電氣專業(yè)煤炭定單班“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改革

王毅，陳志巧，張開(kāi)如

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

電氣專業(yè)煤炭定單班“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改革

王毅，陳志巧，張開(kāi)如

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

針對(duì)電氣專業(yè)煤炭定單班的培養(yǎng)定位，進(jìn)行“自動(dòng)控制原理”授課內(nèi)容和方法的改革，提出了在課程教學(xué)中，通過(guò)增加具有煤礦背景的實(shí)例來(lái)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給出了礦井提升速度控制的實(shí)例應(yīng)用。

自動(dòng)控制原理；煤炭定單班；教學(xué)改革

山東科技大學(xué)自2007年始招收電氣工程及其自動(dòng)化煤炭定單學(xué)生，每年招收4個(gè)自然班(160余人)，培養(yǎng)面向山東煤炭企業(yè)的煤礦電氣專業(yè)技術(shù)人才。在定單班的培養(yǎng)計(jì)劃中設(shè)置了大量的具有煤炭行業(yè)特色的專業(yè)課程，如采煤概論、煤礦設(shè)備控制技術(shù)、煤礦固定設(shè)備控制、礦山供電和礦用傳感器及檢測(cè)技術(shù)等課程，突出培養(yǎng)定單班學(xué)生在煤炭電氣化方面的工程素質(zhì)。

1 “自動(dòng)控制原理”教學(xué)中存在的問(wèn)題

“自動(dòng)控制原理”是定單班的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是正在建設(shè)中的山東省精品課程，是控制理論與工程技術(shù)相結(jié)合的一門課程，是學(xué)生掌握電氣專業(yè)知識(shí)技能必修的重要課程。它作為銜接基礎(chǔ)課和專業(yè)課的中間橋梁，不僅需要提供學(xué)習(xí)專業(yè)課所必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而且承擔(dān)著將學(xué)生由自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)的通識(shí)教育領(lǐng)域引向工程技術(shù)領(lǐng)域的任務(wù)。在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中，教師的教學(xué)任務(wù)是： 一是使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)(校正)的基本方法，初步掌握系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供所應(yīng)用的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法；二是通過(guò)對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力，樹立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生必要的專業(yè)基本技能，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

“自動(dòng)控制原理”課程具有理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、涉及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)較多、公式和圖形多、推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn)[1],[2]。目前，對(duì)于電氣定單班來(lái)說(shuō)， “自動(dòng)控制原理”的教學(xué)存在一些問(wèn)題。

1.1 授課理論性較強(qiáng)

授課理論性強(qiáng)不利于培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)，不利于提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。為保證控制理論的完整性和透徹性，若教師在授課過(guò)程中把過(guò)多時(shí)間和精力集中于原理講解和公式推導(dǎo)上，就很難有充分的時(shí)間將理論知識(shí)與系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合，造成很多學(xué)生誤認(rèn)為該課程是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)課程，容易產(chǎn)生畏難心理。另外，定單班的學(xué)生面臨畢業(yè)即就業(yè)，沒(méi)有升學(xué)再深造的壓力，他們所關(guān)心的是所學(xué)知識(shí)是否會(huì)用到將來(lái)的工作崗位中。因此，課堂上講授過(guò)多或過(guò)深的理論知識(shí)不利于提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 缺少煤礦電氣背景的相關(guān)實(shí)例

通過(guò)與工作后的畢業(yè)生交流，發(fā)現(xiàn)有一條信息非常突出：大部分畢業(yè)生很難將自動(dòng)控制原理中所學(xué)的分析與設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到工程實(shí)踐中。這主要是因?yàn)樗鶎W(xué)課程大部分實(shí)例與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相關(guān)性不強(qiáng)，多數(shù)學(xué)生對(duì)案例中涉及的專業(yè)背景不熟悉，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)課程的必要性、重要性和實(shí)用性認(rèn)識(shí)模糊，學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)“自動(dòng)控制原理”死搬硬套，應(yīng)付考試的現(xiàn)象嚴(yán)重，缺少靈活運(yùn)用和開(kāi)拓創(chuàng)新的思路。上述這些問(wèn)題直接弱化了“自動(dòng)控制原理”作為專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。

2 “自動(dòng)控制原理”授課內(nèi)容調(diào)整

為順應(yīng)煤炭電氣化發(fā)展需求和人才培養(yǎng)定位，突出煤礦電氣特色教學(xué)目標(biāo)，從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)例等方面進(jìn)行研究和探索，對(duì)課程的基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化[3]。

2.1 優(yōu)化授課的內(nèi)容體系、深度和廣度

研究各章節(jié)基本內(nèi)容的聯(lián)系，調(diào)整課程授課體系，以系統(tǒng)建模、分析和綜合設(shè)計(jì)為主，突出煤炭行業(yè)背景，注重基礎(chǔ)知識(shí)的靈活運(yùn)用。

“自動(dòng)控制原理”在傳統(tǒng)教學(xué)上一直沿用自動(dòng)化專業(yè)的授課體系，造成“自動(dòng)化類”和“非自動(dòng)化類”的界限模糊。對(duì)于定單班該課程學(xué)時(shí)數(shù)少的情況，若按“自動(dòng)化類”體系授課，只能加大課時(shí)信息量，造成學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容難以及時(shí)有效消化，影響教學(xué)效果。研究如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生熟練掌握控制原理的基本理論，并突出煤炭電氣工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，成為構(gòu)建定單班授課體系的關(guān)鍵。

參照培養(yǎng)定位，結(jié)合后續(xù)的相關(guān)控制理論的專業(yè)課程，從課程體系出發(fā)，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計(jì)為主線，調(diào)整授課知識(shí)點(diǎn)深度和廣度。如在講述建立數(shù)學(xué)模型基本內(nèi)容時(shí)，應(yīng)選取有一定煤礦工程背景的系統(tǒng)，給模型賦予形象的物理意義，使學(xué)生正確理解實(shí)際模型與抽象模型的區(qū)別與聯(lián)系，并從不同的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，加深對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建模的理解。系統(tǒng)分析方法是控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容主要包括時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域響應(yīng)法，這些是控制理論教學(xué)的重點(diǎn)，應(yīng)保留原有知識(shí)點(diǎn)的深度。抓住采用時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域響應(yīng)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)不同方法的理解，這是系統(tǒng)分析的關(guān)鍵。對(duì)于離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論，由于培養(yǎng)計(jì)劃中后續(xù)課程相關(guān)性較小，可以降低這部分知識(shí)的深度和廣度。

2.2 增加煤炭電氣控制系統(tǒng)實(shí)例

系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合能力及創(chuàng)新能力十分重要，也是教學(xué)的難點(diǎn)。在授課過(guò)程中，要注意研究與選取煤礦電氣工程中的典型范例，如礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)以及排水設(shè)備控制系統(tǒng)等，突出煤炭行業(yè)背景，從實(shí)例分析中去了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、工作原理和設(shè)計(jì)要求。生動(dòng)的工程實(shí)例可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生感受控制理論的魅力，深刻理解“學(xué)以致用”的意義，使學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)達(dá)到知識(shí)和能力的雙重提升。

3 實(shí)施案例

礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求平滑調(diào)速且調(diào)速精度較高。提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的加、減速過(guò)程要平穩(wěn)(無(wú)超調(diào))。控制系統(tǒng)應(yīng)保證在額定速度時(shí)有±1%的精度。

3.1 提升機(jī)系統(tǒng)建模

礦井提升機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示的礦井提升機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)原理，繪制系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示。

圖2 礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)方框圖

列寫圖2中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(直流電機(jī)環(huán)節(jié)，忽略不計(jì)電樞電感)，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)圖3所示的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行化簡(jiǎn)，推出系統(tǒng)的傳統(tǒng)函數(shù)，完成系統(tǒng)建模。

(1)

(2)

學(xué)生結(jié)合在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的晶閘管直流調(diào)速和直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)，確定傳遞函數(shù)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，Tm=0.0419s，α=0.004，Ce=0.048，令KpKs=K，簡(jiǎn)化后系統(tǒng)的一階數(shù)學(xué)模型為

(3)

3.2 提升機(jī)系統(tǒng)性能分析

基于數(shù)學(xué)模型應(yīng)用時(shí)域分析法，復(fù)域分析法和頻域分析法來(lái)分析系統(tǒng)性能。

3.2.1 穩(wěn)定性分析

因?yàn)樵撓到y(tǒng)的閉環(huán)特征根為s=-(25+20K)，可知穩(wěn)定的條件為K>-1.25。

3.2.2 快速性分析

一階系統(tǒng)的快速性指標(biāo)為調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=3T，將數(shù)學(xué)模型變?yōu)槲?多項(xiàng)式

(4)

3.2.3 準(zhǔn)確性分析

假設(shè)提升系統(tǒng)采用恒速控制，選單位階躍函數(shù)作為典型的外作用。由一階系統(tǒng)分析方法可知，一階系統(tǒng)完全可以跟隨階躍信號(hào)，且穩(wěn)態(tài)誤差為零，所以提升系統(tǒng)±1%的控制精度是可以保證的。

4 結(jié) 語(yǔ)

面向電氣定單班的“自動(dòng)控制原理”，采用以基礎(chǔ)理論知識(shí)為主，突出有煤礦電氣背景的工程實(shí)例，充分與后續(xù)專業(yè)課銜接，形成完整的煤礦電氣電控類的課程體系，能有利于增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力和工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生在煤炭電氣化領(lǐng)域的探索興趣。

[1] 胡壽松．自動(dòng)控制原理( 第五版)[M]．北京: 科學(xué)出版社，2007．

[2] 郭愛(ài)文，周洪.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014(2)：35-36.

[3] 周蘭，周少武.Matlab數(shù)字仿真在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2014(6)：68-70.

(責(zé)任校對(duì) 莫秀珍)

20140705

王毅(1978- ),女，河北石家莊人，講師，博士，主要從事礦山電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控研究。

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A

1674-5884(2015)02-0086-03