时间：2023-04-08 11:30:39
导语：在自动控制理论论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
是国家果茶良种场XX省优质果茶良种繁育场，是国家“九五”种子工程在湖南实施的重点项目，建于1998年8月，1999年三月由农业部授名为“国家（湖南）果茶良种场”。
厂址位于XX市西郊雷锋大道7公里处，占地面积620亩。为加速实施全省农业结构的调整，先后从美国﹑法国﹑埃及﹑日本及国内10多个省市科研育种单位引进优质果茶品种资源158个，优质果茶种苗40多万株，建成果茶母本园150亩。每年可向社会提供优质果茶苗木200多万株，果茶母（接）穗1万公斤以上，生产优质果茶产品1000吨以上。
果茶场也是省城第一座以品茶、园艺、垂钓为主题的农业观光园。这里空气清新，景色怡人。春有草莓、樱桃、“明前”茶；夏有枇杷、苹果、葡萄、桃、李、杨梅、无花果与瓜类；秋有板栗、柿、枣、梨、猕猴桃；冬有柑桔、橙类等。一年四季。百果飘香，是个名副其实的“百果园”。
该厂第二期工程将于2003年完成，面积将扩至1000多亩。年生产优质果茶苗木将达到1000万株，优质果茶产品产量也将成倍增加，更多的农业高新技术将落户该场。果茶苗木和产品的生产、检测、采后处理、加工和多种农业观光设施将全部完善和配置。届时，一个全新的高科技生态农业示范、观光园将会展现在你的面前。
百果园是农业高科技的结晶，而滴灌系统是其中的重中之重。百果园现建成的620亩果园，全部由从以色列引进的先进滴喷灌系统控制，该园地势起伏较大，最高处海拔达86.60m，最低处64.72m，传统灌水方式很难进行，而先进的滴灌系统由于对地形的适应能力强，而且特别适应山地丘陵地区，所以滴灌正好大施其能，由低处水库中取水，经过过滤加压，然后由遍布全园的各种管道把带有肥料、除虫剂的水准确地送到每片需水地园中，保证果树的正常需水。不过其系统自动化程度不高，全园仅能使用微机控制电磁阀的开启，不能精确实现作物的轮灌、对灌水时间和灌水量还不能实现有效的控制，有望进一步提高。
2滴灌系统
滴灌就是滴水灌溉技术，它是利用低压管道系统，使滴灌水成点滴地、缓慢地、均匀而又定量地浸润作物根系最发达的区域，使作物主要根系活动区的土壤始终保持在最优含水状态。滴灌不同于传统的地面灌溉湿润全面积土壤，因此滴灌有节约灌溉用水量、促进作物生长和提高产量的作用，是一种很有发展前途的局部灌水技术。
百果园主要种植柑桔、葡萄、水蜜桃、茶等低矮果树，如果采用其它灌水方法，不仅浪费水资源，而且很难保证满足果树的需水量，而滴灌具有省水节能、省工省地省肥、操作简单，易于实现自动化、对土壤地形适应性强、保护和保持生态环境等优点，所以滴灌成为了百果园地首选。
2.1百果园滴灌系统的组成
百果园滴灌系统主要由水源、首部枢纽、输配水管网和尾部设备灌水器以及流量、压力控制部件和测量仪表等组成，如图所示。全园滴灌系统组成示意图：
1.水源2．水泵3.供水管4.蓄水池5.逆止阀6.施肥开关7.灌水总开关8.压力表
9.主过滤器10.水表11.支管12.微喷头13.滴头14.毛管(滴灌带、渗灌管)
15.滴灌支管16.尾部开关(电磁阀)17.冲洗阀18.肥料罐19.肥量调节阀20.施肥器21.干管
2.1.1水源
江河、湖泊、水库、井、渠、泉等水质符合微灌要求的均可作为水源，百果园采用从园中的水库中取水。
2.1.2首部枢纽
百果园的首部枢纽包括泵组、动力机、肥料罐、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力表、流量计等。其作用是从水库中取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到系统中去。百果园中采用五级加压式离心泵，在水库中取水，现取现用，计划建一水塔蓄水。
2.1.3输配水管网
输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器。包括干、支管和毛管三级管道，毛管是微灌系统末级管道，其上安装或连接灌水器。微灌系统中直径小于或等于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。百果园中干、支管采用PVC管和UPVC管，毛管采用PE管。
2.1.4尾部设备
尾部设备是微灌系统的关键部件，包括微管和与之相联的灌水器(小微管、滴头、微喷头、滴灌带、渗灌头、渗灌管等)插杆等。灌水器将微灌系统上游所来的压力水消能后将水成滴状、雾状等施于所需灌溉的作物根部或叶面。
2.2百果园滴灌灌溉系统
灌溉系统的第一期工程是由以色列的普拉斯托公司负责承建，全园采用先进的滴、喷灌相结合的微灌节水技术，是我国南方发展节水农业的典范，其具体情况见下：
2.2.1设计原则
滴灌灌溉系统设计除了满足节水、节能、省力等之外，通常应遵循以下主要原则：
①必须满足果园果树生长对水分的要求；
②灌溉系统设计应结合耕作实际，便于操作；
③应使所选择的灌水方法既能满足作物的灌溉要求，又不因灌溉而造成病害、虫害的发生；
④在尽可能的情况下，灌溉系统设计时应考虑施肥及喷药装置；
⑤在尽可能的情况下，应使灌溉系统在满足灌溉要求的同时，工程建设的综合造价最小。
2.2.2设计步骤
2.2.2.1资料的收集在系统设计时，必须掌握以下资料：
①地形资料：根据实际情况测绘大比例尺地形图，其中包括果园的平面布置、道路、水源位置、高差等。
②土壤资料：主要是土壤理化性质、地下水埋藏深度和土层厚度等。土壤理化性质主要包括土壤类别、干容重、含盐情况、土壤田间持水率等。
③气象资料：区域年均降雨量及季节分布、平均气温、极端气温（包括最高、最低气温）、最大冻土层深度、无霜期、蒸腾蒸发资料等。
④水源资料：水源属性（个人或集体）、种类、水源位置、水质、含沙情况、水位、供水能力、利用和配套情况等。若水源为机井时，还应调查机井的静水位和动水位，当地下水水位较浅时，一定要调查清楚地下水位及其周年变化规律。若水源为渠水时，应调查清楚水源的含泥沙种类、含沙量、水位、供水时间、可能的配水时间等。同时，还应特别注意水源的保证率问题，不论是只用于果园的水源还是与周围大田混用的水源，都应考虑这个问题。
⑤百果园作物种植资料：其中包括作物的种类、种植密度（其中最主要的是行距和株距）等。
⑥百果园的环境资料：包括百果园周围的地形、交通和供电等。
2.2.2.2灌水方法的选择灌水方法选择适当与否，除了影响工程投资外，还直接影响着灌溉系统的效益发挥和灌溉保证率。因此，应根据作物种类、作物的种植制度、种植季节、水源情况、果园设施情况、工程区社会经济情况等，合理地选择相对投资较省、灌溉保证率较高且有利于果园果树生长的灌水方法。百果园灌溉系统的灌水方法采用以滴灌为主，滴喷灌相结合的方式。
2.2.2.3滴灌系统布置，百果园滴灌系统的管道分干管、支管和毛管等三级，布置时干、支、毛三级管道要求尽量相互垂直，以使管道长度和水头损失最小。通常情况下，园内一般出水毛管平行于种植方向，支管垂直于种植方向。
2.2.2.4滴灌灌溉制度的拟定
①灌水定额：是指作为滴灌系统设计的单位面积上的一次灌水量，如果用灌水深度表示，可用式（4-8）计算，即
H——计划湿润层深度（米），一般蔬菜0.20-0.30米深根蔬菜或果树0.3-1.0米；
p——土壤湿润比，70%-90%。
②设计灌水周期：滴灌设计灌水周期是指按一定的灌水定额灌水后，在作物适宜土壤含水率的条件下，保障作物正常生长的可能延续时间T，用式（4－9）计算，即
③一次灌水延续时间：一次灌水延续时间是指把设计灌水定额水量，在不产生径流的条件下，均匀分布于果园田间所用的灌水时间，用式（4－10）计算，即
i.轮灌区数目的确定：（a）对于固定式滴灌系统，轮灌区数目可按式（4-11）计算：（b）对于移动式滴灌系统，则有：
ii.一条毛管的控制灌溉面积：（a）对于固定式滴灌系统，毛管固定在一个位置上灌水，控制面积为
f=SeL(4-13)
式中f——每条毛管控制的灌溉面积（平方米）
L——毛管长度（米），移动式滴灌系统中为出流毛管长度。
（b）对于移动式滴灌系统，一条毛管控制的灌溉面积为
2.2.2.5滴灌系统控制灌溉面积大小的计算在灌溉水源能够得到充分保证的条件下，滴灌面积的大小取决于管道的输水能力。对于水源流量不能满足整个区域需要时，滴灌面积为
2.2.2.6管网水力计算滴灌系统各级管道布置好以后，即可从最末端或最不利毛管位置开始，逐级推算各级管道的水头损失（包括沿程水头损失和局部水头损失）。在设计中，同一条支管上的第一条毛管最前端出水孔处水头与最末一条毛管最末端出水孔处水头之间的差值，不超过滴头设计工作压力的20％，流量差值不超过10％；对于采用压力补偿式滴水器时，仅要求区域内滴头流量差值不超过10％，并据此确定支、毛管的最大设计长度；在滴灌中，由于管网中水流压力通常小于0．3兆帕，所以多选用PVC塑料管道。管道中水流在运动过程中的压力损失通常包括沿程阻力损失和局部阻力损失。工程设计中塑料管道的沿程阻力损失常选用式（4－16）、（4－17）计算，局部阻力损失常用式（4－18）计算。①沿程阻力损失hf
当管道有多个出水口时，管道的沿程阻力应考虑多口出流对沿程阻力的折减问题，多口出流折减系数k，对应计算公式
②局部阻力hj
工程设计中为了计算方便，局部阻力损失也常按沿程阻力损失hf的10％估算。
2.2.2.7管道系统设计包括各级管道的管材与管径的选择、各级固定管道的纵剖面设计、管道系统的结构设计。
①管材的选择：可用于灌溉的管道种类很多，应该根据滴灌区的具体情况，如地质、地形、气候、运输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性及适用条件进行选择。一般情况下，对于地理固定管道，可选用钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、石棉水泥管、铸铁管和硬塑料管。钢管易锈蚀和腐蚀，最好不要选用。随着材料工业的发展，地埋管道多选用塑料管。选用塑料管时一定要注意，不同材质的塑料管在几何尺寸相同的情况下可承受的工作压力相差甚远，特别是在使用低密度聚乙烯管（PE管）时，一定要注意管壁的厚度是否达到了能承受系统所要求压力的厚度，若没有达到，千万不能使用，否则将会埋下隐患，造成运行时管道发生爆破，甚至导致整个管道系统瘫痪。用于滴灌地埋管道的塑料管，最好选用硬聚氯乙烯管（UPVC管）。对于口径150毫米以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能价格比上的优势下降，应通过技术经济分析选择合适的管材。塑料管经常暴露在阳光下使用，易老化，缩短使用寿命。因此，地面移动管最好不采用塑料管。
②管径的选择：当轮灌编组和轮灌顺序确定之后，各级管道在每一轮灌组所通过的流量即可知道。通常选用同一级管道在各轮灌组中可能通过的最大流量，作为本级管道的设计流量，依据这个设计流量来确定管道的管径。若某一级管道，其最大流量通过的时间占管道总过水时间的比例甚小，也可选取一个出现次数较多的次大流量，作为管道的设计流量来确定管径。同一级管道的不同管段通过的最大流量不同时，可分段确定设计流量。（a）支管管径的确定：支管是指直接安装竖管和滴头的那一级管道。支管管径的选择主要依据灌溉均匀的原则。管径选得越大，支管运行时的水头损失就越小，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量就越接近，灌溉均匀度就越接近设计状况。但这样增大了支管的投资，对移动支管来说还增加了拆装、搬移的劳动强度。管径选得小，支管投资减少，移动作业的劳动强度降低，但由于运行时支管内水头损失增大，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量差别增大，结果造成果园各处受水量不一致，影响滴灌质量。为了保证同一支管上各滴头实际出水量的相对偏差不大于20％，国家标准GBJ85-85规定：同一支管上任意两个滴头之间的工作压力差应在滴头设计工作压力的20％以内。显然，支管若在平坦的地面上铺设，其首末两端滴头间的工作压力差应最大。若支管铺设在地形起伏的地面上，则其最大的工作压力差并不见得发生在首末滴头之间。考虑地形高差Z的影响时上述规定可表示为
许的水头损失即为从式（4－20）
可以看出：逆坡铺设支管时，允许的hw的值小，即选用的支管管径应大些；顺坡铺设支管时，因Z的值本身为负值，其允许的hw的值可以比0.2hp大些，也就是说因支管顺坡铺设时，因地形坡降弥补了支管内的部分水力坡降，选用的支管管径可适当的小些。当一条支管选用同管径的管子时，从支管首端到朱端，由于沿程出流，支管内的流速水头逐次减小，抵消了局部水头损失，所以计算支管内水头损失时，可直接用沿程水头损失来代替其总水头损失，即h''''f=hw，式（4－20）可改写为
滴头选定后，满头的设计工作压力可从滴头性能表中查得。两滴头进水口高程差（实际上就是两滴头所在地的地面高差）可以从系统平面布置图中查取。则h''''f即可求出。利用公式h''''f=FfLQm／db，在其他参数已知的情况下反求管径d，d就是该支管可选用的最小管径的计算值。因管材的管径已标准化、系列化。因此，还需按管材的标准管径将计算出的管径规范取整。对滴灌系统的支管，考虑到运行与管理的方便，最大的管径一般不超过100毫米，并且应尽量使各支管取相同的管径，至少也需在一个作业区中统一。对于固定管道式滴灌系统，地理支管的管径可以不同，但规格不宜太多，同一条支管一般最多变径两次。（b）支管以上各级管道管径的确定：一般情况下，这些管道的管径是在满足下一级管道流量和压力的前提下按费用最小的原则选择的。管道的费用常用年费用来表示。随着管径的增大，管道的投资造价（常用折旧费表示）将随之增高，而管道的年运行费随之降低。因此，客观上必定有一种管径，会使上述两种费用之和为最低，这种管径就是我们要选择的管径，称之为经济管径。经济管径中对应的流速称为经济流速。图4-7就是用最小年费用法计算经济管径的原理示意图。用这种方法确定管径概念清楚，但计算相当繁琐，往往需要分别计算出多种管径的年投资和年运行费，比较后再确定。随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，许多优化设计方法，如微分法、动态规划法等已在管道灌溉管网的设计中得到应用，具体方法可参阅有关书籍。对于规模不太大的滴灌工程，也可用式（4－22）、式（4－23）的经验公式估算管道的直径：
应该指出的是，由于管道系统年工作小时数少，而所占投资比例又大。因此，一般在灌溉系统压力能得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，但管中流速应控制在2.5～3米／秒以下。
③管道纵剖面设计：管道纵剖面设计应在系统平面市置图绘制后进行，设计的主要内容是确定各级固定管道在平面上的位置及各种管道附件的位置。管道的纵剖面应力求平顺，减少折点，有起伏时应避免产生负压。
ⅰ埋深及坡度：地埋管的埋深指管径距地面的垂直距离，埋深应根据当地的气候条件、地面荷载和机耕要求确定。一般管道在公路下埋深应为0.7～1.2米；在农村机耕道下埋深为0．5～0．9米。地埋管的坡度主要视地形条件而定，同时也应考虑地基好坏及管径大小。一般在地形条件许可的情况下，管径小、基础稳定性好的管道坡度可陡一点；反之应缓些。总的来说，管道坡度不得超过1:1，通常控制在1:1.5～1:3以下。
ⅱ管道连接及附件：地埋管道的连接多采用承插或黏接的形式，转向处用弯头，分水处用三通或四通接头，管径改变处采用异径接头，管道末端用堵头。为方便施工和安装，同类管件应考虑其规格尽量统一。
为了按计划进行输水、配水、管道系统上应装置必要的控制阀。白果园中为了实现灌水的有效控制,设置了30多个电子阀.而且各级管道的首端还设了进水阀或水分阀；当管道过长或压力变化过大时，设置节制阀。为保证管道的安全运行，还安装一些附设装置。自压系统的进水口和各类水泵吸水管的底端应分别设置拦污棚和滤网，管道起伏的高处应设排气装置，自压系统进水阀后的干管上设高度高出水源水面高程的通气管，管道起伏的低处及管道末端设泄水装置，管道可能发生最大水锤压力处设置安全阀。
2.3评价
从整体上来看,XX白果园的滴灌系统是建设的比较完善的一套滴水灌溉系统,设计施工都符合现代滴灌的要求,是一套先进的现代化滴水灌溉系统，而且产生了很好的经济效果。不过当时考虑到经济条件的限制，其毛管采用了单行直线布置，灌水均匀度不高，鉴于对多种毛管布置形式的比较分析，笔者认为百果园应改进为双行毛管平行布置；而且其控制系统自动化程度不高，全园仅能使用微机控制电磁阀的开启，不能精确实现作物的轮灌、对灌水时间和灌水量都不能实现有效的控制，故需进一步对其控制系统加以设计改进。正在建设的二期工程应该吸收一期工程中的好的经验，改进一期工程中的不足，特别是应该实现灌水的全自动控制。
3灌溉自动化控制系统
灌溉中的滴灌系统，能很方便实现自动化控制，灌水的自动化控制能有效的实现节水灌溉，也是农业实现现代化的要求。对微灌的自动化控制，根据控制系统运行的方式不同，一般可分为手动控制、半自动控制和全自动控制三类：
①手动控制系统
系统的所有操作均由人工完成，如水泵、阀门的开启、关闭，灌溉时间的长短，何时灌溉等等。这类系统的优点是成本较低，控制部分技术含量不高，便于使用和维护，很适合在我国广大农村推广。不足之处是使用的方便性较差，不适宜控制大面积的灌溉。
②全自动控制系统
系统不要人直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参数可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。这种系统中，除灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还包括中央控制器、自动阀、传感器（土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等）及电线等。
③半自动控制系统
系统中在灌溉区域没有安装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序，而不是根据作物和土壤水分及气象资料的反馈信息来控制的。这类系统的自动化程度不等，有的一部分实行自动控制，有的是几部分进行自动控制。
为了对先进的滴灌自动化控制系统有具体认识和了解，下面我们将对滴灌的自动化控制作详细介绍：
3.1滴灌首部控制枢纽
滴灌自动化系统的基本控制方法有：时间控制、水量控制和反馈控制三种。时间控制系统是按预定好的时间放水或关水；水量控制系统是按照设计的配水量放水或关水；反馈控制系统是根据灌区内湿度感受器的反应，然后将信号传送到首部控制枢纽部分来关水或放水。滴灌系统更便于完全实现自动化，这在地多人少、劳力紧张的边远地区，沙漠地带的防护林区，铁路路基沿线，经济力量雄厚的城郊蔬菜种植区显得特别重要。目前，国外发达国家在滴灌区普遍使用了计算机管理系统，并通过专用的滴灌系统软件来控制和检测作物生长、土壤状况和气象趋势，取得了良好的效果。大大提高了现代化的土壤水分、作物生长测定技术的可能性和实用性，具有农艺上的综合性，为人们充分利用现代化仪器设备在滴灌系统中应用提供了巨大的潜力。滴灌系统软件根据作物对水分的需求和土壤墒情制定出合理的灌溉计划和作物管理计划。
3.2作物生产管理计划制定
控制软件系统应能提供一套科学的管理系统，它通过提高作物产量和品质以及减少用水量来提高水分利用效率，能给农民及有关用户提供一套针对灌溉方案制定作物生产管理的先进、完善的管理系统，用户能够使用它获得他们的每一块农田的土壤水分状况图，方便的数据资料存取能够得到每一块农田的准确土壤水分含量，还能够确定准确的日水分利用量，能够给每块农田制定出合理的灌溉管理决策，能够根据每一块农田各自的灌水量需求对不同农田进行灌溉优先排序，以便制定优化灌溉计划使农场或用户获得整体最高产量。
控制软件系统应能允许灌溉管理者根据作物水分需求和作物对灌溉的反应制定合理的灌溉计划，作为一个完整的灌溉计划和作物生产管理软件包，它能够对灌溉决策的制定和作物管理进行数据资料存储、运算处理、显示输出。土壤水分数据资料主要由中子探测仪、石膏电阻块和张力计测定获得。天气数据资料由自动气象站获得，作物生长资料如籽粒大小（直径）、株高和叶片硝酸盐含量等可直接田间测定，根据相应的作物响应，作物生长资料结合土壤水分资料能够制定出合理的灌溉计划，通过实际调查能够提高作物产量、品质和水分利用效率的管理技术能够详细地验证作物生长、土壤水分和气候之间的关系，因此能很好地解决一些灌溉管理和作物生长问题，其中包括过量灌溉导致的灌溉水排渗问题、肥料向根部以下淋溶损失问题以及为了达到高产稳产目标的籽粒重和穗粒数或结果率的控制管理问题。
3.3滴灌系统灌溉计划制定
滴灌系统灌溉计划一般是指确定何时进行灌溉及应该的灌溉量，灌溉计划的应用可消除代价巨大的不可预测的农业灾害，如在作物生长临界期由于土壤类型和作物自身生长能力，不同的农田具有不同的土壤水分亏缺量和日水分利用量，因此不同的农田需要不同的灌溉计划。农民通过土壤水分测定技术利用软件处理和显示不同层次土壤水分特征，能加深对发生于土壤内的各种过程的理解，以便进行更精细的灌溉计划和灌溉管理决策的制定，以确保土壤水分总是保持作物生长所需的最佳含水量。
当土壤水分和被作物利用的水分的准确数量被测定后，通过软件可以计算下一次滴灌的日期和准确的灌水量，它将考虑当前每天水分利用状况、天气变化和历史资料来帮助管理者制定以后的灌水计划。它把农田从最干到最湿分为不同等级。了解需要灌溉补充的水量有助于协调不同用户之间和同一用户内部的水分供给，充分了解雨后何时开始灌溉能使农民最大限度地利用自然降水，而把灌水过多和灌水不及造成地危险减到最小。
3.4土壤水分时间图和深度图的应用
3.4.1时间图时间显示某一指定土壤容积含水量、根区土壤含水量或作物响应随时间的变化。时间图的基本显示：直线表示根区土壤含水量的饱和点和需灌溉补充点；供给的和有效的灌溉和降雨情况；箭头指示预测的灌溉日期；关于水分饱和点、需灌溉补充点、当前和过去的土壤水分测定值及计划安排的灌水日期和灌水量的总结表；作物生长及其对灌溉管理技术措施的响应；该软件所做的时间图可进行大小调整，通过调整纵坐标轴上的最大值和最小值及横坐标上的日期范围能够把图形中用户想要的区域或作物生长期内的某特定阶段的图形放大。图形能够进行叠加来同时比较不同地点的田块或不同年份的数据。当季和前季的作物的生长，土壤水分和天气资料的叠加图形比较灌溉管理达到高度的协调一致。用户可以选择任何关键数据来建立相互作用关系图。
3.4.2深度图深度图显示土壤容积含水量沿土壤剖面随深度的变化而变化的情况，通过该软件和现代化仪器结合能够迅速直接测定和分析土壤水的剖面分布情况。根区吸收水分模式可以在深度图中看到，对深度图分析能使农民确定每一种农作物包括块根作物在土壤剖面中被研究的土壤体积范围和土壤剖面的每一深度层的作物利用的水分数量、土壤紧实度、土壤质地变化、高石灰岩含量、地下水位和盐分等问题能够通过对根部活动的仔细分析而发现。深度图也可以用来确定渗入和排出土壤剖面的水分的运动状况及深度和数量，从中能够给定灌溉饱和点和需灌溉补充点的准确设计值。灌溉或降水后从土壤的根区排出的水分数量能够通过深度图准确测定，根据可以调节灌溉所用时间以避免水分从土壤剖面排出而损失，控制土壤剖面排出水的数量将防止地下水水位地升高和土壤养分的淋溶损失，同时也将降低灌水及滴灌水及抽水的成本。深度图是一个非常有用的工具，能够解决在不同类型土壤中灌溉水的水平和垂直运动的关键问题，通过分别绘制灌溉前和灌溉后距滴管不同距离的各个点的土壤水分含量图可比较灌溉水的运动状况，用户能够利用研究所得的结果来减少水分和肥料排渗，同时确保作物根系能够一直得到适量的水分。
3.5软件的程序特点
3.5.1程序结构滴管软件的数据存储于一个树状结构，这使得制定灌溉方案是查询数据资料非常方便。管理人员可能负责管理几个农场或几块农田，每个农场或农田可能有许多检测点，每一个检测点都有一套不同时间收集的实际测定的读数记录。输入的数据经过计算机软件处理，能显示有关每一单个田块的详细资料，还能够向农民分别显示每一年的作物种植的详细资料。能够显示农场的每个监测田块或某一年份的每一监测点的情况，指明灌溉饱和点和需灌溉补充点，当前作物日水分使用情况，土壤水分平衡和预测出的三次灌溉的日期，土壤水分含量和作物日用水量的测定值，对未来作物在整个生长季节的长期的用水量作出估算。显示某一具体的时期的每一深度层的土壤水分含量的读数记录和根区的总水分含量，同时显示土壤水分需要量，中子仪测定并估算的日水分使用量。利用滴灌软件可进行数据资料综合分析，从中总结重要的信息形成报告，以帮助制定每日的管理决策方案。同时也可以编辑出前几个生长季的作物生长、水分管理。土壤等数据资料，并进行综合分析，为以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的评价标准。该软件程序的所以结构层次能为所选择的农场、监测点和某一日期建立报告。报告分为五种：深度图、时间图、记录读数报告。监测点报告和灌溉计划报告。用户可以根据自己的需要已及自己微机系统对程序进行修改编译，选择公制和英制计量单位进行数据资料综合分析，将田间测定得到的数据读数记录自动粘贴到没一个具体的农场栏、监测点栏和日期栏。每一个监测点的测定日期，时间及估计的水分日利用量能够在粘贴之前输入。
3.5.2数据输入在读数记录屏幕中可以人工录入和显示田间实际收集的数据，如土壤水分张力计的读数、作物籽粒大小。有关作物的数据可以测定得到，作物生长参数与土壤水分含量相关联可以确定作物生长期的水分需求量。气候数据资料可以人工输入或由气象站自动装载。天气数据参数的个数没有限制，它可以与任一个作物生长测定值和任一水平的土壤水分含量相关联制作相互作用关系图。从气象数据资料中可以得到蒸发损失的总水分量的数据并且把它与测定的日水分使用量相比较来调整该地区的作物灌溉计划。
3.5.3软件的数据处理利用滴管软件可以计算使土壤剖面达到灌溉饱和点所需的准确时间数。同时计算自从播种或其他生长时期（如发芽、开花等）以来的天数，使土壤水分能够与过去多年的作物生长资料数据参数同步分析，以确定作物水分利用效率。使用作物累积日水分方程。能够很好地评估作物总产量，尤其是对于玉米、小麦和棉花。可以通过作物－水分方程和气象资料估算理论产量。通过速率方程，计算作物生长速率。计算作物当前日水分利用量占整个生长季日水分利用量地比例。同时也可计算不同水分含量地土壤水分变化速率，这些速率地变化表明土壤紧实问题和土壤干旱地程度。滴灌软件可以分析某一作物在生长季内日水分利用状况地资料。结合现代先进地土壤水分测定仪器使用，该软件能够指导我们最有效地利用有限的水资源获得最大农业效益。例如能够确定每次灌溉的准确时间和灌水量。同时减小过量灌溉和水分不足对产量的影响。建立各种不同作物之间水分利用及水分利用效率的差异；建立如不同品种、土壤紧实情况、不同的耕作史等不同条件下水分利用及水分利用效率的差异；建立现代耕作技术和传统耕作技术条件下的水分利用效率的关系。确定灌溉和降水的利用效率，用以观察分析根系吸收水分模式。有助于合理管理地下水和盐化问题，能够减少土壤养分的淋溶损失问题。建立土壤水分含量、作物长势及天气状况的数据库以使作物产量和质量获得持续稳定的提高，使高效农业可持续发展。
3.6灌溉自动化控制系统
要实现灌水的自动化，必须有自动灌溉控制器，该装置由土壤湿度传感器、控制器和电磁阀组成，能够按土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉（沟灌、喷灌、滴灌、渗灌），达到高产、高效、和节水的目的。适用于庭院花圃、苗圃、果园、菜地和农地。随着经济发展，庭院花圃、苗圃水分的自动灌溉倍受欢迎。它能省水省事，使花木生长更好。一亩庭院花圃、苗圃地投资1.0－1.5万元，可以建立自动灌溉控制系统。自动灌溉控制系统可以实现科学灌溉，节能、省水，使菜地和农地产量和质量明显提高。智能化，精准化灌溉技术是伴随着计算机应用技术、传感器制造技术、塑料工业技术的提高而逐步实现的
自动化计算机灌溉控制系统大约在80年代初由雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司开发、研制成功，并投入使用。由于技术复杂、应用难度大，价格高昂，这种控制设备最早应用于高尔夫球场灌溉系统的控制上。90年代，计算机工业的硬件、软件飞速发展，使得灌溉系统中央计算机系统操作难度越来越小，功能越来越丰富，价格也逐渐降了下来。这种系统在园林绿化上用得也越来越多了起来，雨鸟公司针对不同用途，研制、开发出了中央计算机控制系统：Maxicom
智能化灌溉中央计算机控制系统具有如下功能：
①动采集各种气象数据，计算并记录蒸发蒸腾量ET；
②根据前一天的ET值自动编制当天灌溉程序并实施灌溉；
③可由连接的土壤湿度传感器、风速传感器、雨量传感器等干涉程序，启动、关闭、暂停灌溉系统；
④连接流量传感器可自动监测、记录、警示由于输水管断裂引起的漏水及电磁阀故障；最大限度利用管网输水能力；
⑤运行程序而不起动灌溉系统（干运行），测试程序合理性，不合理时预先修改；
⑥自动记录、显示、储存各灌溉站的运行时间；自动记录、显示、储存传感器反馈数据，以积累资料，修改程序，修改系统等。
⑦频繁灌溉功能：可将设计好的灌水延续时间分成若干时段，以便提供足够的土壤入渗时间，减少坡地或粘性土地地面径流损失。
⑧一套中央计算机系统可控制无数台田间控制系统（称为卫星站），一套中央计算机控制系统可控制小到一个公园，大到上百个公园，甚至全城的所有灌溉系统。
⑨储存数百套灌溉程序；一台田间控制器（卫星站）可使4个轮灌区独立灌溉或同时灌溉。
⑩手动干涉灌溉系统：可在阀门上手动启、闭系统，可在田间卫星站上手动控制系统，也可在计算机上手动启、闭任何一站，任何一个电磁阀。可控制灌溉系统以外的其它设备，如：道路或公共场所灯光，大门、喷泉、水泵等
自动化中央计算机控制系统主要由中央计算机，集群控制器(CCU)，田间控制器（卫星站），电磁阀构成。中央计算机可装置在任何一个地方。比如：一套中央计算机系统控制50个公园的灌溉系统。中央计算机可安装在市园林局认为合适的位置。CCU安装在各个公园内。中央计算机与CCU之间的通讯，可采用有线连接（近距离），无线连接，电话线连接或移动通讯方法连接。一台CCU最多可连接28个田间控制器。CCU与田间控制器之间同样可选上述数种通讯方式。由中央计算机到终端电磁阀的工作过程为：中央计算机编程，并将程序下达到CCU。CCU将各轮灌区灌溉控制程序再发到相关田间控制器。田间控制器依中央计算机制作的程序启闭各轮灌区电磁阀。如下图所示：
中央计算机上的初始程序由控制人员编制，之后，计算机每日自动收集由气象站采集的气象数据，计算ET值，并不断对原有程序自动修改。如遇传感器传来异常信息（如降雨，过分干燥，系统漏水...），自动中断或暂停程序，待异常情况排除后，继续恢复程序运行。
如果将智能泵站连接到中央计算机控制系统上，则效果会更好。这样从水泵到电磁阀之间复杂的系统将由一个高度智能化的系统管理起来，可做到最大限度地节水、节能，最大限度地保护系统设备运行，避免灌溉系统常发生的下列几种问题：
①过量灌溉或灌水不足，浪费水资源或不能满足植物需水；
②管网破裂，漏失水；
③系统运行压力不合理；
④水泵运行效率低下；
⑤地形起伏不平时或土壤入渗率低产生地面径流，浪费宝贵的水资源；
⑥降雨时，灌溉系统照常灌溉；
⑦管理、维护成本高。
3.7百果园灌溉的自动化控制设计
百果园一期工程灌水基本实现了半自动化控制，可以使用电脑控制各电磁阀的开启。我们可在其基础上加以改进与提高，使其实现灌水的全自动化，具体见下：
3.7.1控制原理
自动化控制采用电子技术对田间土壤温湿度、空气温湿度等技术参数进行采集，输入计算机，按最优方案，控制各个阀门的开启及水泵的运行状态，科学有效地控制灌水时间、灌水量、灌水均匀度，为项目区作物提供一个良好的地、水、肥、气、热条件，促使其高产、稳产。同时进行控制软件及优化灌溉制度的研究，最终形成灌溉专家决策系统。另外，通过变频器控制改变电机转速，调节管道压力，为管道、滴灌等其他灌溉工程的自动化提供依据。具体包括以下几个方面：
①田间土壤含水量、盐分、地温、空气温度、湿度、降水、风速、管道压力等参数的自动化采集
②自动化控制设计安装
③监控软件设计
④变频系统设计，通过改变水压力，为微喷、滴灌等工程的自动化提供依据
⑤系统运行管理模式评价，包括系统评价、灌水指标、灌溉制度等
3.7.2控制系统的组成
欲实现真正意义上的全自动控制，需要控制田间参数及对象很多，例如土壤湿度、盐分、空气温度、相对湿度、降水量、风速、管道压力、阀门开启、水泵电机旋转等，都要送入控制器。考虑到要控制的对象较多，又要满足良好的人机界面要求，可以采用工业控制计算机作为整个控制系统的核心，来协调各部分的工作。
系统的组成如下图所示,整个系统的工作主要工控机和变频器两部分来控制，其中变频器主要用于控制水泵电机的旋转，工控机主要用来采集田间土壤及气象指标，按照设定的程序，控制各地块中电磁阀的开启，并通过变频器控制电机的运行状态，协调整个系统的工作。
3.7.3监控软件监控软件是工控机能够完成控制功能的重要基础，监控软件设计的好坏直接关系到整个系统的质量和可靠性。根据项目要求及滴灌的特点，笔者建议百果园采用雨鸟公司的“Maxicom”中央控制系统，该软件只需用户输入各地块种植作物种类及种植日期，系统便会自动计算当前作物所处生育期，确定出各自要求的土壤状况及气象信号，控制水泵电机的运行状态及阀门的开启，自动完成整个灌水过程，完全不需要人工干预，实现全自动控制。
该控制软件在此所完成的主要功能及特点如下：
①自动采集田间数据：系统根据软件中所预先设定的时间，自动地采集土壤湿度、温度风速、雨量等参数，进行相应的处理后，实时显示在屏幕上。
②作物生育期的判断：当管理人员输入各地块所种植的作物及种植日期后，系统便根据计算机时钟自动计算出各种作物已种植的天数，判断出作物所处的生育期，自动查找资料库中所存的原始资料，确定出当前作物最适宜的土壤含水量及灌水定额。
③滴灌的全自动控制：系统采集田间及气象数据后，将当前各地块土壤含水量与作物适宜含水量相比较，若土壤实际含水量小于作物要求下限值，便自动开启该地块的第一个电磁阀。进行灌溉。达到所需灌水定额后，自动关闭第一个电磁阀，同时开启下一个电磁阀，直到完成整个地块的灌溉任务。灌溉过程中，若出现温度过低、风速过大以及降雨过程等天气时，系统会自动暂停当前的灌溉任务，并保存当前状态。当气象条件满足时，继续进行未完成的任务。
④形式多样的控制方式：全自动控制外，系统还允许管理人员采用半自动、手动等控制方式。全自动方式只需运行人员输入各地块的作物信息，系统便会根据作物、土壤、气象等条件自动完成灌溉的全过程，无需人工干预。所谓半自动方式，是指系统允许用户根据实际情况控制开停机。用户可人为启动某个阀门，或某个地块，甚至是所有地块均轮灌一次。当然这些操作全部都是通过键盘或鼠标来完成的，而且在工控机屏幕上均有明显的提示。所谓手动方式是指人工去开启各个电磁阀，笔者建议百果园选用美国雨鸟公司生产的电磁阀：手动、电动两用阀门，既可手动，又可电动，使用非常方便。当手动打开某个电磁阀时，喷头出水，主干管道压力开始下降，系统会自动通过变频器升高水泵电机转速，维持管道压力的恒定，直到完成灌溉任务。
⑤丰富的办公自动化功能：系统在运行过程中，可自动生成各种定时、日、月、年报表，并通过打印机打印出来。其内容包括各种气象及土壤参数，可从各报表中得到土壤湿度变化曲线、日最高风速、月平均气温、全年总降水量等原始资料，为用户研究当地的气象及土壤变化情况提供翔实的依据。
⑥良好的可维持性：可维护性是衡量软件质量好坏的重要指标之一，在编写本系统时我们也充分考虑了这一点，例如用户在种植一类新作物时，可能系统的资料库中并没有该作物，便无法确定其适宜土壤含水量和灌水定额。此时，用户可按自定义按钮，通过鼠标各键盘输出这些参数，系统便会根据用户所定义的数值运行。另外，用户还可很方便地修改灌水定额、管道压力等参数，满足实际情况的需要。
⑥友好的人机界面：系统中大部分界面均为示意图形，实时显示各传感器送来的数值及系统当前的运行状态，一目了然。需要用户操作的部分全部为中文界面，工作人员无需学习便可完成所有操作。另外，在任一界面下，用户都可以通过按帮助按钮得到相应的提示，指导用户完成相应的功能。
3.7.4效果
百果园通过增加自动化控制系统后，灌水时间、灌水量和灌溉周期等完全根据果树某些需水参数自动启闭水泵和自动灌溉，人的作用仅仅是调整控制程序和检修控制设备。既提高了水的有效利用率，又节省了人力，同时也提高了果树的产量，可以产生良好的经济效果。
3.8第二期工程的设想
正在建设第二期工程计划今年完工，第二期工程的滴灌系统我建议基本上参照第一期工程建设，也采用滴喷灌相结合的方式，其水源计划应采用水塔蓄水，用以缓解枯水期水库少水的矛盾，该可以区采用先进的电脑全自动控制方式，实行精确灌水，管道布置采用固定式（干管、支管）和移动式（毛管）的有机结合。二期工程应该吸收一期工程中的好的经验，改进一期工程中毛管布置形式的不足，还特别是应该增加灌水的全自动控制部分，实现灌水的全自动化，精确控制作物的有效灌水。
4存在的问题及建议
通过对滴灌系统的学习与认识，笔者系统的学习了滴灌这种先进的果园节水灌溉方法，在实践的基础上深化了理论，并对滴灌和滴灌系统有一些不成熟的认识与建议。
4.1滴灌的优缺点
4.1.1百果园滴灌的优点
4.1.1.1水的有效利用率高，在滴灌条件下，灌溉水湿润部分土壤表面，可有效减少土壤水分的无效蒸发。同时，由于滴灌仅湿润作物根部附近土壤，其他区域土壤水分含量较低，因此，可防止杂草的生长。滴灌系统不产生地面径流，且易掌握精确的施水深度，节水效果达50%-90%。
4.1.1.2环境湿度低，滴灌灌水后，土壤根系通透条件良好，通过注入水中的肥料，可以提供足够的水分和养分，使土壤水分处于能满足作物要求的稳定和较低吸力状态，灌水区域地面蒸发量也小，这样可以有效控制保护地内的湿度，使果园中作物的病虫害的发生频率大大降低，也降低了农药的施用量。
4.1.1.3提高作物产品品质，由于滴灌能够及时适量供水、供肥，它可以在提高农作物产量的同时，提高和改善农产品的品质，使果园的农产品商品率大大提高，经济效益高。
4.1.1.4滴灌对地形和土壤的适应能力较强，由于滴头能够在较大的工作压力范围内工作，且滴头的出流均匀，所以滴灌适宜于地形有起伏的地块和不同种类的土壤。同时，滴灌还可减少中耕除草，也不会造成地面土壤板结。
4.1.2百果园滴灌的缺点
4.1.2.1滴灌的滴头很容易堵塞和磨损，产生灌水的不均，严重影响节水效果。
4.1.2.2滴灌的各管道的压力有所差异，会产生局部压力过高而使管道容易损坏，滴头的压力不均甚至会产生雾化，损坏滴头，浪费水资源。
4.1.2.3滴灌一般仅润湿作物根系区土体的一部分，所以作物根系的发展可能限制在围绕每一滴头的湿润区，这样容易产生作物根系的腐烂，进而引起作物倒伏。
4.1.2.4滴灌的管道布置要充分利用当地地势与地形，在原则的基础上加以灵活运用，如干管的布置、毛管的布置，取水方式等。
4.2滴灌的建议
4.2.1百果园应加强灌水的自动化控制，保证各种果树的精准灌水，实现精确的节水灌溉
4.2.2滴灌的水量应该有保证，应该建一水塔蓄水，确保枯水期各种果树的需水要求
4.2.3滴灌的毛管布置应采用单行带环形状态管布置和双行平行布置相结合，确保果树灌水均匀度。
4.2.4滴灌技术的应用应该和其他节水灌溉技术相结合，互相补给，更好的发挥优势。
4.2.5国家应鼓励进行滴灌技术的研究，加大科研推广投入的力度，研制开发经济实用的滴灌管材，解决滴头易堵塞的难题等，滴水灌溉技术应该在政府的规划安排下，由政府投资和农民出资相结的优惠政策下在全国范围鼓励推广发展。
关键词：电气自动化控制技术；ESC系统；安全稳定
0 引言
电气自动化控制技术是建立在电子信息和自动化技术之上的，以电气控制系统为核心，以电动机为主要传输动力，具有自动检测、信息控制等多项功能，利用自动化技术可使各项电气设备自主控制完成电力生产任务。将其应用于电力系统中，可有效解决其复杂结构带来的一系列问题，降低工作难度，减少人工劳动量，进而维护系统稳定运行，提高生产效率。然而在实际应用时，还有一些不足之处应引起重视，促进该技术在未来有更好的发展。
1 电气自动化技术的功能及其在电力系统中的应用
1.1 功能
首先是自动控制功能，即对电力设备的自动控制，是自动化技术的一个重要体现。多采用分散式控制方式，实现对整个操作系统的控制，运行中若有设备出现异常，自动控制系统会及时发现， 并将故障电路切除，以免有电流经过，使得故障进一步扩大。而电力系统结构庞大，线路复杂，要想准确切断电路，还需依靠分散控制来完成，所以说自动控制功能是维护系统整体稳定的一个重要保障。
其次是保护功能，受内部运行或外部环境影响，电力设备难免会出现各种故障，进而影响到系统安全。而电气自动化控制技术则能够保护设备运行安全，如输入电压不稳定时，自动控制系统会控制设备自动将高电压转换为低电压，保护设备内部的元件和导线不被损坏，将可能会出现的风险降至最低，尽可能地保护设备安全。电力设备运行时的承受能力有限，一旦电流过大，必将受损，所以说自动化控制技术的应用，可提高设备的使用寿命。
此外是监督功能，主要是监督不稳定电流，因为电流不稳定时，对设备危害较大，自动化控制系统则能对其加以监督。此时显示器上的指针会有所偏移，且信号灯闪烁，提示工作人员对线路进行检查。进而控制不稳定电流，避免故障发生。
1.2 应用
首先是电气产品的设计，为生产出高质量的产品，设计者必须具备极强的专业知识，并了解当前需要解决的关键问题，以及产品的用途和工作环境。以往多以经验为主，缺少科学性，而且工作量较大，精确度低。而现代化产品则要利用高科技和现代化工具，如计算机等。另外，控制理论也越来越成熟，尤其是专家系统、遗传算法等的应用，为产品提供了质量保障。
其次是设备故障的诊断，现代化电气设备功能增多，智能化程度越来越高，故障也变得更加复杂，具有非线性的特点，检测处理难度加大。传统的方法显然已不适用，而当前则逐渐形成了一套设计理论，以此对故障进行检测。这是一大创新，在智能化产品故障检测中较为适用，效率很高。当然还可以结合模糊逻辑系统等使用，进一步提升检测效率。
2 新型电气自动化控制技术的应用分析
2.1 案例
某电力企业为提高生产效率，降低故障发生频率，于2003年引进了DCS系统。随着用电需求的增长，电力系统变得更加复杂多变，DCS系统的应用可控制输入输出设备，从而采集系统的有关信息，并进行分析处理，然后对功率计电压等加以适当调整。该系统以控制系统为基础，具有分散控制、分级管理、集中操作等功能，在电力生产中一度发挥着重要作用。但随着电网事业的改革，这种系统的弊端日益显现，信息处理量有限，抗干扰能力较差，接线复杂，成本昂贵，且反应太慢，往往不能很好地处理瞬态电信号。为此，企业于2007年开始引进并应用电气监控管理系统（Electric Control System），简称ESC系统，这是对计算机、信号处理、现场总线等技术的综合应用，可对电力系统的自动化装置进行有效的测量控制，并保护其安全。
2.2 ESC系统
该系统包括以下3层：（1）间隔层：由多个智能元件构成，如直流接地选线装置、常用电压保护装置、自动准同期控制装置等，可完成系统的专业化功能。多是通过嵌入式软硬件技术开发的，由CPU、现场总线等设备；（2）通信管理层：主要由通信网络和相应的管理装置组成，利用以太网和现场总线将DSC系统、各项智能设备及其他子系统相连，实现其网络通信工作；（3）站控层：包括各种专业软件、通讯接口、服务器和监控设备，且软件都具有数据采集、故障诊断的功能。
2.3 特点和功能
ECS 系统采用通信管理层和站控层组态一体化的设计， 可保证组态调试的一次性完成， 进行调试时可以更加方便， 并且符合人的操作习惯。 并且从整体出发综合考虑系统的通信功能，保证站控层、通信层、间隔层的通信速度，并开设与 DCS、 MIS、 SIS 的通讯接口。并且 ECS 与 DCS 互相通信是不受限制， 还可以节省大量的通信缆线和变送器。 ECS 采用先进可靠地自动化电气装置， 完全可以不受通讯功能限制并可以独立运行， 保证了系统的安全性和可靠程度。
ECS 系统的间隔层采用保护测控装置， 抗干扰能力强，适用于复杂环境。且系统还采用了冗余容错技术， 包括双现场总线网络、 站控层设备冗余等多种措施，保证了系统稳定。系统保护测控装置局采用高性能的 DSP 并 IJ 微处理器，硬件系统采用多 CPU 智能化结构，大大提高了数据的处理速度。
3 结束语
电气自动化控制技术在电力系统中起着重要作用，可保护系统安全稳定，提高工作效率。在今后，将进一步朝着智能化方向发展，有很多事项需注意，对于其中存在的问题，应及时解决。
参考文献：
[1]蒋志荣.电气自动化控制技术的研究[J].黑龙江科技信息，2014（01）：109-110.
[2]陈俊红.浅论电力系统中电气自动化控制技术的运用[J].商品与质量，2014（02）：143-145.
【关键词】电气；自动控制；控制方式
中图分类号：TM92文献标识码A文章编号1006-0278（2013）06-183-01
一、概述
一个理想的控制系统，在其控制过程中应始终使被控量等于给定值。但是，由于系统中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。所以，当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即瞬态过程。所谓瞬态过程就是指系统受到外加信号作用后，被控量随时间变化的全过程。瞬态过程可以反映系统内在性能的好坏，而常见的评价系统优劣的性能指标也是从瞬态过程定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面：稳定性、快速性、准确性。
自动控制理论研究的是如何接受控制对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用，使系统在变化或不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要内容的“经典”控制理论。60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的“现代”控制理论。随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件喜下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。
二、自动控制系统的基本构成及控制方式
（一）开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。开环控制的特点是系统结构和控制过程很简单，但抗扰能力差、控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。
（二）闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，既有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制系统又被称为反馈控制或按偏差控制。闭环控制系统是通过给定值与反馈量的偏差来实现控制作用的，故这种控制常称为按偏差控制，或称反馈控制。此类系统包括了两种传输信号的通道：由给定值至被控量的通道称为前向通道；由被控量至系统输入端的通道称为反馈通道。闭环系统能减小或消除作用，但若设计调试不当，易产生震荡设置不能正常工作。自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。
（三）复合控制
反馈控制是在外部的作用下，系统的被控量发生变化后才做出相应调节和控制的，在受控对象具有较大时滞的情况下，其控制作用难以及时影响被控量，进而形成快速有效的反馈控制。前馈补偿控制，则在测量出外部作用的基础上，形成与外部作用相反的控制量，该控制量与相应的外部作用共同作用的结果，使被控量基本不受影响，即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生的控制。在这种控制方式中，由于被控量对控制过程不产生影响，故它也属于开环控制。前馈补偿控制与反馈控制相结合，就构成了复合控制。复合控制有两种基本形式：按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补偿控制的复合控制。
三、自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种：线性系统和非线性系统。由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统；定常系统和系统，从系统的数学模型来看，若微分方程的系数不是时间变量的函数则称此类系统为定常系统。否则称为是系统。若系统既是线性的又是定常的，则称之为线性定常系统；连续系统、离散系统和采样系统，从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量，则称此系统为连续系统，若系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。若系统中既有模拟量也有离散信号，则又称为采样系统；恒值系统、随动系统和程序控制系统，若系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服骚动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统。若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值的变化，则此类系统称为随动系统。若系统的给定值按照一定时间函数变化，并要求被控量随之变化，则此类系统称为程序控制系统。此外，根据组成系统的物理部件的类型，可分为机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等。根据系统的的被控量，又可分为位置控制系统、速度系统、温度控制系统等。
英文名称：Computing Technology and Automation
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：湖南大学;中国自动化学会;湖南省自动化学会;湖南省计算机学会
出版周期：季刊
出版地址：湖南省长沙市
语
种：中文
开
本：16开
国际刊号：1003-6199
国内刊号：43-1138/TP
邮发代号：42-277
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1982
期刊收录：
核心期刊：
期刊荣誉：
Caj-cd规范获奖期刊
联系方式
【关键词】自动控制理论;LabVIEW;实验系统
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的质量与国家现代化建设密切相关,其中良好的教学实验设计对于人才的培养有着直接的影响。《自动控制理论》课程作为电气、自动化专业的一门重要的专业基础课,是联系前期基础课和后续专业课的桥梁。如何借助于实验课的辅助教学,生动、形象地帮助学生理解基本概念、建立理论与实际相结合的观点、培养大学生的初步工程实践能力,符合高校培养具有创新实践能力的高素质人才的需要。
LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司推出的一种使用基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。具有直观易学、编程效率高,与Internet方便链接等特点。通过改变、增减系统的功能、可方便地扩充系统的复杂性,能为各层次学生提供广阔的实验与实践空间。为此,建立基于LabVIEW的自动控制理论实验平台,开展设计性、综合性较强的系统实验设计,不仅有利于通过直观形象的实验图形与结果激发学生的学习兴趣,而且对于全面提升学生动手构建物理系统和软硬件调试的综合能力具有重要意义[1-2]。
二 实验系统设计
近年来基于计算机技术的实验系统,作为一种工程、教学辅助工具,在简化问题、节约成本、缩短调试周期等方面特点突出,有利于发展学生借助计算机解决问题的能力。传统实物模拟实验,由于外部条件变化对实验结果及信息的影响不同[3],则对于学生发现问题、通过理论联系实际综合解决问题能力的培养具有不可替代的作用。目前,远程实验的开展也逐步获得关注重视。基于以上分析,所设计的LabVIEW自动控制理论综合实验平台,其系统结构如图1所示,可以融合以上三种实验模式的优点,力图通过交替互补,以不同的实验要求,通过设立资源学习、任务驱动与探索学习这三类学习模式,全方位提升学生的实验理论与技能。
1 仿真实验
LabVIEW在数据采集、工业控制等应用领域提供了一个功能强大、方便灵活的虚拟仪器的集成开发环境。降低了环境干扰和系统误差对测量结果的影响,改善了以往费时、费力的实验过程,便于学生集中精力对结果进行分析。
以非线性系统的描述函数法为例,图2为非线性系统框图,其中线性部分的频率特性函数为 ,非线性部分的算子以 表示。如何求取非线性系统的描述函数并进行分析,由于其独特的复杂性与抽象性,一直是自动控制理论教学的难点,理论计算繁琐,实验研究费时。
为此,采用基于图形化的计算机仿真的方法通过对非线性、线性环节的类型、参数进行选择,而后设定分析的频率范围、初值、步长、循环次数等,可有效避免繁复的频率调整、计数、描点等工作,迅速获取系统的幅相特性曲线。友好的仿真实验界面如图3所示。
设定线性区宽度 ,饱和特性信号限幅 后,输入到实验室开发的如图3所示的仿真实验系统界面,运行后,即可获取如图4所示的对应的幅相特性曲线图。
这样,利用仿真实验,学生可以灵活设定仿真条件,方便、省时地实现对各种非线性环节描述函数的求取与直观分析,达到了对抽象的非线性理论概念进行直观理解的目的。这部分内容,设定了2学时由教师讲解LabVIEW的基础知识,安排4学时课后时间用于相关资源学习。
2 模拟型实物实验
NI公司提供的ELVIS实验平台将DAQ硬件和LabVIEW软件组合成的一个定制灵活的教学实验平台。通过DAQ捕获实际系统中真实的物理信号,并输入到计算机中,而后利用LabVIEW编制相应的应用软件实现数据的监测、记录、显示及分析,可以简化实验数据获取及后续数据处理等过程。
目前本实验平台针对实物模拟实验设立了演示实验[4]和学生设计实验两部分。演示实验包括RC电路暂态电压变化实验、数据采集及滤波处理实验以及直流电机转速测控实验。通过演示实验的展示与讲解,以帮助学生逐步掌握NI ELVIS实验平台的使用与开发流程、技巧,为后续进行独立实验设计与研究奠定基础。而后,结合基于LabVIEW编程后提供的内置函数发生器和示波器等检测分析仪表,配合ELVIS提供的实验面包板,要求学生独立在实验板上通过模拟运放电路的搭建,完成二阶系统时域响应、典型环节频率特性、系统串联校正等实物模拟实验,并与理论分析值进行比较、分析。此处设定为任务驱动型学习方式,课内保留4学时用于提问、测试、成绩评定。
如图5所示,为求取典型积分环节频率特性而构建的模拟实验电路。
图5中运算放大器采用op07,输入正弦信号 ,其幅值 及频率 可调。当调节正弦信号幅值 过大时,系统可能进入运算放大器的饱和非线性特性工作区域,系统输出 信号则会输出周期畸变信号; 当调节正弦信号幅值 过小, 静电感应电压对系统输出 信号的叠加影响不可忽略, 会影响输出 信号测试的准确度(此处,可引导学生对信号处理方法进行思索、研究)。仅当调节正弦信号幅值 处于适当范围内,输出 才可清晰获取同频率的正弦信号。针对这一现象,与1节中虚拟仿真实验积分环节频率特性的求取方法进行对比,提出问题1:仿真实验与模拟型实物实验的区别与联系?问题2:确定一个环节是线性还是非线性的原则是什么?问题3:理论与实践的相互作用关系在科学研究中是怎样的?以此建立新旧知识的联系,激发学生的自主发现与探究意识,引发其解决问题的兴趣,鼓励其进行协作交流,进而形成自己对问题的独立见解,综合实践能力得到提高。
最后,考虑部分能力较强学生的实验需求及后续课程设计的需要,选购了8套球杆(ball balancer)系统作为被控对象。采用LabVIEW编制软件算法, 通过驱动程序控制伺服电机进行转速与位置调节,实现对此非线性、不稳定系统的稳定运行控制。这部分实验的设立为探索学习模式阶段,通过介绍难点的方式,引导学生深入思索、学习、探索前沿的控制方法。
3 远程虚拟实验
基于网络的远程实验室可以最大限度地实现实验资源的共享[5],因此本综合实验系统的设计也包含了这部分内容。远程虚拟仪器能从与Internet/Intranet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端,使在本地PC机上监控远端成为可能。远程虚拟实验不仅提高了实验设备的利用率,而且方便学生灵活安排实验时间,强化了学生的主体作用,同时有利于教师进行实验过程的管理,实现了利用网络进行资源交互学习等目的。
利用LabVIEW软件设计构建的网络虚拟实验室具有易于开发,投资少,扩充方便等特点。在LabVIEW 开发环境中,有多种方式可以方便实现远程数据的采集和仪器控制,主要有:基于NI公司的远程设备访问(remote device access, RDA)技术,可通过分别配置RDA Server和RDA Client实现网络内部的共享采集设备数据;功能强大、但开发将对较复杂的适用于较大规模网络实验室的DataSocket数据共享技术;简便、易学的基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术。
考虑实验规模不大及时间限制等因素,本实验室选用了基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术,构建B/S模式远程实验系统。远程前面板技术是把一个VI的前面板直接嵌入到Web网页中,并具有自动更新功能。此外,通过授权,不仅可以使得客户端能观测到一个动态刷新的实时画面,而且还可以对前面板进行远程控制。
考虑到一台实验设备在某一确定时间段内只可以由一个用户进行实验控制,因此,需要设定教师管理员进行实验预约管理。学生通过客户端注册登录后,在预定时间内享有对实验室内指定编号实验平台的控制权限。后续计划针对大四学生和研究生采用大作业形式,征集优秀的实验预约管理方案,取消人员管理,实现科学、高效的自动远程实验预约、监控、实验记录等管理功能。
三 结束语
基于LabVIEW技术开发的自动控制理论综合实验平台,通过设定仿真实验、真实模拟实验和远程实验互相结合与补充,不仅提供了丰富的计算机与网络学习资源,而且注重实验设计的智能化与真实性的协调统一,实现了实验设计的简易性、综合性和灵活性。通过关注实验过程,改变了传统教师讲授的单一模式,不仅便于学生形象理解和掌握与课程相关的知识点,促进学生的编程能力与动手能力的提升,而且使其自信心获得提升。这些都将助力学生从理论学习向实践研究进行跨越式转变,为探索培养具有创造力与创新性的当代大学生教育进行经验积累。
参考文献
[1] 张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008:2-5.
[2] 袁浩,朱畅,陈志敏.基于LabVIEW的自动控制仿真系统设计[J].实验室研究与探索,2006,25(4):457-459.
[3] 沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育,2004,210(7):42-44.
[4] 杨智,袁媛,贾延江.虚拟仪器教学实验简明教程-基于LabVIEW的NI ELVIS [M].北京航空航天大学出版社,2008:90-108.
论文摘要：网络与控制的学科交叉研究与产品的研发是我们面临的一个机遇与挑战。在网络控制系统和网络的控制中都有不少问题可研讨。
二十年前,面对计算机与控制交叉发展的机遇与挑战,中国计算机学会工控机专委会(其前身:中国电子学会电子计算机专业委员会工业计算机学组)诞生。二十年后的今天,我们又面临新的机遇与挑战,其特征之一就是,信息科学技术快速发展所引发的计算网络与控制科学技术的交叉发展,本文简称为“网络控制”对此#已有不少论述。本文只是简要讨论一些看法。
1网络控制的机遇
近年来信息科学技术与信息产业的发展十分迅猛，新思想、新技术相继问世，网络方面的新技术和产品迅速进入市场。而在经历一个大发展后，自动化及控制理论在其发展中也出现一此“困惑”，各国均十分关注自动化科学与技术面临的机遇与挑战。1986年IEEE与美国国家基金委专家高峰会发表“对控制的挑战”一文;1990-1993年IFAC组织了“控制在工业中的应用而临计算机的挑战”调研……我国也十分重视这个问题:1999年宋健在IFAC大会报告:21世纪的控制;2002年中国国家自然科学基金委召开“中国自动化领域发展战略高层学术讨论会”在这此讨论中，信息的控制、网络技术对控制的冲击等都是一个议题。维纳《控制论》一书的副标题是:“关于在动物和机器中控制和通信的科学”;而在《控制论》第一版序言中他又指出“如果一门新的科学学科是真正有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移……因此，控制论学家应该继续走向新的领域，应该把大部分注意力转移到近十年发展的新的思想上去……”。从历史上看，控制与通信确实是相互依存交叉发展的，而当今在“网络的连通性无所不在”的形势下，我们确有必要讨论网络对控制的挑战是什么，信息的控制或网络控制是否应该列为一个“引人兴趣的中心”。
“网络控制”的提法早已有过，而对其内涵与外延井不十分统一，我们觉得网络控制泛指通信网络与控制科学技术的交叉以及相应的产品。主要包括两个方面的内容，网络化系统的控制与管理，网络主要是做为技术手段或环境#而控制对象是传统的对象（如电机、化工过程、航天……）也包括交通服务等系统。本文简称为”网络化控制”"网络系统本身的控制与管理。信息与网络成为控制的对象，而采用控制的手段来满足用户的要求。本文简称为“网络的控制”。这也可以说是从两个视角来研究网络控制。我们在网络控制的这两个视角上都面临机遇与挑战，前者延伸了诸如数字控制。计算机控制等的概念，而后者则延伸了电机控制，机床控制等的概念。
2网络化系统与网络化控制
网络化系统及网络化控制有多种提法，如TelematicSys-terns，NetworkedSystems，NetworkedControlSystems(NCS)，IntegratedCommunicationandControlSystems(ICCS通信与控制系统)等，其内涵各有所侧重，但有共同点:是依靠网络(主要是计算机网络)组成的分布式系统;具有资源共享、集成自动化、协调下作等特点，从应用角度可包括:网络化控制、网络化制造、电子政务、电子商务、数字家庭、大型电网、城市交通、军事上的41SR指挥、控制、通信、计算机以及情报、监视、侦察)等。可以是下业对象也可以是服务业或其他对象。
网络化控制系统中的网络一般是大范畴的企业网络，从功能层次上可包括企业网的外联网[xtranet，企业内联网Intranet,控制网、传感网等，从网络类型上也可以说包括因特网、无线移动通信、以太网、现场总线与工业以太网、传感器网络等网络技术在控制领域的’泛且深入的应用，必然引起网络与控制交叉学科的发展，或者引起ThomasKahn在“TheStrutureofScientificRevolutions”中指出的在控制领域的范例转移(ParadigmShift)或出现从连续时间控制理论到离散时间控制理论的发展。
网络化控制与管理系统，可以不同程度地实现各层次自动化系统的集成使企业在企业协作、资源共享、提高效率、增强市场竞争能力等方面得到好处;同时，网络的引入必然带来信息传输时延，延时的抖动信息(数抓包)去失等问题，也必将引发一此研究课题，包括:网络化控制系统体系结构，网络环境下复杂系统的集成优化控制;基于连续时间和基于事件控制理论(在网络化控制系统中的)的应用与发展;各种网络化应用系统的建模与分析;基于网络计算和网络存储的分布控制;网络化系统的信息女全，现场总线，工业以太网，传感器网络等等，从某种意义说工业控制计算机系统的发展必须定位于网络环境下，从网络控制着手。
3网络的控制与答理
网络的控制，基于网络的控制(Network一BasedControl)或网络空间中的控制问题是自接涉及到网络木身的控制问题，这里控制的对象是信息、数抓、网络……。在自动化科学发展的历史中，自动控制的对象是不断发展变化的，这种发展体现了自动化科学理论与实际相结合，学科交叉和与时俱进的特性，从某种意义上说控制论的着眼点是信息与控制或信息的控制而网络的控制是信息的控制中的重要内容。
网络的控制或基于网络的控制系统在资源共享提高网络服务质量，实现集成自动化和整体优化以及和谐人机协调等方而都有优势或潜力;由于网上的传输时延，数抓包去失，以及用户对网络服务质量的不同需求等，引出了网络的控制中一系列研究课题。涉及相关的协议，系统的控制策略，稳定性、鲁棒性、算法的收敛性以及控制系统产品化等问题。
以复杂媒体网络的控制为例，复杂媒体可视为一个广义的系统，其所究内容包括信息结构、复杂媒体的管理.、服务质量(QOS)控制，流量控制等。例如，在流媒体系统中，可以利用自适应等控制策略使用户在不同的网络环境卜享受到尽可能好的QoS保证。1999年，木尼迪克特(Bendidt)提出了“网络空间”（Cyberspace)的概念，称这种“由计算机支持，由计算机进入和由计算机产生的全球网络化，是多维度的，人造或‘虑拟’的真实。它是真实的，每一台计算机都是一个窗口;它是虑拟的，所看到的或所听到的既不是物质也不是物质的表现，相反它们都是纯粹的数抓或信息组成的”。可以说，它是介于虑拟和现实之间的特殊空间，即“网络空间”，由此而可能发展网络科学。网络空间有许多控制和答理问题，有人称之为“虑拟控制”或网络的控制。近年来，关于下一代互联网、智能网、网格等的讨论也较多，网格（Grid)一般认为是继传统因特网、Web之后的第三代因特网其主旨是实现互联网上所有资源的全而连通，在气象、能源、教育以及企业信息化中都有广’泛应用。美国《福布斯特》杂志预期网格技术到2020年将产生年产伯20万亿美元的大下业。在网格中分布资源管理与控制、资源共享、网格监控以及系统女全等方而的研究都是受人关汁的四。有人建议，在网格的体系上要体现服务第一，协议第一的观念。另外，在下一代网关中，可能会将大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、资源控制、服务质量控制等)统一交由一个控制层来完成。可见，网络的控制及管理.是日益受到重视，控制的一此基本概念，控制策略和控制理论不能简的一地搬用到网络的控制中，但应可以在网络的控制中得到发展。
以网络为控制对象的网络控制所要解决的主要是用户对网络各种服务质量:需求与网络资源间的矛盾与协调。从信息传送结构上讲，可以在核心网上增强控制功能;也可以在边缘网上引入系统与控制的方法。在这此系统建模与分析中，多会遇到系统规模大、异构件、时变性、人机协调、随机性等问题、在已见的一此研究成果中，排队论、小波分析、自适应、神经网络、混杂系统等理论与方法都有应用。在因特网或非实时局域网的控制系统中，离散控制时间的确定性或定常性已不存在，要发展网络控制理论或改造经典的方法或按离散事件动力学考虑新途径，学科交叉研究势在必行。
4对下控机系统及专委会工作的一此思考
二十年前，在个人计算机(PC)技术成热并大举进入市场之际，我们成立了工业控制计算机专业委员会，在学术交流、产品研发等方面做了许多工作，得到了广泛的认可。当前，信息网络迅速发展，而对网络控制等的机遇，工控机系统的研发人员应多交流讨论。各种工控机系统，现场总线、工业以太网，分布控制系统，传感器仍是工业自动化与下控机的主要课题，而网络控制的机遇与挑战也是专委会需认真思考的:
1)当前，我国在网络化控制(网络化系统，网络化制造……)方面的研究与产品研发已有一此成果，尚待深入与普及;而在网络的控制方而的研究下作刚刚开始。我们可能需要在理论探索、技术研究以及协议（标准)制定、产品研发等层面上挑战网络控制的机遇。
2)需要面对网络控制的挑战，加强计算机、通信网络、自动控制等学术交叉性的研讨，可与兄弟专委会联合组织。计算机、通信网络、自动控制等不同专业背景的人员在从事网络控制这类学科交叉研究中，往往有不同的思路、视角、方法或切入点，其成果也各有特色。多交流互补是大有益处的。
关键词：自动控制原理 课程改革 MATLAB
1前言
自动控制原理是电气专业的一门主干课程。该课程一方面理论性强，在培养学生抽象思维能力和逻辑能力上起着重要的作用，但是内容多学时少、课堂信息量大，使学生对教学内容难以及时进行有效地消化，不利于学生创新能力的培养。[1]另一方面实践性综合性比较强。自动控制原理内容覆盖面比较广，要求学生有比较高的数学计算能力，电气类的工科学生不能只停留在数学层面上理解，而是解决工程实际问题能力的培养。如何在有限的学时内让学生熟练掌握控制理论的基础知识，加强创新能力和工程实践能力的培养，是课程建设过程中的关键。因此，结合教学中存在的问题，在教学内容、教学模式等方面提出了几点建议。
2理论课改革
2.1教学方法改革
对于这门难度很高的课程，教学时应注重概念，弱化计算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性认识，学生才有进一步自我深化的可能。而同时感性认识获得的方法莫过于实际的例子。例如：在第一章基本概念中讲解自动控制系统的定义和组成的时候，首先需让同学们明白系统的控制过程，因此我分别举了一个人工水位控制系统和自动水位控制系统来对比讲解。由于比较贴近生活，同学们对于这个人工系统的自动运行原理基本都能自发自然的理解，所以稍加引导，就很容易理解控制对象，被控量，给定值，反馈元件，执行机构等概念。
2.2教学内容的改革
自动控制原理课程是理论性较强、概念深的课程，学生普遍反映难学。我们将自动控制原理内容系统化、模块化、最优化，以解决课时少、内容多的矛盾。我们按其理论涉及领域，分为经典线性理论、非线性理论、采样系统和现代控制理论四个模块；按其研究的基本问题，将其分为系统的数学模型、系统的性能分析和系统的综合设计三个基本问题；按其课程的本质而言，直接分为控制系统的特性分析方法和控制器的设计理念。例如，采用了以建立基本概念和掌握基本技能够用为度的知识论述深度原则。基于现代计算机辅助分析设计技术大量应用的现状，减低了系统人工分析部分的比例和重心，节约课时，提高授课效果。
2.3强化启发式教学，搞好创新教育
传统的教学模式，一般都是按照教材的自然顺序按部就班地进行讲解，并且课堂授课中，教师需在黑板上做大量的数学分析推导，画大量的曲线，因此课堂教学往往是索然无味的公式推导、定理证明和手工绘图。在教学中，要改变多年来较为死板的授课方式，充分利用现代化教学手段和生动活泼的教学方式，使课堂教学图文并茂、生动活泼，发挥和调动学生的学习积极性，采用启发式教学，由浅入深。在课堂教学中，通过布置思考题和预习的形式，要求学生课前充分准备，由学生上台讲述有关内容，既考察了学生学习的自觉性和理解能力，又锻炼了学生的表述能力，同时，还加深了对知识的理解和记忆。为了避免教师在讲台上唱独角戏，学生被动接受知识的局面的出现，应采用了讨论课的形式，进行教学互动，使课堂教学生动活泼。为了在教学中充分发挥学生的主观能动性，要培养学生的创新能力，我们一改传统教学中只注重知识的传授而忽视学生思维能力培养的教学方法，更注重在知识的传授过程中来引导、启发学生积极思维的启发式教学方法，使得学生在获取书本知识的同时，其思维能力也有很大的提高。教学过程中掌握好教学节奏，合理的留取学生思考的时间，就能真正的实现教与学的互动，充分激发学生的发散思维，调动学生学习的积极性。
2.4注重对学生进行系统化、工程化概念的强化
例如有意识地在教学别加强加深有关系统数学模型内容的讲述，深入浅出地介绍多种机电、热力、液力系统的数学模型的推导过程和结果，使学生能更多更分地了解到一些控制问题的实际工程背景。
2.5改革考核方式
为了使得学生能够在学好理论的同时将其运用到实际中，激发兴趣，强调过程考核，并且提高考试成绩和及格率，突出教学重点，对这门课实施考试改革以配合教学改革[2]。通过考试改革可以带动教学改革进程，构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系。为了培养学生的学习能力和实践能力，同时检查教学效果，在一些章节后组织编排综合型的题目，让学生以小论文的形式提交，将其成绩记录到期末总成绩的平时成绩中。这门课的教学内容可以分成两大部分内容的研究：前三章为控制系统的时域分析，偏重经典理论的研究；后两章为控制系统的频域分析，偏重工程实际应用。针对这样的内容特点，安排两次大作业，让学生对一个生产生活中的实例从时域分析和频域分析方法入手分析系统的稳态过程和暂态过程。大作业成绩也记录到期末总成绩的平时成绩中。最后卷面成绩折合成60%，平时成绩占40%。
3实验课教学改革
3.1将MATLAB应用于虚拟实验中
《自动控制原理》是电气专业学生重要的专业基础课，是后续专业课程的基础。各高校对该课程实验设置与投入都给予了高度重视。但是，其硬件实验存在着实验设备易损、实验结果不稳定等问题，如何让学生直观、便捷地了解《自动控制原理》的基础知识，准确、方便地从实验结果中进行推理是实验教学改革的一个重要问题。虚拟实验是现代实验教学的发展模式，它有效地补充和完善了传统实验，缓解了实验设备不足和滞后等问题。近年来MATLAB在《自动控制原理》虚拟实验中得到了广泛的应用。MATLAB包含了进行控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，可以分析连续系统，也可以分析离散系统，并可以进行极点配置控制器设计和最优控制系统设计等多项操作。现以连续系统中的时域分析法、频域分析法及根轨迹分析法为例介绍。
基于MATLAB开发的虚拟实验仿真系统，具有方便、直观、便捷、不易损坏、操作简单等优点。根据实验要求，利用MATLAB软件建立的虚拟实验仿真系统，实现了人机交互，通过对相关参数的设置，成功地对控制系统进行仿真，便于学生对知识的理解，也为学生学习和实验带来便利，使学生能够更为深刻地理解自动控制的基础理论，达到很好的实验效果。这种虚拟实验系统有效地发挥了现有各种信息化教育资源的优势，优化了资源配置，便于实现教育资源的广泛共享。
3.2设立开放实验室
采用设立开放实验室，使学生在掌握基本实验的基础上，充分利用已有的实验设备，增强动手能力。目前开放实验室内容还在继续完善中，已有包括多种电机控制、单容水箱模型、液位综合实验、机器手模型、简单飞行器控制模型等实际系统的模型。学生们可以利用这些模型来检验和巩固自己课堂中所学的系统分析以及系统设计的方法。
4、结束语
在自动控制原理课程建设过程中，这些建议极大地调动了学生学习自动控制原理的主动性，培养了学生的创新能力和工程实践能力。虽然取得了比较好的教学效果，但仍需在今后的教学中作进一步的探索与改进。
参考文献：
关键词： 《线性系统理论》 课程教改 基本概念 教学方法 实例教学
引言
目前，《线性系统理论》是国内“控制理论与控制工程”专业研究生阶段的学位基础课之一。国内许多院校为了加强对相关专业学生控制理论的强化，特别在本科阶段开设了《现代控制理论》等课程，其主要内容与《线性系统理论》基本相同，只是学时较少而已。
从学科发展和课程建设的角度来看，《线性系统理论》类课程一直是电子信息类学科的核心基础课程，占用的学时较多，教学的各个环节都受到广泛重视，它也被看成是控制类研究生专业的标志性课程。因此，这门课程教学的效果将直接关系到相关专业的学科发展和研究生的培养质量，它在研究生培养中占有十分重要的地位。
从控制理论发展的角度来看，目前已经建立了完善的线性系统理论体系，包含能控性、能观测性、线性系统稳定性和系统综合等在内的系统分析综合的理论方法，这些理论和方法也将为后续专业课程，如，最优控制、自适应控制和非线性系统等课程的学习奠定基础。因此，《线性系统理论》课程的主要任务是通过对线性控制理论知识的讲授和指导，奠定研究生的控制理论基础，培养研究生对控制系统的初步分析和综合能力，在此基础上能够掌握解决初步控制问题的基本方法，这对研究生的专业理论学习，专业素养的培养，以及工程实践能力的提高具有十分重要的作用。
《线性系统理论》课程的主要特点是将实际系统抽象为状态空间描述的数学模型，根据数学模型研究系统的各个方面，理论性强、内容丰富。由于课程概念抽象、数学知识比重大、涉及知识面广、理论公式多、习题类型繁杂、计算难度较高，学生感到难学、枯燥，容易产生恐惧心理和厌学情绪，学习效果不理想，这将严重影响研究生的培养质量和学科的发展。
国内许多院校都对《线性系统理论》课程的教学十分重视，在注重精选教材和重视课堂教学的同时，还将《线性系统理论》列为研究生精品课程、重点课程或双语课程进行建设。例如，早在20世纪90年代，清华大学的《线性系统理论》课程就被作为重点课程建设，2002年清华大学研究生精品课程建设工程正式启动，自动化系的《线性系统理论》课程首先就被纳入到精品课程建设项目中。此外，哈尔滨工业大学、北京航空航天学院、中国科技大学、上海交大和南京航空航天学院等许多高校都将“线性系统理论”列为研究生精品课程、重点课程或双语课程进行建设。国外一些高校如美国南加州大学、匹斯堡大学和德克萨斯大学等除采用精品教材或自编教材外，还借用辅助教学手段提高教学质量，同时特别注重课程实践和师生的互动增强教学效果，最重要的是教授们将自己的最新研究成果也在教学中充分展现出来，充分体现出研究型教学的特点。
我校开设的《线性系统理论》课程教学内容主要以线性系统的分析理论和综合方法为主，课程教学团队根据本学科发展的规划目标，结合国内外相关学科的先进教学经验和航运交通行业的科技发展，对该课程的教学内容、教学方法等进行了改革、探索和实践，结合科研项目，在《线性系统理论》课程的理论学习、发展动态和实例教学等方面开展了研究型教学研究。
1.注重基本概念，突破难点内容
相较于本科阶段讲授的《自动控制原理》课程，《线性系统理论》提供了一种截然不同的控制系统分析和综合的方法，课程具有较强的理论性和较完整的知识体系。在教学中，既要给学生建立完整的知识体系，加强基本概念学习，又要强调理论联系实际，注重概念背景的理解和理论运用条件的掌握。
例如，在讲解线性系统数学模型的时候，课程中介绍了一种将微分方程模型转化为状态空间模型的方法，当时并未说明为什么用这种方法选择状态变量，而且由于一些后续的概念还没有引入，实际上也没有办法讲清楚这样选择状态变量的好处。但是在后来讲解线性系统的能控性和能观测性概念的时候，我们就及时地把前面讲解的模型的变换方法与其能控性和能观测性问题联系起来，告诉同学们当时为什么要选择那样的状态变量，而且这样的模型变换不需要再讨论其能控性或能观测性的问题，使得同学们对于前后的概念有一个完整的理解，也搞清楚了什么样的模型需要讨论能控性和能观测性的问题。
在系统稳定性理论的讲授中，涉及许多稳定性概念和稳定性定理，理论性较强，例如，BIBO稳定、李亚普诺夫稳定、渐进稳定、一致渐进稳定、大范围一致渐进稳定等，这些概念对于理解和运用李亚普诺夫稳定性理论十分重要，但是初学者容易混淆。我们就让学生根据自己的理解对这些概念及条件进行归纳，然后在课上进行比较讨论，最后我们再给出一个归纳各种稳定性概念的表格（见表1），让同学们找出这些概念列表的异同和条件增减的关系。通过这种形式的教学，学生对于李亚普诺夫稳定性理论涉及的基本概念和定理有了较扎实和全面的掌握。
表1 课程涉及的各种稳定性概念的比较归纳
在李亚普诺夫稳定性理论中，系统运动的状态是以系统储能形态变化作为衡量准则的，这对于绝大多数物理系统都适用，这一点是比较形象和易于理解的，关键是建立系统储能的数学描述，即选取合适的李亚普诺夫函数，迄今没有普适的方法来建立系统的能量函数，这对于初学者来说又是一个难点。实际上对于低年级研究生短期内也不可能娴熟地掌握各种选取李亚普诺夫函数的技巧。这时，我们根据科研工作的实际情况和经验，将李亚普诺夫函数的选择、控制器参数的设计和系统稳定性分析等几个问题相结合进行案例教学，使学生了解李亚普诺夫理论的实际使用方法，加深了他们对这方面知识的理解，经过近年教学实践对比，获得了较好的反响。
2.关注学科发展，不断改进教学方法
线性系统理论的发展目前已经比较成熟，《线性系统理论》课程主要是为研究生进行科学研究和工程实践打下理论基础。
目前，《线性系统理论》类课程已被国内外大学广泛列为电子类专业、系统工程专业和控制专业高年级本科生和研究生的核心课程，由于它关系到学科的发展和研究生培养，课程的建设和教学方法的改革受到了普遍重视。在国外，《线性系统理论》课程在注重精选教材和重视课堂教学的同时，采取了研究型教学，借用辅助教学手段提高教学质量。
我们在不断探讨改进教学的同时，也在时刻关注相关学科发展和教学动态，不断采纳“他山之石”。
（1）建立完整教学体系，灵活运用不同教学方法。在控制理论发展的漫漫历程中，线性系统理论只是其中的一个发展阶段，然而对于研究生来说，这是一门全新的基础知识，对于未来继续学习后续课程是十分必要的。在学习过程中，不但要掌握知识难点和要点，而且要突出它在整个控制领域的地位和作用。对于《线性控制理论》课程本身，它也有着相对完整的知识体系，遵循循序渐进的规律展现课程的内容。因此，在课程教学中，我们非常注意把握这些内在的规律，帮助学生们理清楚点和面的关系，即始终把教学内容置于一个体系当中，始终让学生搞清楚所学知识的运用条件及能够解决的问题，即课程的知识体系定位。
在课程教学中，充分运用各种先进传媒技术带来的便利，例如，利用互联网络、数字校园平台、多媒体教室等手段建立起交互式的教学环境，将多媒体课件讲授、在线/离线答疑、专题讨论、文献阅读、课后作业和课程考核评估等环节结合起来，构建多样化的学习环境，适应当代青年学生的学习特点。
（2）结合最新科研教学成果，大力推进研究型教学。我们在《线性系统理论》课程教学中充分吸收国内外院校课程建设的有益经验，结合海事院校的行业特点，利用多媒体手段，积极开展课内外的专题研讨，推进研究型教学。比如，就线性系统理论的发展状况、李亚普诺夫理论的应用情况、船舶港机的控制问题等内容，组织学生课外查阅文献，编写成电子讲稿，然后通过教室的多媒体设备在课堂上分组讲解讨论，通过师生互动增强教学效果。
图1 桥式吊车运动
另外，结合教师的科研课题，引入真实物理对象，开展研究型教学。例如，对于图1所示的一种二维桥式吊车，在一定条件下简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）
可以选择如下状态变量：x■=x，x■=l，x■=θ，x■=x，x■=l，x■=θ，则上面微分方程就可以化为下面的状态方程：
x■=x■x■=x■x■=x■x■=（f■-Dx■）/Mx■=g+x■x■■+f■/mx■=（f■-Dx■）/Mx■-2x■x■/x■（2）
在理解各个变量物理意义后，组织同学对上面两种模型采用Matlab/Simulink进行仿真，通过仿真曲线的对比研究，深入了解两种模型的建立方法、状态变量选择对模型的影响等，然后指导学生尝试进行控制器设计和仿真。
（3）课外阅读论文，关注科研动态。线性系统理论作为一种控制手段随着时间的推移也在不断地丰富完善，其中的一些基本方法也用于解决一些带有大滞后、输入受限、非线性特性系统的控制器设计问题。笔者在进行课外论文推荐的时候，结合自己所讲授的自适应控制课程，着意向学生讲解不同控制方法的发展情况、特点和应用条件，特别是将线性系统理论应用于不同的工业控制环境，解决了许多实际问题，以期引起学生的研究兴趣和探索欲望。我们将这些有关线性系统理论最新发展和应用的论文精选出来，推荐给学生阅读，并作为课程考核的一项内容，使他们注意了解相关学科的发展动态。
经过几年的努力，理论教学与科研实际背景相结合的方法，取得了较好的效果，研究生普遍能够较快地进入科研环节。
3.加强实例教学，使课程具体生动
我们在《线性系统理论》课程教学中，还特别注重理论联系实际，通过具体的实例将抽象的概念、方法和理论具体化，同时培养学生的工程意识和动手能力。
（1）利用Matlab/Simulink工具提供的强大的功能，将计算机仿真手段引入课堂。除了在教学过程中提供计算机仿真案例外，还要求学生利用这些仿真工具完成1—2项课后作业，使这种仿真工具的使用成为教学辅助手段。
（2）开设桥式吊车控制开放性实验课程，提高学生运用所学知识解决实际控制问题的能力。针对我们重点实验室的一台桥式吊车的控制实验系统（如图1），课程教学团队首先给出了桥式吊车的微分方程模型，然后要求学生将其变为状态方程，在此基础上，设计一种控制器，利用李亚普诺夫方法分析稳定性，然后用Simulink完成计算机仿真研究，最后，选择较好的控制方案进行物理实验。通过这个过程，学生将学到的知识与解决实际的控制问题联系了起来，增强了感性认识，提高了分析能力，更重要的是学会了解决控制问题的方法。
图2 桥式吊车控制实验系统
加强课程教学的实践环节，有效地培养了研究生的动手能力。经过近年来的实践发现，对课程实践环节感兴趣的学生人数普遍增加，并有效地激发出学生对控制理论方法进行尝试的热情，取得了较好的效果。
结语
本文首先探讨了“线性控制理论”研究生课程的重要性和特点，分析了国内外大学相关专业对于该课程建设的不同情况，然后结合我们教学团队的教学科研经验对课程教学改革进行探索，重点探讨研究型教学方法和内容，以期提高研究生培养的质量。经过近年来教学评估情况的统计对比，教改方法取得了较好的效果。
参考文献：
[1]王晓华.非自动控制专业硕士研究生《线性系统理论》课程教改探析[J].教育教学论坛，2011，18：22-23.
[2]郑大钟.线性系统理论（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2002.
[3]王永川，齐晓慧.“线性系统理论”研究生课程的专题研究式教学[J].电气电子教学学报，2010Vol32，2：109-110.
关键词：DS18B20，1-wire总线，水产养殖温控系统，STM32F103CB
0 引言
我国渔业生产正处在从粗放型、分散化向精准型、集约化发展，从资源消耗型、数量型向资源节约型、质量型现代化渔业跨越的重要时期。水产养殖温控系统可以发挥重要作用：可以实时监测各个养殖场生产情况，促使养殖场严格按照规范进行生产，从而保证产品质量；及时发现养殖过程中的环境和疫病等隐患，提高养殖存活率。其中温度的监测是很重要的一个指标。故此，我们设计了这套性价比高、使用方便、易于安装和维护的温控系统。
1 系统概述
本温控系统是针对鳝鱼幼苗培育而研发的一套以温度控制为主兼顾其他指标的监控系统。其系统构成如图1所示。本系统由32位微控制器模块、温度采集模块、光照采集模块、控制执行模块、加热模块等组成。其工作过程为:多个数字温度传感器DS18B20将感应到的温度模拟信号转换为数字电信号后，输入到温度检测模块，由温度检测模块传输给微控制器模块，进行数据的处理，经过处理好的数据一方面通过232通讯传输给上位机实时监控显示；另一方面在进行模糊PID参数的自调整，调整好的参数输出到控制执行模块和加热模块，控制执行模块接受到命令以后执行卷帘电机的开度、冷气机的开关、热水炉的开关及变频器的调节等。
图1 系统框图
2 硬件部分
2.1 DS18B20简介
DS18B20是最新型的数字化温度传感器，是单总线器件家族中的一员。它使用一种片内专有的温度测量技术测温。利用高低温度系数振荡器记录由当时环境温度所确定的计数值,以此确定当时当地的温度。内部主要有测温电路，1-Wire接口电路科技小论文，存储电路及CRC校验电路。特点如下：
(1) 1-wire数字接口；
(2) 专有的64位ROM序列号。含有8位家族号(28H),48位独立序列号，8位CRC校验码，保证串行数据传输的可靠，出错可检验；
(3) -10℃至+85℃范围内保证测温精度：±0.5℃；
(4) -55℃至+125℃的宽工作范围；
(5) +3.0V至+5.5V的宽电源范围；
(6) 可根据实际情况采用本地供电或通过I/O线供电；
(7) 用户可选的9至12位分辨率,可编程选择；
(8) 2字节EERROM,存储上下限报警温度设定值；
(9) 封装形式有TO-92，150milSO和倒装芯片(±2.0℃精度)；
(10) 体积小，价格低，使用灵活；
(11) 无需任何外围硬件；
(12) 16位二进制温度数据格式(两个字节)，负温度采用补码表示。这些特点使系统设计更灵活、方便，适合构建大型的温度测量系统。单总线的数字方式传输也大大提高了系统的抗干扰能力。主机与DS18B20交换数据主要靠CPU按照1-wire单总线协议在单总线上产生复位时序和读写时序来实现。其中包含复位脉冲、响应脉冲，写1写0读1、读0时序。只有响应脉冲由DS18B20发出，其余都由主机(程序)发出。时序要求具体介绍如下：
①复位时序：主机发出一个宽度为480~960μs的负脉冲之后，再发出15~60μs的正脉冲，DS18B20则会发出一个60~240μs的响应负脉冲，复位时序结束。
②写时间片：即写一位二进制信息，周期至少为61μs，且含至少1μs的恢复时间。主机启动写时序之后的15~60μs之间，DS18B20自动采样数据线，低电平为0，高电平为1。主机写0时，持续低电平60~120μs之间。写1时,要在启动后15μs之内使数据线变为高电平。
③读时间片:即读一位二进制信息，周期及恢复时间要求与写时间片相同。主机启动读时序之后,至少保持1μs低电平，然后在接近启动后15μs之前读入数据。低电平为0，高电平为1。
2.2 STM32F103CB简介
该系统芯片采用ST公司的32位微处理芯片STM32F103CB，该芯片采用Cortex-M3内核的作为中心控制单元，具有32位硬件除法和单周期乘法器等一系列先进的体系结构；可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)，有多达128KB的闪存，4个通用定时器模块，32位定时器模式科技小论文，34个中断，具有8个优先级，2个SSI同步串行接口模块等丰富的资源。
STM32F103CB微处理器模块是整个温控系统的核心模块，主要功能是实时处理数字温度传感器DS18B20采集到的温度信息，并将得到的温度信息值与模糊PID控制器设定控制输出曲线进行实时对比得出需要输出的控制信号量;产生输出控制PWM波信号和通过232通讯传输给上位机实时监控显示。
2.3 硬件电路图
图2 DS18B20温度采集电路图
图3 232通讯电路图
3 软件部分
3.1 温度采集子任务
图4 DS18B20数据采集流程图
3.2 模糊PID控制子任务
图5 模糊PID算法流程图
3.3 上位机界面
本上位机界面采用VB编写，方便实用，操作简单。
图6 上位机控制界面
4 结束语
本系统将模糊PID温度自动控制技术应用于水产养殖中，以养殖场内各种水温为主要被控对象，建立了以模糊PID控制理论为基础的温度自动控制系统，整个系统可以有效地降低消耗，提高生产效率，符合国家提出的“节能减排”要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场应用前景。
图7 调试现场一
图7 调试现场二
通过现场3个月的实际应用测试，目前运行良好，达到了当初的设计目的。
参考文献
[1]付立思，孙晓杰，吴秀华等.模糊自适应PID控制器在太阳能干燥温度控制中的应用[J].农业工程学报.2004，22(7):217一219.
[2]增光奇，胡均安，王东等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社.2006，8.
[3]周立功等编著.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航天航空大学出版.2005，01.
[4]马占有.模糊PID控制技术在烘干炉单片机温度控制系统中的应用研究[D].西北第二民族学院.2008.
[5]赵海兰,赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理及应用[J].现代电子技术, 2003(14): 32-34.
购物车(0)