《專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)探討

吳學(xué)舜+韓志強(qiáng)

摘 要： 《專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》課程要求通過(guò)靈活多樣的形式，使學(xué)生初步掌握專(zhuān)業(yè)的一些基本操作、實(shí)踐技能，同時(shí)在實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以及創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)的“柴油機(jī)共軌壓力控制”實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞： 《專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓共軌柴油機(jī) 軌壓控制

1.引言

培養(yǎng)大學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)今高校的重大使命就是高度重視學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)，造就出適應(yīng)新世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)要求的創(chuàng)造型人才[1]。目前傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)都是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率、速度特性、負(fù)荷特性等，單純依靠傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)根本達(dá)不到培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力人才的目的，并且傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展和企業(yè)對(duì)畢業(yè)生的實(shí)踐技能、分析解決問(wèn)題能力和團(tuán)隊(duì)精神等的要求。本文以“柴油機(jī)共軌壓力控制”實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，闡述該課程應(yīng)怎樣培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

本實(shí)驗(yàn)課程的改革旨在改變汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課由老師講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作原理后按照既定實(shí)驗(yàn)大綱操作，學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的參與程度和對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)問(wèn)題的能力。本文將從實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后三個(gè)部分介紹改革后的《專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》課程的開(kāi)展。

2.實(shí)驗(yàn)前教學(xué)

實(shí)驗(yàn)前教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)方案的制訂及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)備三個(gè)部分，在每一部分充分發(fā)揮學(xué)生的能力，以學(xué)生為主、老師為輔。

2.1實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)

該部分實(shí)驗(yàn)老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件及本學(xué)科發(fā)展情況提出一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，該實(shí)驗(yàn)主題必須有一定的前瞻性，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)相對(duì)較陌生，并且實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。如本次實(shí)驗(yàn)課程改革中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具有的條件提出的實(shí)驗(yàn)主題是“高壓共軌柴油機(jī)的共軌壓力控制”。因?yàn)槭紫炔裼蜋C(jī)采用高壓共軌系統(tǒng)，噴射定時(shí)、噴油量和噴射壓力各自獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)靈活可控的噴油規(guī)律，不僅能夠優(yōu)化燃燒、降低排放，還可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少噪聲，是滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ，甚至歐Ⅴ排放法規(guī)的柴油機(jī)的理想電控燃油噴射系統(tǒng)[2]。共軌壓力不僅決定了噴油壓力的高低，而且是噴油計(jì)量的重要參數(shù)，其穩(wěn)定性和過(guò)渡響應(yīng)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、怠速、加速等性能。共軌壓力的精確控制是共軌系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)供油系統(tǒng)的重要因素。該實(shí)驗(yàn)主題的前瞻性較強(qiáng)，并且對(duì)學(xué)生理解專(zhuān)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r有非常大的促進(jìn)作用。其次，實(shí)驗(yàn)室具有油泵試驗(yàn)臺(tái)，能夠滿足高壓共軌壓力的實(shí)驗(yàn)要求。

老師提出實(shí)驗(yàn)主題后，學(xué)生需要利用課后時(shí)間查閱書(shū)籍或文獻(xiàn)深入了解該實(shí)驗(yàn)主題，在該過(guò)程中老師可以指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)方向。如本實(shí)驗(yàn)主題中可以指導(dǎo)學(xué)生首先了解柴油機(jī)的發(fā)展歷程、柴油高壓共軌燃油供給系統(tǒng)的發(fā)展歷程、柴油高壓共軌系統(tǒng)的組成及工作原理、軌壓控制的原理、軌壓控制的方法等內(nèi)容。這部分內(nèi)容，學(xué)生需要利用到所學(xué)的《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造》、《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理》、《文獻(xiàn)檢索》、《發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)》等課程知識(shí)，而了解的結(jié)果是利用所學(xué)《科技論文寫(xiě)作》知識(shí)寫(xiě)一篇關(guān)于本實(shí)驗(yàn)主題“高壓共軌柴油機(jī)的共軌壓力控制”的論文，并且將此論文作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的一部分。

這部分內(nèi)容中，學(xué)生必須了解柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的組成如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)燃油從郵箱經(jīng)過(guò)集成在電控高壓油泵中的低壓油泵加壓后流經(jīng)燃油計(jì)量閥，燃油計(jì)量閥控制進(jìn)入到高壓油泵的燃油量，燃油經(jīng)過(guò)高壓油泵加壓之后進(jìn)入到共軌管中，共軌管中的燃油通過(guò)電控噴油器被噴入到氣缸中。在此系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)共軌管中的燃油壓力與目標(biāo)壓力的差值，從而改變?nèi)加陀?jì)量閥的控制信號(hào)的脈寬以控制進(jìn)入到高壓油泵的燃油量，達(dá)到控制共軌壓力。在此控制過(guò)程中，一般采用的是PID反饋控制原理。

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。特別對(duì)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)，卻不能得到預(yù)期效果。因此人們往往采用PID控制器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定，以便得到滿意的控制效果。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。

簡(jiǎn)而言之，PID控制器各部分的作用如下：

①比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

②積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

③微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

2.2實(shí)驗(yàn)方案的制訂

當(dāng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)主題有充分認(rèn)識(shí)之后，就要開(kāi)始制訂實(shí)驗(yàn)方案，在這一部分，老師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理部分的認(rèn)識(shí)找到本實(shí)驗(yàn)中噴油泵轉(zhuǎn)速、PID控制的參數(shù)、噴油器噴油量、軌壓突變量等參量影響共軌壓力穩(wěn)定性。并且引導(dǎo)學(xué)生回顧自己所學(xué)的《汽車(chē)測(cè)試技術(shù)》知識(shí)找到這些參量的測(cè)量和控制方法，本實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)噴油泵工作的變頻電機(jī)控制和測(cè)量噴油泵的轉(zhuǎn)速、PID控制參數(shù)和軌壓突變量可以通過(guò)控制器的上位機(jī)直接控制和讀取、噴油量可以利用示波器測(cè)量噴油器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬，再利用噴油器的流量特性曲線計(jì)算出循環(huán)噴油量、共軌壓力可以通過(guò)壓阻式壓力傳感器測(cè)量。其次是必須知道判斷軌壓是否穩(wěn)定的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：波動(dòng)范圍、超調(diào)量、恢復(fù)時(shí)間。

表1是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求制作的PID控制參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)軌壓穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)方案，在這部分實(shí)驗(yàn)方案制定過(guò)程中，老師要與學(xué)生充分交流，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生按照試驗(yàn)大綱要求制訂實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)提供部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)及控制參數(shù)的范圍，如此方案制訂中老師要提供軌壓控制器的基本參數(shù)、P、I、D等控制參數(shù)的范圍，以及給出發(fā)動(dòng)機(jī)常用的噴油脈寬和軌壓突變量。只有在這些控制參數(shù)都比較清楚的情況下，學(xué)生才能制定出比較合理的實(shí)驗(yàn)方案。

表2是學(xué)生在表1中的實(shí)驗(yàn)方案完成之后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選出最優(yōu)的P、I、D值后制訂的對(duì)高壓共軌柴油機(jī)軌壓控制進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)方案，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中學(xué)生可以了解到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如轉(zhuǎn)速（油泵轉(zhuǎn)速）、噴油量（噴油脈寬）、軌壓突變量對(duì)高壓共軌柴油機(jī)軌壓穩(wěn)定性的影響，為進(jìn)一步更精確更穩(wěn)定地控制柴油機(jī)的軌壓提供依據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展

在這部分，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師將根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作原理、操作方法及操作和使用注意事項(xiàng)。在實(shí)驗(yàn)中將學(xué)生分組，一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作、一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察及實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄。兩組學(xué)生必須緊密協(xié)調(diào)和配合才能完成實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師在正式開(kāi)始前應(yīng)該給學(xué)生演示一下正確的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程及指出正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其他時(shí)間則在旁進(jìn)行指導(dǎo)并且糾正學(xué)生可能有的不正當(dāng)操作。

在實(shí)驗(yàn)完成之后，指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的收尾工作，如實(shí)驗(yàn)室水、電、氣、油等的關(guān)閉工作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的規(guī)整工作，實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生的打掃工作。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要讓學(xué)生以主人翁的意識(shí)參與到實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到科研實(shí)驗(yàn)過(guò)程，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為學(xué)生畢業(yè)后的工作做準(zhǔn)備。

4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告機(jī)構(gòu)一致主要包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)這五部分。但內(nèi)容是有些差別的，如實(shí)驗(yàn)原理部分的內(nèi)容就是在前文中提到的一篇關(guān)于“高壓共軌柴油機(jī)的共軌壓力控制”的論文；實(shí)驗(yàn)設(shè)備部分主要介紹在實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師介紹的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括其原理及使用注意事項(xiàng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析部分要求學(xué)生對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、畫(huà)圖分析，最后從中找到一般規(guī)律或者嘗試運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)并且分析其原因。

本次實(shí)驗(yàn)中有部分學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)出了高壓共軌柴油機(jī)軌壓控制的一般規(guī)律，得到了軌壓調(diào)節(jié)的PID口訣：

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。

先是比例后積分，最后再把微分加。

曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大。

曲線漂浮繞大彎，比例度盤(pán)往小扳。

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降。

曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)。

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)。

動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。

5.結(jié)語(yǔ)

以培養(yǎng)大學(xué)生綜合創(chuàng)新能力為目標(biāo)的教育教學(xué)改革要求通過(guò)對(duì)課程體系教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革營(yíng)造創(chuàng)新型育人環(huán)境，克服理論脫離實(shí)際的趨勢(shì)，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力?！秾?zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)改革通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，要求學(xué)生充分運(yùn)用所學(xué)知識(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、制訂實(shí)驗(yàn)方案及動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，從而在實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)及良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉紅，溫東東.機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng).考試周刊，2015，59.

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