時(shí)間：2023-04-08 11:30:39
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是國(guó)家果茶良種場(chǎng)XX省優(yōu)質(zhì)果茶良種繁育場(chǎng)，是國(guó)家“九五”種子工程在湖南實(shí)施的重點(diǎn)項(xiàng)目，建于1998年8月，1999年三月由農(nóng)業(yè)部授名為“國(guó)家（湖南）果茶良種場(chǎng)”。
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(shí)施全省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，先后從美國(guó)﹑法國(guó)﹑埃及﹑日本及國(guó)內(nèi)10多個(gè)省市科研育種單位引進(jìn)優(yōu)質(zhì)果茶品種資源158個(gè)，優(yōu)質(zhì)果茶種苗40多萬(wàn)株，建成果茶母本園150畝。每年可向社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)果茶苗木200多萬(wàn)株，果茶母（接）穗1萬(wàn)公斤以上，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶產(chǎn)品1000噸以上。
果茶場(chǎng)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(píng)果、葡萄、桃、李、楊梅、無(wú)花果與瓜類(lèi)；秋有板栗、柿、棗、梨、獼猴桃；冬有柑桔、橙類(lèi)等。一年四季。百果飄香，是個(gè)名副其實(shí)的“百果園”。
該廠第二期工程將于2003年完成，面積將擴(kuò)至1000多畝。年生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶苗木將達(dá)到1000萬(wàn)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(shù)將落戶(hù)該場(chǎng)。果茶苗木和產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢測(cè)、采后處理、加工和多種農(nóng)業(yè)觀光設(shè)施將全部完善和配置。屆時(shí)，一個(gè)全新的高科技生態(tài)農(nóng)業(yè)示范、觀光園將會(huì)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(jìn)的先進(jìn)滴噴灌系統(tǒng)控制，該園地勢(shì)起伏較大，最高處海拔達(dá)86.60m，最低處64.72m，傳統(tǒng)灌水方式很難進(jìn)行，而先進(jìn)的滴灌系統(tǒng)由于對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，而且特別適應(yīng)山地丘陵地區(qū)，所以滴灌正好大施其能，由低處水庫(kù)中取水，經(jīng)過(guò)過(guò)濾加壓，然后由遍布全園的各種管道把帶有肥料、除蟲(chóng)劑的水準(zhǔn)確地送到每片需水地園中，保證果樹(shù)的正常需水。不過(guò)其系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高，全園僅能使用微機(jī)控制電磁閥的開(kāi)啟，不能精確實(shí)現(xiàn)作物的輪灌、對(duì)灌水時(shí)間和灌水量還不能實(shí)現(xiàn)有效的控制，有望進(jìn)一步提高。
2滴灌系統(tǒng)
滴灌就是滴水灌溉技術(shù)，它是利用低壓管道系統(tǒng)，使滴灌水成點(diǎn)滴地、緩慢地、均勻而又定量地浸潤(rùn)作物根系最發(fā)達(dá)的區(qū)域，使作物主要根系活動(dòng)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(rùn)全面積土壤，因此滴灌有節(jié)約灌溉用水量、促進(jìn)作物生長(zhǎng)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(shù)。
百果園主要種植柑桔、葡萄、水蜜桃、茶等低矮果樹(shù)，如果采用其它灌水方法，不僅浪費(fèi)水資源，而且很難保證滿(mǎn)足果樹(shù)的需水量，而滴灌具有省水節(jié)能、省工省地省肥、操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、對(duì)土壤地形適應(yīng)性強(qiáng)、保護(hù)和保持生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)備灌水器以及流量、壓力控制部件和測(cè)量?jī)x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(kāi)關(guān)7.灌水總開(kāi)關(guān)8.壓力表
9.主過(guò)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(kāi)關(guān)(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(kù)、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(kù)中取水。
2.1.2首部樞紐
百果園的首部樞紐包括泵組、動(dòng)力機(jī)、肥料罐、過(guò)濾設(shè)備、控制閥、進(jìn)排氣閥、壓力表、流量計(jì)等。其作用是從水庫(kù)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(jí)加壓式離心泵，在水庫(kù)中取水，現(xiàn)取現(xiàn)用，計(jì)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(guò)的水按照要求輸送分配到每個(gè)灌水單元和灌水器。包括干、支管和毛管三級(jí)管道，毛管是微灌系統(tǒng)末級(jí)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(shè)備
尾部設(shè)備是微灌系統(tǒng)的關(guān)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(lái)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(fù)責(zé)承建，全園采用先進(jìn)的滴、噴灌相結(jié)合的微灌節(jié)水技術(shù)，是我國(guó)南方發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的典范，其具體情況見(jiàn)下：
2.2.1設(shè)計(jì)原則
滴灌灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了滿(mǎn)足節(jié)水、節(jié)能、省力等之外，通常應(yīng)遵循以下主要原則：
①必須滿(mǎn)足果園果樹(shù)生長(zhǎng)對(duì)水分的要求；
②灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合耕作實(shí)際，便于操作；
③應(yīng)使所選擇的灌水方法既能滿(mǎn)足作物的灌溉要求，又不因灌溉而造成病害、蟲(chóng)害的發(fā)生；
④在盡可能的情況下，灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮施肥及噴藥裝置；
⑤在盡可能的情況下，應(yīng)使灌溉系統(tǒng)在滿(mǎn)足灌溉要求的同時(shí)，工程建設(shè)的綜合造價(jià)最小。
2.2.2設(shè)計(jì)步驟
2.2.2.1資料的收集在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須掌握以下資料：
①地形資料：根據(jù)實(shí)際情況測(cè)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(lèi)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(wú)霜期、蒸騰蒸發(fā)資料等。
④水源資料：水源屬性（個(gè)人或集體）、種類(lèi)、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(jī)井時(shí)，還應(yīng)調(diào)查機(jī)井的靜水位和動(dòng)水位，當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，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(shí)，應(yīng)調(diào)查清楚水源的含泥沙種類(lèi)、含沙量、水位、供水時(shí)間、可能的配水時(shí)間等。同時(shí)，還應(yīng)特別注意水源的保證率問(wèn)題，不論是只用于果園的水源還是與周?chē)筇锘煊玫乃?，都?yīng)考慮這個(gè)問(wèn)題。
⑤百果園作物種植資料：其中包括作物的種類(lèi)、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?chē)牡匦巍⒔煌ê凸╇姷取?/p>
2.2.2.2灌水方法的選擇灌水方法選擇適當(dāng)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(yīng)根據(jù)作物種類(lèi)、作物的種植制度、種植季節(jié)、水源情況、果園設(shè)施情況、工程區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等，合理地選擇相對(duì)投資較省、灌溉保證率較高且有利于果園果樹(shù)生長(zhǎng)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(jí)，布置時(shí)干、支、毛三級(jí)管道要求盡量相互垂直，以使管道長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(jì)算，即
H——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（米），一般蔬菜0.20-0.30米深根蔬菜或果樹(shù)0.3-1.0米；
p——土壤濕潤(rùn)比，70%-90%。
②設(shè)計(jì)灌水周期：滴灌設(shè)計(jì)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(zhǎng)的可能延續(xù)時(shí)間T，用式（4－9）計(jì)算，即
③一次灌水延續(xù)時(shí)間：一次灌水延續(xù)時(shí)間是指把設(shè)計(jì)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(shí)間，用式（4－10）計(jì)算，即
i.輪灌區(qū)數(shù)目的確定：（a）對(duì)于固定式滴灌系統(tǒng)，輪灌區(qū)數(shù)目可按式（4-11）計(jì)算：（b）對(duì)于移動(dòng)式滴灌系統(tǒng)，則有：
ii.一條毛管的控制灌溉面積：（a）對(duì)于固定式滴灌系統(tǒng)，毛管固定在一個(gè)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(zhǎng)度（米），移動(dòng)式滴灌系統(tǒng)中為出流毛管長(zhǎng)度。
（b）對(duì)于移動(dòng)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(jì)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(duì)于水源流量不能滿(mǎn)足整個(gè)區(qū)域需要時(shí)，滴灌面積為
2.2.2.6管網(wǎng)水力計(jì)算滴灌系統(tǒng)各級(jí)管道布置好以后，即可從最末端或最不利毛管位置開(kāi)始，逐級(jí)推算各級(jí)管道的水頭損失（包括沿程水頭損失和局部水頭損失）。在設(shè)計(jì)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(guò)滴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20％，流量差值不超過(guò)10％；對(duì)于采用壓力補(bǔ)償式滴水器時(shí)，僅要求區(qū)域內(nèi)滴頭流量差值不超過(guò)10％，并據(jù)此確定支、毛管的最大設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(shè)計(jì)中塑料管道的沿程阻力損失常選用式（4－16）、（4－17）計(jì)算，局部阻力損失常用式（4－18）計(jì)算。①沿程阻力損失hf
當(dāng)管道有多個(gè)出水口時(shí)，管道的沿程阻力應(yīng)考慮多口出流對(duì)沿程阻力的折減問(wèn)題，多口出流折減系數(shù)k，對(duì)應(yīng)計(jì)算公式
②局部阻力hj
工程設(shè)計(jì)中為了計(jì)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(shè)計(jì)包括各級(jí)管道的管材與管徑的選擇、各級(jí)固定管道的縱剖面設(shè)計(jì)、管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
①管材的選擇：可用于灌溉的管道種類(lèi)很多，應(yīng)該根據(jù)滴灌區(qū)的具體情況，如地質(zhì)、地形、氣候、運(yùn)輸、供應(yīng)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(jìn)行選擇。一般情況下，對(duì)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(shí)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(yuǎn)，特別是在使用低密度聚乙烯管（PE管）時(shí)，一定要注意管壁的厚度是否達(dá)到了能承受系統(tǒng)所要求壓力的厚度，若沒(méi)有達(dá)到，千萬(wàn)不能使用，否則將會(huì)埋下隱患，造成運(yùn)行時(shí)管道發(fā)生爆破，甚至導(dǎo)致整個(gè)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(duì)于口徑150毫米以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能價(jià)格比上的優(yōu)勢(shì)下降，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選擇合適的管材。塑料管經(jīng)常暴露在陽(yáng)光下使用，易老化，縮短使用壽命。因此，地面移動(dòng)管最好不采用塑料管。
②管徑的選擇：當(dāng)輪灌編組和輪灌順序確定之后，各級(jí)管道在每一輪灌組所通過(guò)的流量即可知道。通常選用同一級(jí)管道在各輪灌組中可能通過(guò)的最大流量，作為本級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量，依據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)流量來(lái)確定管道的管徑。若某一級(jí)管道，其最大流量通過(guò)的時(shí)間占管道總過(guò)水時(shí)間的比例甚小，也可選取一個(gè)出現(xiàn)次數(shù)較多的次大流量，作為管道的設(shè)計(jì)流量來(lái)確定管徑。同一級(jí)管道的不同管段通過(guò)的最大流量不同時(shí)，可分段確定設(shè)計(jì)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(jí)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(yùn)行時(shí)的水頭損失就越小，同一支管上各滴頭的實(shí)際工作壓力和灌水量就越接近，灌溉均勻度就越接近設(shè)計(jì)狀況。但這樣增大了支管的投資，對(duì)移動(dòng)支管來(lái)說(shuō)還增加了拆裝、搬移的勞動(dòng)強(qiáng)度。管徑選得小，支管投資減少，移動(dòng)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，但由于運(yùn)行時(shí)支管內(nèi)水頭損失增大，同一支管上各滴頭的實(shí)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(shí)際出水量的相對(duì)偏差不大于20％，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ85-85規(guī)定：同一支管上任意兩個(gè)滴頭之間的工作壓力差應(yīng)在滴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20％以?xún)?nèi)。顯然，支管若在平坦的地面上鋪設(shè)，其首末兩端滴頭間的工作壓力差應(yīng)最大。若支管鋪設(shè)在地形起伏的地面上，則其最大的工作壓力差并不見(jiàn)得發(fā)生在首末滴頭之間?？紤]地形高差Z的影響時(shí)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(shè)支管時(shí)，允許的hw的值小，即選用的支管管徑應(yīng)大些；順坡鋪設(shè)支管時(shí)，因Z的值本身為負(fù)值，其允許的hw的值可以比0.2hp大些，也就是說(shuō)因支管順坡鋪設(shè)時(shí)，因地形坡降彌補(bǔ)了支管內(nèi)的部分水力坡降，選用的支管管徑可適當(dāng)?shù)男⌒?。?dāng)一條支管選用同管徑的管子時(shí)，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(jì)算支管內(nèi)水頭損失時(shí)，可直接用沿程水頭損失來(lái)代替其總水頭損失，即h''''f=hw，式（4－20）可改寫(xiě)為
滴頭選定后，滿(mǎn)頭的設(shè)計(jì)工作壓力可從滴頭性能表中查得。兩滴頭進(jìn)水口高程差（實(shí)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(jì)算值。因管材的管徑已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。因此，還需按管材的標(biāo)準(zhǔn)管徑將計(jì)算出的管徑規(guī)范取整。對(duì)滴灌系統(tǒng)的支管，考慮到運(yùn)行與管理的方便，最大的管徑一般不超過(guò)100毫米，并且應(yīng)盡量使各支管取相同的管徑，至少也需在一個(gè)作業(yè)區(qū)中統(tǒng)一。對(duì)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(jí)管道管徑的確定：一般情況下，這些管道的管徑是在滿(mǎn)足下一級(jí)管道流量和壓力的前提下按費(fèi)用最小的原則選擇的。管道的費(fèi)用常用年費(fèi)用來(lái)表示。隨著管徑的增大，管道的投資造價(jià)（常用折舊費(fèi)表示）將隨之增高，而管道的年運(yùn)行費(fèi)隨之降低。因此，客觀上必定有一種管徑，會(huì)使上述兩種費(fèi)用之和為最低，這種管徑就是我們要選擇的管徑，稱(chēng)之為經(jīng)濟(jì)管徑。經(jīng)濟(jì)管徑中對(duì)應(yīng)的流速稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)流速。圖4-7就是用最小年費(fèi)用法計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑的原理示意圖。用這種方法確定管徑概念清楚，但計(jì)算相當(dāng)繁瑣，往往需要分別計(jì)算出多種管徑的年投資和年運(yùn)行費(fèi)，比較后再確定。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如微分法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等已在管道灌溉管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，具體方法可參閱有關(guān)書(shū)籍。對(duì)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(yàn)公式估算管道的直徑：
應(yīng)該指出的是，由于管道系統(tǒng)年工作小時(shí)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(mǎn)足的情況下，選用盡可能小的管徑是經(jīng)濟(jì)的，但管中流速應(yīng)控制在2.5～3米／秒以下。
③管道縱剖面設(shè)計(jì)：管道縱剖面設(shè)計(jì)應(yīng)在系統(tǒng)平面市置圖繪制后進(jìn)行，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定各級(jí)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(yīng)力求平順，減少折點(diǎn)，有起伏時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生負(fù)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(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地面荷載和機(jī)耕要求確定。一般管道在公路下埋深應(yīng)為0.7～1.2米；在農(nóng)村機(jī)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(shí)也應(yīng)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(chǔ)穩(wěn)定性好的管道坡度可陡一點(diǎn)；反之應(yīng)緩些。總的來(lái)說(shuō)，管道坡度不得超過(guò)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(lèi)管件應(yīng)考慮其規(guī)格盡量統(tǒng)一。
為了按計(jì)劃進(jìn)行輸水、配水、管道系統(tǒng)上應(yīng)裝置必要的控制閥。白果園中為了實(shí)現(xiàn)灌水的有效控制,設(shè)置了30多個(gè)電子閥.而且各級(jí)管道的首端還設(shè)了進(jìn)水閥或水分閥；當(dāng)管道過(guò)長(zhǎng)或壓力變化過(guò)大時(shí)，設(shè)置節(jié)制閥。為保證管道的安全運(yùn)行，還安裝一些附設(shè)裝置。自壓系統(tǒng)的進(jìn)水口和各類(lèi)水泵吸水管的底端應(yīng)分別設(shè)置攔污棚和濾網(wǎng)，管道起伏的高處應(yīng)設(shè)排氣裝置，自壓系統(tǒng)進(jìn)水閥后的干管上設(shè)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(shè)泄水裝置，管道可能發(fā)生最大水錘壓力處設(shè)置安全閥。
2.3評(píng)價(jià)
從整體上來(lái)看,XX白果園的滴灌系統(tǒng)是建設(shè)的比較完善的一套滴水灌溉系統(tǒng),設(shè)計(jì)施工都符合現(xiàn)代滴灌的要求,是一套先進(jìn)的現(xiàn)代化滴水灌溉系統(tǒng)，而且產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效果。不過(guò)當(dāng)時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)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(duì)多種毛管布置形式的比較分析，筆者認(rèn)為百果園應(yīng)改進(jìn)為雙行毛管平行布置；而且其控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高，全園僅能使用微機(jī)控制電磁閥的開(kāi)啟，不能精確實(shí)現(xiàn)作物的輪灌、對(duì)灌水時(shí)間和灌水量都不能實(shí)現(xiàn)有效的控制，故需進(jìn)一步對(duì)其控制系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)改進(jìn)。正在建設(shè)的二期工程應(yīng)該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)一期工程中的不足，特別是應(yīng)該實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)控制。
3灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)
灌溉中的滴灌系統(tǒng)，能很方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，灌水的自動(dòng)化控制能有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，也是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的要求。對(duì)微灌的自動(dòng)化控制，根據(jù)控制系統(tǒng)運(yùn)行的方式不同，一般可分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制三類(lèi)：
①手動(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的所有操作均由人工完成，如水泵、閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉，灌溉時(shí)間的長(zhǎng)短，何時(shí)灌溉等等。這類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，控制部分技術(shù)含量不高，便于使用和維護(hù)，很適合在我國(guó)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(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)不要人直接參與，通過(guò)預(yù)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(zhǎng)時(shí)間地自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)按一定的輪灌順序進(jìn)行灌溉。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。這種系統(tǒng)中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機(jī)外，還包括中央控制器、自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域沒(méi)有安裝傳感器，灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預(yù)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(lái)控制的。這類(lèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不等，有的一部分實(shí)行自動(dòng)控制，有的是幾部分進(jìn)行自動(dòng)控制。
為了對(duì)先進(jìn)的滴灌自動(dòng)化控制系統(tǒng)有具體認(rèn)識(shí)和了解，下面我們將對(duì)滴灌的自動(dòng)化控制作詳細(xì)介紹：
3.1滴灌首部控制樞紐
滴灌自動(dòng)化系統(tǒng)的基本控制方法有：時(shí)間控制、水量控制和反饋控制三種。時(shí)間控制系統(tǒng)是按預(yù)定好的時(shí)間放水或關(guān)水；水量控制系統(tǒng)是按照設(shè)計(jì)的配水量放水或關(guān)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(yīng)，然后將信號(hào)傳送到首部控制樞紐部分來(lái)關(guān)水或放水。滴灌系統(tǒng)更便于完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這在地多人少、勞力緊張的邊遠(yuǎn)地區(qū)，沙漠地帶的防護(hù)林區(qū)，鐵路路基沿線，經(jīng)濟(jì)力量雄厚的城郊蔬菜種植區(qū)顯得特別重要。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在滴灌區(qū)普遍使用了計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，并通過(guò)專(zhuān)用的滴灌系統(tǒng)軟件來(lái)控制和檢測(cè)作物生長(zhǎng)、土壤狀況和氣象趨勢(shì)，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(zhǎng)測(cè)定技術(shù)的可能性和實(shí)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(shè)備在滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用提供了巨大的潛力。滴灌系統(tǒng)軟件根據(jù)作物對(duì)水分的需求和土壤墑情制定出合理的灌溉計(jì)劃和作物管理計(jì)劃。
3.2作物生產(chǎn)管理計(jì)劃制定
控制軟件系統(tǒng)應(yīng)能提供一套科學(xué)的管理系統(tǒng)，它通過(guò)提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及減少用水量來(lái)提高水分利用效率，能給農(nóng)民及有關(guān)用戶(hù)提供一套針對(duì)灌溉方案制定作物生產(chǎn)管理的先進(jìn)、完善的管理系統(tǒng)，用戶(hù)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(zhǔn)確土壤水分含量，還能夠確定準(zhǔn)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(duì)不同農(nóng)田進(jìn)行灌溉優(yōu)先排序，以便制定優(yōu)化灌溉計(jì)劃使農(nóng)場(chǎng)或用戶(hù)獲得整體最高產(chǎn)量。
控制軟件系統(tǒng)應(yīng)能允許灌溉管理者根據(jù)作物水分需求和作物對(duì)灌溉的反應(yīng)制定合理的灌溉計(jì)劃，作為一個(gè)完整的灌溉計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)、運(yùn)算處理、顯示輸出。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)資料主要由中子探測(cè)儀、石膏電阻塊和張力計(jì)測(cè)定獲得。天氣數(shù)據(jù)資料由自動(dòng)氣象站獲得，作物生長(zhǎng)資料如籽粒大小（直徑）、株高和葉片硝酸鹽含量等可直接田間測(cè)定，根據(jù)相應(yīng)的作物響應(yīng)，作物生長(zhǎng)資料結(jié)合土壤水分資料能夠制定出合理的灌溉計(jì)劃，通過(guò)實(shí)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(shù)能夠詳細(xì)地驗(yàn)證作物生長(zhǎng)、土壤水分和氣候之間的關(guān)系，因此能很好地解決一些灌溉管理和作物生長(zhǎng)問(wèn)題，其中包括過(guò)量灌溉導(dǎo)致的灌溉水排滲問(wèn)題、肥料向根部以下淋溶損失問(wèn)題以及為了達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)的籽粒重和穗粒數(shù)或結(jié)果率的控制管理問(wèn)題。
3.3滴灌系統(tǒng)灌溉計(jì)劃制定
滴灌系統(tǒng)灌溉計(jì)劃一般是指確定何時(shí)進(jìn)行灌溉及應(yīng)該的灌溉量，灌溉計(jì)劃的應(yīng)用可消除代價(jià)巨大的不可預(yù)測(cè)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害，如在作物生長(zhǎng)臨界期由于土壤類(lèi)型和作物自身生長(zhǎng)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(jì)劃。農(nóng)民通過(guò)土壤水分測(cè)定技術(shù)利用軟件處理和顯示不同層次土壤水分特征，能加深對(duì)發(fā)生于土壤內(nèi)的各種過(guò)程的理解，以便進(jìn)行更精細(xì)的灌溉計(jì)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(zhǎng)所需的最佳含水量。
當(dāng)土壤水分和被作物利用的水分的準(zhǔn)確數(shù)量被測(cè)定后，通過(guò)軟件可以計(jì)算下一次滴灌的日期和準(zhǔn)確的灌水量，它將考慮當(dāng)前每天水分利用狀況、天氣變化和歷史資料來(lái)幫助管理者制定以后的灌水計(jì)劃。它把農(nóng)田從最干到最濕分為不同等級(jí)。了解需要灌溉補(bǔ)充的水量有助于協(xié)調(diào)不同用戶(hù)之間和同一用戶(hù)內(nèi)部的水分供給，充分了解雨后何時(shí)開(kāi)始灌溉能使農(nóng)民最大限度地利用自然降水，而把灌水過(guò)多和灌水不及造成地危險(xiǎn)減到最小。
3.4土壤水分時(shí)間圖和深度圖的應(yīng)用
3.4.1時(shí)間圖時(shí)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(yīng)隨時(shí)間的變化。時(shí)間圖的基本顯示：直線表示根區(qū)土壤含水量的飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)；供給的和有效的灌溉和降雨情況；箭頭指示預(yù)測(cè)的灌溉日期；關(guān)于水分飽和點(diǎn)、需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)、當(dāng)前和過(guò)去的土壤水分測(cè)定值及計(jì)劃安排的灌水日期和灌水量的總結(jié)表；作物生長(zhǎng)及其對(duì)灌溉管理技術(shù)措施的響應(yīng)；該軟件所做的時(shí)間圖可進(jìn)行大小調(diào)整，通過(guò)調(diào)整縱坐標(biāo)軸上的最大值和最小值及橫坐標(biāo)上的日期范圍能夠把圖形中用戶(hù)想要的區(qū)域或作物生長(zhǎng)期內(nèi)的某特定階段的圖形放大。圖形能夠進(jìn)行疊加來(lái)同時(shí)比較不同地點(diǎn)的田塊或不同年份的數(shù)據(jù)。當(dāng)季和前季的作物的生長(zhǎng)，土壤水分和天氣資料的疊加圖形比較灌溉管理達(dá)到高度的協(xié)調(diào)一致。用戶(hù)可以選擇任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)建立相互作用關(guān)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(guò)該軟件和現(xiàn)代化儀器結(jié)合能夠迅速直接測(cè)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(duì)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?jǐn)?shù)量、土壤緊實(shí)度、土壤質(zhì)地變化、高石灰?guī)r含量、地下水位和鹽分等問(wèn)題能夠通過(guò)對(duì)根部活動(dòng)的仔細(xì)分析而發(fā)現(xiàn)。深度圖也可以用來(lái)確定滲入和排出土壤剖面的水分的運(yùn)動(dòng)狀況及深度和數(shù)量，從中能夠給定灌溉飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)值。灌溉或降水后從土壤的根區(qū)排出的水分?jǐn)?shù)量能夠通過(guò)深度圖準(zhǔn)確測(cè)定，根據(jù)可以調(diào)節(jié)灌溉所用時(shí)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(shí)也將降低灌水及滴灌水及抽水的成本。深度圖是一個(gè)非常有用的工具，能夠解決在不同類(lèi)型土壤中灌溉水的水平和垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)分別繪制灌溉前和灌溉后距滴管不同距離的各個(gè)點(diǎn)的土壤水分含量圖可比較灌溉水的運(yùn)動(dòng)狀況，用戶(hù)能夠利用研究所得的結(jié)果來(lái)減少水分和肥料排滲，同時(shí)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(diǎn)
3.5.1程序結(jié)構(gòu)滴管軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，這使得制定灌溉方案是查詢(xún)數(shù)據(jù)資料非常方便。管理人員可能負(fù)責(zé)管理幾個(gè)農(nóng)場(chǎng)或幾塊農(nóng)田，每個(gè)農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)田可能有許多檢測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都有一套不同時(shí)間收集的實(shí)際測(cè)定的讀數(shù)記錄。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理，能顯示有關(guān)每一單個(gè)田塊的詳細(xì)資料，還能夠向農(nóng)民分別顯示每一年的作物種植的詳細(xì)資料。能夠顯示農(nóng)場(chǎng)的每個(gè)監(jiān)測(cè)田塊或某一年份的每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況，指明灌溉飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)，當(dāng)前作物日水分使用情況，土壤水分平衡和預(yù)測(cè)出的三次灌溉的日期，土壤水分含量和作物日用水量的測(cè)定值，對(duì)未來(lái)作物在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)的長(zhǎng)期的用水量作出估算。顯示某一具體的時(shí)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(shí)顯示土壤水分需要量，中子儀測(cè)定并估算的日水分使用量。利用滴灌軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)資料綜合分析，從中總結(jié)重要的信息形成報(bào)告，以幫助制定每日的管理決策方案。同時(shí)也可以編輯出前幾個(gè)生長(zhǎng)季的作物生長(zhǎng)、水分管理。土壤等數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該軟件程序的所以結(jié)構(gòu)層次能為所選擇的農(nóng)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和某一日期建立報(bào)告。報(bào)告分為五種：深度圖、時(shí)間圖、記錄讀數(shù)報(bào)告。監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)告和灌溉計(jì)劃報(bào)告。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要已及自己微機(jī)系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行修改編譯，選擇公制和英制計(jì)量單位進(jìn)行數(shù)據(jù)資料綜合分析，將田間測(cè)定得到的數(shù)據(jù)讀數(shù)記錄自動(dòng)粘貼到?jīng)]一個(gè)具體的農(nóng)場(chǎng)欄、監(jiān)測(cè)點(diǎn)欄和日期欄。每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)定日期，時(shí)間及估計(jì)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(shí)際收集的數(shù)據(jù)，如土壤水分張力計(jì)的讀數(shù)、作物籽粒大小。有關(guān)作物的數(shù)據(jù)可以測(cè)定得到，作物生長(zhǎng)參數(shù)與土壤水分含量相關(guān)聯(lián)可以確定作物生長(zhǎng)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(dòng)裝載。天氣數(shù)據(jù)參數(shù)的個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，它可以與任一個(gè)作物生長(zhǎng)測(cè)定值和任一水平的土壤水分含量相關(guān)聯(lián)制作相互作用關(guān)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(cè)定的日水分使用量相比較來(lái)調(diào)整該地區(qū)的作物灌溉計(jì)劃。
3.5.3軟件的數(shù)據(jù)處理利用滴管軟件可以計(jì)算使土壤剖面達(dá)到灌溉飽和點(diǎn)所需的準(zhǔn)確時(shí)間數(shù)。同時(shí)計(jì)算自從播種或其他生長(zhǎng)時(shí)期（如發(fā)芽、開(kāi)花等）以來(lái)的天數(shù)，使土壤水分能夠與過(guò)去多年的作物生長(zhǎng)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(píng)估作物總產(chǎn)量，尤其是對(duì)于玉米、小麥和棉花?？梢酝ㄟ^(guò)作物－水分方程和氣象資料估算理論產(chǎn)量。通過(guò)速率方程，計(jì)算作物生長(zhǎng)速率。計(jì)算作物當(dāng)前日水分利用量占整個(gè)生長(zhǎng)季日水分利用量地比例。同時(shí)也可計(jì)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(shí)問(wèn)題和土壤干旱地程度。滴灌軟件可以分析某一作物在生長(zhǎng)季內(nèi)日水分利用狀況地資料。結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)地土壤水分測(cè)定儀器使用，該軟件能夠指導(dǎo)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(zhǔn)確時(shí)間和灌水量。同時(shí)減小過(guò)量灌溉和水分不足對(duì)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(shí)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(shù)和傳統(tǒng)耕作技術(shù)條件下的水分利用效率的關(guān)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(wèn)題，能夠減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失問(wèn)題。建立土壤水分含量、作物長(zhǎng)勢(shì)及天氣狀況的數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)化控制系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)灌水的自動(dòng)化，必須有自動(dòng)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(shí)施自動(dòng)灌溉（溝灌、噴灌、滴灌、滲灌），達(dá)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(jì)發(fā)展，庭院花圃、苗圃水分的自動(dòng)灌溉倍受歡迎。它能省水省事，使花木生長(zhǎng)更好。一畝庭院花圃、苗圃地投資1.0－1.5萬(wàn)元，可以建立自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)。自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)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(zhǔn)化灌溉技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、塑料工業(yè)技術(shù)的提高而逐步實(shí)現(xiàn)的
自動(dòng)化計(jì)算機(jī)灌溉控制系統(tǒng)大約在80年代初由雨鳥(niǎo)公司、摩托羅拉等幾家公司開(kāi)發(fā)、研制成功，并投入使用。由于技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用難度大，價(jià)格高昂，這種控制設(shè)備最早應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代，計(jì)算機(jī)工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展，使得灌溉系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作難度越來(lái)越小，功能越來(lái)越豐富，價(jià)格也逐漸降了下來(lái)。這種系統(tǒng)在園林綠化上用得也越來(lái)越多了起來(lái)，雨鳥(niǎo)公司針對(duì)不同用途，研制、開(kāi)發(fā)出了中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：Maxicom
智能化灌溉中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下功能：
①動(dòng)采集各種氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算并記錄蒸發(fā)蒸騰量ET；
②根據(jù)前一天的ET值自動(dòng)編制當(dāng)天灌溉程序并實(shí)施灌溉；
③可由連接的土壤濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、雨量傳感器等干涉程序，啟動(dòng)、關(guān)閉、暫停灌溉系統(tǒng)；
④連接流量傳感器可自動(dòng)監(jiān)測(cè)、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(yùn)行程序而不起動(dòng)灌溉系統(tǒng)（干運(yùn)行），測(cè)試程序合理性，不合理時(shí)預(yù)先修改；
⑥自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)存各灌溉站的運(yùn)行時(shí)間；自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)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(shè)計(jì)好的灌水延續(xù)時(shí)間分成若干時(shí)段，以便提供足夠的土壤入滲時(shí)間，減少坡地或粘性土地地面徑流損失。
⑧一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可控制無(wú)數(shù)臺(tái)田間控制系統(tǒng)（稱(chēng)為衛(wèi)星站），一套中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可控制小到一個(gè)公園，大到上百個(gè)公園，甚至全城的所有灌溉系統(tǒng)。
⑨儲(chǔ)存數(shù)百套灌溉程序；一臺(tái)田間控制器（衛(wèi)星站）可使4個(gè)輪灌區(qū)獨(dú)立灌溉或同時(shí)灌溉。
⑩手動(dòng)干涉灌溉系統(tǒng)：可在閥門(mén)上手動(dòng)啟、閉系統(tǒng)，可在田間衛(wèi)星站上手動(dòng)控制系統(tǒng)，也可在計(jì)算機(jī)上手動(dòng)啟、閉任何一站，任何一個(gè)電磁閥?？煽刂乒喔认到y(tǒng)以外的其它設(shè)備，如：道路或公共場(chǎng)所燈光，大門(mén)、噴泉、水泵等
自動(dòng)化中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)，集群控制器(CCU)，田間控制器（衛(wèi)星站），電磁閥構(gòu)成。中央計(jì)算機(jī)可裝置在任何一個(gè)地方。比如：一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制50個(gè)公園的灌溉系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)可安裝在市園林局認(rèn)為合適的位置。CCU安裝在各個(gè)公園內(nèi)。中央計(jì)算機(jī)與CCU之間的通訊，可采用有線連接（近距離），無(wú)線連接，電話線連接或移動(dòng)通訊方法連接。一臺(tái)CCU最多可連接28個(gè)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(jì)算機(jī)到終端電磁閥的工作過(guò)程為：中央計(jì)算機(jī)編程，并將程序下達(dá)到CCU。CCU將各輪灌區(qū)灌溉控制程序再發(fā)到相關(guān)田間控制器。田間控制器依中央計(jì)算機(jī)制作的程序啟閉各輪灌區(qū)電磁閥。如下圖所示：
中央計(jì)算機(jī)上的初始程序由控制人員編制，之后，計(jì)算機(jī)每日自動(dòng)收集由氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算ET值，并不斷對(duì)原有程序自動(dòng)修改。如遇傳感器傳來(lái)異常信息（如降雨，過(guò)分干燥，系統(tǒng)漏水...），自動(dòng)中斷或暫停程序，待異常情況排除后，繼續(xù)恢復(fù)程序運(yùn)行。
如果將智能泵站連接到中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上，則效果會(huì)更好。這樣從水泵到電磁閥之間復(fù)雜的系統(tǒng)將由一個(gè)高度智能化的系統(tǒng)管理起來(lái)，可做到最大限度地節(jié)水、節(jié)能，最大限度地保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行，避免灌溉系統(tǒng)常發(fā)生的下列幾種問(wèn)題：
①過(guò)量灌溉或灌水不足，浪費(fèi)水資源或不能滿(mǎn)足植物需水；
②管網(wǎng)破裂，漏失水；
③系統(tǒng)運(yùn)行壓力不合理；
④水泵運(yùn)行效率低下；
⑤地形起伏不平時(shí)或土壤入滲率低產(chǎn)生地面徑流，浪費(fèi)寶貴的水資源；
⑥降雨時(shí)，灌溉系統(tǒng)照常灌溉；
⑦管理、維護(hù)成本高。
3.7百果園灌溉的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
百果園一期工程灌水基本實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化控制，可以使用電腦控制各電磁閥的開(kāi)啟。我們可在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)與提高，使其實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)化，具體見(jiàn)下：
3.7.1控制原理
自動(dòng)化控制采用電子技術(shù)對(duì)田間土壤溫濕度、空氣溫濕度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集，輸入計(jì)算機(jī)，按最優(yōu)方案，控制各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟及水泵的運(yùn)行狀態(tài)，科學(xué)有效地控制灌水時(shí)間、灌水量、灌水均勻度，為項(xiàng)目區(qū)作物提供一個(gè)良好的地、水、肥、氣、熱條件，促使其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。同時(shí)進(jìn)行控制軟件及優(yōu)化灌溉制度的研究，最終形成灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)。另外，通過(guò)變頻器控制改變電機(jī)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(dòng)化提供依據(jù)。具體包括以下幾個(gè)方面：
①田間土壤含水量、鹽分、地溫、空氣溫度、濕度、降水、風(fēng)速、管道壓力等參數(shù)的自動(dòng)化采集
②自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)安裝
③監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
④變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)改變水壓力，為微噴、滴灌等工程的自動(dòng)化提供依據(jù)
⑤系統(tǒng)運(yùn)行管理模式評(píng)價(jià)，包括系統(tǒng)評(píng)價(jià)、灌水指標(biāo)、灌溉制度等
3.7.2控制系統(tǒng)的組成
欲實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動(dòng)控制，需要控制田間參數(shù)及對(duì)象很多，例如土壤濕度、鹽分、空氣溫度、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速、管道壓力、閥門(mén)開(kāi)啟、水泵電機(jī)旋轉(zhuǎn)等，都要送入控制器?？紤]到要控制的對(duì)象較多，又要滿(mǎn)足良好的人機(jī)界面要求，可以采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，來(lái)協(xié)調(diào)各部分的工作。
系統(tǒng)的組成如下圖所示,整個(gè)系統(tǒng)的工作主要工控機(jī)和變頻器兩部分來(lái)控制，其中變頻器主要用于控制水泵電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，工控機(jī)主要用來(lái)采集田間土壤及氣象指標(biāo)，按照設(shè)定的程序，控制各地塊中電磁閥的開(kāi)啟，并通過(guò)變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。
3.7.3監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件是工控機(jī)能夠完成控制功能的重要基礎(chǔ)，監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。根據(jù)項(xiàng)目要求及滴灌的特點(diǎn)，筆者建議百果園采用雨鳥(niǎo)公司的“Maxicom”中央控制系統(tǒng)，該軟件只需用戶(hù)輸入各地塊種植作物種類(lèi)及種植日期，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)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(hào)，控制水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及閥門(mén)的開(kāi)啟，自動(dòng)完成整個(gè)灌水過(guò)程，完全不需要人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。
該控制軟件在此所完成的主要功能及特點(diǎn)如下：
①自動(dòng)采集田間數(shù)據(jù)：系統(tǒng)根據(jù)軟件中所預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，自動(dòng)地采集土壤濕度、溫度風(fēng)速、雨量等參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的處理后，實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。
②作物生育期的判斷：當(dāng)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(jì)算機(jī)時(shí)鐘自動(dòng)計(jì)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(dòng)查找資料庫(kù)中所存的原始資料，確定出當(dāng)前作物最適宜的土壤含水量及灌水定額。
③滴灌的全自動(dòng)控制：系統(tǒng)采集田間及氣象數(shù)據(jù)后，將當(dāng)前各地塊土壤含水量與作物適宜含水量相比較，若土壤實(shí)際含水量小于作物要求下限值，便自動(dòng)開(kāi)啟該地塊的第一個(gè)電磁閥。進(jìn)行灌溉。達(dá)到所需灌水定額后，自動(dòng)關(guān)閉第一個(gè)電磁閥，同時(shí)開(kāi)啟下一個(gè)電磁閥，直到完成整個(gè)地塊的灌溉任務(wù)。灌溉過(guò)程中，若出現(xiàn)溫度過(guò)低、風(fēng)速過(guò)大以及降雨過(guò)程等天氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)暫停當(dāng)前的灌溉任務(wù)，并保存當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)氣象條件滿(mǎn)足時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行未完成的任務(wù)。
④形式多樣的控制方式：全自動(dòng)控制外，系統(tǒng)還允許管理人員采用半自動(dòng)、手動(dòng)等控制方式。全自動(dòng)方式只需運(yùn)行人員輸入各地塊的作物信息，系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)作物、土壤、氣象等條件自動(dòng)完成灌溉的全過(guò)程，無(wú)需人工干預(yù)。所謂半自動(dòng)方式，是指系統(tǒng)允許用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況控制開(kāi)停機(jī)。用戶(hù)可人為啟動(dòng)某個(gè)閥門(mén)，或某個(gè)地塊，甚至是所有地塊均輪灌一次。當(dāng)然這些操作全部都是通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)來(lái)完成的，而且在工控機(jī)屏幕上均有明顯的提示。所謂手動(dòng)方式是指人工去開(kāi)啟各個(gè)電磁閥，筆者建議百果園選用美國(guó)雨鳥(niǎo)公司生產(chǎn)的電磁閥：手動(dòng)、電動(dòng)兩用閥門(mén)，既可手動(dòng)，又可電動(dòng)，使用非常方便。當(dāng)手動(dòng)打開(kāi)某個(gè)電磁閥時(shí)，噴頭出水，主干管道壓力開(kāi)始下降，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)變頻器升高水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持管道壓力的恒定，直到完成灌溉任務(wù)。
⑤豐富的辦公自動(dòng)化功能：系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，可自動(dòng)生成各種定時(shí)、日、月、年報(bào)表，并通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。其內(nèi)容包括各種氣象及土壤參數(shù)，可從各報(bào)表中得到土壤濕度變化曲線、日最高風(fēng)速、月平均氣溫、全年總降水量等原始資料，為用戶(hù)研究當(dāng)?shù)氐臍庀蠹巴寥雷兓闆r提供翔實(shí)的依據(jù)。
⑥良好的可維持性：可維護(hù)性是衡量軟件質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，在編寫(xiě)本系統(tǒng)時(shí)我們也充分考慮了這一點(diǎn)，例如用戶(hù)在種植一類(lèi)新作物時(shí)，可能系統(tǒng)的資料庫(kù)中并沒(méi)有該作物，便無(wú)法確定其適宜土壤含水量和灌水定額。此時(shí)，用戶(hù)可按自定義按鈕，通過(guò)鼠標(biāo)各鍵盤(pán)輸出這些參數(shù)，系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)用戶(hù)所定義的數(shù)值運(yùn)行。另外，用戶(hù)還可很方便地修改灌水定額、管道壓力等參數(shù)，滿(mǎn)足實(shí)際情況的需要。
⑥友好的人機(jī)界面：系統(tǒng)中大部分界面均為示意圖形，實(shí)時(shí)顯示各傳感器送來(lái)的數(shù)值及系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，一目了然。需要用戶(hù)操作的部分全部為中文界面，工作人員無(wú)需學(xué)習(xí)便可完成所有操作。另外，在任一界面下，用戶(hù)都可以通過(guò)按幫助按鈕得到相應(yīng)的提示，指導(dǎo)用戶(hù)完成相應(yīng)的功能。
3.7.4效果
百果園通過(guò)增加自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期等完全根據(jù)果樹(shù)某些需水參數(shù)自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)灌溉，人的作用僅僅是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。既提高了水的有效利用率，又節(jié)省了人力，同時(shí)也提高了果樹(shù)的產(chǎn)量，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效果。
3.8第二期工程的設(shè)想
正在建設(shè)第二期工程計(jì)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(shè)，也采用滴噴灌相結(jié)合的方式，其水源計(jì)劃應(yīng)采用水塔蓄水，用以緩解枯水期水庫(kù)少水的矛盾，該可以區(qū)采用先進(jìn)的電腦全自動(dòng)控制方式，實(shí)行精確灌水，管道布置采用固定式（干管、支管）和移動(dòng)式（毛管）的有機(jī)結(jié)合。二期工程應(yīng)該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)一期工程中毛管布置形式的不足，還特別是應(yīng)該增加灌水的全自動(dòng)控制部分，實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)化，精確控制作物的有效灌水。
4存在的問(wèn)題及建議
通過(guò)對(duì)滴灌系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)，筆者系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了滴灌這種先進(jìn)的果園節(jié)水灌溉方法，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上深化了理論，并對(duì)滴灌和滴灌系統(tǒng)有一些不成熟的認(rèn)識(shí)與建議。
4.1滴灌的優(yōu)缺點(diǎn)
4.1.1百果園滴灌的優(yōu)點(diǎn)
4.1.1.1水的有效利用率高，在滴灌條件下，灌溉水濕潤(rùn)部分土壤表面，可有效減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)。同時(shí)，由于滴灌僅濕潤(rùn)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(zhǎng)。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(dá)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(guò)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(mǎn)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(hù)地內(nèi)的濕度，使果園中作物的病蟲(chóng)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(shí)適量供水、供肥，它可以在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，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(jì)效益高。
4.1.1.4滴灌對(duì)地形和土壤的適應(yīng)能力較強(qiáng)，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(lèi)的土壤。同時(shí)，滴灌還可減少中耕除草，也不會(huì)造成地面土壤板結(jié)。
4.1.2百果園滴灌的缺點(diǎn)
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(yán)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(huì)產(chǎn)生局部壓力過(guò)高而使管道容易損壞，滴頭的壓力不均甚至?xí)a(chǎn)生霧化，損壞滴頭，浪費(fèi)水資源。
4.1.2.3滴灌一般僅潤(rùn)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(rùn)區(qū)，這樣容易產(chǎn)生作物根系的腐爛，進(jìn)而引起作物倒伏。
4.1.2.4滴灌的管道布置要充分利用當(dāng)?shù)氐貏?shì)與地形，在原則的基礎(chǔ)上加以靈活運(yùn)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(yīng)加強(qiáng)灌水的自動(dòng)化控制，保證各種果樹(shù)的精準(zhǔn)灌水，實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)水灌溉
4.2.2滴灌的水量應(yīng)該有保證，應(yīng)該建一水塔蓄水，確保枯水期各種果樹(shù)的需水要求
4.2.3滴灌的毛管布置應(yīng)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(shù)灌水均勻度。
4.2.4滴灌技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該和其他節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合，互相補(bǔ)給，更好的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
4.2.5國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)進(jìn)行滴灌技術(shù)的研究，加大科研推廣投入的力度，研制開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的滴灌管材，解決滴頭易堵塞的難題等，滴水灌溉技術(shù)應(yīng)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(guó)范圍鼓勵(lì)推廣發(fā)展。
關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化控制技術(shù)；ESC系統(tǒng)；安全穩(wěn)定
0 引言
電氣自動(dòng)化控制技術(shù)是建立在電子信息和自動(dòng)化技術(shù)之上的，以電氣控制系統(tǒng)為核心，以電動(dòng)機(jī)為主要傳輸動(dòng)力，具有自動(dòng)檢測(cè)、信息控制等多項(xiàng)功能，利用自動(dòng)化技術(shù)可使各項(xiàng)電氣設(shè)備自主控制完成電力生產(chǎn)任務(wù)。將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，可有效解決其復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，降低工作難度，減少人工勞動(dòng)量，進(jìn)而維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還有一些不足之處應(yīng)引起重視，促進(jìn)該技術(shù)在未來(lái)有更好的發(fā)展。
1 電氣自動(dòng)化技術(shù)的功能及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
1.1 功能
首先是自動(dòng)控制功能，即對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)控制，是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要體現(xiàn)。多采用分散式控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)的控制，運(yùn)行中若有設(shè)備出現(xiàn)異常，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)， 并將故障電路切除，以免有電流經(jīng)過(guò)，使得故障進(jìn)一步擴(kuò)大。而電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，線路復(fù)雜，要想準(zhǔn)確切斷電路，還需依靠分散控制來(lái)完成，所以說(shuō)自動(dòng)控制功能是維護(hù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定的一個(gè)重要保障。
其次是保護(hù)功能，受內(nèi)部運(yùn)行或外部環(huán)境影響，電力設(shè)備難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，進(jìn)而影響到系統(tǒng)安全。而電氣自動(dòng)化控制技術(shù)則能夠保護(hù)設(shè)備運(yùn)行安全，如輸入電壓不穩(wěn)定時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)控制設(shè)備自動(dòng)將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，保護(hù)設(shè)備內(nèi)部的元件和導(dǎo)線不被損壞，將可能會(huì)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，盡可能地保護(hù)設(shè)備安全。電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)的承受能力有限，一旦電流過(guò)大，必將受損，所以說(shuō)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，可提高設(shè)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?yàn)殡娏鞑环€(wěn)定時(shí)，對(duì)設(shè)備危害較大，自動(dòng)化控制系統(tǒng)則能對(duì)其加以監(jiān)督。此時(shí)顯示器上的指針會(huì)有所偏移，且信號(hào)燈閃爍，提示工作人員對(duì)線路進(jìn)行檢查。進(jìn)而控制不穩(wěn)定電流，避免故障發(fā)生。
1.2 應(yīng)用
首先是電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，為生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者必須具備極強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并了解當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，以及產(chǎn)品的用途和工作環(huán)境。以往多以經(jīng)驗(yàn)為主，缺少科學(xué)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(jì)算機(jī)等。另外，控制理論也越來(lái)越成熟，尤其是專(zhuān)家系統(tǒng)、遺傳算法等的應(yīng)用，為產(chǎn)品提供了質(zhì)量保障。
其次是設(shè)備故障的診斷，現(xiàn)代化電氣設(shè)備功能增多，智能化程度越來(lái)越高，故障也變得更加復(fù)雜，具有非線性的特點(diǎn)，檢測(cè)處理難度加大。傳統(tǒng)的方法顯然已不適用，而當(dāng)前則逐漸形成了一套設(shè)計(jì)理論，以此對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)。這是一大創(chuàng)新，在智能化產(chǎn)品故障檢測(cè)中較為適用，效率很高。當(dāng)然還可以結(jié)合模糊邏輯系統(tǒng)等使用，進(jìn)一步提升檢測(cè)效率。
2 新型電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)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(jìn)了DCS系統(tǒng)。隨著用電需求的增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜多變，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用可控制輸入輸出設(shè)備，從而采集系統(tǒng)的有關(guān)信息，并進(jìn)行分析處理，然后對(duì)功率計(jì)電壓等加以適當(dāng)調(diào)整。該系統(tǒng)以控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，具有分散控制、分級(jí)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(fù)雜，成本昂貴，且反應(yīng)太慢，往往不能很好地處理瞬態(tài)電信號(hào)。為此，企業(yè)于2007年開(kāi)始引進(jìn)并應(yīng)用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（Electric Control System），簡(jiǎn)稱(chēng)ESC系統(tǒng)，這是對(duì)計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可對(duì)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化裝置進(jìn)行有效的測(cè)量控制，并保護(hù)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(gè)智能元件構(gòu)成，如直流接地選線裝置、常用電壓保護(hù)裝置、自動(dòng)準(zhǔn)同期控制裝置等，可完成系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)化功能。多是通過(guò)嵌入式軟硬件技術(shù)開(kāi)發(fā)的，由CPU、現(xiàn)場(chǎng)總線等設(shè)備；（2）通信管理層：主要由通信網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的管理裝置組成，利用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將DSC系統(tǒng)、各項(xiàng)智能設(shè)備及其他子系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)通信工作；（3）站控層：包括各種專(zhuān)業(yè)軟件、通訊接口、服務(wù)器和監(jiān)控設(shè)備，且軟件都具有數(shù)據(jù)采集、故障診斷的功能。
2.3 特點(diǎn)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(shè)計(jì)， 可保證組態(tài)調(diào)試的一次性完成， 進(jìn)行調(diào)試時(shí)可以更加方便， 并且符合人的操作習(xí)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(kāi)設(shè)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(jìn)可靠地自動(dòng)化電氣裝置， 完全可以不受通訊功能限制并可以獨(dú)立運(yùn)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(hù)測(cè)控裝置， 抗干擾能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜環(huán)境。且系統(tǒng)還采用了冗余容錯(cuò)技術(shù)， 包括雙現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、 站控層設(shè)備冗余等多種措施，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)保護(hù)測(cè)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(yǔ)
電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中起著重要作用，可保護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定，提高工作效率。在今后，將進(jìn)一步朝著智能化方向發(fā)展，有很多事項(xiàng)需注意，對(duì)于其中存在的問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)解決。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】電氣；自動(dòng)控制；控制方式
中圖分類(lèi)號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1006-0278（2013）06-183-01
一、概述
一個(gè)理想的控制系統(tǒng)，在其控制過(guò)程中應(yīng)始終使被控量等于給定值。但是，由于系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的存在以及能源功率的限制，使得運(yùn)動(dòng)部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時(shí)變化。所以，當(dāng)給定值變化時(shí)，被控量不可能立即等于給定值，而需要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，即瞬態(tài)過(guò)程。所謂瞬態(tài)過(guò)程就是指系統(tǒng)受到外加信號(hào)作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程。瞬態(tài)過(guò)程可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，而常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也是從瞬態(tài)過(guò)程定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面：穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。
自動(dòng)控制理論研究的是如何接受控制對(duì)象和環(huán)境特征，通過(guò)能動(dòng)地采集和運(yùn)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(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控制手段以及它們之間的相互作用。具有“自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)上離心調(diào)速器是比較自覺(jué)地運(yùn)用反饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。麥克斯韋對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，于1868年發(fā)表的論文當(dāng)屬最早的理論工作。從20世紀(jì)20年代到40年代形成了以時(shí)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo)，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件喜下，其某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)而實(shí)行的控制稱(chēng)為最優(yōu)控制。當(dāng)對(duì)象或環(huán)境特性變化時(shí)，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(yīng)控制。
二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式
（一）開(kāi)環(huán)控制
控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系時(shí)，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程很簡(jiǎn)單，但抗擾能力差、控制精度不高，故一般只能用于對(duì)控制性能要求較低的場(chǎng)合。
（二）閉環(huán)控制
控制裝置與受控對(duì)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(duì)控制過(guò)程的影響，這種控制稱(chēng)為閉環(huán)控制，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱(chēng)為反饋控制或按偏差控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過(guò)給定值與反饋量的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)控制作用的，故這種控制常稱(chēng)為按偏差控制，或稱(chēng)反饋控制。此類(lèi)系統(tǒng)包括了兩種傳輸信號(hào)的通道：由給定值至被控量的通道稱(chēng)為前向通道；由被控量至系統(tǒng)輸入端的通道稱(chēng)為反饋通道。閉環(huán)系統(tǒng)能減小或消除作用，但若設(shè)計(jì)調(diào)試不當(dāng)，易產(chǎn)生震蕩設(shè)置不能正常工作。自動(dòng)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(fù)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(yīng)調(diào)節(jié)和控制的，在受控對(duì)象具有較大時(shí)滯的情況下，其控制作用難以及時(shí)影響被控量，進(jìn)而形成快速有效的反饋控制。前饋補(bǔ)償控制，則在測(cè)量出外部作用的基礎(chǔ)上，形成與外部作用相反的控制量，該控制量與相應(yīng)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(jìn)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(duì)控制過(guò)程不產(chǎn)生影響，故它也屬于開(kāi)環(huán)控制。前饋補(bǔ)償控制與反饋控制相結(jié)合，就構(gòu)成了復(fù)合控制。復(fù)合控制有兩種基本形式：按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制和按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償控制的復(fù)合控制。
三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)
自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)方法較多，常見(jiàn)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(chēng)為非線性系統(tǒng)；定常系統(tǒng)和系統(tǒng)，從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)看，若微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)則稱(chēng)此類(lèi)系統(tǒng)為定常系統(tǒng)。否則稱(chēng)為是系統(tǒng)。若系統(tǒng)既是線性的又是定常的，則稱(chēng)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(hào)來(lái)看，若系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量，則稱(chēng)此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)，若系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)，則稱(chēng)之為離散系統(tǒng)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又稱(chēng)為采樣系統(tǒng)；恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)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(wù)就是克服騷動(dòng)，使被控量保持恒值，此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為恒值系統(tǒng)。若系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值的變化，則此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng)。若系統(tǒng)的給定值按照一定時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化，則此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)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(lèi)型，可分為機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)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(chēng)：Computing Technology and Automation
主管單位：中華人民共和國(guó)教育部
主辦單位：湖南大學(xué);中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì);湖南省自動(dòng)化學(xué)會(huì);湖南省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)
出版周期：季刊
出版地址：湖南省長(zhǎng)沙市
語(yǔ)
種：中文
開(kāi)
本：16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：1003-6199
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：43-1138/TP
郵發(fā)代號(hào)：42-277
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：1982
期刊收錄：
核心期刊：
期刊榮譽(yù)：
Caj-cd規(guī)范獲獎(jiǎng)期刊
聯(lián)系方式
【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制理論;LabVIEW;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
【中圖分類(lèi)號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的質(zhì)量與國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)密切相關(guān),其中良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣?dòng)控制理論》課程作為電氣、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,是聯(lián)系前期基礎(chǔ)課和后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的橋梁。如何借助于實(shí)驗(yàn)課的輔助教學(xué),生動(dòng)、形象地幫助學(xué)生理解基本概念、建立理論與實(shí)際相結(jié)合的觀點(diǎn)、培養(yǎng)大學(xué)生的初步工程實(shí)踐能力,符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才的需要。
LabVIEW是由美國(guó)國(guó)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(kāi)發(fā)環(huán)境。具有直觀易學(xué)、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點(diǎn)。通過(guò)改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的復(fù)雜性,能為各層次學(xué)生提供廣闊的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐空間。為此,建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展設(shè)計(jì)性、綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),不僅有利于通過(guò)直觀形象的實(shí)驗(yàn)圖形與結(jié)果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且對(duì)于全面提升學(xué)生動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
近年來(lái)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),作為一種工程、教學(xué)輔助工具,在簡(jiǎn)化問(wèn)題、節(jié)約成本、縮短調(diào)試周期等方面特點(diǎn)突出,有利于發(fā)展學(xué)生借助計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力。傳統(tǒng)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),由于外部條件變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信息的影響不同[3],則對(duì)于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際綜合解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展也逐步獲得關(guān)注重視。基于以上分析,所設(shè)計(jì)的LabVIEW自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以融合以上三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn),力圖通過(guò)交替互補(bǔ),以不同的實(shí)驗(yàn)要求,通過(guò)設(shè)立資源學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)與探索學(xué)習(xí)這三類(lèi)學(xué)習(xí)模式,全方位提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論與技能。
1 仿真實(shí)驗(yàn)
LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、方便靈活的虛擬儀器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,改善了以往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,便于學(xué)生集中精力對(duì)結(jié)果進(jìn)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(jìn)行分析,由于其獨(dú)特的復(fù)雜性與抽象性,一直是自動(dòng)控制理論教學(xué)的難點(diǎn),理論計(jì)算繁瑣,實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)時(shí)。
為此,采用基于圖形化的計(jì)算機(jī)仿真的方法通過(guò)對(duì)非線性、線性環(huán)節(jié)的類(lèi)型、參數(shù)進(jìn)行選擇,而后設(shè)定分析的頻率范圍、初值、步長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)等,可有效避免繁復(fù)的頻率調(diào)整、計(jì)數(shù)、描點(diǎn)等工作,迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。
設(shè)定線性區(qū)寬度 ,飽和特性信號(hào)限幅 后,輸入到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的如圖3所示的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面,運(yùn)行后,即可獲取如圖4所示的對(duì)應(yīng)的幅相特性曲線圖。
這樣,利用仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以靈活設(shè)定仿真條件,方便、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析,達(dá)到了對(duì)抽象的非線性理論概念進(jìn)行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容,設(shè)定了2學(xué)時(shí)由教師講解LabVIEW的基礎(chǔ)知識(shí),安排4學(xué)時(shí)課后時(shí)間用于相關(guān)資源學(xué)習(xí)。
2 模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)
NI公司提供的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個(gè)定制靈活的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)DAQ捕獲實(shí)際系統(tǒng)中真實(shí)的物理信號(hào),并輸入到計(jì)算機(jī)中,而后利用LabVIEW編制相應(yīng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、記錄、顯示及分析,可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過(guò)程。
目前本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)立了演示實(shí)驗(yàn)[4]和學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。演示實(shí)驗(yàn)包括RC電路暫態(tài)電壓變化實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實(shí)驗(yàn)以及直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控實(shí)驗(yàn)。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的展示與講解,以幫助學(xué)生逐步掌握NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與開(kāi)發(fā)流程、技巧,為后續(xù)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究奠定基礎(chǔ)。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(cè)分析儀表,配合ELVIS提供的實(shí)驗(yàn)面包板,要求學(xué)生獨(dú)立在實(shí)驗(yàn)板上通過(guò)模擬運(yùn)放電路的搭建,完成二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),并與理論分析值進(jìn)行比較、分析。此處設(shè)定為任務(wù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)方式,課內(nèi)保留4學(xué)時(shí)用于提問(wèn)、測(cè)試、成績(jī)?cè)u(píng)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(shí)驗(yàn)電路。
圖5中運(yùn)算放大器采用op07,輸入正弦信號(hào) ,其幅值 及頻率 可調(diào)。當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過(guò)大時(shí),系統(tǒng)可能進(jìn)入運(yùn)算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域,系統(tǒng)輸出 信號(hào)則會(huì)輸出周期畸變信號(hào); 當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過(guò)小, 靜電感應(yīng)電壓對(duì)系統(tǒng)輸出 信號(hào)的疊加影響不可忽略, 會(huì)影響輸出 信號(hào)測(cè)試的準(zhǔn)確度(此處,可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行思索、研究)。僅當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 處于適當(dāng)范圍內(nèi),輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號(hào)。針對(duì)這一現(xiàn)象,與1節(jié)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進(jìn)行對(duì)比,提出問(wèn)題1:仿真實(shí)驗(yàn)與模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)的區(qū)別與聯(lián)系?問(wèn)題2:確定一個(gè)環(huán)節(jié)是線性還是非線性的原則是什么?問(wèn)題3:理論與實(shí)踐的相互作用關(guān)系在科學(xué)研究中是怎樣的?以此建立新舊知識(shí)的聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識(shí),引發(fā)其解決問(wèn)題的興趣,鼓勵(lì)其進(jìn)行協(xié)作交流,進(jìn)而形成自己對(duì)問(wèn)題的獨(dú)立見(jiàn)解,綜合實(shí)踐能力得到提高。
最后,考慮部分能力較強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求及后續(xù)課程設(shè)計(jì)的需要,選購(gòu)了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對(duì)象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序控制伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制。這部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)立為探索學(xué)習(xí)模式階段,通過(guò)介紹難點(diǎn)的方式,引導(dǎo)學(xué)生深入思索、學(xué)習(xí)、探索前沿的控制方法。
3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)
基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享[5],因此本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也包含了這部分內(nèi)容。遠(yuǎn)程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠(yuǎn)端獲得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘?hào)傳送到遠(yuǎn)端,使在本地PC機(jī)上監(jiān)控遠(yuǎn)端成為可能。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率,而且方便學(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,強(qiáng)化了學(xué)生的主體作用,同時(shí)有利于教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理,實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源交互學(xué)習(xí)等目的。
利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有易于開(kāi)發(fā),投資少,擴(kuò)充方便等特點(diǎn)。在LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境中,有多種方式可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制,主要有:基于NI公司的遠(yuǎn)程設(shè)備訪問(wèn)(remote device access, RDA)技術(shù),可通過(guò)分別配置RDA Server和RDA Client實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的共享采集設(shè)備數(shù)據(jù);功能強(qiáng)大、但開(kāi)發(fā)將對(duì)較復(fù)雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術(shù);簡(jiǎn)便、易學(xué)的基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)。
考慮實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大及時(shí)間限制等因素,本實(shí)驗(yàn)室選用了基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù),構(gòu)建B/S模式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程前面板技術(shù)是把一個(gè)VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁(yè)中,并具有自動(dòng)更新功能。此外,通過(guò)授權(quán),不僅可以使得客戶(hù)端能觀測(cè)到一個(gè)動(dòng)態(tài)刷新的實(shí)時(shí)畫(huà)面,而且還可以對(duì)前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
考慮到一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在某一確定時(shí)間段內(nèi)只可以由一個(gè)用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制,因此,需要設(shè)定教師管理員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理。學(xué)生通過(guò)客戶(hù)端注冊(cè)登錄后,在預(yù)定時(shí)間內(nèi)享有對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指定編號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制權(quán)限。后續(xù)計(jì)劃針對(duì)大四學(xué)生和研究生采用大作業(yè)形式,征集優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理方案,取消人員管理,實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)預(yù)約、監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)記錄等管理功能。
三 結(jié)束語(yǔ)
基于LabVIEW技術(shù)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)、真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)互相結(jié)合與補(bǔ)充,不僅提供了豐富的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源,而且注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能化與真實(shí)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性、綜合性和靈活性。通過(guò)關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程,改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式,不僅便于學(xué)生形象理解和掌握與課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),促進(jìn)學(xué)生的編程能力與動(dòng)手能力的提升,而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學(xué)生從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`研究進(jìn)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(dāng)代大學(xué)生教育進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累。
參考文獻(xiàn)
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論文摘要：網(wǎng)絡(luò)與控制的學(xué)科交叉研究與產(chǎn)品的研發(fā)是我們面臨的一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的控制中都有不少問(wèn)題可研討。
二十年前,面對(duì)計(jì)算機(jī)與控制交叉發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn),中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)工控機(jī)專(zhuān)委會(huì)(其前身:中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)工業(yè)計(jì)算機(jī)學(xué)組)誕生。二十年后的今天,我們又面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn),其特征之一就是,信息科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展所引發(fā)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉發(fā)展,本文簡(jiǎn)稱(chēng)為“網(wǎng)絡(luò)控制”對(duì)此#已有不少論述。本文只是簡(jiǎn)要討論一些看法。
1網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇
近年來(lái)信息科學(xué)技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅猛，新思想、新技術(shù)相繼問(wèn)世，網(wǎng)絡(luò)方面的新技術(shù)和產(chǎn)品迅速進(jìn)入市場(chǎng)。而在經(jīng)歷一個(gè)大發(fā)展后，自動(dòng)化及控制理論在其發(fā)展中也出現(xiàn)一此“困惑”，各國(guó)均十分關(guān)注自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。1986年IEEE與美國(guó)國(guó)家基金委專(zhuān)家高峰會(huì)發(fā)表“對(duì)控制的挑戰(zhàn)”一文;1990-1993年IFAC組織了“控制在工業(yè)中的應(yīng)用而臨計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)”調(diào)研……我國(guó)也十分重視這個(gè)問(wèn)題:1999年宋健在IFAC大會(huì)報(bào)告:21世紀(jì)的控制;2002年中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委召開(kāi)“中國(guó)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略高層學(xué)術(shù)討論會(huì)”在這此討論中，信息的控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)控制的沖擊等都是一個(gè)議題。維納《控制論》一書(shū)的副標(biāo)題是:“關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)”;而在《控制論》第一版序言中他又指出“如果一門(mén)新的科學(xué)學(xué)科是真正有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應(yīng)該隨著歲月而轉(zhuǎn)移……因此，控制論學(xué)家應(yīng)該繼續(xù)走向新的領(lǐng)域，應(yīng)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(shí)是相互依存交叉發(fā)展的，而當(dāng)今在“網(wǎng)絡(luò)的連通性無(wú)所不在”的形勢(shì)下，我們確有必要討論網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制的挑戰(zhàn)是什么，信息的控制或網(wǎng)絡(luò)控制是否應(yīng)該列為一個(gè)“引人興趣的中心”。
“網(wǎng)絡(luò)控制”的提法早已有過(guò)，而對(duì)其內(nèi)涵與外延井不十分統(tǒng)一，我們覺(jué)得網(wǎng)絡(luò)控制泛指通信網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉以及相應(yīng)的產(chǎn)品。主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制與管理，網(wǎng)絡(luò)主要是做為技術(shù)手段或環(huán)境#而控制對(duì)象是傳統(tǒng)的對(duì)象（如電機(jī)、化工過(guò)程、航天……）也包括交通服務(wù)等系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)稱(chēng)為”網(wǎng)絡(luò)化控制”"網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的控制與管理。信息與網(wǎng)絡(luò)成為控制的對(duì)象，而采用控制的手段來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。本文簡(jiǎn)稱(chēng)為“網(wǎng)絡(luò)的控制”。這也可以說(shuō)是從兩個(gè)視角來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)控制。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)控制的這兩個(gè)視角上都面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，前者延伸了諸如數(shù)字控制。計(jì)算機(jī)控制等的概念，而后者則延伸了電機(jī)控制，機(jī)床控制等的概念。
2網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化控制
網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)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(diǎn):是依靠網(wǎng)絡(luò)(主要是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))組成的分布式系統(tǒng);具有資源共享、集成自動(dòng)化、協(xié)調(diào)下作等特點(diǎn)，從應(yīng)用角度可包括:網(wǎng)絡(luò)化控制、網(wǎng)絡(luò)化制造、電子政務(wù)、電子商務(wù)、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(jì)算機(jī)以及情報(bào)、監(jiān)視、偵察)等?？梢允窍聵I(yè)對(duì)象也可以是服務(wù)業(yè)或其他對(duì)象。
網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)一般是大范疇的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，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(luò)類(lèi)型上也可以說(shuō)包括因特網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)通信、以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域的’泛且深入的應(yīng)用，必然引起網(wǎng)絡(luò)與控制交叉學(xué)科的發(fā)展，或者引起ThomasKahn在“TheStrutureofScientificRevolutions”中指出的在控制領(lǐng)域的范例轉(zhuǎn)移(ParadigmShift)或出現(xiàn)從連續(xù)時(shí)間控制理論到離散時(shí)間控制理論的發(fā)展。
網(wǎng)絡(luò)化控制與管理系統(tǒng)，可以不同程度地實(shí)現(xiàn)各層次自動(dòng)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(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力等方面得到好處;同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的引入必然帶來(lái)信息傳輸時(shí)延，延時(shí)的抖動(dòng)信息(數(shù)抓包)去失等問(wèn)題，也必將引發(fā)一此研究課題，包括:網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制;基于連續(xù)時(shí)間和基于事件控制理論(在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的)的應(yīng)用與發(fā)展;各種網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)的建模與分析;基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的分布控制;網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的信息女全，現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)等等，從某種意義說(shuō)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展必須定位于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，從網(wǎng)絡(luò)控制著手。
3網(wǎng)絡(luò)的控制與答理
網(wǎng)絡(luò)的控制，基于網(wǎng)絡(luò)的控制(Network一BasedControl)或網(wǎng)絡(luò)空間中的控制問(wèn)題是自接涉及到網(wǎng)絡(luò)木身的控制問(wèn)題，這里控制的對(duì)象是信息、數(shù)抓、網(wǎng)絡(luò)……。在自動(dòng)化科學(xué)發(fā)展的歷史中，自動(dòng)控制的對(duì)象是不斷發(fā)展變化的，這種發(fā)展體現(xiàn)了自動(dòng)化科學(xué)理論與實(shí)際相結(jié)合，學(xué)科交叉和與時(shí)俱進(jìn)的特性，從某種意義上說(shuō)控制論的著眼點(diǎn)是信息與控制或信息的控制而網(wǎng)絡(luò)的控制是信息的控制中的重要內(nèi)容。
網(wǎng)絡(luò)的控制或基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)在資源共享提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)集成自動(dòng)化和整體優(yōu)化以及和諧人機(jī)協(xié)調(diào)等方而都有優(yōu)勢(shì)或潛力;由于網(wǎng)上的傳輸時(shí)延，數(shù)抓包去失，以及用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的不同需求等，引出了網(wǎng)絡(luò)的控制中一系列研究課題。涉及相關(guān)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(wèn)題。
以復(fù)雜媒體網(wǎng)絡(luò)的控制為例，復(fù)雜媒體可視為一個(gè)廣義的系統(tǒng)，其所究?jī)?nèi)容包括信息結(jié)構(gòu)、復(fù)雜媒體的管理.、服務(wù)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(yīng)等控制策略使用戶(hù)在不同的網(wǎng)絡(luò)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(luò)空間”（Cyberspace)的概念，稱(chēng)這種“由計(jì)算機(jī)支持，由計(jì)算機(jī)進(jìn)入和由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全球網(wǎng)絡(luò)化，是多維度的，人造或‘慮擬’的真實(shí)。它是真實(shí)的，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都是一個(gè)窗口;它是慮擬的，所看到的或所聽(tīng)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(shuō)，它是介于慮擬和現(xiàn)實(shí)之間的特殊空間，即“網(wǎng)絡(luò)空間”，由此而可能發(fā)展網(wǎng)絡(luò)科學(xué)。網(wǎng)絡(luò)空間有許多控制和答理問(wèn)題，有人稱(chēng)之為“慮擬控制”或網(wǎng)絡(luò)的控制。近年來(lái)，關(guān)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(rèn)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(shí)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(yīng)用。美國(guó)《福布斯特》雜志預(yù)期網(wǎng)格技術(shù)到2020年將產(chǎn)生年產(chǎn)伯20萬(wàn)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(guān)汁的四。有人建議，在網(wǎng)格的體系上要體現(xiàn)服務(wù)第一，協(xié)議第一的觀念。另外，在下一代網(wǎng)關(guān)中，可能會(huì)將大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、資源控制、服務(wù)質(zhì)量控制等)統(tǒng)一交由一個(gè)控制層來(lái)完成?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)的一地搬用到網(wǎng)絡(luò)的控制中，但應(yīng)可以在網(wǎng)絡(luò)的控制中得到發(fā)展。
以網(wǎng)絡(luò)為控制對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)控制所要解決的主要是用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各種服務(wù)質(zhì)量:需求與網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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(huì)遇到系統(tǒng)規(guī)模大、異構(gòu)件、時(shí)變性、人機(jī)協(xié)調(diào)、隨機(jī)性等問(wèn)題、在已見(jiàn)的一此研究成果中，排隊(duì)論、小波分析、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混雜系統(tǒng)等理論與方法都有應(yīng)用。在因特網(wǎng)或非實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，離散控制時(shí)間的確定性或定常性已不存在，要發(fā)展網(wǎng)絡(luò)控制理論或改造經(jīng)典的方法或按離散事件動(dòng)力學(xué)考慮新途徑，學(xué)科交叉研究勢(shì)在必行。
4對(duì)下控機(jī)系統(tǒng)及專(zhuān)委會(huì)工作的一此思考
二十年前，在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)技術(shù)成熱并大舉進(jìn)入市場(chǎng)之際，我們成立了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，在學(xué)術(shù)交流、產(chǎn)品研發(fā)等方面做了許多工作，得到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前，信息網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制等的機(jī)遇，工控機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)人員應(yīng)多交流討論。各種工控機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化與下控機(jī)的主要課題，而網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇與挑戰(zhàn)也是專(zhuān)委會(huì)需認(rèn)真思考的:
1)當(dāng)前，我國(guó)在網(wǎng)絡(luò)化控制(網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)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(luò)的控制方而的研究下作剛剛開(kāi)始。我們可能需要在理論探索、技術(shù)研究以及協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn))制定、產(chǎn)品研發(fā)等層面上挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇。
2)需要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等學(xué)術(shù)交叉性的研討，可與兄弟專(zhuān)委會(huì)聯(lián)合組織。計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等不同專(zhuān)業(yè)背景的人員在從事網(wǎng)絡(luò)控制這類(lèi)學(xué)科交叉研究中，往往有不同的思路、視角、方法或切入點(diǎn)，其成果也各有特色。多交流互補(bǔ)是大有益處的。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理 課程改革 MATLAB
1前言
自動(dòng)控制原理是電氣專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程。該課程一方面理論性強(qiáng)，在培養(yǎng)學(xué)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(xué)時(shí)少、課堂信息量大，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容難以及時(shí)進(jìn)行有效地消化，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[1]另一方面實(shí)踐性綜合性比較強(qiáng)。自動(dòng)控制原理內(nèi)容覆蓋面比較廣，要求學(xué)生有比較高的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，電氣類(lèi)的工科學(xué)生不能只停留在數(shù)學(xué)層面上理解，而是解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生熟練掌握控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，加強(qiáng)創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，是課程建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵。因此，結(jié)合教學(xué)中存在的問(wèn)題，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面提出了幾點(diǎn)建議。
2理論課改革
2.1教學(xué)方法改革
對(duì)于這門(mén)難度很高的課程，教學(xué)時(shí)應(yīng)注重概念，弱化計(jì)算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生才有進(jìn)一步自我深化的可能。而同時(shí)感性認(rèn)識(shí)獲得的方法莫過(guò)于實(shí)際的例子。例如：在第一章基本概念中講解自動(dòng)控制系統(tǒng)的定義和組成的時(shí)候，首先需讓同學(xué)們明白系統(tǒng)的控制過(guò)程，因此我分別舉了一個(gè)人工水位控制系統(tǒng)和自動(dòng)水位控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)比講解。由于比較貼近生活，同學(xué)們對(duì)于這個(gè)人工系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行原理基本都能自發(fā)自然的理解，所以稍加引導(dǎo)，就很容易理解控制對(duì)象，被控量，給定值，反饋元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等概念。
2.2教學(xué)內(nèi)容的改革
自動(dòng)控制原理課程是理論性較強(qiáng)、概念深的課程，學(xué)生普遍反映難學(xué)。我們將自動(dòng)控制原理內(nèi)容系統(tǒng)化、模塊化、最優(yōu)化，以解決課時(shí)少、內(nèi)容多的矛盾。我們按其理論涉及領(lǐng)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(gè)模塊；按其研究的基本問(wèn)題，將其分為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的性能分析和系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)三個(gè)基本問(wèn)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(shè)計(jì)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(shí)論述深度原則?；诂F(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)技術(shù)大量應(yīng)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(shí)，提高授課效果。
2.3強(qiáng)化啟發(fā)式教學(xué)，搞好創(chuàng)新教育
傳統(tǒng)的教學(xué)模式，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進(jìn)行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)，畫(huà)大量的曲線，因此課堂教學(xué)往往是索然無(wú)味的公式推導(dǎo)、定理證明和手工繪圖。在教學(xué)中，要改變多年來(lái)較為死板的授課方式，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段和生動(dòng)活潑的教學(xué)方式，使課堂教學(xué)圖文并茂、生動(dòng)活潑，發(fā)揮和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，采用啟發(fā)式教學(xué)，由淺入深。在課堂教學(xué)中，通過(guò)布置思考題和預(yù)習(xí)的形式，要求學(xué)生課前充分準(zhǔn)備，由學(xué)生上臺(tái)講述有關(guān)內(nèi)容，既考察了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺(jué)性和理解能力，又鍛煉了學(xué)生的表述能力，同時(shí)，還加深了對(duì)知識(shí)的理解和記憶。為了避免教師在講臺(tái)上唱獨(dú)角戲，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的局面的出現(xiàn)，應(yīng)采用了討論課的形式，進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，使課堂教學(xué)生動(dòng)活潑。為了在教學(xué)中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們一改傳統(tǒng)教學(xué)中只注重知識(shí)的傳授而忽視學(xué)生思維能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，更注重在知識(shí)的傳授過(guò)程中來(lái)引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生積極思維的啟發(fā)式教學(xué)方法，使得學(xué)生在獲取書(shū)本知識(shí)的同時(shí)，其思維能力也有很大的提高。教學(xué)過(guò)程中掌握好教學(xué)節(jié)奏，合理的留取學(xué)生思考的時(shí)間，就能真正的實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)，充分激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
2.4注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化、工程化概念的強(qiáng)化
例如有意識(shí)地在教學(xué)別加強(qiáng)加深有關(guān)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型內(nèi)容的講述，深入淺出地介紹多種機(jī)電、熱力、液力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過(guò)程和結(jié)果，使學(xué)生能更多更分地了解到一些控制問(wèn)題的實(shí)際工程背景。
2.5改革考核方式
為了使得學(xué)生能夠在學(xué)好理論的同時(shí)將其運(yùn)用到實(shí)際中，激發(fā)興趣，強(qiáng)調(diào)過(guò)程考核，并且提高考試成績(jī)和及格率，突出教學(xué)重點(diǎn)，對(duì)這門(mén)課實(shí)施考試改革以配合教學(xué)改革[2]。通過(guò)考試改革可以帶動(dòng)教學(xué)改革進(jìn)程，構(gòu)建融會(huì)貫通、緊密配合、有機(jī)聯(lián)系的課程體系。為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，同時(shí)檢查教學(xué)效果，在一些章節(jié)后組織編排綜合型的題目，讓學(xué)生以小論文的形式提交，將其成績(jī)記錄到期末總成績(jī)的平時(shí)成績(jī)中。這門(mén)課的教學(xué)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(shí)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(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這樣的內(nèi)容特點(diǎn)，安排兩次大作業(yè)，讓學(xué)生對(duì)一個(gè)生產(chǎn)生活中的實(shí)例從時(shí)域分析和頻域分析方法入手分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程和暫態(tài)過(guò)程。大作業(yè)成績(jī)也記錄到期末總成績(jī)的平時(shí)成績(jī)中。最后卷面成績(jī)折合成60%，平時(shí)成績(jī)占40%。
3實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革
3.1將MATLAB應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)中
《自動(dòng)控制原理》是電氣專(zhuān)業(yè)學(xué)生重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)。各高校對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置與投入都給予了高度重視。但是，其硬件實(shí)驗(yàn)存在著實(shí)驗(yàn)設(shè)備易損、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題，如何讓學(xué)生直觀、便捷地了解《自動(dòng)控制原理》的基礎(chǔ)知識(shí)，準(zhǔn)確、方便地從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)行推理是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展模式，它有效地補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和滯后等問(wèn)題。近年來(lái)MATLAB在《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。MATLAB包含了進(jìn)行控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)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(jìn)行極點(diǎn)配置控制器設(shè)計(jì)和最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)操作?，F(xiàn)以連續(xù)系統(tǒng)中的時(shí)域分析法、頻域分析法及根軌跡分析法為例介紹。
基于MATLAB開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，具有方便、直觀、便捷、不易損壞、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，利用MATLAB軟件建立的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，成功地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也為學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)帶來(lái)便利，使學(xué)生能夠更為深刻地理解自動(dòng)控制的基礎(chǔ)理論，達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果。這種虛擬實(shí)驗(yàn)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(shì)，優(yōu)化了資源配置，便于實(shí)現(xiàn)教育資源的廣泛共享。
3.2設(shè)立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室
采用設(shè)立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生在掌握基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分利用已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增強(qiáng)動(dòng)手能力。目前開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容還在繼續(xù)完善中，已有包括多種電機(jī)控制、單容水箱模型、液位綜合實(shí)驗(yàn)、機(jī)器手模型、簡(jiǎn)單飛行器控制模型等實(shí)際系統(tǒng)的模型。學(xué)生們可以利用這些模型來(lái)檢驗(yàn)和鞏固自己課堂中所學(xué)的系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。
4、結(jié)束語(yǔ)
在自動(dòng)控制原理課程建設(shè)過(guò)程中，這些建議極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。雖然取得了比較好的教學(xué)效果，但仍需在今后的教學(xué)中作進(jìn)一步的探索與改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞： 《線性系統(tǒng)理論》 課程教改 基本概念 教學(xué)方法 實(shí)例教學(xué)
引言
目前，《線性系統(tǒng)理論》是國(guó)內(nèi)“控制理論與控制工程”專(zhuān)業(yè)研究生階段的學(xué)位基礎(chǔ)課之一。國(guó)內(nèi)許多院校為了加強(qiáng)對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生控制理論的強(qiáng)化，特別在本科階段開(kāi)設(shè)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(xué)時(shí)較少而已。
從學(xué)科發(fā)展和課程建設(shè)的角度來(lái)看，《線性系統(tǒng)理論》類(lèi)課程一直是電子信息類(lèi)學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程，占用的學(xué)時(shí)較多，教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都受到廣泛重視，它也被看成是控制類(lèi)研究生專(zhuān)業(yè)的標(biāo)志性課程。因此，這門(mén)課程教學(xué)的效果將直接關(guān)系到相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)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(lái)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(cè)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(zhuān)業(yè)課程，如，最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和非線性系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。因此，《線性系統(tǒng)理論》課程的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)線性控制理論知識(shí)的講授和指導(dǎo)，奠定研究生的控制理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)研究生對(duì)控制系統(tǒng)的初步分析和綜合能力，在此基礎(chǔ)上能夠掌握解決初步控制問(wèn)題的基本方法，這對(duì)研究生的專(zhuān)業(yè)理論學(xué)習(xí)，專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及工程實(shí)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(diǎn)是將實(shí)際系統(tǒng)抽象為狀態(tài)空間描述的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)的各個(gè)方面，理論性強(qiáng)、內(nèi)容豐富。由于課程概念抽象、數(shù)學(xué)知識(shí)比重大、涉及知識(shí)面廣、理論公式多、習(xí)題類(lèi)型繁雜、計(jì)算難度較高，學(xué)生感到難學(xué)、枯燥，容易產(chǎn)生恐懼心理和厭學(xué)情緒，學(xué)習(xí)效果不理想，這將嚴(yán)重影響研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和學(xué)科的發(fā)展。
國(guó)內(nèi)許多院校都對(duì)《線性系統(tǒng)理論》課程的教學(xué)十分重視，在注重精選教材和重視課堂教學(xué)的同時(shí)，還將《線性系統(tǒng)理論》列為研究生精品課程、重點(diǎn)課程或雙語(yǔ)課程進(jìn)行建設(shè)。例如，早在20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)的《線性系統(tǒng)理論》課程就被作為重點(diǎn)課程建設(shè)，2002年清華大學(xué)研究生精品課程建設(shè)工程正式啟動(dòng)，自動(dòng)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(shè)項(xiàng)目中。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天學(xué)院、中國(guó)科技大學(xué)、上海交大和南京航空航天學(xué)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(diǎn)課程或雙語(yǔ)課程進(jìn)行建設(shè)。國(guó)外一些高校如美國(guó)南加州大學(xué)、匹斯堡大學(xué)和德克薩斯大學(xué)等除采用精品教材或自編教材外，還借用輔助教學(xué)手段提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)特別注重課程實(shí)踐和師生的互動(dòng)增強(qiáng)教學(xué)效果，最重要的是教授們將自己的最新研究成果也在教學(xué)中充分展現(xiàn)出來(lái)，充分體現(xiàn)出研究型教學(xué)的特點(diǎn)。
我校開(kāi)設(shè)的《線性系統(tǒng)理論》課程教學(xué)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(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)本學(xué)科發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)科的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和航運(yùn)交通行業(yè)的科技發(fā)展，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行了改革、探索和實(shí)踐，結(jié)合科研項(xiàng)目，在《線性系統(tǒng)理論》課程的理論學(xué)習(xí)、發(fā)展動(dòng)態(tài)和實(shí)例教學(xué)等方面開(kāi)展了研究型教學(xué)研究。
1.注重基本概念，突破難點(diǎn)內(nèi)容
相較于本科階段講授的《自動(dòng)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(qiáng)的理論性和較完整的知識(shí)體系。在教學(xué)中，既要給學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，加強(qiáng)基本概念學(xué)習(xí)，又要強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，注重概念背景的理解和理論運(yùn)用條件的掌握。
例如，在講解線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的時(shí)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(dāng)時(shí)并未說(shuō)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(méi)有引入，實(shí)際上也沒(méi)有辦法講清楚這樣選擇狀態(tài)變量的好處。但是在后來(lái)講解線性系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性概念的時(shí)候，我們就及時(shí)地把前面講解的模型的變換方法與其能控性和能觀測(cè)性問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，告訴同學(xué)們當(dāng)時(shí)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(cè)性的問(wèn)題，使得同學(xué)們對(duì)于前后的概念有一個(gè)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(cè)性的問(wèn)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(qiáng)，例如，BIBO穩(wěn)定、李亞普諾夫穩(wěn)定、漸進(jìn)穩(wěn)定、一致漸進(jìn)穩(wěn)定、大范圍一致漸進(jìn)穩(wěn)定等，這些概念對(duì)于理解和運(yùn)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論十分重要，但是初學(xué)者容易混淆。我們就讓學(xué)生根據(jù)自己的理解對(duì)這些概念及條件進(jìn)行歸納，然后在課上進(jìn)行比較討論，最后我們?cè)俳o出一個(gè)歸納各種穩(wěn)定性概念的表格（見(jiàn)表1），讓同學(xué)們找出這些概念列表的異同和條件增減的關(guān)系。通過(guò)這種形式的教學(xué)，學(xué)生對(duì)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(shí)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)是以系統(tǒng)儲(chǔ)能形態(tài)變化作為衡量準(zhǔn)則的，這對(duì)于絕大多數(shù)物理系統(tǒng)都適用，這一點(diǎn)是比較形象和易于理解的，關(guān)鍵是建立系統(tǒng)儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)描述，即選取合適的李亞普諾夫函數(shù)，迄今沒(méi)有普適的方法來(lái)建立系統(tǒng)的能量函數(shù)，這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)又是一個(gè)難點(diǎn)。實(shí)際上對(duì)于低年級(jí)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(shí)，我們根據(jù)科研工作的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，將李亞普諾夫函數(shù)的選擇、控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等幾個(gè)問(wèn)題相結(jié)合進(jìn)行案例教學(xué)，使學(xué)生了解李亞普諾夫理論的實(shí)際使用方法，加深了他們對(duì)這方面知識(shí)的理解，經(jīng)過(guò)近年教學(xué)實(shí)踐對(duì)比，獲得了較好的反響。
2.關(guān)注學(xué)科發(fā)展，不斷改進(jìn)教學(xué)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(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)。
目前，《線性系統(tǒng)理論》類(lèi)課程已被國(guó)內(nèi)外大學(xué)廣泛列為電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)、系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)和控制專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的核心課程，由于它關(guān)系到學(xué)科的發(fā)展和研究生培養(yǎng)，課程的建設(shè)和教學(xué)方法的改革受到了普遍重視。在國(guó)外，《線性系統(tǒng)理論》課程在注重精選教材和重視課堂教學(xué)的同時(shí)，采取了研究型教學(xué)，借用輔助教學(xué)手段提高教學(xué)質(zhì)量。
我們?cè)诓粩嗵接懜倪M(jìn)教學(xué)的同時(shí)，也在時(shí)刻關(guān)注相關(guān)學(xué)科發(fā)展和教學(xué)動(dòng)態(tài)，不斷采納“他山之石”。
（1）建立完整教學(xué)體系，靈活運(yùn)用不同教學(xué)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(gè)發(fā)展階段，然而對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)，這是一門(mén)全新的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于未來(lái)繼續(xù)學(xué)習(xí)后續(xù)課程是十分必要的。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，不但要掌握知識(shí)難點(diǎn)和要點(diǎn)，而且要突出它在整個(gè)控制領(lǐng)域的地位和作用。對(duì)于《線性控制理論》課程本身，它也有著相對(duì)完整的知識(shí)體系，遵循循序漸進(jìn)的規(guī)律展現(xiàn)課程的內(nèi)容。因此，在課程教學(xué)中，我們非常注意把握這些內(nèi)在的規(guī)律，幫助學(xué)生們理清楚點(diǎn)和面的關(guān)系，即始終把教學(xué)內(nèi)容置于一個(gè)體系當(dāng)中，始終讓學(xué)生搞清楚所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用條件及能夠解決的問(wèn)題，即課程的知識(shí)體系定位。
在課程教學(xué)中，充分運(yùn)用各種先進(jìn)傳媒技術(shù)帶來(lái)的便利，例如，利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校園平臺(tái)、多媒體教室等手段建立起交互式的教學(xué)環(huán)境，將多媒體課件講授、在線/離線答疑、專(zhuān)題討論、文獻(xiàn)閱讀、課后作業(yè)和課程考核評(píng)估等環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建多樣化的學(xué)習(xí)環(huán)境，適應(yīng)當(dāng)代青年學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。
（2）結(jié)合最新科研教學(xué)成果，大力推進(jìn)研究型教學(xué)。我們?cè)凇毒€性系統(tǒng)理論》課程教學(xué)中充分吸收國(guó)內(nèi)外院校課程建設(shè)的有益經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合海事院校的行業(yè)特點(diǎn)，利用多媒體手段，積極開(kāi)展課內(nèi)外的專(zhuān)題研討，推進(jìn)研究型教學(xué)。比如，就線性系統(tǒng)理論的發(fā)展?fàn)顩r、李亞普諾夫理論的應(yīng)用情況、船舶港機(jī)的控制問(wèn)題等內(nèi)容，組織學(xué)生課外查閱文獻(xiàn)，編寫(xiě)成電子講稿，然后通過(guò)教室的多媒體設(shè)備在課堂上分組講解討論，通過(guò)師生互動(dòng)增強(qiáng)教學(xué)效果。
圖1 橋式吊車(chē)運(yùn)動(dòng)
另外，結(jié)合教師的科研課題，引入真實(shí)物理對(duì)象，開(kāi)展研究型教學(xué)。例如，對(duì)于圖1所示的一種二維橋式吊車(chē)，在一定條件下簡(jiǎn)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?tīng)顟B(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(gè)變量物理意義后，組織同學(xué)對(duì)上面兩種模型采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真曲線的對(duì)比研究，深入了解兩種模型的建立方法、狀態(tài)變量選擇對(duì)模型的影響等，然后指導(dǎo)學(xué)生嘗試進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和仿真。
（3）課外閱讀論文，關(guān)注科研動(dòng)態(tài)。線性系統(tǒng)理論作為一種控制手段隨著時(shí)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(shè)計(jì)問(wèn)題。筆者在進(jìn)行課外論文推薦的時(shí)候，結(jié)合自己所講授的自適應(yīng)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(diǎn)和應(yīng)用條件，特別是將線性系統(tǒng)理論應(yīng)用于不同的工業(yè)控制環(huán)境，解決了許多實(shí)際問(wèn)題，以期引起學(xué)生的研究興趣和探索欲望。我們將這些有關(guān)線性系統(tǒng)理論最新發(fā)展和應(yīng)用的論文精選出來(lái)，推薦給學(xué)生閱讀，并作為課程考核的一項(xiàng)內(nèi)容，使他們注意了解相關(guān)學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
經(jīng)過(guò)幾年的努力，理論教學(xué)與科研實(shí)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(jìn)入科研環(huán)節(jié)。
3.加強(qiáng)實(shí)例教學(xué)，使課程具體生動(dòng)
我們?cè)凇毒€性系統(tǒng)理論》課程教學(xué)中，還特別注重理論聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)具體的實(shí)例將抽象的概念、方法和理論具體化，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和動(dòng)手能力。
（1）利用Matlab/Simulink工具提供的強(qiáng)大的功能，將計(jì)算機(jī)仿真手段引入課堂。除了在教學(xué)過(guò)程中提供計(jì)算機(jī)仿真案例外，還要求學(xué)生利用這些仿真工具完成1—2項(xiàng)課后作業(yè)，使這種仿真工具的使用成為教學(xué)輔助手段。
（2）開(kāi)設(shè)橋式吊車(chē)控制開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課程，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際控制問(wèn)題的能力。針對(duì)我們重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)橋式吊車(chē)的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1），課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)首先給出了橋式吊車(chē)的微分方程模型，然后要求學(xué)生將其變?yōu)闋顟B(tài)方程，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真研究，最后，選擇較好的控制方案進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)與解決實(shí)際的控制問(wèn)題聯(lián)系了起來(lái)，增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)，提高了分析能力，更重要的是學(xué)會(huì)了解決控制問(wèn)題的方法。
圖2 橋式吊車(chē)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
加強(qiáng)課程教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，有效地培養(yǎng)了研究生的動(dòng)手能力。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)感興趣的學(xué)生人數(shù)普遍增加，并有效地激發(fā)出學(xué)生對(duì)控制理論方法進(jìn)行嘗試的熱情，取得了較好的效果。
結(jié)語(yǔ)
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(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)外大學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)對(duì)于該課程建設(shè)的不同情況，然后結(jié)合我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行探索，重點(diǎn)探討研究型教學(xué)方法和內(nèi)容，以期提高研究生培養(yǎng)的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)近年來(lái)教學(xué)評(píng)估情況的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，教改方法取得了較好的效果。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：DS18B20，1-wire總線，水產(chǎn)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)，STM32F103CB
0 引言
我國(guó)漁業(yè)生產(chǎn)正處在從粗放型、分散化向精準(zhǔn)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(shí)期。水產(chǎn)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用：可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)情況，促使養(yǎng)殖場(chǎng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量；及時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖過(guò)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(cè)是很重要的一個(gè)指標(biāo)。故此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這套性?xún)r(jià)比高、使用方便、易于安裝和維護(hù)的溫控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)概述
本溫控系統(tǒng)是針對(duì)鱔魚(yú)幼苗培育而研發(fā)的一套以溫度控制為主兼顧其他指標(biāo)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(guò)程為:多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20將感應(yīng)到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)后，輸入到溫度檢測(cè)模塊，由溫度檢測(cè)模塊傳輸給微控制器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過(guò)處理好的數(shù)據(jù)一方面通過(guò)232通訊傳輸給上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示；另一方面在進(jìn)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(jī)的開(kāi)度、冷氣機(jī)的開(kāi)關(guān)、熱水爐的開(kāi)關(guān)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(jiǎn)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(zhuān)有的溫度測(cè)量技術(shù)測(cè)溫。利用高低溫度系數(shù)振蕩器記錄由當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度所確定的計(jì)數(shù)值,以此確定當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臏囟取?nèi)部主要有測(cè)溫電路，1-Wire接口電路科技小論文，存儲(chǔ)電路及CRC校驗(yàn)電路。特點(diǎn)如下：
(1) 1-wire數(shù)字接口；
(2) 專(zhuān)有的64位ROM序列號(hào)。含有8位家族號(hào)(28H),48位獨(dú)立序列號(hào)，8位CRC校驗(yàn)碼，保證串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?，出錯(cuò)可檢驗(yàn)；
(3) -10℃至+85℃范圍內(nèi)保證測(cè)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(shí)際情況采用本地供電或通過(guò)I/O線供電；
(7) 用戶(hù)可選的9至12位分辨率,可編程選擇；
(8) 2字節(jié)EERROM,存儲(chǔ)上下限報(bào)警溫度設(shè)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(jià)格低，使用靈活；
(11) 無(wú)需任何外圍硬件；
(12) 16位二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)格式(兩個(gè)字節(jié))，負(fù)溫度采用補(bǔ)碼表示。這些特點(diǎn)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，適合構(gòu)建大型的溫度測(cè)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(jī)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(fù)位時(shí)序和讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中包含復(fù)位脈沖、響應(yīng)脈沖，寫(xiě)1寫(xiě)0讀1、讀0時(shí)序。只有響應(yīng)脈沖由DS18B20發(fā)出，其余都由主機(jī)(程序)發(fā)出。時(shí)序要求具體介紹如下：
①?gòu)?fù)位時(shí)序：主機(jī)發(fā)出一個(gè)寬度為480~960μs的負(fù)脈沖之后，再發(fā)出15~60μs的正脈沖，DS18B20則會(huì)發(fā)出一個(gè)60~240μs的響應(yīng)負(fù)脈沖，復(fù)位時(shí)序結(jié)束。
②寫(xiě)時(shí)間片：即寫(xiě)一位二進(jìn)制信息，周期至少為61μs，且含至少1μs的恢復(fù)時(shí)間。主機(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序之后的15~60μs之間，DS18B20自動(dòng)采樣數(shù)據(jù)線，低電平為0，高電平為1。主機(jī)寫(xiě)0時(shí)，持續(xù)低電平60~120μs之間。寫(xiě)1時(shí),要在啟動(dòng)后15μs之內(nèi)使數(shù)據(jù)線變?yōu)楦唠娖健?/p>
③讀時(shí)間片:即讀一位二進(jìn)制信息，周期及恢復(fù)時(shí)間要求與寫(xiě)時(shí)間片相同。主機(jī)啟動(dòng)讀時(shí)序之后,至少保持1μs低電平，然后在接近啟動(dòng)后15μs之前讀入數(shù)據(jù)。低電平為0，高電平為1。
2.2 STM32F103CB簡(jiǎn)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(jìn)的體系結(jié)構(gòu)；可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法(如FFT、DTMF等)，有多達(dá)128KB的閃存，4個(gè)通用定時(shí)器模塊，32位定時(shí)器模式科技小論文，34個(gè)中斷，具有8個(gè)優(yōu)先級(jí)，2個(gè)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(gè)溫控系統(tǒng)的核心模塊，主要功能是實(shí)時(shí)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(shè)定控制輸出曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比得出需要輸出的控制信號(hào)量;產(chǎn)生輸出控制PWM波信號(hào)和通過(guò)232通訊傳輸給上位機(jī)實(shí)時(shí)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(wù)
圖4 DS18B20數(shù)據(jù)采集流程圖
3.2 模糊PID控制子任務(wù)
圖5 模糊PID算法流程圖
3.3 上位機(jī)界面
本上位機(jī)界面采用VB編寫(xiě)，方便實(shí)用，操作簡(jiǎn)單。
圖6 上位機(jī)控制界面
4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)將模糊PID溫度自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，以養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)各種水溫為主要被控對(duì)象，建立了以模糊PID控制理論為基礎(chǔ)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以有效地降低消耗，提高生產(chǎn)效率，符合國(guó)家提出的“節(jié)能減排”要求，符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
圖7 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)一
圖7 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)二
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，目前運(yùn)行良好，達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)目的。
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