)品品質(zhì)，由于滴灌能夠及時適量供水、供肥，它可以在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，使果園的農(nóng)產(chǎn)品商品率大大提高，經(jīng)濟效益高。
4.1.1.4滴灌對地形和土壤的適應能力較強，由于滴頭能夠在較大的工作壓力范圍內(nèi)工作，且滴頭的出流均勻，所以滴灌適宜于地形有起伏的地塊和不同種類的土壤。同時，滴灌還可減少中耕除草，也不會造成地面土壤板結(jié)。
4.1.2百果園滴灌的缺點
4.1.2.1滴灌的滴頭很容易堵塞和磨損，產(chǎn)生灌水的不均，嚴重影響節(jié)水效果。
4.1.2.2滴灌的各管道的壓力有所差異，會產(chǎn)生局部壓力過高而使管道容易損壞，滴頭的壓力不均甚至會產(chǎn)生霧化，損壞滴頭，浪費水資源。
4.1.2.3滴灌一般僅潤濕作物根系區(qū)土體的一部分，所以作物根系的發(fā)展可能限制在圍繞每一滴頭的濕潤區(qū)，這樣容易產(chǎn)生作物根系的腐爛，進而引起作物倒伏。
4.1.2.4滴灌的管道布置要充分利用當?shù)氐貏菖c地形，在原則的基礎上加以靈活運用，如干管的布置、毛管的布置，取水方式等。
4.2滴灌的建議
4.2.1百果園應加強灌水的自動化控制，保證各種果樹的精準灌水，實現(xiàn)精確的節(jié)水灌溉
4.2.2滴灌的水量應該有保證，應該建一水塔蓄水，確保枯水期各種果樹的需水要求
4.2.3滴灌的毛管布置應采用單行帶環(huán)形狀態(tài)管布置和雙行平行布置相結(jié)合，確保果樹灌水均勻度。
4.2.4滴灌技術的應用應該和其他節(jié)水灌溉技術相結(jié)合，互相補給，更好的發(fā)揮優(yōu)勢。
4.2.5國家應鼓勵進行滴灌技術的研究，加大科研推廣投入的力度，研制開發(fā)經(jīng)濟實用的滴灌管材，解決滴頭易堵塞的難題等，滴水灌溉技術應該在政府的規(guī)劃安排下，由政府投資和農(nóng)民出資相結(jié)的優(yōu)惠政策下在全國范圍鼓勵推廣發(fā)展。
關鍵詞：電氣自動化控制技術；ESC系統(tǒng)；安全穩(wěn)定
0 引言
電氣自動化控制技術是建立在電子信息和自動化技術之上的，以電氣控制系統(tǒng)為核心，以電動機為主要傳輸動力，具有自動檢測、信息控制等多項功能，利用自動化技術可使各項電氣設備自主控制完成電力生產(chǎn)任務。將其應用于電力系統(tǒng)中，可有效解決其復雜結(jié)構(gòu)帶來的一系列問題，降低工作難度，減少人工勞動量，進而維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)效率。然而在實際應用時，還有一些不足之處應引起重視，促進該技術在未來有更好的發(fā)展。
1 電氣自動化技術的功能及其在電力系統(tǒng)中的應用
1.1 功能
首先是自動控制功能，即對電力設備的自動控制，是自動化技術的一個重要體現(xiàn)。多采用分散式控制方式，實現(xiàn)對整個操作系統(tǒng)的控制，運行中若有設備出現(xiàn)異常，自動控制系統(tǒng)會及時發(fā)現(xiàn)， 并將故障電路切除，以免有電流經(jīng)過，使得故障進一步擴大。而電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，線路復雜，要想準確切斷電路，還需依靠分散控制來完成，所以說自動控制功能是維護系統(tǒng)整體穩(wěn)定的一個重要保障。
其次是保護功能，受內(nèi)部運行或外部環(huán)境影響，電力設備難免會出現(xiàn)各種故障，進而影響到系統(tǒng)安全。而電氣自動化控制技術則能夠保護設備運行安全，如輸入電壓不穩(wěn)定時，自動控制系統(tǒng)會控制設備自動將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，保護設備內(nèi)部的元件和導線不被損壞，將可能會出現(xiàn)的風險降至最低，盡可能地保護設備安全。電力設備運行時的承受能力有限，一旦電流過大，必將受損，所以說自動化控制技術的應用，可提高設備的使用壽命。
此外是監(jiān)督功能，主要是監(jiān)督不穩(wěn)定電流，因為電流不穩(wěn)定時，對設備危害較大，自動化控制系統(tǒng)則能對其加以監(jiān)督。此時顯示器上的指針會有所偏移，且信號燈閃爍，提示工作人員對線路進行檢查。進而控制不穩(wěn)定電流，避免故障發(fā)生。
1.2 應用
首先是電氣產(chǎn)品的設計，為生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，設計者必須具備極強的專業(yè)知識，并了解當前需要解決的關鍵問題，以及產(chǎn)品的用途和工作環(huán)境。以往多以經(jīng)驗為主，缺少科學性，而且工作量較大，精確度低。而現(xiàn)代化產(chǎn)品則要利用高科技和現(xiàn)代化工具，如計算機等。另外，控制理論也越來越成熟，尤其是專家系統(tǒng)、遺傳算法等的應用，為產(chǎn)品提供了質(zhì)量保障。
其次是設備故障的診斷，現(xiàn)代化電氣設備功能增多，智能化程度越來越高，故障也變得更加復雜，具有非線性的特點，檢測處理難度加大。傳統(tǒng)的方法顯然已不適用，而當前則逐漸形成了一套設計理論，以此對故障進行檢測。這是一大創(chuàng)新，在智能化產(chǎn)品故障檢測中較為適用，效率很高。當然還可以結(jié)合模糊邏輯系統(tǒng)等使用，進一步提升檢測效率。
2 新型電氣自動化控制技術的應用分析
2.1 案例
某電力企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，降低故障發(fā)生頻率，于2003年引進了DCS系統(tǒng)。隨著用電需求的增長，電力系統(tǒng)變得更加復雜多變，DCS系統(tǒng)的應用可控制輸入輸出設備，從而采集系統(tǒng)的有關信息，并進行分析處理，然后對功率計電壓等加以適當調(diào)整。該系統(tǒng)以控制系統(tǒng)為基礎，具有分散控制、分級管理、集中操作等功能，在電力生產(chǎn)中一度發(fā)揮著重要作用。但隨著電網(wǎng)事業(yè)的改革，這種系統(tǒng)的弊端日益顯現(xiàn)，信息處理量有限，抗干擾能力較差，接線復雜，成本昂貴，且反應太慢，往往不能很好地處理瞬態(tài)電信號。為此，企業(yè)于2007年開始引進并應用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（Electric Control System），簡稱ESC系統(tǒng)，這是對計算機、信號處理、現(xiàn)場總線等技術的綜合應用，可對電力系統(tǒng)的自動化裝置進行有效的測量控制，并保護其安全。
2.2 ESC系統(tǒng)
該系統(tǒng)包括以下3層：（1）間隔層：由多個智能元件構(gòu)成，如直流接地選線裝置、常用電壓保護裝置、自動準同期控制裝置等，可完成系統(tǒng)的專業(yè)化功能。多是通過嵌入式軟硬件技術開發(fā)的，由CPU、現(xiàn)場總線等設備；（2）通信管理層：主要由通信網(wǎng)絡和相應的管理裝置組成，利用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線將DSC系統(tǒng)、各項智能設備及其他子系統(tǒng)相連，實現(xiàn)其網(wǎng)絡通信工作；（3）站控層：包括各種專業(yè)軟件、通訊接口、服務器和監(jiān)控設備，且軟件都具有數(shù)據(jù)采集、故障診斷的功能。
2.3 特點和功能
ECS 系統(tǒng)采用通信管理層和站控層組態(tài)一體化的設計， 可保證組態(tài)調(diào)試的一次性完成， 進行調(diào)試時可以更加方便， 并且符合人的操作習慣。 并且從整體出發(fā)綜合考慮系統(tǒng)的通信功能，保證站控層、通信層、間隔層的通信速度，并開設與 DCS、 MIS、 SIS 的通訊接口。并且 ECS 與 DCS 互相通信是不受限制， 還可以節(jié)省大量的通信纜線和變送器。 ECS 采用先進可靠地自動化電氣裝置， 完全可以不受通訊功能限制并可以獨立運行， 保證了系統(tǒng)的安全性和可靠程度。
ECS 系統(tǒng)的間隔層采用保護測控裝置， 抗干擾能力強，適用于復雜環(huán)境。且系統(tǒng)還采用了冗余容錯技術， 包括雙現(xiàn)場總線網(wǎng)絡、 站控層設備冗余等多種措施，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)保護測控裝置局采用高性能的 DSP 并 IJ 微處理器，硬件系統(tǒng)采用多 CPU 智能化結(jié)構(gòu)，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度。
3 結(jié)束語
電氣自動化控制技術在電力系統(tǒng)中起著重要作用，可保護系統(tǒng)安全穩(wěn)定，提高工作效率。在今后，將進一步朝著智能化方向發(fā)展，有很多事項需注意，對于其中存在的問題，應及時解決。
參考文獻：
[1]蔣志榮.電氣自動化控制技術的研究[J].黑龍江科技信息，2014（01）：109-110.
[2]陳俊紅.淺論電力系統(tǒng)中電氣自動化控制技術的運用[J].商品與質(zhì)量，2014（02）：143-145.
【關鍵詞】電氣；自動控制；控制方式
中圖分類號：TM92文獻標識碼A文章編號1006-0278（2013）06-183-01
一、概述
一個理想的控制系統(tǒng)，在其控制過程中應始終使被控量等于給定值。但是，由于系統(tǒng)中儲能元件的存在以及能源功率的限制，使得運動部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時變化。所以，當給定值變化時，被控量不可能立即等于給定值，而需要經(jīng)過一個過渡過程，即瞬態(tài)過程。所謂瞬態(tài)過程就是指系統(tǒng)受到外加信號作用后，被控量隨時間變化的全過程。瞬態(tài)過程可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，而常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標也是從瞬態(tài)過程定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面：穩(wěn)定性、快速性、準確性。
自動控制理論研究的是如何接受控制對象和環(huán)境特征，通過能動地采集和運用信息，施加控制作用，使系統(tǒng)在變化或不確定的條件下正常運行并具有預定功能。它是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，其主要內(nèi)容涉及受控對象、環(huán)境特征、控制目標和控制手段以及它們之間的相互作用。具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機上離心調(diào)速器是比較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，于1868年發(fā)表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法、頻率法和根軌跡法為主要內(nèi)容的“經(jīng)典”控制理論。60年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展和航天等高科技的推動，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動化技術的發(fā)展，人們力求使設計的控制系統(tǒng)達到最優(yōu)的性能指標，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件喜下，其某項性能指標達到最優(yōu)而實行的控制稱為最優(yōu)控制。當對象或環(huán)境特性變化時，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應控制。
二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式
（一）開環(huán)控制
控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時，稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制的特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程很簡單，但抗擾能力差、控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。
（二）閉環(huán)控制
控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系，既有被控量對控制過程的影響，這種控制稱為閉環(huán)控制，相應的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制或按偏差控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過給定值與反饋量的偏差來實現(xiàn)控制作用的，故這種控制常稱為按偏差控制，或稱反饋控制。此類系統(tǒng)包括了兩種傳輸信號的通道：由給定值至被控量的通道稱為前向通道；由被控量至系統(tǒng)輸入端的通道稱為反饋通道。閉環(huán)系統(tǒng)能減小或消除作用，但若設計調(diào)試不當，易產(chǎn)生震蕩設置不能正常工作。自動控制原理中所討論的系統(tǒng)主要是閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（三）復合控制
反饋控制是在外部的作用下，系統(tǒng)的被控量發(fā)生變化后才做出相應調(diào)節(jié)和控制的，在受控對象具有較大時滯的情況下，其控制作用難以及時影響被控量，進而形成快速有效的反饋控制。前饋補償控制，則在測量出外部作用的基礎上，形成與外部作用相反的控制量，該控制量與相應的外部作用共同作用的結(jié)果，使被控量基本不受影響，即在偏差產(chǎn)生之前就進行了防止偏差產(chǎn)生的控制。在這種控制方式中，由于被控量對控制過程不產(chǎn)生影響，故它也屬于開環(huán)控制。前饋補償控制與反饋控制相結(jié)合，就構(gòu)成了復合控制。復合控制有兩種基本形式：按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂坪桶磾_動前饋補償控制的復合控制。
三、自動控制系統(tǒng)的分類
自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)；定常系統(tǒng)和系統(tǒng)，從系統(tǒng)的數(shù)學模型來看，若微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)。否則稱為是系統(tǒng)。若系統(tǒng)既是線性的又是定常的，則稱之為線性定常系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)，從系統(tǒng)中的信號來看，若系統(tǒng)各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)，若系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號，則稱之為離散系統(tǒng)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又稱為采樣系統(tǒng)；恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)，若系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務就是克服騷動，使被控量保持恒值，此類系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。若系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值的變化，則此類系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。若系統(tǒng)的給定值按照一定時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化，則此類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。此外，根據(jù)組成系統(tǒng)的物理部件的類型，可分為機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)以及生物系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)的的被控量，又可分為位置控制系統(tǒng)、速度系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。
英文名稱：Computing Technology and Automation
主管單位：中華人民共和國教育部
主辦單位：湖南大學;中國自動化學會;湖南省自動化學會;湖南省計算機學會
出版周期：季刊
出版地址：湖南省長沙市
語
種：中文
開
本：16開
國際刊號：1003-6199
國內(nèi)刊號：43-1138/TP
郵發(fā)代號：42-277
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1982
期刊收錄：
核心期刊：
期刊榮譽：
Caj-cd規(guī)范獲獎期刊
聯(lián)系方式
【關鍵詞】自動控制理論;LabVIEW;實驗系統(tǒng)
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的質(zhì)量與國家現(xiàn)代化建設密切相關,其中良好的教學實驗設計對于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣涌刂评碚摗氛n程作為電氣、自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課,是聯(lián)系前期基礎課和后續(xù)專業(yè)課的橋梁。如何借助于實驗課的輔助教學,生動、形象地幫助學生理解基本概念、建立理論與實際相結(jié)合的觀點、培養(yǎng)大學生的初步工程實踐能力,符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的高素質(zhì)人才的需要。
LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司推出的一種使用基于圖形化編程方式的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。具有直觀易學、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點。通過改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地擴充系統(tǒng)的復雜性,能為各層次學生提供廣闊的實驗與實踐空間。為此,建立基于LabVIEW的自動控制理論實驗平臺,開展設計性、綜合性較強的系統(tǒng)實驗設計,不僅有利于通過直觀形象的實驗圖形與結(jié)果激發(fā)學生的學習興趣,而且對于全面提升學生動手構(gòu)建物理系統(tǒng)和軟硬件調(diào)試的綜合能力具有重要意義[1-2]。
二 實驗系統(tǒng)設計
近年來基于計算機技術的實驗系統(tǒng),作為一種工程、教學輔助工具,在簡化問題、節(jié)約成本、縮短調(diào)試周期等方面特點突出,有利于發(fā)展學生借助計算機解決問題的能力。傳統(tǒng)實物模擬實驗,由于外部條件變化對實驗結(jié)果及信息的影響不同[3],則對于學生發(fā)現(xiàn)問題、通過理論聯(lián)系實際綜合解決問題能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前,遠程實驗的開展也逐步獲得關注重視?；谝陨戏治?所設計的LabVIEW自動控制理論綜合實驗平臺,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以融合以上三種實驗模式的優(yōu)點,力圖通過交替互補,以不同的實驗要求,通過設立資源學習、任務驅(qū)動與探索學習這三類學習模式,全方位提升學生的實驗理論與技能。
1 仿真實驗
LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應用領域提供了一個功能強大、方便靈活的虛擬儀器的集成開發(fā)環(huán)境。降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的影響,改善了以往費時、費力的實驗過程,便于學生集中精力對結(jié)果進行分析。
以非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法為例,圖2為非線性系統(tǒng)框圖,其中線性部分的頻率特性函數(shù)為 ,非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)并進行分析,由于其獨特的復雜性與抽象性,一直是自動控制理論教學的難點,理論計算繁瑣,實驗研究費時。
為此,采用基于圖形化的計算機仿真的方法通過對非線性、線性環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)進行選擇,而后設定分析的頻率范圍、初值、步長、循環(huán)次數(shù)等,可有效避免繁復的頻率調(diào)整、計數(shù)、描點等工作,迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實驗界面如圖3所示。
設定線性區(qū)寬度 ,飽和特性信號限幅 后,輸入到實驗室開發(fā)的如圖3所示的仿真實驗系統(tǒng)界面,運行后,即可獲取如圖4所示的對應的幅相特性曲線圖。
這樣,利用仿真實驗,學生可以靈活設定仿真條件,方便、省時地實現(xiàn)對各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析,達到了對抽象的非線性理論概念進行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容,設定了2學時由教師講解LabVIEW的基礎知識,安排4學時課后時間用于相關資源學習。
2 模擬型實物實驗
NI公司提供的ELVIS實驗平臺將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個定制靈活的教學實驗平臺。通過DAQ捕獲實際系統(tǒng)中真實的物理信號,并輸入到計算機中,而后利用LabVIEW編制相應的應用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、顯示及分析,可以簡化實驗數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過程。
目前本實驗平臺針對實物模擬實驗設立了演示實驗[4]和學生設計實驗兩部分。演示實驗包括RC電路暫態(tài)電壓變化實驗、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實驗以及直流電機轉(zhuǎn)速測控實驗。通過演示實驗的展示與講解,以幫助學生逐步掌握NI ELVIS實驗平臺的使用與開發(fā)流程、技巧,為后續(xù)進行獨立實驗設計與研究奠定基礎。而后,結(jié)合基于LabVIEW編程后提供的內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和示波器等檢測分析儀表,配合ELVIS提供的實驗面包板,要求學生獨立在實驗板上通過模擬運放電路的搭建,完成二階系統(tǒng)時域響應、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實物模擬實驗,并與理論分析值進行比較、分析。此處設定為任務驅(qū)動型學習方式,課內(nèi)保留4學時用于提問、測試、成績評定。
如圖5所示,為求取典型積分環(huán)節(jié)頻率特性而構(gòu)建的模擬實驗電路。
圖5中運算放大器采用op07,輸入正弦信號 ,其幅值 及頻率 可調(diào)。當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 過大時,系統(tǒng)可能進入運算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域,系統(tǒng)輸出 信號則會輸出周期畸變信號; 當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 過小, 靜電感應電壓對系統(tǒng)輸出 信號的疊加影響不可忽略, 會影響輸出 信號測試的準確度(此處,可引導學生對信號處理方法進行思索、研究)。僅當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 處于適當范圍內(nèi),輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號。針對這一現(xiàn)象,與1節(jié)中虛擬仿真實驗積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進行對比,提出問題1:仿真實驗與模擬型實物實驗的區(qū)別與聯(lián)系?問題2:確定一個環(huán)節(jié)是線性還是非線性的原則是什么?問題3:理論與實踐的相互作用關系在科學研究中是怎樣的?以此建立新舊知識的聯(lián)系,激發(fā)學生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識,引發(fā)其解決問題的興趣,鼓勵其進行協(xié)作交流,進而形成自己對問題的獨立見解,綜合實踐能力得到提高。
最后,考慮部分能力較強學生的實驗需求及后續(xù)課程設計的需要,選購了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過驅(qū)動程序控制伺服電機進行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié),實現(xiàn)對此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制。這部分實驗的設立為探索學習模式階段,通過介紹難點的方式,引導學生深入思索、學習、探索前沿的控制方法。
3 遠程虛擬實驗
基于網(wǎng)絡的遠程實驗室可以最大限度地實現(xiàn)實驗資源的共享[5],因此本綜合實驗系統(tǒng)的設計也包含了這部分內(nèi)容。遠程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠端獲得動態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘杺魉偷竭h端,使在本地PC機上監(jiān)控遠端成為可能。遠程虛擬實驗不僅提高了實驗設備的利用率,而且方便學生靈活安排實驗時間,強化了學生的主體作用,同時有利于教師進行實驗過程的管理,實現(xiàn)了利用網(wǎng)絡進行資源交互學習等目的。
利用LabVIEW軟件設計構(gòu)建的網(wǎng)絡虛擬實驗室具有易于開發(fā),投資少,擴充方便等特點。在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中,有多種方式可以方便實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制,主要有:基于NI公司的遠程設備訪問(remote device access, RDA)技術,可通過分別配置RDA Server和RDA Client實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部的共享采集設備數(shù)據(jù);功能強大、但開發(fā)將對較復雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡實驗室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術;簡便、易學的基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術。
考慮實驗規(guī)模不大及時間限制等因素,本實驗室選用了基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術,構(gòu)建B/S模式遠程實驗系統(tǒng)。遠程前面板技術是把一個VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中,并具有自動更新功能。此外,通過授權(quán),不僅可以使得客戶端能觀測到一個動態(tài)刷新的實時畫面,而且還可以對前面板進行遠程控制。
考慮到一臺實驗設備在某一確定時間段內(nèi)只可以由一個用戶進行實驗控制,因此,需要設定教師管理員進行實驗預約管理。學生通過客戶端注冊登錄后,在預定時間內(nèi)享有對實驗室內(nèi)指定編號實驗平臺的控制權(quán)限。后續(xù)計劃針對大四學生和研究生采用大作業(yè)形式,征集優(yōu)秀的實驗預約管理方案,取消人員管理,實現(xiàn)科學、高效的自動遠程實驗預約、監(jiān)控、實驗記錄等管理功能。
三 結(jié)束語
基于LabVIEW技術開發(fā)的自動控制理論綜合實驗平臺,通過設定仿真實驗、真實模擬實驗和遠程實驗互相結(jié)合與補充,不僅提供了豐富的計算機與網(wǎng)絡學習資源,而且注重實驗設計的智能化與真實性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實現(xiàn)了實驗設計的簡易性、綜合性和靈活性。通過關注實驗過程,改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式,不僅便于學生形象理解和掌握與課程相關的知識點,促進學生的編程能力與動手能力的提升,而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學生從理論學習向?qū)嵺`研究進行跨越式轉(zhuǎn)變,為探索培養(yǎng)具有創(chuàng)造力與創(chuàng)新性的當代大學生教育進行經(jīng)驗積累。
參考文獻
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論文摘要：網(wǎng)絡與控制的學科交叉研究與產(chǎn)品的研發(fā)是我們面臨的一個機遇與挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡的控制中都有不少問題可研討。
二十年前,面對計算機與控制交叉發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn),中國計算機學會工控機專委會(其前身:中國電子學會電子計算機專業(yè)委員會工業(yè)計算機學組)誕生。二十年后的今天,我們又面臨新的機遇與挑戰(zhàn),其特征之一就是,信息科學技術快速發(fā)展所引發(fā)的計算網(wǎng)絡與控制科學技術的交叉發(fā)展,本文簡稱為“網(wǎng)絡控制”對此#已有不少論述。本文只是簡要討論一些看法。
1網(wǎng)絡控制的機遇
近年來信息科學技術與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅猛，新思想、新技術相繼問世，網(wǎng)絡方面的新技術和產(chǎn)品迅速進入市場。而在經(jīng)歷一個大發(fā)展后，自動化及控制理論在其發(fā)展中也出現(xiàn)一此“困惑”，各國均十分關注自動化科學與技術面臨的機遇與挑戰(zhàn)。1986年IEEE與美國國家基金委專家高峰會發(fā)表“對控制的挑戰(zhàn)”一文;1990-1993年IFAC組織了“控制在工業(yè)中的應用而臨計算機的挑戰(zhàn)”調(diào)研……我國也十分重視這個問題:1999年宋健在IFAC大會報告:21世紀的控制;2002年中國國家自然科學基金委召開“中國自動化領域發(fā)展戰(zhàn)略高層學術討論會”在這此討論中，信息的控制、網(wǎng)絡技術對控制的沖擊等都是一個議題。維納《控制論》一書的副標題是:“關于在動物和機器中控制和通信的科學”;而在《控制論》第一版序言中他又指出“如果一門新的科學學科是真正有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應該隨著歲月而轉(zhuǎn)移……因此，控制論學家應該繼續(xù)走向新的領域，應該把大部分注意力轉(zhuǎn)移到近十年發(fā)展的新的思想上去……”。從歷史上看，控制與通信確實是相互依存交叉發(fā)展的，而當今在“網(wǎng)絡的連通性無所不在”的形勢下，我們確有必要討論網(wǎng)絡對控制的挑戰(zhàn)是什么，信息的控制或網(wǎng)絡控制是否應該列為一個“引人興趣的中心”。
“網(wǎng)絡控制”的提法早已有過，而對其內(nèi)涵與外延井不十分統(tǒng)一，我們覺得網(wǎng)絡控制泛指通信網(wǎng)絡與控制科學技術的交叉以及相應的產(chǎn)品。主要包括兩個方面的內(nèi)容，網(wǎng)絡化系統(tǒng)的控制與管理，網(wǎng)絡主要是做為技術手段或環(huán)境#而控制對象是傳統(tǒng)的對象（如電機、化工過程、航天……）也包括交通服務等系統(tǒng)。本文簡稱為”網(wǎng)絡化控制”"網(wǎng)絡系統(tǒng)本身的控制與管理。信息與網(wǎng)絡成為控制的對象，而采用控制的手段來滿足用戶的要求。本文簡稱為“網(wǎng)絡的控制”。這也可以說是從兩個視角來研究網(wǎng)絡控制。我們在網(wǎng)絡控制的這兩個視角上都面臨機遇與挑戰(zhàn)，前者延伸了諸如數(shù)字控制。計算機控制等的概念，而后者則延伸了電機控制，機床控制等的概念。
2網(wǎng)絡化系統(tǒng)與網(wǎng)絡化控制
網(wǎng)絡化系統(tǒng)及網(wǎng)絡化控制有多種提法，如TelematicSys-terns，NetworkedSystems，NetworkedControlSystems(NCS)，IntegratedCommunicationandControlSystems(ICCS通信與控制系統(tǒng))等，其內(nèi)涵各有所側(cè)重，但有共同點:是依靠網(wǎng)絡(主要是計算機網(wǎng)絡)組成的分布式系統(tǒng);具有資源共享、集成自動化、協(xié)調(diào)下作等特點，從應用角度可包括:網(wǎng)絡化控制、網(wǎng)絡化制造、電子政務、電子商務、數(shù)字家庭、大型電網(wǎng)、城市交通、軍事上的41SR指揮、控制、通信、計算機以及情報、監(jiān)視、偵察)等?？梢允窍聵I(yè)對象也可以是服務業(yè)或其他對象。
網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡一般是大范疇的企業(yè)網(wǎng)絡，從功能層次上可包括企業(yè)網(wǎng)的外聯(lián)網(wǎng)[xtranet，企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)Intranet,控制網(wǎng)、傳感網(wǎng)等，從網(wǎng)絡類型上也可以說包括因特網(wǎng)、無線移動通信、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡等網(wǎng)絡技術在控制領域的’泛且深入的應用，必然引起網(wǎng)絡與控制交叉學科的發(fā)展，或者引起ThomasKahn在“TheStrutureofScientificRevolutions”中指出的在控制領域的范例轉(zhuǎn)移(ParadigmShift)或出現(xiàn)從連續(xù)時間控制理論到離散時間控制理論的發(fā)展。
網(wǎng)絡化控制與管理系統(tǒng)，可以不同程度地實現(xiàn)各層次自動化系統(tǒng)的集成使企業(yè)在企業(yè)協(xié)作、資源共享、提高效率、增強市場競爭能力等方面得到好處;同時，網(wǎng)絡的引入必然帶來信息傳輸時延，延時的抖動信息(數(shù)抓包)去失等問題，也必將引發(fā)一此研究課題，包括:網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡環(huán)境下復雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制;基于連續(xù)時間和基于事件控制理論(在網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中的)的應用與發(fā)展;各種網(wǎng)絡化應用系統(tǒng)的建模與分析;基于網(wǎng)絡計算和網(wǎng)絡存儲的分布控制;網(wǎng)絡化系統(tǒng)的信息女全，現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡等等，從某種意義說工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的發(fā)展必須定位于網(wǎng)絡環(huán)境下，從網(wǎng)絡控制著手。
3網(wǎng)絡的控制與答理
網(wǎng)絡的控制，基于網(wǎng)絡的控制(Network一BasedControl)或網(wǎng)絡空間中的控制問題是自接涉及到網(wǎng)絡木身的控制問題，這里控制的對象是信息、數(shù)抓、網(wǎng)絡……。在自動化科學發(fā)展的歷史中，自動控制的對象是不斷發(fā)展變化的，這種發(fā)展體現(xiàn)了自動化科學理論與實際相結(jié)合，學科交叉和與時俱進的特性，從某種意義上說控制論的著眼點是信息與控制或信息的控制而網(wǎng)絡的控制是信息的控制中的重要內(nèi)容。
網(wǎng)絡的控制或基于網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)在資源共享提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，實現(xiàn)集成自動化和整體優(yōu)化以及和諧人機協(xié)調(diào)等方而都有優(yōu)勢或潛力;由于網(wǎng)上的傳輸時延，數(shù)抓包去失，以及用戶對網(wǎng)絡服務質(zhì)量的不同需求等，引出了網(wǎng)絡的控制中一系列研究課題。涉及相關的協(xié)議，系統(tǒng)的控制策略，穩(wěn)定性、魯棒性、算法的收斂性以及控制系統(tǒng)產(chǎn)品化等問題。
以復雜媒體網(wǎng)絡的控制為例，復雜媒體可視為一個廣義的系統(tǒng)，其所究內(nèi)容包括信息結(jié)構(gòu)、復雜媒體的管理.、服務質(zhì)量(QOS)控制，流量控制等。例如，在流媒體系統(tǒng)中，可以利用自適應等控制策略使用戶在不同的網(wǎng)絡環(huán)境卜享受到盡可能好的QoS保證。1999年，木尼迪克特(Bendidt)提出了“網(wǎng)絡空間”（Cyberspace)的概念，稱這種“由計算機支持，由計算機進入和由計算機產(chǎn)生的全球網(wǎng)絡化，是多維度的，人造或‘慮擬’的真實。它是真實的，每一臺計算機都是一個窗口;它是慮擬的，所看到的或所聽到的既不是物質(zhì)也不是物質(zhì)的表現(xiàn)，相反它們都是純粹的數(shù)抓或信息組成的”?？梢哉f，它是介于慮擬和現(xiàn)實之間的特殊空間，即“網(wǎng)絡空間”，由此而可能發(fā)展網(wǎng)絡科學。網(wǎng)絡空間有許多控制和答理問題，有人稱之為“慮擬控制”或網(wǎng)絡的控制。近年來，關于下一代互聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)、網(wǎng)格等的討論也較多，網(wǎng)格（Grid)一般認為是繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)、Web之后的第三代因特網(wǎng)其主旨是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全而連通，在氣象、能源、教育以及企業(yè)信息化中都有廣’泛應用。美國《福布斯特》雜志預期網(wǎng)格技術到2020年將產(chǎn)生年產(chǎn)伯20萬億美元的大下業(yè)。在網(wǎng)格中分布資源管理與控制、資源共享、網(wǎng)格監(jiān)控以及系統(tǒng)女全等方而的研究都是受人關汁的四。有人建議，在網(wǎng)格的體系上要體現(xiàn)服務第一，協(xié)議第一的觀念。另外，在下一代網(wǎng)關中，可能會將大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、資源控制、服務質(zhì)量控制等)統(tǒng)一交由一個控制層來完成?？梢姡W(wǎng)絡的控制及管理.是日益受到重視，控制的一此基本概念，控制策略和控制理論不能簡的一地搬用到網(wǎng)絡的控制中，但應可以在網(wǎng)絡的控制中得到發(fā)展。
以網(wǎng)絡為控制對象的網(wǎng)絡控制所要解決的主要是用戶對網(wǎng)絡各種服務質(zhì)量:需求與網(wǎng)絡資源間的矛盾與協(xié)調(diào)。從信息傳送結(jié)構(gòu)上講，可以在核心網(wǎng)上增強控制功能;也可以在邊緣網(wǎng)上引入系統(tǒng)與控制的方法。在這此系統(tǒng)建模與分析中，多會遇到系統(tǒng)規(guī)模大、異構(gòu)件、時變性、人機協(xié)調(diào)、隨機性等問題、在已見的一此研究成果中，排隊論、小波分析、自適應、神經(jīng)網(wǎng)絡、混雜系統(tǒng)等理論與方法都有應用。在因特網(wǎng)或非實時局域網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，離散控制時間的確定性或定常性已不存在，要發(fā)展網(wǎng)絡控制理論或改造經(jīng)典的方法或按離散事件動力學考慮新途徑，學科交叉研究勢在必行。
4對下控機系統(tǒng)及專委會工作的一此思考
二十年前，在個人計算機(PC)技術成熱并大舉進入市場之際，我們成立了工業(yè)控制計算機專業(yè)委員會，在學術交流、產(chǎn)品研發(fā)等方面做了許多工作，得到了廣泛的認可。當前，信息網(wǎng)絡迅速發(fā)展，而對網(wǎng)絡控制等的機遇，工控機系統(tǒng)的研發(fā)人員應多交流討論。各種工控機系統(tǒng)，現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，分布控制系統(tǒng)，傳感器仍是工業(yè)自動化與下控機的主要課題，而網(wǎng)絡控制的機遇與挑戰(zhàn)也是專委會需認真思考的:
1)當前，我國在網(wǎng)絡化控制(網(wǎng)絡化系統(tǒng)，網(wǎng)絡化制造……)方面的研究與產(chǎn)品研發(fā)已有一此成果，尚待深入與普及;而在網(wǎng)絡的控制方而的研究下作剛剛開始。我們可能需要在理論探索、技術研究以及協(xié)議（標準)制定、產(chǎn)品研發(fā)等層面上挑戰(zhàn)網(wǎng)絡控制的機遇。
2)需要面對網(wǎng)絡控制的挑戰(zhàn)，加強計算機、通信網(wǎng)絡、自動控制等學術交叉性的研討，可與兄弟專委會聯(lián)合組織。計算機、通信網(wǎng)絡、自動控制等不同專業(yè)背景的人員在從事網(wǎng)絡控制這類學科交叉研究中，往往有不同的思路、視角、方法或切入點，其成果也各有特色。多交流互補是大有益處的。
關鍵詞：自動控制原理 課程改革 MATLAB
1前言
自動控制原理是電氣專業(yè)的一門主干課程。該課程一方面理論性強，在培養(yǎng)學生抽象思維能力和邏輯能力上起著重要的作用，但是內(nèi)容多學時少、課堂信息量大，使學生對教學內(nèi)容難以及時進行有效地消化，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[1]另一方面實踐性綜合性比較強。自動控制原理內(nèi)容覆蓋面比較廣，要求學生有比較高的數(shù)學計算能力，電氣類的工科學生不能只停留在數(shù)學層面上理解，而是解決工程實際問題能力的培養(yǎng)。如何在有限的學時內(nèi)讓學生熟練掌握控制理論的基礎知識，加強創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)，是課程建設過程中的關鍵。因此，結(jié)合教學中存在的問題，在教學內(nèi)容、教學模式等方面提出了幾點建議。
2理論課改革
2.1教學方法改革
對于這門難度很高的課程，教學時應注重概念，弱化計算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性認識，學生才有進一步自我深化的可能。而同時感性認識獲得的方法莫過于實際的例子。例如：在第一章基本概念中講解自動控制系統(tǒng)的定義和組成的時候，首先需讓同學們明白系統(tǒng)的控制過程，因此我分別舉了一個人工水位控制系統(tǒng)和自動水位控制系統(tǒng)來對比講解。由于比較貼近生活，同學們對于這個人工系統(tǒng)的自動運行原理基本都能自發(fā)自然的理解，所以稍加引導，就很容易理解控制對象，被控量，給定值，反饋元件，執(zhí)行機構(gòu)等概念。
2.2教學內(nèi)容的改革
自動控制原理課程是理論性較強、概念深的課程，學生普遍反映難學。我們將自動控制原理內(nèi)容系統(tǒng)化、模塊化、最優(yōu)化，以解決課時少、內(nèi)容多的矛盾。我們按其理論涉及領域，分為經(jīng)典線性理論、非線性理論、采樣系統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論四個模塊；按其研究的基本問題，將其分為系統(tǒng)的數(shù)學模型、系統(tǒng)的性能分析和系統(tǒng)的綜合設計三個基本問題；按其課程的本質(zhì)而言，直接分為控制系統(tǒng)的特性分析方法和控制器的設計理念。例如，采用了以建立基本概念和掌握基本技能夠用為度的知識論述深度原則。基于現(xiàn)代計算機輔助分析設計技術大量應用的現(xiàn)狀，減低了系統(tǒng)人工分析部分的比例和重心，節(jié)約課時，提高授課效果。
2.3強化啟發(fā)式教學，搞好創(chuàng)新教育
傳統(tǒng)的教學模式，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學分析推導，畫大量的曲線，因此課堂教學往往是索然無味的公式推導、定理證明和手工繪圖。在教學中，要改變多年來較為死板的授課方式，充分利用現(xiàn)代化教學手段和生動活潑的教學方式，使課堂教學圖文并茂、生動活潑，發(fā)揮和調(diào)動學生的學習積極性，采用啟發(fā)式教學，由淺入深。在課堂教學中，通過布置思考題和預習的形式，要求學生課前充分準備，由學生上臺講述有關內(nèi)容，既考察了學生學習的自覺性和理解能力，又鍛煉了學生的表述能力，同時，還加深了對知識的理解和記憶。為了避免教師在講臺上唱獨角戲，學生被動接受知識的局面的出現(xiàn)，應采用了討論課的形式，進行教學互動，使課堂教學生動活潑。為了在教學中充分發(fā)揮學生的主觀能動性，要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，我們一改傳統(tǒng)教學中只注重知識的傳授而忽視學生思維能力培養(yǎng)的教學方法，更注重在知識的傳授過程中來引導、啟發(fā)學生積極思維的啟發(fā)式教學方法，使得學生在獲取書本知識的同時，其思維能力也有很大的提高。教學過程中掌握好教學節(jié)奏，合理的留取學生思考的時間，就能真正的實現(xiàn)教與學的互動，充分激發(fā)學生的發(fā)散思維，調(diào)動學生學習的積極性。
2.4注重對學生進行系統(tǒng)化、工程化概念的強化
例如有意識地在教學別加強加深有關系統(tǒng)數(shù)學模型內(nèi)容的講述，深入淺出地介紹多種機電、熱力、液力系統(tǒng)的數(shù)學模型的推導過程和結(jié)果，使學生能更多更分地了解到一些控制問題的實際工程背景。
2.5改革考核方式
為了使得學生能夠在學好理論的同時將其運用到實際中，激發(fā)興趣，強調(diào)過程考核，并且提高考試成績和及格率，突出教學重點，對這門課實施考試改革以配合教學改革[2]。通過考試改革可以帶動教學改革進程，構(gòu)建融會貫通、緊密配合、有機聯(lián)系的課程體系。為了培養(yǎng)學生的學習能力和實踐能力，同時檢查教學效果，在一些章節(jié)后組織編排綜合型的題目，讓學生以小論文的形式提交，將其成績記錄到期末總成績的平時成績中。這門課的教學內(nèi)容可以分成兩大部分內(nèi)容的研究：前三章為控制系統(tǒng)的時域分析，偏重經(jīng)典理論的研究；后兩章為控制系統(tǒng)的頻域分析，偏重工程實際應用。針對這樣的內(nèi)容特點，安排兩次大作業(yè)，讓學生對一個生產(chǎn)生活中的實例從時域分析和頻域分析方法入手分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程。大作業(yè)成績也記錄到期末總成績的平時成績中。最后卷面成績折合成60%，平時成績占40%。
3實驗課教學改革
3.1將MATLAB應用于虛擬實驗中
《自動控制原理》是電氣專業(yè)學生重要的專業(yè)基礎課，是后續(xù)專業(yè)課程的基礎。各高校對該課程實驗設置與投入都給予了高度重視。但是，其硬件實驗存在著實驗設備易損、實驗結(jié)果不穩(wěn)定等問題，如何讓學生直觀、便捷地了解《自動控制原理》的基礎知識，準確、方便地從實驗結(jié)果中進行推理是實驗教學改革的一個重要問題。虛擬實驗是現(xiàn)代實驗教學的發(fā)展模式，它有效地補充和完善了傳統(tǒng)實驗，緩解了實驗設備不足和滯后等問題。近年來MATLAB在《自動控制原理》虛擬實驗中得到了廣泛的應用。MATLAB包含了進行控制系統(tǒng)分析與設計所必須的工具箱函數(shù)，可以分析連續(xù)系統(tǒng)，也可以分析離散系統(tǒng)，并可以進行極點配置控制器設計和最優(yōu)控制系統(tǒng)設計等多項操作?，F(xiàn)以連續(xù)系統(tǒng)中的時域分析法、頻域分析法及根軌跡分析法為例介紹。
基于MATLAB開發(fā)的虛擬實驗仿真系統(tǒng)，具有方便、直觀、便捷、不易損壞、操作簡單等優(yōu)點。根據(jù)實驗要求，利用MATLAB軟件建立的虛擬實驗仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機交互，通過對相關參數(shù)的設置，成功地對控制系統(tǒng)進行仿真，便于學生對知識的理解，也為學生學習和實驗帶來便利，使學生能夠更為深刻地理解自動控制的基礎理論，達到很好的實驗效果。這種虛擬實驗系統(tǒng)有效地發(fā)揮了現(xiàn)有各種信息化教育資源的優(yōu)勢，優(yōu)化了資源配置，便于實現(xiàn)教育資源的廣泛共享。
3.2設立開放實驗室
采用設立開放實驗室，使學生在掌握基本實驗的基礎上，充分利用已有的實驗設備，增強動手能力。目前開放實驗室內(nèi)容還在繼續(xù)完善中，已有包括多種電機控制、單容水箱模型、液位綜合實驗、機器手模型、簡單飛行器控制模型等實際系統(tǒng)的模型。學生們可以利用這些模型來檢驗和鞏固自己課堂中所學的系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)設計的方法。
4、結(jié)束語
在自動控制原理課程建設過程中，這些建議極大地調(diào)動了學生學習自動控制原理的主動性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。雖然取得了比較好的教學效果，但仍需在今后的教學中作進一步的探索與改進。
參考文獻：
關鍵詞： 《線性系統(tǒng)理論》 課程教改 基本概念 教學方法 實例教學
引言
目前，《線性系統(tǒng)理論》是國內(nèi)“控制理論與控制工程”專業(yè)研究生階段的學位基礎課之一。國內(nèi)許多院校為了加強對相關專業(yè)學生控制理論的強化，特別在本科階段開設了《現(xiàn)代控制理論》等課程，其主要內(nèi)容與《線性系統(tǒng)理論》基本相同，只是學時較少而已。
從學科發(fā)展和課程建設的角度來看，《線性系統(tǒng)理論》類課程一直是電子信息類學科的核心基礎課程，占用的學時較多，教學的各個環(huán)節(jié)都受到廣泛重視，它也被看成是控制類研究生專業(yè)的標志性課程。因此，這門課程教學的效果將直接關系到相關專業(yè)的學科發(fā)展和研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，它在研究生培養(yǎng)中占有十分重要的地位。
從控制理論發(fā)展的角度來看，目前已經(jīng)建立了完善的線性系統(tǒng)理論體系，包含能控性、能觀測性、線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)綜合等在內(nèi)的系統(tǒng)分析綜合的理論方法，這些理論和方法也將為后續(xù)專業(yè)課程，如，最優(yōu)控制、自適應控制和非線性系統(tǒng)等課程的學習奠定基礎。因此，《線性系統(tǒng)理論》課程的主要任務是通過對線性控制理論知識的講授和指導，奠定研究生的控制理論基礎，培養(yǎng)研究生對控制系統(tǒng)的初步分析和綜合能力，在此基礎上能夠掌握解決初步控制問題的基本方法，這對研究生的專業(yè)理論學習，專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及工程實踐能力的提高具有十分重要的作用。
《線性系統(tǒng)理論》課程的主要特點是將實際系統(tǒng)抽象為狀態(tài)空間描述的數(shù)學模型，根據(jù)數(shù)學模型研究系統(tǒng)的各個方面，理論性強、內(nèi)容豐富。由于課程概念抽象、數(shù)學知識比重大、涉及知識面廣、理論公式多、習題類型繁雜、計算難度較高，學生感到難學、枯燥，容易產(chǎn)生恐懼心理和厭學情緒，學習效果不理想，這將嚴重影響研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和學科的發(fā)展。
國內(nèi)許多院校都對《線性系統(tǒng)理論》課程的教學十分重視，在注重精選教材和重視課堂教學的同時，還將《線性系統(tǒng)理論》列為研究生精品課程、重點課程或雙語課程進行建設。例如，早在20世紀90年代，清華大學的《線性系統(tǒng)理論》課程就被作為重點課程建設，2002年清華大學研究生精品課程建設工程正式啟動，自動化系的《線性系統(tǒng)理論》課程首先就被納入到精品課程建設項目中。此外，哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天學院、中國科技大學、上海交大和南京航空航天學院等許多高校都將“線性系統(tǒng)理論”列為研究生精品課程、重點課程或雙語課程進行建設。國外一些高校如美國南加州大學、匹斯堡大學和德克薩斯大學等除采用精品教材或自編教材外，還借用輔助教學手段提高教學質(zhì)量，同時特別注重課程實踐和師生的互動增強教學效果，最重要的是教授們將自己的最新研究成果也在教學中充分展現(xiàn)出來，充分體現(xiàn)出研究型教學的特點。
我校開設的《線性系統(tǒng)理論》課程教學內(nèi)容主要以線性系統(tǒng)的分析理論和綜合方法為主，課程教學團隊根據(jù)本學科發(fā)展的規(guī)劃目標，結(jié)合國內(nèi)外相關學科的先進教學經(jīng)驗和航運交通行業(yè)的科技發(fā)展，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法等進行了改革、探索和實踐，結(jié)合科研項目，在《線性系統(tǒng)理論》課程的理論學習、發(fā)展動態(tài)和實例教學等方面開展了研究型教學研究。
1.注重基本概念，突破難點內(nèi)容
相較于本科階段講授的《自動控制原理》課程，《線性系統(tǒng)理論》提供了一種截然不同的控制系統(tǒng)分析和綜合的方法，課程具有較強的理論性和較完整的知識體系。在教學中，既要給學生建立完整的知識體系，加強基本概念學習，又要強調(diào)理論聯(lián)系實際，注重概念背景的理解和理論運用條件的掌握。
例如，在講解線性系統(tǒng)數(shù)學模型的時候，課程中介紹了一種將微分方程模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型的方法，當時并未說明為什么用這種方法選擇狀態(tài)變量，而且由于一些后續(xù)的概念還沒有引入，實際上也沒有辦法講清楚這樣選擇狀態(tài)變量的好處。但是在后來講解線性系統(tǒng)的能控性和能觀測性概念的時候，我們就及時地把前面講解的模型的變換方法與其能控性和能觀測性問題聯(lián)系起來，告訴同學們當時為什么要選擇那樣的狀態(tài)變量，而且這樣的模型變換不需要再討論其能控性或能觀測性的問題，使得同學們對于前后的概念有一個完整的理解，也搞清楚了什么樣的模型需要討論能控性和能觀測性的問題。
在系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的講授中，涉及許多穩(wěn)定性概念和穩(wěn)定性定理，理論性較強，例如，BIBO穩(wěn)定、李亞普諾夫穩(wěn)定、漸進穩(wěn)定、一致漸進穩(wěn)定、大范圍一致漸進穩(wěn)定等，這些概念對于理解和運用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論十分重要，但是初學者容易混淆。我們就讓學生根據(jù)自己的理解對這些概念及條件進行歸納，然后在課上進行比較討論，最后我們再給出一個歸納各種穩(wěn)定性概念的表格（見表1），讓同學們找出這些概念列表的異同和條件增減的關系。通過這種形式的教學，學生對于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論涉及的基本概念和定理有了較扎實和全面的掌握。
表1 課程涉及的各種穩(wěn)定性概念的比較歸納
在李亞普諾夫穩(wěn)定性理論中，系統(tǒng)運動的狀態(tài)是以系統(tǒng)儲能形態(tài)變化作為衡量準則的，這對于絕大多數(shù)物理系統(tǒng)都適用，這一點是比較形象和易于理解的，關鍵是建立系統(tǒng)儲能的數(shù)學描述，即選取合適的李亞普諾夫函數(shù)，迄今沒有普適的方法來建立系統(tǒng)的能量函數(shù)，這對于初學者來說又是一個難點。實際上對于低年級研究生短期內(nèi)也不可能嫻熟地掌握各種選取李亞普諾夫函數(shù)的技巧。這時，我們根據(jù)科研工作的實際情況和經(jīng)驗，將李亞普諾夫函數(shù)的選擇、控制器參數(shù)的設計和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等幾個問題相結(jié)合進行案例教學，使學生了解李亞普諾夫理論的實際使用方法，加深了他們對這方面知識的理解，經(jīng)過近年教學實踐對比，獲得了較好的反響。
2.關注學科發(fā)展，不斷改進教學方法
線性系統(tǒng)理論的發(fā)展目前已經(jīng)比較成熟，《線性系統(tǒng)理論》課程主要是為研究生進行科學研究和工程實踐打下理論基礎。
目前，《線性系統(tǒng)理論》類課程已被國內(nèi)外大學廣泛列為電子類專業(yè)、系統(tǒng)工程專業(yè)和控制專業(yè)高年級本科生和研究生的核心課程，由于它關系到學科的發(fā)展和研究生培養(yǎng)，課程的建設和教學方法的改革受到了普遍重視。在國外，《線性系統(tǒng)理論》課程在注重精選教材和重視課堂教學的同時，采取了研究型教學，借用輔助教學手段提高教學質(zhì)量。
我們在不斷探討改進教學的同時，也在時刻關注相關學科發(fā)展和教學動態(tài)，不斷采納“他山之石”。
（1）建立完整教學體系，靈活運用不同教學方法。在控制理論發(fā)展的漫漫歷程中，線性系統(tǒng)理論只是其中的一個發(fā)展階段，然而對于研究生來說，這是一門全新的基礎知識，對于未來繼續(xù)學習后續(xù)課程是十分必要的。在學習過程中，不但要掌握知識難點和要點，而且要突出它在整個控制領域的地位和作用。對于《線性控制理論》課程本身，它也有著相對完整的知識體系，遵循循序漸進的規(guī)律展現(xiàn)課程的內(nèi)容。因此，在課程教學中，我們非常注意把握這些內(nèi)在的規(guī)律，幫助學生們理清楚點和面的關系，即始終把教學內(nèi)容置于一個體系當中，始終讓學生搞清楚所學知識的運用條件及能夠解決的問題，即課程的知識體系定位。
在課程教學中，充分運用各種先進傳媒技術帶來的便利，例如，利用互聯(lián)網(wǎng)絡、數(shù)字校園平臺、多媒體教室等手段建立起交互式的教學環(huán)境，將多媒體課件講授、在線/離線答疑、專題討論、文獻閱讀、課后作業(yè)和課程考核評估等環(huán)節(jié)結(jié)合起來，構(gòu)建多樣化的學習環(huán)境，適應當代青年學生的學習特點。
（2）結(jié)合最新科研教學成果，大力推進研究型教學。我們在《線性系統(tǒng)理論》課程教學中充分吸收國內(nèi)外院校課程建設的有益經(jīng)驗，結(jié)合海事院校的行業(yè)特點，利用多媒體手段，積極開展課內(nèi)外的專題研討，推進研究型教學。比如，就線性系統(tǒng)理論的發(fā)展狀況、李亞普諾夫理論的應用情況、船舶港機的控制問題等內(nèi)容，組織學生課外查閱文獻，編寫成電子講稿，然后通過教室的多媒體設備在課堂上分組講解討論，通過師生互動增強教學效果。
圖1 橋式吊車運動
另外，結(jié)合教師的科研課題，引入真實物理對象，開展研究型教學。例如，對于圖1所示的一種二維橋式吊車，在一定條件下簡化后的微分方程模型如下：
（M+m）x-mlθ-2mlθ+Dx=f■ml-mlθ■-mg=f■ml■θ+2mllθ-mxl=0（1）
可以選擇如下狀態(tài)變量：x■=x，x■=l，x■=θ，x■=x，x■=l，x■=θ，則上面微分方程就可以化為下面的狀態(tài)方程：
x■=x■x■=x■x■=x■x■=（f■-Dx■）/Mx■=g+x■x■■+f■/mx■=（f■-Dx■）/Mx■-2x■x■/x■（2）
在理解各個變量物理意義后，組織同學對上面兩種模型采用Matlab/Simulink進行仿真，通過仿真曲線的對比研究，深入了解兩種模型的建立方法、狀態(tài)變量選擇對模型的影響等，然后指導學生嘗試進行控制器設計和仿真。
（3）課外閱讀論文，關注科研動態(tài)。線性系統(tǒng)理論作為一種控制手段隨著時間的推移也在不斷地豐富完善，其中的一些基本方法也用于解決一些帶有大滯后、輸入受限、非線性特性系統(tǒng)的控制器設計問題。筆者在進行課外論文推薦的時候，結(jié)合自己所講授的自適應控制課程，著意向?qū)W生講解不同控制方法的發(fā)展情況、特點和應用條件，特別是將線性系統(tǒng)理論應用于不同的工業(yè)控制環(huán)境，解決了許多實際問題，以期引起學生的研究興趣和探索欲望。我們將這些有關線性系統(tǒng)理論最新發(fā)展和應用的論文精選出來，推薦給學生閱讀，并作為課程考核的一項內(nèi)容，使他們注意了解相關學科的發(fā)展動態(tài)。
經(jīng)過幾年的努力，理論教學與科研實際背景相結(jié)合的方法，取得了較好的效果，研究生普遍能夠較快地進入科研環(huán)節(jié)。
3.加強實例教學，使課程具體生動
我們在《線性系統(tǒng)理論》課程教學中，還特別注重理論聯(lián)系實際，通過具體的實例將抽象的概念、方法和理論具體化，同時培養(yǎng)學生的工程意識和動手能力。
（1）利用Matlab/Simulink工具提供的強大的功能，將計算機仿真手段引入課堂。除了在教學過程中提供計算機仿真案例外，還要求學生利用這些仿真工具完成1—2項課后作業(yè)，使這種仿真工具的使用成為教學輔助手段。
（2）開設橋式吊車控制開放性實驗課程，提高學生運用所學知識解決實際控制問題的能力。針對我們重點實驗室的一臺橋式吊車的控制實驗系統(tǒng)（如圖1），課程教學團隊首先給出了橋式吊車的微分方程模型，然后要求學生將其變?yōu)闋顟B(tài)方程，在此基礎上，設計一種控制器，利用李亞普諾夫方法分析穩(wěn)定性，然后用Simulink完成計算機仿真研究，最后，選擇較好的控制方案進行物理實驗。通過這個過程，學生將學到的知識與解決實際的控制問題聯(lián)系了起來，增強了感性認識，提高了分析能力，更重要的是學會了解決控制問題的方法。
圖2 橋式吊車控制實驗系統(tǒng)
加強課程教學的實踐環(huán)節(jié)，有效地培養(yǎng)了研究生的動手能力。經(jīng)過近年來的實踐發(fā)現(xiàn)，對課程實踐環(huán)節(jié)感興趣的學生人數(shù)普遍增加，并有效地激發(fā)出學生對控制理論方法進行嘗試的熱情，取得了較好的效果。
結(jié)語
本文首先探討了“線性控制理論”研究生課程的重要性和特點，分析了國內(nèi)外大學相關專業(yè)對于該課程建設的不同情況，然后結(jié)合我們教學團隊的教學科研經(jīng)驗對課程教學改革進行探索，重點探討研究型教學方法和內(nèi)容，以期提高研究生培養(yǎng)的質(zhì)量。經(jīng)過近年來教學評估情況的統(tǒng)計對比，教改方法取得了較好的效果。
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關鍵詞：DS18B20，1-wire總線，水產(chǎn)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)，STM32F103CB
0 引言
我國漁業(yè)生產(chǎn)正處在從粗放型、分散化向精準型、集約化發(fā)展，從資源消耗型、數(shù)量型向資源節(jié)約型、質(zhì)量型現(xiàn)代化漁業(yè)跨越的重要時期。水產(chǎn)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用：可以實時監(jiān)測各個養(yǎng)殖場生產(chǎn)情況，促使養(yǎng)殖場嚴格按照規(guī)范進行生產(chǎn)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量；及時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖過程中的環(huán)境和疫病等隱患，提高養(yǎng)殖存活率。其中溫度的監(jiān)測是很重要的一個指標。故此，我們設計了這套性價比高、使用方便、易于安裝和維護的溫控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)概述
本溫控系統(tǒng)是針對鱔魚幼苗培育而研發(fā)的一套以溫度控制為主兼顧其他指標的監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。本系統(tǒng)由32位微控制器模塊、溫度采集模塊、光照采集模塊、控制執(zhí)行模塊、加熱模塊等組成。其工作過程為:多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20將感應到的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號后，輸入到溫度檢測模塊，由溫度檢測模塊傳輸給微控制器模塊，進行數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過處理好的數(shù)據(jù)一方面通過232通訊傳輸給上位機實時監(jiān)控顯示；另一方面在進行模糊PID參數(shù)的自調(diào)整，調(diào)整好的參數(shù)輸出到控制執(zhí)行模塊和加熱模塊，控制執(zhí)行模塊接受到命令以后執(zhí)行卷簾電機的開度、冷氣機的開關、熱水爐的開關及變頻器的調(diào)節(jié)等。
圖1 系統(tǒng)框圖
2 硬件部分
2.1 DS18B20簡介
DS18B20是最新型的數(shù)字化溫度傳感器，是單總線器件家族中的一員。它使用一種片內(nèi)專有的溫度測量技術測溫。利用高低溫度系數(shù)振蕩器記錄由當時環(huán)境溫度所確定的計數(shù)值,以此確定當時當?shù)氐臏囟?。?nèi)部主要有測溫電路，1-Wire接口電路科技小論文，存儲電路及CRC校驗電路。特點如下：
(1) 1-wire數(shù)字接口；
(2) 專有的64位ROM序列號。含有8位家族號(28H),48位獨立序列號，8位CRC校驗碼，保證串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?，出錯可檢驗；
(3) -10℃至+85℃范圍內(nèi)保證測溫精度：±0.5℃；
(4) -55℃至+125℃的寬工作范圍；
(5) +3.0V至+5.5V的寬電源范圍；
(6) 可根據(jù)實際情況采用本地供電或通過I/O線供電；
(7) 用戶可選的9至12位分辨率,可編程選擇；
(8) 2字節(jié)EERROM,存儲上下限報警溫度設定值；
(9) 封裝形式有TO-92，150milSO和倒裝芯片(±2.0℃精度)；
(10) 體積小，價格低，使用靈活；
(11) 無需任何外圍硬件；
(12) 16位二進制溫度數(shù)據(jù)格式(兩個字節(jié))，負溫度采用補碼表示。這些特點使系統(tǒng)設計更靈活、方便，適合構(gòu)建大型的溫度測量系統(tǒng)。單總線的數(shù)字方式傳輸也大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。主機與DS18B20交換數(shù)據(jù)主要靠CPU按照1-wire單總線協(xié)議在單總線上產(chǎn)生復位時序和讀寫時序來實現(xiàn)。其中包含復位脈沖、響應脈沖，寫1寫0讀1、讀0時序。只有響應脈沖由DS18B20發(fā)出，其余都由主機(程序)發(fā)出。時序要求具體介紹如下：
①復位時序：主機發(fā)出一個寬度為480~960μs的負脈沖之后，再發(fā)出15~60μs的正脈沖，DS18B20則會發(fā)出一個60~240μs的響應負脈沖，復位時序結(jié)束。
②寫時間片：即寫一位二進制信息，周期至少為61μs，且含至少1μs的恢復時間。主機啟動寫時序之后的15~60μs之間，DS18B20自動采樣數(shù)據(jù)線，低電平為0，高電平為1。主機寫0時，持續(xù)低電平60~120μs之間。寫1時,要在啟動后15μs之內(nèi)使數(shù)據(jù)線變?yōu)楦唠娖健?/p>
③讀時間片:即讀一位二進制信息，周期及恢復時間要求與寫時間片相同。主機啟動讀時序之后,至少保持1μs低電平，然后在接近啟動后15μs之前讀入數(shù)據(jù)。低電平為0，高電平為1。
2.2 STM32F103CB簡介
該系統(tǒng)芯片采用ST公司的32位微處理芯片STM32F103CB，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核的作為中心控制單元，具有32位硬件除法和單周期乘法器等一系列先進的體系結(jié)構(gòu)；可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法(如FFT、DTMF等)，有多達128KB的閃存，4個通用定時器模塊，32位定時器模式科技小論文，34個中斷，具有8個優(yōu)先級，2個SSI同步串行接口模塊等豐富的資源。
STM32F103CB微處理器模塊是整個溫控系統(tǒng)的核心模塊，主要功能是實時處理數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集到的溫度信息，并將得到的溫度信息值與模糊PID控制器設定控制輸出曲線進行實時對比得出需要輸出的控制信號量;產(chǎn)生輸出控制PWM波信號和通過232通訊傳輸給上位機實時監(jiān)控顯示。
2.3 硬件電路圖
圖2 DS18B20溫度采集電路圖
圖3 232通訊電路圖
3 軟件部分
3.1 溫度采集子任務
圖4 DS18B20數(shù)據(jù)采集流程圖
3.2 模糊PID控制子任務
圖5 模糊PID算法流程圖
3.3 上位機界面
本上位機界面采用VB編寫，方便實用，操作簡單。
圖6 上位機控制界面
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)將模糊PID溫度自動控制技術應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，以養(yǎng)殖場內(nèi)各種水溫為主要被控對象，建立了以模糊PID控制理論為基礎的溫度自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以有效地降低消耗，提高生產(chǎn)效率，符合國家提出的“節(jié)能減排”要求，符合國家經(jīng)濟發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場應用前景。
圖7 調(diào)試現(xiàn)場一
圖7 調(diào)試現(xiàn)場二
通過現(xiàn)場3個月的實際應用測試，目前運行良好，達到了當初的設計目的。
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