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关键词:车辆电子控制技术;研究型教学;互动;教学方法
中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)08-0071-03
大学教育的目标是培养新世纪创新型人才,其关键是如何实施研究型教学与研究型学习。为此,我国各高校纷纷提出采用研究型教学的方式来培养、提高学生的创新能力,加强创新型人才培养。何谓研究型教学?研究型教学是指教师以课程内容和学生的学识积累为基础,在教学过程中通过优化课程结构,建立一种基于研究探索的学习模式。只有在“发现问题分析问题解决问题”的“研究型”教学过程中,学生才可能学会“研究型”学习的能力,经过这样反反复复的教学和学习实践,学生的“创新能力”才能培养和提高。因此,研究型教育是创新型教育的前提,二者实质上是辩证统一的。
一、《车辆电子控制技术》课程的特点与存在的问题
《车辆电子控制技术》是车辆工程专业的专业必修课,也是其他工科专业的一门专业选修课。该课程重点介绍发动机、底盘、车身的电子控制设备的基本理论、基本组成、工作过程和控制原理。随着汽车、拖拉机技术和电子技术的迅速发展,现代车辆为提高动力性、经济性、安全性、舒适性,以及减少尾气排放污染而广泛采用了电子控制技术。电子控制技术是现代车辆技术发展的重要趋势与标志,从发动机的燃油喷射、点火控制、进气控制、排放控制、故障自诊断到底盘的传动系统、转向与制动系统,以及车身、辅助装置等都普遍采用了电子控制技术。所以,该课程的重要性在不断提高,为此,国内许多院校将该课程列为车辆工程专业的必修课。该课程涉及的电子控制技术是很抽象,尤其是工科机械专业而言,学生对该课程充满了向往,但学习却很困难,其主要问题:重结构原理,轻控制原理;重理论讲解,轻实验制作。该课程的主要难点是在车辆各电子控制系统的信号采集、各执行器的驱动电路的原理、各控制系统的控制策略等。由于涉及到电子控制、机械、液压等部分的知识,所以要求学生有较全面扎实的基础知识。为此,该课程在教学上应突出各模块的重点、难点内容,有些内容通过现场教学,多媒体中的动画、影视、教学模型讲解,使难点内容通俗化,可视化,形象化。注重理论联系实际,大量加强实践教学,以提高实验课教学的效果,保证该课程的教学质量。通过开展了研究性学习,使自己选择感兴趣的车辆电子控制相关的题目,开展小课题的研究工作,这样不但增加了学生学习的兴趣,也增强了学生分析问题和解决问题的能力。
二、《车辆电子控制技术》课程研究型教学的具体方法
1.课程教学改革目标。以任务模块为基础、以学生为主体、以教师为主导,围绕设定的学习任务模块进行研究,以提高学生自主性学习和研究性学习,掌握该课程的基本理论、基本方法和基本技能。
2.课程教学改革方案。①制定学习任务模块。《车辆电子控制技术》的研究型教学内容共制定了18个学习模块(专题),每个模块共1学时讲授,共18学时,学习任务模块主要有:发动机供油控制、发动机点火控制、发动机爆震控制、发动机稀薄燃烧技术、防抱死控制系统(ABS)、线控制动、驱动防滑控制系统(ASR)、汽车稳定性控制系统(ESP)、自动变速系统控制、无级变速控制、电控悬架系统、巡航控制系统、安全气囊(SRS)、倒车防撞控制系统、防盗控制系统、电控转向系统、自动空调、电动座椅、智能前照灯控制系统、电控雨刮系统等。②划分学习小组《车辆电子控制技术》共有34个学生选了此课程,共划分6个学习小组,每个小组5~6人不等。③教学安排主要要点是:开学2周内负责分配完各专题,并提出各专题的要求,列出主要参考文献;每个小组分配3~4个专题,使每个专题有3个小组负责;各小组分别在课余时间查找资料,按要求归纳整理读书报告,制作PPT;每2节课由3个小组分别用自制的PPT讲授15分钟,其他同学提问5分钟,总体时间控制在60分钟;最后主讲老师点评每个小组的讲授内容,并现场给予各小组的得分,时间为30分钟;每个小组的每一位成员至少主讲一次。
3.辅导答疑措施。①组建一个课程辅导答疑小组。本学期初,组建了该课程的辅导答疑小组,该小组的成员主要由主讲老师、实验老师、硕士研究生、博士研究生等构成。辅导答疑小组成员名单:鲁植雄、刘奕贯、白学峰、李晓勤、常江雪、郭兵、金月、姜春霞、周伟伟等。②筹建了该课程的QQ群。本学期初,筹建了一个《车辆电子控制技术》课程答疑QQ群,在网上随时回答与指导学生。QQ群名称:车辆电子控制技术论坛;QQ群号:118062691;群成员人数:44人。
4.成绩评定方法。该课程成绩由以下三部分构成:①每个小组的3次PPT报告与回答问题情况,占40%;②每人的3篇专题读书报告,占40%;③每人在课程QQ群的活动情况、平时出勤、作业等,占20%。
三、实施过程
该课程的教学改革得到车辆工程91~93班学生的大力支持和参加,每个小组从第2周起获得3个任务模块后,各小组成员根据各模块设定的学习目标、内容和考核要求,自主查找相关的中文与外文资料。进行整理与归纳,研讨模块的主题,撰写读书报告和模块论文报告。根据归纳总结的模块内容,学会PPT,以小组为单位宣讲制作的PPT,并集体回答问题,每位同学均上台主讲1~2次。积极上网参加《车辆电子控制技术论坛》,能主动发贴子,老师回答问题时能进行相互互动,对课程内容进一步深入学习。
四、实施效果
1.培养了学生自主获取知识的方法技巧。各小组成员根据各模块设定的学习目标、内容和考核要求,学会自主查找相关的中文与外文参考资料。98%的学生在调查问卷中回答:学生的自主学习和研究能力明显提高。
2.培养了学生进行研究型学习方法。在老师的指导下,每个小组根据搜集到的资料,进行整理与归纳,研讨模块的主题,撰写读书报告和模块论文报告,或者实验设计与方案。100%的学生在调查问卷中回答:认同该课程采用的教学模式。
3.训练了制作PPT能力。根据归纳总结的模块内容,学会制作界面友好的PPT。
4.培养了学生讲解与回答问题能力。每一个专题均由2名学生主讲15~20分钟,既掌握了本专题的主要内容,又培养了演讲技巧。另外,讲授后,其他同学提出一些对本专题相关问题,小组全体成员集体回答问题,进一步提高了对本专题内容的掌握,也锻炼了回答问题能力。
五、对研究型教学的认识与体会
1.增加了教师的工作量。要想使一个学习模块(专题)在1学时内讲授完,并能活跃课堂气氛,使学生能主动学习,教师需要花更多的时间,主要体现在:①要花更多的时间去掌握每个专题内容,否则很难回答学生的提问;②要花时间查看学生制作的PPT,查看PPT内容是否包涵了本专题需要讲授的内容?PPT界面是否友好?③要花时间在QQ群上回答学生的问题;④要花时间辅导、批改学生的读书报告。
2.增加了学生的学习时间。①需要花时间阅读教材及参考资料,自学、讨论、理解讲授的内容;②需要花时间制作PPT,对有的学生来说,是很难的一件事情;③需要花时间撰写3篇课程;④需要在QQ群上发帖子
3.教师点评是关键。一个专题能否使全体学生掌握、课程气氛是否活跃,教师的最后点评是关键。点评的内容既要包涵本专题的核心内容,又要调动学生的积极性,所以,点评要精练、精彩。
六、继续实施研究型教学有待改进的地方
1.完善各专题教学要求。进一步完善每个专题的教学要求及相关参考文献,列举一些思考问题,使学生能小组进行讨论,以掌握各专题的内容。
2.加强小组学习。每个专题应以在小组共同讨论的基础上完成学习要求,但有一些专题只有某一小组成员完成,其他人员未参加的现象,需要进一步探讨小组学习模式。
3.加强课程论文撰写质量。撰写课程论文需要花很多时间。为此,今后将列举相关参考文献,指定主要参考文献,要求学生根据指定的参考文献阅读后撰写课程论文。
《车辆电子控制技术》进行研究型教学改革,受到大部分学生和教师的肯定和好评,全面提升了车辆工程专业学生的专业知识水平和综合素质,增加了毕业生的就业竞争力。改革实施以来,学生的创新实践能力普遍得到加强。学生通过实践平台和实践科研项目完成了包括汽车电控液压动力转向系统、智能倒车、自动泊车、巡航控制等项目。先后在“全国大学生F1赛车大赛”、“全国节能赛车比赛”等竞赛中获得了多项奖励,激发学生科学研究的热情与学习兴趣。但也不能过度夸大一种教学模式的作用,每一种教学方式均有适应性。研究型教学一定要有研究课题基础,所以,研究型教学优适于高等院校的专业课教学,以培养学生的元典精神、质疑精神和创新精神。
参考文献:
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环境科学专业核心知识单元,代表环境科学各个知识领域的不同方向,知识点分核心和选修两种,核心知识单元是所有环境科学专业学生要求具有的基础知识内容。
其中,专业基础类核心知识单元包括:①环境问题,核心知识点包括水环境问题、大气环境问题、固体废物污染、全球环境问题,选修知识点包括土壤污染、物理性污染和污染物生物效应。②环境科学基本原理,核心知识点包括环境/生态基本规律、环境科学学科体系和可持续发展理念。③环境科学研究方法,核心知识点包括环境科学方法论体系、生态学方法论、环境体系解析方法论,选修知识点包括环境质量调控方法论、综合/系统分析方法论。
专业原理类核心知识单元包括:①生态过程与效应,核心知识点包括生物对环境的适应、种群及其基本特征、生态系统特征及过程分析、生态学原理的应用。②环境生物过程与效应,核心知识点包括环境污染物在生态系统中的行为、污染物的生物学效应、生物监测原理与方法、环境污染的生物净化、退化环境的生物修复。③环境化学过程与效应,核心知识点包括环境中典型化学污染物、污染物迁移、污染物转化、大气环境化学、水环境化学。④环境地学过程与效应,核心知识点包括地球环境系统的基本组成运动规律及演化过程、地球环境系统有机圈层的组成结构及其功能、各圈层的演变规律及在全球环境变化中的作用、地球环境系统中物质和能量的迁移转化及循环过程。
专业技术类核心知识单元包括:①水污染控制,核心知识点包括废污水的物理处理技术、废污水化学和物理化学处理技术、废污水生物处理技术、废污水的自然处理技术、污泥处理处置。②大气污染控制,核心知识点包括颗粒污染物控制技术原理、颗粒污染物的控制技术、气态污染物控制技术原理、典型气态污染物控制技术。③土壤污染控制,核心知识点包括土壤污染源与污染特征分析、土壤污染控制技术原理、典型土壤污染物控制技术。④固体废物污染控制,核心知识点包括固体废物分类与特征、固体废弃物无害化技术与方法、固体废弃物综合利用。⑤环境监测,核心知识点包括环境标准、水环境监测、环境空气监测、固体废物监测、土壤污染监测、物理性污染监测、环境监测质量保证。⑥环境影响评价,核心知识点包括项目环境影响评价、规划环境影响评价、战略环境影响评价。⑦环境规划,核心知识点包括环境规划的技术方法、水环境规划、大气环境规划、噪声污染控制规划、固体废物污染防治规划。
专业管理类核心知识单元包括:①环境管理,核心知识点包括环境管理学的理论基础、环境管理的制度和政策手段,选修知识点包括企业/产业环境管理实践、区域一全球环境管理实践。②环境法律,核心知识点包括环境法基本概念原则、环境法律制度及法律效力、环境污染防治法、自然资源保护法、国际环境法。
专业实践类核心知识单元包括:①专业实习,核心知识点包括认识实习、生产实习、综合实习。②科研实践,核心知识点包括观察性实验、验证性实验、设计性实验、研究性实验。③毕业论文/毕业设计,核心知识点包括文献查阅、论文开题、论文研究、论文撰写、论文答辩。
二、建立核心课程体系
围绕环境科学专业各专业类别的核心知识单元,建立核心课程体系,承载核心知识点。各门核心课程围绕核心知识点组织基本理论、研究前沿、基本方法、实践案例等内容,形成系统。同时,设置先导课,为核心课程和核心知识点学习提供必要的基础知识储备。例如,“环境化学”课程,就需要无机化学、分析化学、有机及物理化学、环境科学概论、环境监测等课程作为先导课,提供环境化学课程各知识点学习所要求的基础知识储备。
专业基础类核心知识由“环境学基础”和“生态学基础”课程为基本载体。“环境学基础”课程坚持“起点高、容量大和观点新”的教学宗旨,系统介绍环境科学的产生与发展、人口、各环境要素污染与防治、可持续发展等内容,注重学生基本知识、基本技术、基本能力的培养,课程已经建设为国家精品课程,并积极探索慕课教学形式;“生态学基础”全面介绍生态学的基本概念、基本原理和基本应用方法,以及现代生态学的最新进展,该课程已经建设成为南开大学精品课程。
专业原理类核心知识由“环境生物学”“环境化学”“地学基础”课程为基本载体。“环境生物学”介绍环境生物学领域的基本理论和基本概念,结合现实环境中污染物与生物之间的相互作用,培养学生运用环境生物学技术解决实际问题的能力;“环境化学”介绍大气、土壤、水及生物相诸介质中环境物质迁移转化的基本原理,环境中主要污染物的来源及其在环境中的归趋,环境污染控制与修复过程及绿色化学中污染减量及消除的化学原理,“环境化学”课程已经被评为国家精品课程;“地学基础”课程介绍地壳的基本物质组成特征,气象要素的基本概念和表征方法、大气稳定度和逆温等与环境有关的基本知识,城市气候的基本特征,地球上水的循环过程,各种水体的基本特征,土壤的组成特征、形态特征、形成因素和成土过程,地图的基本概念、特征、组成要素、我国基本比例尺地形图的分幅和编号的基本方法,地形图的应用,遥感的基本概念、原理、遥感解释标志和方法,要求学生掌握地学的基本概念、基本规律和形成原因,以及地学基本手段的应用,该课程被评为南开大学精品课程。 专业技术类核心知识由“环境工程学”“环境监测”“环境影响评价与环境规划”课程为基本载体。“环境工程学”介绍水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理与处置工程以及噪声防治与控制等的基本原理和方法,该课程被评为南开大学精品课程;“环境监测”课程全面介绍根据监测的目的进行调查研究、设计监测方案、选择监测方法、进行数据处理以及测试结果的分析评价,掌握环境样品的采集、保存、制备、预处理、测定及质量控制等方法,培养学生实际环境监测问题的分析和解决能力,该课程被评为天津市精品课程;“环境影响评价与环境规划”全面介绍环境评价和环境规划的基础知识、基础理论、基本方法以及评价与规划知识的实际应用。
专业管理类核心知识由“环境管理与环境法学”课程为基本载体,“环境管理与环境法学”课程介绍管理学基础知识和主要原理、中国环境管理的原则与政策、中国环境管理的体制与制度、中国环境法体系及内涵、中国环境法的基本原则和基本制度以及部门环境管理、区域环境管理、工业企业环境管理等。
三、围绕三条主线推动环境科学专业课程教学
1.环境问题识别和分析主线
环境科学是研究环境问题及其解决途径的综合性科学体系,其核心任务是揭示人与环境相互作用规律。环境问题的产生和解决促进了环境科学的产生、形成和发展。围绕着环境问题的识别和分析,形成环境科学基本原理、技术方法、管理工具以及具体实践科学体系。围绕具体环境问题识别和分析,组织核心知识单元、核心知识点和核心课程,课程之间科学逻辑关系紧密,便于学生认知和学习。
另一方面,在我国当前发展阶段,资源环境限制与社会经济发展矛盾空前突出,迫切需要环境科学培养专业人才,应对污染控制、生态修复与环境建设挑战。围绕我国面对的实际环境问题,针对性培养专业人才,建立起环境问题与人才培养之间的直接联系,建立以环境问题识别和分析为主线的人才培养模式,搭建对应的知识结构和课程体系,有利于为国家培养具备解决实际环境问题能力的急需人才。
2.实验与实践教学主线
坚持“注重基础训练、强化教学实习、突出创新能力、提高综合素质”实验教学理念,围绕核心知识单元和核心知识点,搭建专业基础实验教学平台,建立实践教学基地群,严格毕业论文环节,充分发挥实践教学对理论教学的有效补充作用。
(1)专业课程实验。课程实验和课堂理论教学相辅相成。围绕核心知识单元和核心课程,开设专业实验课程,包括环境监测实验、无机及分析化学实验、环境化学实验、生态学基础实验、环境生物学实验、环境微生物学实验。着重训练实验步骤、实验操作、实验安全、药品管理等基础实验技能,培养环境科学分析基本方法和技术。
(2)专业教学实习。合理安排专业教学实习时间,既能促进核心知识的理解和认知,又能为后续毕业论文/设计提供经验。围绕核心知识点搭建专业教学实习平台,建立教学实习基地体系,配合大气污染防治、水污染防治、固体废弃物污染防治、环境管理等核心知识点和核心课程,建立环境监测中心、环保卫生管理中心、科学院、环保科技公司、垃圾处理厂等实践教学基地,形成实践教学基地群,提供直观认识环境科学专业知识在实践中具体应用的机会,培养知识运用和理论联系实际的能力。
(3)毕业论文。设置毕业论文环节,通过学生参与论文选题、查阅文献、开展实验或设计、结果模拟与分析等毕业论文过程,系统锻炼学生运用理论知识、实验技能的综合能力。
3.科研创新训练主线
营造制度、平台、师资环境,建立稳定的科研创新体系。通过国家级、省市级、校级、院级各级别科研立项机会,搭建“国家大学生创新计划”“省市大学生创新立项”“学校大学本科创新立项”“学院创新立项”多层次立体化环境科学专业学生创新平台,为不同水平学生提供创新立项机会,逐步提高项目研究质量,严格过程管理,保障创新立项覆盖面。通过团队协作、教师交流、项目答辩等环节,锻炼学生创新思维和创新能力,提高团队合作与交流能力,鼓励学生科研成果报奖。
四、核心课程质量保障
(1)国家级特色专业建设。2010年,南开大学环境科学专业获批为国家第六批高等学校特色专业建设点。特色专业结合南开大学环境科学多年来的本科教学特色以及相关教育、教学理念,面向国际社会发展及现实中国社会大背景下的特征需求,同时考虑到学科本身的实践特征、时代特征和应用特征,推动与现阶段校内学习相补益的数个社会实践与互动教学平台建设。
(2)精品课程群建设。提出并实践“精品课程群”建设的教改思路,逐步推动各门课程精品建设,形成“精品课程群”体系,有效保障环境科学专业课程教学的高质量。
(3)国家级教学团队建设。2010年,南开大学环境科学专业基础课程教学团队被评为国家级教学团队。
(4)优质教材保证。作为知识的载体,教材是本科生质量的重要保障。为了提高环境科学专业人才培养的效果,自编出版环境科学专业系列优秀教材。包括1本国家级精品教材《环境化学》,4本“十一五”国家级规划教材《环境学基础》《生态学基础》《环境化学》《地理信息系统及其在环境科学中的应用》等。
(5)推动天津市实验教学示范中心建设。积极推动实验教学改革和实验室建设,建设天津市环境科学与工程实验教学示范中心,为专业人才培养提供实践和创新平台。提出“培养具有创新精神的环境科学与工程现代化复合型高素质人才”的实验教学理念,搭建“专业基础实验、教学实践、创新教育”的高素质人才培养实验教学平台,探索“坚守教学神圣,转变师生角色,强化开放综合,学科建设与实验教学相融合”的实验教学模式,取得了丰硕的教学改革与建设成果,学生教学效果突出。
(6)推行精细化教学管理。探索精细化教学管理模式并付诸实践,制订“教学效果的双评议制度”“主讲教师竞聘上岗制度”“教学效果的双评议制度(教学督导组评议和学生评议)”等规章机制,有效实现对教师“教”的目标导向和过程管理。
实行环境科学专业本科教学的课程小组负责制,实现了本科教学的优质师资资源配备,有效地促进了全体教师对本科教学的关注和重视。保证教授、副教授百分之百地参与本科教学,优化教师队伍年龄结构和学缘结构,提高教学效果。
实行“本科生课程主讲教师竞聘上岗”。对列入核心课程群建设的课程实行主讲教师竞聘上岗办法,结合学生评教结果,根据教学能力与教学效果优选课程主讲教师。
关键词:自动化控制原理 应用 特点
中图分类号:TL372 文献标识码: A
引言
自动控制学科是近几十年来了发展起来的一门很重要的学科。它的发展很迅速,特别是计算机的快速发展,更加快了它的发展,尤其是工业自动化技术近年来的发展。自动化学科研究的范围也是很广泛的,对实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极作用。
自动控制(automatic control)是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下,利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。 自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响,以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看,它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。 基础的结论是由诺伯特・维纳,鲁道夫・卡尔曼提出的.
自动控制技术是能够在没有人直接参与的情况下,利用附加装置使生产过程或生产机械(被控对象)自动地按照某种规律(控制目标)运行,使被控对象的一个或几个物理量(如温度、压力、流量、位移和转速等)或加工工艺按照预定要求变化的技术。它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能,以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识;自动控制系统的分析与综合;控制用计算机(能作数字运算和逻辑运算的控制机)的构造原理和实现方法。自动控制技术是当展迅速,应用广泛,最引人瞩目的高技术之一;是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术;是自动化领域的重要组成部分。
自动控制技术有很强的应用背景,无论是在炼钢、轧钢、化工、石油、电力等工业上,或是造纸、纺织、皮革和食品等工业上;无论是在航空、航海、汽车和铁路运输工业和国防工业上,或是图书资料的管理、实验室技术设备上都得到广泛应用。自动控制技术对导弹和人造地球卫星是非常重要的,对于研究原子能的应用,研究飞机和导弹的空气动力和结构强度也是有用的。没有应用背景的“控制理论”就缺乏生命力。如何巧妙地运用控制的基础理论来解决实际问题是和研究控制理论本身不同的另一种创造性工作。
一、自动化控制原理
自动化控制有半自动与全自动化
例如:机器、设备可以按照生产的要求和目的,进行自动化生产;全自动人只需要作为操作员,确定控制的要求和程序,不用直接参与生产过程的控制技术;半自动化控制要人通过设施、设备、机械、仪器或手工等劳动力的参与。
自动化控制技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化控制不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来,而且能扩展人的器官功能,极大地提高劳动生产率,增强人类认识世界和改造世界的能力。因此,自动化控制是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。
自动化控制理论是自动化专业的重要学习课程。
二、自动化控制的应用
2.1过程自动化
石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理的自动化控制。一般采用由检测仪表、调节器和计算机等组成的过程控制系统,对加热炉、精馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。采用的主要控制方式有反馈控制、前馈控制和最优控制等。
2.2机械制造自动化
这是机械化、电气化与自动控制相结合的结果,处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以后,由于电子计算机的应用,出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统(FMS)。以柔性制造系统为基础的自动化车间,加上信息管理、生产管理自动化,出现了采用计算机集成制造系统(CIMS)的工厂自动化控制系统。
2.3管理自动化
工厂或事业单位的人、财、物、生产、办公等业务管理的自动化控制,是以信息处理为核心的综合性技术,涉及电子计算机、通信系统与控制等学科。一般采用由多台具有高速处理大量信息能力的计算机和各种终端组成的局部网络。现代已在管理信息系统的基础上研制出决策支持系统(DSS),为高层管理人员决策提供备选的方案。
三、自动化控制系统
自动化控制系统是指能够实现自动控制任务的系统,由控制器与控制对象所组成。
自动化控制系统的概念
自动化控制是一种现代工业、农业、制造业等生产领域中机械电气一体自动化集成控制技术和理论。
自动控制(automatic control)是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
四、自动控制系统特点
自动控制能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表,按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。
自动控制系统理论
自动控制是相对人工控制概念而言的,指的是在没人参与的情况下,利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。
自动控制是工程科学的一个分支,它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响,以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看,它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。
结束语:
随着科技的发展,自动化控制已经广泛应用到各行各业。直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业都有应用。相信不久的将来会带给人们更多的便利。
参考文献
【关键词】轮毂电机;多轮驱动电动车;控制系统;设计
1.引言
1886年问世起,汽车大大拓展了人类的活动范围,对人类社会的发展做出了重大的贡献,现代汽车工业已经成为许多国家经济发展的支柱产业之一。到目前为止,以石油为能源的传统内燃机汽车居绝对多数。然而,这类汽车在带给人们方便快捷的现代生活的同时,其带来的能源短缺和环境污染等一系列问题也对社会发展构成了严峻的挑战。节能与环保已经成为全球各国和各大汽车制造商的共同课题。2009年,中国超越美国成为全球第一大汽车生产和消费国,2011年全国汽车销量超过1850万辆,继续稳居全球第一位[1]。2011年中国汽车保有量首次突破1亿辆大关,成为仅次于美国全球汽车保有量第二的国家[2],而且有望在今后若干年继续保持这种增长趋势。
目前,对电动汽车的研究还是以对传统内燃机汽车进行动力改造为主,在结构上仅仅将内燃机替换为电动机,保留原来的动力传动系统。这样的结构可以利用电动机的转矩特性比内燃机更加理想的优点,但是并没有从根本上改变车辆的动力特性,也没有充分发挥电动驱动系统所带来的技术进步。而车轮独立驱动作为电动汽车的一种理想驱动方式,成为电动汽车发展的一个独特方向。车轮独立驱动系统就是将独立控制的电机与汽车轮毂连接,省掉了各车轮之间的机械传动环节。电机与车轮之间的连接方式主要有两种:一是采用轴式连;二是将电机嵌入到车轮内。轮毂电机驱动系统中没有机械传动环节和差速器,由电机直接驱动车轮,因此需要对电机的转矩和转速进行精确控制,这也是研究的重点和难点所在。汽车的四驱控制系统能够根据各车轮的转速、转矩等信息,控制并分配各轮毂电机输出扭矩的大小,从而控制各车轮的驱动力和转速,使汽车具有驱动防滑功能、差速功能、良好的加速性和汽车稳定性。
另外,在轮毂电机驱动系统中,电机和驱动器的体积、功率都较小,这样既有利于汽车的总体布置,又可以保证良好的离地间隙,改善汽车的通过性。
图1 米其林轮毂电机结构
2.基于轮毂电机的电动车底盘结构
轮毂电机车辆平台自身具有的线传控制特征,使整车布置和控制系统设计具有很大的柔性,这些优势得到了各国汽车厂商和研发机构的认同并都展开了相关的研究。不过受到安全法规的限制,现在与整车安全相关的线控技术还无法应用到量产车型当中。因此,目前对基于轮毂电机平台的线控电动汽车的研究主要还是处于概念车的开发和实验室研究阶段。
20世纪90年代初,最引人注目的就是米其林公司推出的主动车轮,其结构如图1所示。电动轮毂中有两个电动机,一个向车轮输出扭矩,另一个则是用于控制主动悬架系统,改善舒适性、操控性和稳定性。在两个电动机之间还设有制动装置,动力、制动和悬架都被集成在一起,结构相当紧凑。由于电动机的扭矩易于控制,如果配备四个米其林主动车轮便成为四驱系统,并且可以通过电脑对任何车轮的扭矩进行独立调节,仅需更多的传感器和更复杂的程序便能实现。主动车轮的另一个优势是能提供比传统汽车更好的被动安全性。由于舍去了发动机和变速箱,车头的缓冲区将变得高效与充足。
图2 丰田公司i-unit概念车
图3 VOLVO公司提出的ACM车轮总成方案
丰田汽车公司从上世纪九十年代末开始进行轮毂电机驱动的纯电动车的开发,重点研究基于传统汽车底盘的轮毂电机电动汽车走向实用化的关键技术,如传统悬架、转向和制动系统等如何改进设计,以适应轮毂电机在车轮上的安装,全新结构的轮毂电机电动汽车的车体结构设计等[7]。丰田汽车公司在2005年推出了一款最小型的i-unit概念车,该车重180公斤,由锂离子电池通过后轮内的轮毂电机驱动[8]。前两转向车轮由独立电机控制,可实现正负90度转角,车辆最小转弯半径达到0.9米。i-unit采用电传操纵和侧面驾驶杆控制,比方向盘反应更加灵敏,车体高度和轴距根据上下车和不同速度驾驶的需要而自动调节,低速行驶时车体升高,驾车者视线几乎与站立时相同,可以轻松地在人群中穿行,高速时则自动降低重心,保持稳定,减少阻力。
瑞典VOLVO公司Chassis Engineering部门提出一种ACM(Autonomous Corner Module)车轮总成的构想。这种车轮总成集成轮毂电机,双转向执行机构,摩擦制动器、主动悬架系统和减震器。根据不同的车辆轴荷和应用场合,通过对执行器参数的调整,ACM可以支持不同类型全线控智能车辆。目前VOLVO已经对这种构想申请了专利保护[15]。
3.多轮驱动电动车的关键技术
尽管电动轮独立驱动的汽车在电动汽车领域存在很大优势,但却没有大规模的普及,甚至没有出现一款商品化车型。究其原因,除了生产成本偏高的因素外,更主要的是四轮独立驱动电动汽车在整车动力性及稳定可靠性等技术方面存在诸多问题,欲提高电动轮驱动电动车的整车性能,以下是必须解决的关键技术:
(1)轮毂电机及其控制技术。轮毂电机作为四轮独立驱动电动汽车的动力源,必须具有足够大的驱动转矩、合适的转速以及相应的调速范围,这样才能保障电动汽车拥有良好的动力性。
(2)驱动轮之间的电子差速技术。车轮在路面上保持纯滚动运动是最理想的状态,但是当汽车转弯或在不平路面上行驶时,由于汽车内外车轮的行驶路径长度不同,如果仍然要求内外车轮转速一致,必然会造成车轮的打滑和拖行。传统汽车是使用机械差速器解决这一问题的,它将内外车轮轮速进行重新分配,解决了轮胎过度磨损和功率循环等问题。但是机械差速器具有转矩平均分配的特性,致使汽车的内外车轮在不同路况下行驶时,极易出现打滑现象。对于四轮独立驱动的电动汽车各驱动轮之间的差速问题,可以采用电子差速技术来解决,较为常用的电子差速控制方法主要有两种:基于转速闭环的电子差速控制和基于转矩闭环的电子差速控制。目前的研究表明,基于转矩闭环的电子差速控制较为优越,控制效果较好,但是其控制算法较复杂、应用难度较大。
(3)整车牵引力控制技术。牵引力控制技术直接影响着整车驱动特性的优劣,是必须解决的问题。目前的牵引力控制策略大多是通过控制轮胎的滑转率来实现的,因为滑转率与附着系数在一定区域内成线性关系,从而通过调节驱动电机的输出转矩来改变车轮的转速,进而改变了轮胎的滑转率,使轮胎和地面之间具有良好的附着系数,控制车轮的附着特性,获得最大的驱动力,使汽车在不同路况下行驶时都具有良好的动力性能。四轮独立驱动电动汽车各车轮的驱动力可以实现单独控制,更有利于实现基于滑转率控制的牵引力控制策略。但是我们也应该认识到在实际运用中,滑转率的检测很困难。
(4)转矩协调控制技术。对于四轮独立驱动电动汽车,各个驱动轮之间没有机械部件的耦合关系,它们是独立存在的动力源。如何保证各驱动轮协调运转也是必须解决的问题。我们可以设计一个上位控制器,根据汽车的行驶状态和控制要求,对四个驱动轮重新分配转矩,这就是转矩协调技术,其主要包括单电机的转矩控制和多电机的同步协调控制。简言之转矩协调控制技术就是对各驱动轮的转矩进行协调控制,使车辆安全稳定的行驶。
4.基于CAN总线的多轮驱动电动车控制系统设计
本方案设计的电动汽车系统主要包括系统电源、两台轮毂电机控制器和汽车主控制器。整个系统由72V蓄电池供电,蓄电池输出作为轮毂电机母线,使用DC/DC反激式电源将母线上的高压转换为12V和5V的低电压向各个控制芯片供电。汽车主控制器完成系统输入信号的采样、控制算法的运行,使用CAN总线与两电机控制器通信,为电机控制器分配转矩;电机控制器按照主控制器给定的转矩驱动电机运行。
图4 电动汽车系统的硬件框图
电动汽车系统的硬件部分设计如图4所示,反激式电源输入72V的直流电,转换成一路5V直流电向主控制器和两部电机控制器供电,另有一路12V的直流电向电机驱动模块供电。主控制器通过AD接口和10接口检测系统输入,通过CAN总线与两个电机控制器通信。电机控制器根据接收到的信息通过输出PWM信号控制电机驱动板上的MOSFET来驱动72V轮Y电机。
电动汽车系统的软件部分包括电机驱动器中的电机控制程序,主控制器转向差速运算与转矩分配程序以及二者基于CANOPEN协议的通信程序,三块控制器均使用TMS320F28035型MCU。
图5 主控制器转矩分配函数流程图
图5所示是主控制器转矩分配函数的流程图,电动汽车正常直线行驶时,将转矩平均分配到两台轮毂电机上,转向时需要为两轮配置不同的转矩以实现差速控制的目标。在第三章中进行了电动汽车转向差速算法的研究与仿真,按照3.2小节中的控制策略编写程序。主控制器在同步窗口期内接收两电机控制器的速度信号,同步窗口结束之后调用转矩分配函数。转矩分配函数首先读取踏板和方向盘的模拟信号,根据踏板信号确定两电机的总转矩,再根据方向盘转向信号判断是否需要进行差速计算。如果转向信号较小,将总转矩平分给两电机;如果转向信号足够大,则需要进行转向差速计算,由车速信号和轮速信号得到两驱动轮的滑转率,根据两驱动轮滑转率之差计算出两驱动轮转矩分配的比例,再得到两轮的实际输出转矩。
5.总结
本文对基于轮毂电机的多轮驱动电动车的关键技术、底盘布局进行了探讨和分析。基于轮毂电机驱动的多轮电动车无需复杂的传动轴、分动器、差速器等机械装置,底盘重量大幅减轻且结构简单、步骤灵活。然而此类底盘对整车的控制系统要求较高,其控制除通常的车辆状态监测外还担负着驱动力分配、电子差速等及转矩控制等功能,因此对控制系统的实时性、可靠性和可扩展性有很高的要求。本文讨论了基于CAN总线架构的整车控制系统,给出了其硬件框图和转矩分配子系统的流程图,对后续实用系统的搭建提供了依据和技术支撑。
参考文献
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电力系统安全稳定控制是保障系统可靠运行的重要手段,一直受到广泛重视。现代电力系统规模迅速发展的同时也带来了更多更复杂的安全隐患和稳定问题。研究和应用计算机、通信、电子以及现代控制理论等最新技术和方法,开发和生产各种稳定控制系统及安全自动装置,是电力系统安全运行的迫切要求。
本文立足于系统的稳定控制问题,结合新一代智能型低频低压减载装置的科研项目,研究了相关领域并提出了新的思想,为更深入的研究奠定了基础。
本文首先综述了电力系统安全稳定控制的研究现状,从控制理论及控制措施(装置)两方面概述了国内外的主要研究成果。最后简要介绍了安全稳定控制技术的发展趋势。
电力系统暂态能量函数直接法经过多年的研究,近来已取得重大进展,成为时域分析的重要辅助方法。本文第二章对暂态能量函数的基本理论和方法作了介绍,重点探讨了EEAC法及其在稳定切机控制中的应用。进一步的实用化还需要大量的工作。
多机系统频率动态过程是低频减载方案设计的重要依据,本文在原有线性化扰动模型基础之上,增加了发电机和负荷频率调节效应的影响,并进行了系统仿真研究。同时根据多机模型特点及仿真结果提出了一种基于多机系统的低频减载设计和整定新方案,与传统方案相比,该方案提高了低频减载性能及系统运行方式的适应性。
作为方案的一种实现,本文作者作为主要研制者之一研制开发了新一代微机智能型低频低压减载装置。第四章详细介绍了装置改进的软件测频算法,按功率定值减载的实现方法,软、硬件结构等关键技术措施。最后给出了装置的动模实验结果。
关键词:安全稳定控制低频低压减载暂态能量函数切机控制
EEAC频率动态过程频率仿真按功率减载测频算法
Abstract
Powersystemstabilitycontrol,onwhichextensiveattentionhasbeenpaid,isanimportantmeasuretosafeguardareliablepowersystem.Withthequickdevelopmentofpowersystem,lotsofmorecomplicatedsecurityandstabilityproblemsareemerged.Thesaferunningofpowersystemrequireseagerlytheresearchanduseofthelatesttechnologyofcomputer,communication,electronicsandmoderncontroltheorytodevelopandmanufacturestabilitycontrolsystemandautomaticallysafetycontrolequipment.
Inthispaper,stabilitycontrolofpowersystemisfocused.Newideaswhich
arethebasisofdeeperresearcharedevelopedonthebasisofextensiveresourceonrelatedfieldintheprocessofresearchinganewintelligentstyleunderfrequencyandundervoltageloadsheddingequipment.
Thelatestresearchofpowersystemstabilitycontrolisreviewedfirstlyinthispaper.Then,themainachievementsatcontroltheoryandcontrolequipmentareintroduced.Attheend,thetendencyofsafetyandstabilitycontroltechnologyisintroduced.
Afteryearsofresearch,directmethodusingtransientenergyfunctionofpowersystemhasgottenimportantdevelopment,andhasbecomethemainmethodoftime-fiendanalysis.Inchapter2,basictheoriesofTEFmethodareintroduced,andtheEEACmethodanditsapplicationinstabilitygeneratortrippingcontrolarediscussedcarefully.Alotofworkstillneedtobedoneinordertomakepracticalachievement.
Thefrequencytransientprocessofmulti-generatorsystemistheimportantbasisofunderfrequencyloadsheddingschemedesign.Inthispaper,theeffectsoffrequencyregulationofgeneratorandloadareincludedonthebasisoflineardisturbancemodel,andsystemdigitalsimulationresearchisincludedtoo.Accordingtothecharacteristicsofmulti-generatormodelandresultsofsystemdigitalsimulationresearch,anewdesignandsetschemeofunder獲frequencyloadsheddingequipmentonthebasisofmulti-pared withconventionalscheme,thisschemeadvancedthecharacteristicsofunderfrequencyloadsheddingequipmentanditsadaptivelytopowersystemrunningstyle.
Asawaytoactualizethisscheme,anewintelligentstyleunderfrequencyand
Undervoltageloadsheddingequipmentonthebasisofmicrocomputerisdevelopedinthispaper.Inchapter4,theimprovedalgorithmoffrequencymeasurement,themethodofloadsheddingaccordingtopower,andthekeytechnologyofsoftwareandhardwarestructureareintroducedindetail.Attheend,thephysicalsimulationresultsofthisequipmentarelisted.
KEYWORDS:
powersystemstabilitycontrolunder-frequencyandunder-voltageloadshedding
transientenergyfunctionextendedequalareacriterion
generatortrippingfrequencydynamicalprocess
loadsheddingaccordingtopowerfrequencysimulationAlgorithm
目录
摘要
ABSTRACT
第一章绪论(1)
§1-1引言(1)
§1-2安全稳定控制研究现状(2)
§1-3论文的主要工作和章节安排(7)
第二章暂态能量函数与切机稳定控制(8)
§2-1多机系统的经典模型和暂态能量函数(8)
§2-2直接法的假设和扩展等面积定则(9)
§2-3切机模型及其实用判据(12)
第三章多机系统频率动态特性及低频减载的整定(15)
§3-1传统的单机模型及整定(15)
§3-2多机系统频率动态过程的数学模型(16)
§3-3多机系统频率动态过程的仿真计算(20)
§3-4低频减载设计方案新探讨(24)
第四章智能式微机低频低压减载装置的研究(26)
§4-1大电网频率电压紧急控制的新特点及新要求(26)
§4-2基于富氏滤波测频算法的改进研究(27)
§4-3智能式低频低压减载装置的设计原理(31)
§4-4装置动模试验报告(39)
第五章全文总结
参考文献(44)
大宗农产品加工特性研究与品质评价技术(2009年)
通过该项目的实施,系统地对大宗粮油(小麦、稻米、油菜、花生),大宗果蔬(苹果、柑橘、葡萄、荔枝、马铃薯),大宗畜产品(牛奶、羊肉)3大类11个主要农产品特征指纹图谱和加工特性进行研究,构建大宗农产品加工品质评价指标体系,建立加工品质评价方法和评价标准,并以此为依据对3大类大宗农产品进行科学分类,构建大宗农产品加工专用品种基础数据库,实现网络共享,并在企业进行示范推广,有效地指导农业产业结构调整,提高农民收入,增加农业综合效益。主要目标是:确定大宗农产品加工品质特征指纹图谱和加工特性参数;构建大宗农产品加工品质评价技术指标体系;建立大宗农产品加工适宜性评价方法和标准,对我国现有主要农产品进行科学分类,并在企业进行示范推广;构建大宗农产品加工专用品种基础数据库,实现网络资源共享。
肉类生产与加工质量安全控制技术(2009年)
针对目前我国肉类行业存在的主要问题,整合国内肉类行业技术力量,通过关键技术创新和相关技术的集成,形成现代动物屠宰和肉类食品加工的技术支撑与创新体系,建立肉品质量评价体系及肉类主要致病、腐败微生物数据库系统,并建立我国肉类“从养殖场到餐桌”的全程质量与安全保障系统和可追溯技术系统,提出我国肉类产业可持续发展的市场预警机制和对策。通过关键技术创新和相关技术的集成,形成我国肉类生产与加工质量安全控制技术;现代化屠宰技术条件下PSE肉、DFD肉等异质肉的发生率由目前的20%左右降至17%左右,研发6~8项肉类加工与品质控制关键新技术,研制5~6种国内急需且具有自主知识产权的肉类屠宰与加工技术装备,形成肉类生产与加工质量安全控制技术体系,基本解决目前我国肉类产业面临的技术难题,显著提升我国肉类食品加工的整体技术水平,个别领域达到世界先进水平,实现我国肉类产业持续、健康发展。
适于不同区域农户小型储粮设施研究与示范推广(2011年)
针对我国目前适于种粮大户和农民合作组织的粮食产后储藏技术设施缺乏、损失严重等突出问题,该项目以工程技术研究为手段,以集成创新为特色,通过了解不同区域种粮大户和农民合作组织粮食产后安全储藏存在的实际问题和需求;研发适合于不同区域农户小型储粮设施和设备,形成具有区域特点的种粮大户与农民合作组织粮食产地储藏设施建设模式、标准及规程;建立不同区域粮食储藏示范点,实现粮食安全储藏的示范推广,促进农民增收、农业增效,为完善我国粮食安全生产体系、全面建立我国农户安全储粮体系提供工程技术支撑。
粮油真菌毒素控制技术研究(2012年)
通过对粮油作物及其制品中真菌生长和其产毒关键控制因素的研究,研发真菌毒素防控技术6~7项;通过对真菌毒素生物、理化特性研究,筛选和研发出粮油真菌毒素降解和去除技术12~13项;研发真菌毒素防控制剂3~4种,并形成相关配套技术;研发粮油原料干燥、选别技术2项,设备2套;研制粮油原料贮藏抗黄曲霉毒素防控处理设施1套;研发真菌毒素检测技术2~3项,检测产品3~4种;建立粮油真菌毒素安全控制技术体系3~4个;研究成果在100家粮油种植、贮藏、加工企业和质检部门推广示范,将粮油真菌毒素超标率减少50%以上;减少我国小麦、玉米、水稻、花生及其制品中真菌毒素的含量,保障我国人民健康,实现粮油减损增产,促进我国粮油加工产业和出口贸易的健康发展。
传统粮食加工制品产业化关键技术装备研究与示范(2013年)
通过项目的实施,开发营养风味馒头、生鲜拉制面条、鲜米粉等新型产品8~12种。研制散粉混配、接收、米粉干燥、和面机、醒面机等装备5~8台(套)。制定传统粮食制品生产相关的原料、产品、装备等各类技术规程和标准20~25项。形成营养风味馒头、生鲜拉制面条、鲜米粉等关键生产技术10~15项。建立馒头类制品、生鲜拉制面条、鲜米粉、米粉丝等示范生产线4~5条。申请或获授权国家专利30~35项,发表学术论文60~70篇,其中SCI论文10~15篇,培养研究生25~35人,培养行业学术与技术带头人10名左右,培养青年科技骨干20~30名,为企业培养具有粮食加工制品方面的实用人才220~250名;建立与国际接轨的传统粮食制品加工过程与产品质量控制标准体系。
大宗粮食加工副产物综合利用技术研究与示范(2013年)
以我国大宗粮食加工副产物麦麸、谷朊粉、麦胚、米糠和碎米等为原料,评价原料的加工特性和利用价值,为粮食加工副产物的综合利用提供依据;研发蛋白质和活性短肽的高效制备与增溶改性,高品质油品提取与精制,膳食纤维、功能性多糖和低聚糖以及淀粉糖制备等关键技术及设备;利用粮食加工副产物研发蛋白质、活性肽、高品质油脂、膳食纤维、功能性多糖和淀粉糖等精深加工产品及其配套应用技术,建立相关产品的生产规程、质量标准、质控技术体系,通过不同区域、不同原料粮食副产物的综合利用技术与设备示范,整体提升我国大宗粮食加工副产物的综合利用水平。
杂粮初加工技术装备及综合利用研究与示范(2013年)
围绕杂粮初加工技术装备提升与资源综合利用两个重点,通过系统开展绿豆、薏苡、燕麦、荞麦、谷子等杂粮初加工的技术装备研究与改进,解决杂粮初加工技术装备滞后和加工副产物综合利用率低等问题,实现杂粮初加工技术的标准化和装备的现代化提升,促进杂粮的全营养利用与高附加值转化。通过该项目的实施,培育一支杂粮加工业科技研发队伍,培养一批杂粮加工产业骨干科技人才,开发适合中小企业的杂粮初加工装备,研发附加值较高的杂粮产品,建立一批依靠科技振兴的杂粮加工现代化示范企业。
油料产地加工关键技术装备研究与示范(2013年)
以油料营养生化品质和物化特性为基础,开展适合我国国情的油料(油菜、花生、油用胡麻、紫苏、葵花籽、芝麻)产地化加工关键技术装备研究与示范,实现8~12项关键技术的重大突破,开发出油料产地加工关键设备5~7台(套),新产品5~10种。通过技术在中小型油料加工企业的应用,建立50个产业化示范基地,提高加工增值率50%,降低加工能耗40%,减少设备投资50%。通过项目实施,突破油料产地化高效加工的共性关键技术瓶颈,提升我国油料产地化加工技术经济水平和国际市场竞争力,构建油料产地化资源化多层次利用模式,实现油料优质优用优价,促进企业增效、农民增收和油料产业健康发展,从而提高我国食用油供给水平。
蔬菜副产物综合利用技术研究与示范(2013年)
针对我国蔬菜产业大量副产物得不到有效利用,造成资源浪费、经济损失、环境破坏等关键问题,通过对蔬菜副产物食品化、饲料化和肥料化利用关键技术与工艺进行系统攻关,形成配套工程化技术,并进行产业化示范,探索我国蔬菜副产物综合利用模式,实现我国蔬菜资源的高值化利用,延长我国蔬菜产业链,增强我国蔬菜产业国际竞争力,带动农民增收。通过项目实施申请国家专利15~20项,40~60篇,制定标准和技术规程20~30个,形成蔬菜副产物利用关键技术15~20项,开发新产品20~30种,研制或改进蔬菜副产物加工专门化设备8~12台(套),在15~25条生产线上进行示范,形成示范基地8~10个,培养研究生20~30人,培养青年科研骨干2~3人,培训专业技术人员1000人次,增加蔬菜副产物资源利用200万吨以上,实现直接经济效益约2亿元。
浆果贮藏与产地加工技术集成与示范(2013年)
开展草莓、蓝莓、杨梅、桑椹、树莓等浆果产地贮藏保鲜、初加工关键技术研究和装备研发,建立系列适合产地农户、农业合作社和小微企业应用的浆果产地处理、贮藏保鲜和加工实用技术,研制出小型装置和设施,并开展示范推广。实现研发新技术15~20项、关键装备2~3种,制定规程10~15项、标准3~5项,40篇以上,申请专利20~25项,鉴定成果4~5项,在30~50家以上农村合作组织及小微加工企业应用示范,预计新增产值5~6亿元,新增效益3000~5000万元。
西北特色水果贮运保鲜技术集成与示范(2013年)
研究建立西北特色水果(甜瓜、杏、李、樱桃、梨、葡萄等)主要品种采后生物学特性、品质劣变生理及采后病害发展规律,为贮运保鲜技术与设施的研发奠定基础;研究建立西北特色水果贮运保鲜技术体系,并进行集成与示范;研究建立西北特色水果采后贮运保鲜设施及配套技术,并进行集成与示范;建立西北地区特色水果采后质量安全风险分析和控制体系并进行集成与示范。通过该研究,使西北特色水果的贮运保鲜在应用基础理论、品质维持配套技术与设施、品质控制体系与标准等方面均有显著提升,使研究开发的技术成果得到集成应用,使西北特色水果的贮藏质量和贮藏流通时间得到明显提高。
特色热带亚热带果品加工关键技术研究与示范(2013年)
通过项目实施,拟研发单项关键技术20~35项,研制轻简装备7~14种,并进行系统集成和产业化,形成新产品13~23个,转化为相关技术标准19~29项,集成5~8条果品加工示范性生产线,加工技术在广东、广西、海南、云南、福建等适种区的企业或农场示范推广,提高我国特色热带果品加工率和产后增值。同时以该项目为依托,培育一支行业科技研究队伍,培养一批基层技术骨干,培训一批企业员工,促进特色热带果品产业的发展。
大宗水果加工副产物与残次果综合利用技术研究与示范(2013年)
通过项目实施,突破苹果最少加工等系列关键技术,攻克MP产品防褐变等相关技术难题,开发高活性葡萄多酚复合物等系列新产品;建成柑橘汁胞、鲜切苹果等技术示范生产(中试)线,相关新产品实现生产示范;建立水果加工副产物与残次果综合利用新模式,为技术集约型水果加工产业提供示范;申请发明专利3~5项,15~20篇,制定相关技术规程或产品标准2~5个,培养研究生10~20人。
食用菌保鲜加工与循环利用技术研究与示范(2013年)
针对我国食用菌产地加工及废弃物(副产物)综合利用技术难题,在对废弃物(副产物)营养功能性评价和加工适应性研究的基础上,进一步集成复合保鲜、节能型干燥、微好氧快速发酵、外循环降温微粉碎、闪式提取、高聚络合纯化等新技术,研发食用菌新产品,构建面向广大食用菌主产区农村合作组织、食用菌批发市场以及中小型食用菌加工企业新的技术推广模式。
通过项目实施,集成开发食用菌产地加工和副产物综合利用实用新技术25项,研发创制新产品20个,申报国家发明专利40项,制订标准或技术规程18项;在全国典型区域建设研发、示范及产业基地10个;鲜食用菌贮藏期延长50%以上,组合干燥技术较传统食用菌干制工艺节能20%~30%,食用菌采后损失下降10%;食用菌菌糠、菌柄、预煮液等副产物的利用率在原有基础上提高100%,食用菌行业副产物(废弃物)综合利用增值3~5倍;实现主要辐射示范企业年均产值约5亿元;发表高质量的学术论文100篇,其中SCI、EI论文20篇。培养中青年学术带头人10名、青年学术骨干30名、博士后2名、研究生50名。
畜禽宰后减损、分级技术装备研究与示范(2013年)
针对我国畜禽屠宰与加工行业的现状和特点,以满足中小型屠宰加工企业(占屠宰加工企业的90%以上)的共性技术需求为目标,立足自主创新和集成创新,对畜禽宰后减损、分级关键技术与装备研发以及产业化示范进行联合攻关。开展产业急需的畜禽宰后滴水损失和品质劣变控制、超冰温保鲜、胴体分级等关键技术与核心装备研发,通过关键工艺技术与装备的配套,构建适用于中小型屠宰企业的宰后减损、分级与保鲜储运技术体系,进行产业化示范推广,使畜禽宰后损失率降到3%以下、分级率提高至80%以上、货架期延长至1.5倍以上、畜禽肉附加值提高20%以上。通过项目的实施与示范带动,提高肉类产业链效益,促进产业升级,引导规范化养殖,增加养殖户收入。
传统腌腊肉制品生产关键技术装备研究与示范(2013年)
针对制约我国传统腌腊肉制品产业发展中存在的技术装备落后、产品质量不稳定和安全风险高的难题,研究原料标准化技术,风味形成与固化技术,亚硝胺、苯并芘和杂环胺等有毒有害物质控制技术,低盐低硝加工技术,开发低盐低硝腌腊肉制品、三效烟熏液、天然亚硝基血红蛋白着色剂等产品,研制自动化着色、辊揉和人工气候装备。形成传统腌腊肉制品从原料到成品的加工关键技术体系,建立现代化腌腊肉制品生产示范线,在浙江、江苏、湖南、天津、宁夏形成腌腊肉制品新技术应用示范线6条,辐射带动整个传统腌腊肉制品产业的技术升级和装备改造,提高产品质量安全水平,推动腌腊肉制品行业技术升级,从而带动畜禽养殖业的发展和农民增收。
禽蛋高效清洁、分级及加工贮运技术研究与示范(2013)
通过该项目的实施,揭示我国禽蛋主产区主要危害微生物种类、数量及主要污染途径;鲜蛋蛋壳脏污理化特性;禽蛋在不同的温度条件理化指标及感官品质的变化规律;不同状态禽蛋类型与检测指标的数学模型;禽蛋质量与安全风险分析与评价。创新禽蛋内外微生物快速检测、禽蛋内外品质无损检测与分级、禽蛋高效清洗除菌、禽蛋产地贮运保鲜、禽蛋品质安全溯源等关键技术;通过多学科合作,研制相关新产品、新材料及开发高效清洁除菌分级新装备,将关键技术、材料、装备系统集成,应用禽蛋产地包装、产地清洁、禽蛋生产、贮运及追溯系统等生产体系中,集成创新禽蛋产地高效清洁、分级及贮运技术模式,形成技术规程和物化产品,建立示范基地与示范生产线,发挥示范辐射作用,并在各类型禽蛋生产企业中进行示范推广,显著提高我国禽蛋生产、加工、消费、流通的安全水平,促进我国蛋品行业实现综合产能、标准化高效生产与可持续发展。
同时,通过该项目的实施,培养一支能有效解决我国禽蛋产后处理关键技术及工程装备问题的高水平队伍,建立全国蛋品产后处理共性技术研究的工作平台和信息平台,满足我国禽蛋产后处理关键技术的需求,为国家禽蛋产后技术推广以及相关政策决策提供技术支持。
关键词:机制专业;教学改革;模式
机械制造是研究机械制造理论、制造技术及制造模式的一门学科,其中,制造技术是直接为生产服务的。目前机械制造行业虽然还是以传统制造技术为主,但是,现代制造技术正在迅速取代传统制造技术,掌握新技术人才的需求量很大。为生产现场输送既懂现代制造技术,又有较强动手能力的工艺技术人才,正是高职机械制造专业发展的广阔市场前景。
目前,高职机械制造专业基本上是参照普通高校相同专业建立起来的。因此,高职教育除了和普通高校机械制造专业一样需要不断更新知识体系外,还有与职业技术教育不相适应的教学模式的改革问题。在此笔者就高职机械制造专业的改革提出一些思路。
一、注重素质培养,建立以现代制造技术为基础的课程体系
针对高技能人才培养的特点,调整课程结构和教学内容,以社会需求和企业需要为依据完善课程体系,采用适于职业教育的教学方法,推广现代化的教学手段,强化对学生实践能力和创新能力的培养,较好地掌握专业技能,适应高等职业教育培养目标的要求;加强课程改革与建设,突出了专业核心课程在专业教学中的地位和作用。
在专业课程体系上,精缩传统机械理论课,增加电子技术、计算机技术、信息处理技术等高新技术的课程。现代化的机械制造技术就是本领域里的先进科技和信息科技的紧密结合,信息科技的关键又是计算机技术,大量采用计算机辅助技术与计算机控制技术是机械行业的方向,以计算机技术为基础的数控加工技术是机械制造业中的核心技术。
在具体课程设置上,遵照“够用”的原则,精减一些重复交叉的内容,压缩一些不常用的知识,整合一些课程,减少一些课时。原理论力学、材料力学合并为工程力学,以材料力学的内容为教学重点;机械原理、机械零件设计两门课程整合为机械设计基础,以机械零件的内容为教学重点。
在专业技术课程设置上,遵照“实用、管用”的原则,精减一些与专业方向不一致的课程,把机械制造工艺、金属切削机床、夹具设计、金属切削原理及刀具合并为机械制造基础;增加计算机应用技术、CAD技术、数控加工技术、PLC控制技术、数控系统维修技术、CAD/CAM技术的课程和上机练习的时间。
在选修课的设置上注重培养具有专业扩展与人文素质培养的双重特点。一是在限定理论选修课中,主要进行了专业扩展,开设了工业管理、网络技术、计算机编程语言、现代设计方法、机械工程检测技术、工厂供电、机电产品营销等10门课程,要求选择其中5门;二是在任意理论选修课中,主要进行的是人文素质的培养,开设应用文写作、文学鉴赏、音乐鉴赏,美术鉴赏、社交礼仪、心理学、书法、演讲与口才、管理科学、中外民俗、市场营销、领导科学、公共关系、工商管理、普通话等课程,要求选择其中5门。
二、加强实践教学,建立现代机械制造实验实习基地
现代加工技术,很多时候都是在人们的眼睛不能直接观察到的情况下进行的,和传统加工相比,它显得更抽象。所以有机械学科的院校,都不惜花巨资建立现代化的CAD设计中心、数控加工实习基地等现代化的实验室和实习场地,以加强CAD、PLC控制、数控技术、CAD/CAM的试验与技能培训,以满足实践教学的需要。
在金工实习、课程实验、课程设计、毕业设计(论文)等实践性教学环节上,精心设计各种综合性的试验与实习项目。金工实习,尽快从传统的普通车床操作过渡到数控机床操作;毕业设计与毕业论文,力争结合生产实际选题,采用计算机等先进手段进行开发性设计,这样既能培养学生的实际工作能力,提高学生掌握现代设计方法与现代设计手段的技能,又能充分发掘学生的创新潜能。
三、改革教学内容和方法,充分利用现代化教学手段
教学改革的思想很大部分是体现在课程的设置与教材的选配上,所以精化、整合老教材,增编新教材是进行教育改革非常重要的一步。传统的基础知识要讲,人文知识要学,新知识要加强,实践要增加,课时还要压缩,要处理这之间的矛盾,让学生做到主动积极地学、自觉地学、创造性地学,就要充分利用多媒体技术、CAD技术,利用计算机辅助教学来提高教学效率和教学质量。
在教学方法开发过程中引入“基于工作过程教学设计方法”。它主要包括两个基本过程:第一步,典型工作任务分析。通过“工人专家访谈会”确定某个职业的典型工作任务,按照能力发展和职业成长规律确定典型工作任务的难度等级和顺序,并对其进行分析描述。第二步,学习领域设计。在对典型工作任务分析的基础上设计出学习领域,针对每一个典型工作任务,准确确定和描述所对应的学习领域,给出学习目标、内容和基准学时要求,并将学习领域按照学生的职业成长规律和教学规律进行时间上的排列,得到专业的学习领域课程计划,完成学习领域设计。
四、教学与科研并重,造就新一代师资队伍
以科研促教学、以科研促知识更新达到教师自身素质的提高,是保证教学改革顺利进行的重要因素。根据职业教育的特点,提高教师专业水平及动手技能,培养“双师型”的教师也是职业教育中一个非常重要的课题。
关键词:控制理论;系统化;比较教学
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)21-0042-02
控制理论是自动化及其相关专业的一门重要核心专业基础课程,在武汉理工大学华夏学院(以下简称“我院”)自动化专业,控制理论所授主要内容为以经典控制论为核心的“自动控制原理”和以卡尔曼的状态空间分析法为核心的“现代控制理论”。
其中,“自动控制原理”是研究控制系统的一般规律,并为系统的分析和综合提供基本理论和方法的专业基础核心课程。该课程又是“现代控制理论”“过程控制系统”“运动控制系统”“计算机控制技术”“智能控制”等许多后续课程的基础。而作为其后续课程的“现代控制理论”仍作为硕士研究生“线性系统理论”与“最优控制”等学位课程的基础。这两门课程理论性强,概念多且杂,对学生的数学基础要求较高。而我院作为一个三本院校,自动化专业的学生相比较一本和二本的学生而言,数学基础较为薄弱,故学好这两门课对学生来说至关重要且具有一定的难度。
而教好上述两门课程也是教师必须思考和解决的重要问题。笔者经过几年的教学实践,摸索出一套比较适合三本院校学生的系统化教学方法,致力于培养学生的系统观,进行了一些尝试,且取得了一定的效果。
一、工程背景系统性
任何一种理论的产生都有其历史背景,都是在实践中产生的。自动控制技术萌芽在18世纪,在第一次世界工业革命期间,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特(J.Watt)发明的蒸汽机离心调速器,一种凭借直觉的实证性发明。飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡,其他自动控制系统也有类似现象。
由于当时还没有自控理论,所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题,盲目探索了大约一个世纪之久。1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出:不应单独研究飞球调节器,必须从整个系统分析控制的不稳定。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端,接着就进入了经典控制理论发展的孕育期。1875年,英国劳斯提出代数稳定判据。1895年,德国赫尔维兹提出代数稳定判据。1892年,俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年,美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。1948年,维纳出版《控制论》,形成完整的经典控制理论,标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人。
经典控制理论的主要内容包括:系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等。
从四十年代到五十年代末,经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术(可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展)。科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论,而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件――现代数学和数字计算机。现代数学,例如泛函分析、现代代数等,为现代控制理论提供了多种多样的分析工具;而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。[1]
在二十世纪五十年代末,计算机技术的飞速发展推动了核能技术、空间技术的发展,并且为多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析和设计提供了新的手段。
五十年代后期,贝尔曼(Bellman)等人提出了状态分析法,在1957年提出了动态规划。1959年卡尔曼(Kalman)和布西创建了卡尔曼滤波理论;1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法,并提出了可控性和可观测性的新概念。
由上面的历史背景介绍可以看出,现代控制理论是在自动控制理论的基础上发展得到的,尽管两种理论在方法和思路上有显著的不同,但是在教授的时候不能将两者视为单独的个体。笔者每次在绪论部分都会系统化地讲解理论的产生,以让学生对两门课程形成一个初步的比较清晰的认识。
二、理论教学的系统性
在这两门课程的理论教学过程中,虽然涉及到的知识点有差异,但是经笔者研究,在具体教学中,两门课程的教学有些许共性,比如说两门课程的教学流程就基本一致。如图1所示:相对于现代控制原理而言,自动控制原理理论推导较少,同时其工科背景较强,实例较多。在学习之初,可先帮助学生搭建起分析问题和解决问题的基本框架,形成一个较为初步的系统观。
自动控制原理分析问题的核心是数学建模,稳定性判断和性能指标的计算,[2]主要分析方法是时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法。时域分析法直观易懂,频域分析法是自动控制原理的核心,根轨迹分析法在目前的工程实践中已用的很少,在学时有限的情况下可略讲。在实际讲解的过程中,要合理安排学时,适当加快时域分析法的讲授,略讲根轨迹分析法,重点讲解频域分析法及系统校正。
现代控制理论包含了大量的理论概念机数学公式,在实际讲授中,应弱化理论推导,在教学过程中可结合倒立摆工程实例,从建模、稳定性分析、能控能观性分析、极点配置到状态反馈,形成一个较为完整的分析过程。[3]
总而言之,在讲解的过程中,注重引言,初步建立系统观,结合实例,比较异同,突出重难点,最后再通过总结强化各知识点之间的联系。[4]
三、实践教学的系统性
1.重视实验,理论教学和实验教学的系统化[5]
以往,控制理论的实验课和理论课教学是独立的,理论课教师和实验课教师各行其道,相互交流匮乏。目前,学院已明确提出,理论课教学和实验课教学的一致性,理论课教师必须参与进实验教学,教学手段要丰富、系统。
2.实验箱教学和仿真教学的系统化
首先在实验箱上搭建模拟电路,利用信号发生器、示波器等测量波形和数据。同时引入MATLAB仿真,先引出数学模型,利用MATLAB强大的系统工具箱分析并绘制各种相应曲线,利用Simulink工具箱进行校正和状态反馈设计。[6]最后,对比电路测试波形和仿真结果,可让学生深入了解理论和实际参数之间的差异,进而寻找原因,加深理解。
四、今后教学方向
在今后的教学过程中,可进一步加强比较,加强学生的系统观,并且尝试迁移到其他相关学科,加强学生对整个学科的理解。
参考文献:
[1]万雄波,杨方.基于“自动控制原理”与“现代控制理论”课程异同点分析的教学探索[J].科教文汇,2013,(7):56-57.
[2]孙韵钰.“相似论”在“自动控制理论”课程教学中的运用[J].消费电子,2013,(7).
[3]王斌,李斌.“现代控制理论”教学改革与实践[J].中国电力教育,2013,(10):61-62.
[4]李长云.“自动控制理论”的系统化教学实践[J].电气电子教学学报,2013,(8):75-77.
(此办法适用于技术报告,学生每篇需打印3份,答辩时要有PPT演示文稿。)
注:对于做实践技术报告的同学,不需要本人刻盘,指导教师需要向系里上交电子稿材料(技术报告和PPT)。
一、毕业实践技术报告要求
毕业实践技术报告应独立完成,可以参考文献、资料,但不得抄袭,有下列情形之一者,毕业实践技术报告成绩为不合格,不予答辩:
1.毕业实践技术报告直接从网上或其他书籍、资料上下载、抄录者;
2.毕业实践技术报告整段从或其他书籍、资料上下载、抄录,摘抄总量大于30%者;
3.毕业实践技术报告抄袭其他同学或他人成果者;
4.毕业实践技术报告请他人代做者。。
二、毕业实践技术报告书写要求
(一)毕业实践技术报告的基本要求:
1.报告字数要求在3400字以上;
2.须写清以下方面内容:
(1)实习时间、地点、主要实习内容简要概述;
(2)实习单位介绍;
(3)各实习岗位的生产(工作)流程;
(4)主要实习工作内容,并针对实习中的具体案例进行论述;
(5)对实习岗位的认识,并针对实习中体会最深的方面进行论述;
(6)实习期间的心得、体会、收获和不足;
(7)综合运用基础理论和专业知识对选题所涉及的专业内容进行清晰地分析与论述;
(8)报告应在指导教师指导下独立完成;
报告要求概念清晰,结构合理,层次分明,文理通顺,符合论文书写格式要求。
(二)毕业实践技术报告的格式要求:
1.封面:按统一格式填写。报告题目要简明扼要,一般不超过20个字,可分两行。
2.摘要:摘要是报告的高度概括,字数在200字左右。要求写明实习期间的内容概要,岗位工作,心得体会及不足等。
3.正文:对在毕业实习中所从事技术工作的全面总结,字数在3000字以上。包括:
(1)实习目的:介绍实习的目的,主要写明实习是高职教学中必要的环节,是课堂教育和社会实践相结合的重要形式,实习可以增强自身的实践能力、培养提高分析问题和解决问题的能力以及综合运用所学基础知识和基本技能的重要途径。
(2)实习主要内容:实习单位的简介和实习岗位的简介,并且详细阐述所涉及技术的内容,基本原理,技术方案、工艺,使用的设备、采用的材料,技术的关键点,主要的技术参数、性能、特点。
(3)实习主要表现:详细介绍自己是如何学习、如何掌握、如何克服困难和问题、如何改进,最终顺利完成技术工作。
(4)实习感受和体会:对毕业实习进行归纳总结,深刻阐述工作中的感受和体会、工作学习中的不足、以及今后努力的方向。
4.对工作单位的建议:通过几个月的实习经历,已经对实习的单位有了全面的了解,给出客观和中肯的一些建议。字数在100字以上。
5.致谢:对毕业实习和毕业实践技术报告的指导教师、师傅,给过你帮助的有关人员书面致谢。字数在100字以上。
6.参考文献:必须是学生本人阅读过的,与报告内容相关的文献资料。格式为:序号、作者姓名、书或文章或资料名称、出版单位、出版时间、页码等(例如:[1]王永华.现代电气控制技术及PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2007,85-90.)。
三、毕业实践技术报告打印排版规范
1.毕业设计(论文)用纸、印刷及装订
毕业设计(论文)及封皮必须使用院统一制作的毕业设计(论文)专用纸,一律以标准格式打印输出并装订,版面上空3cm,下空2.5cm,左空3cm,右空2.5cm。