王毅，陳志巧，張開如

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

電氣專業(yè)煤炭定單班“自動控制原理”的教學改革

王毅，陳志巧，張開如

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

針對電氣專業(yè)煤炭定單班的培養(yǎng)定位，進行“自動控制原理”授課內容和方法的改革，提出了在課程教學中，通過增加具有煤礦背景的實例來提升學生的學習興趣，給出了礦井提升速度控制的實例應用。

自動控制原理；煤炭定單班；教學改革

山東科技大學自2007年始招收電氣工程及其自動化煤炭定單學生，每年招收4個自然班(160余人)，培養(yǎng)面向山東煤炭企業(yè)的煤礦電氣專業(yè)技術人才。在定單班的培養(yǎng)計劃中設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、煤礦設備控制技術、煤礦固定設備控制、礦山供電和礦用傳感器及檢測技術等課程，突出培養(yǎng)定單班學生在煤炭電氣化方面的工程素質。

1 “自動控制原理”教學中存在的問題

“自動控制原理”是定單班的專業(yè)基礎課程，是正在建設中的山東省精品課程，是控制理論與工程技術相結合的一門課程，是學生掌握電氣專業(yè)知識技能必修的重要課程。它作為銜接基礎課和專業(yè)課的中間橋梁，不僅需要提供學習專業(yè)課所必備的專業(yè)基礎知識，而且承擔著將學生由自然科學和人文社會科學的通識教育領域引向工程技術領域的任務。在“自動控制原理”教學中，教師的教學任務是： 一是使學生掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念和自動控制系統(tǒng)分析、設計(校正)的基本方法，初步掌握系統(tǒng)實驗技能，為后續(xù)專業(yè)課程的學習提供所應用的系統(tǒng)分析、設計的基本理論和基本方法；二是通過對工程實例進行分析，培養(yǎng)學生的辯證思維能力，樹立理論聯(lián)系實際的科學觀點，培養(yǎng)學生必要的專業(yè)基本技能，引導學生對所學專業(yè)產生濃厚的學習興趣。

“自動控制原理”課程具有理論性較強、內容抽象、涉及數(shù)學基礎知識較多、公式和圖形多、推導復雜等特點[1],[2]。目前，對于電氣定單班來說， “自動控制原理”的教學存在一些問題。

1.1 授課理論性較強

授課理論性強不利于培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的科學觀點，不利于提升學生對專業(yè)的學習興趣。為保證控制理論的完整性和透徹性，若教師在授課過程中把過多時間和精力集中于原理講解和公式推導上，就很難有充分的時間將理論知識與系統(tǒng)應用實例相結合，造成很多學生誤認為該課程是一門應用數(shù)學課程，容易產生畏難心理。另外，定單班的學生面臨畢業(yè)即就業(yè)，沒有升學再深造的壓力，他們所關心的是所學知識是否會用到將來的工作崗位中。因此，課堂上講授過多或過深的理論知識不利于提升學生對專業(yè)的學習興趣。

1.2 缺少煤礦電氣背景的相關實例

通過與工作后的畢業(yè)生交流，發(fā)現(xiàn)有一條信息非常突出：大部分畢業(yè)生很難將自動控制原理中所學的分析與設計方法應用到工程實踐中。這主要是因為所學課程大部分實例與學生所學專業(yè)相關性不強，多數(shù)學生對案例中涉及的專業(yè)背景不熟悉，導致學生對學習課程的必要性、重要性和實用性認識模糊，學習興趣不高，學習“自動控制原理”死搬硬套，應付考試的現(xiàn)象嚴重，缺少靈活運用和開拓創(chuàng)新的思路。上述這些問題直接弱化了“自動控制原理”作為專業(yè)基礎課程的作用。

2 “自動控制原理”授課內容調整

為順應煤炭電氣化發(fā)展需求和人才培養(yǎng)定位，突出煤礦電氣特色教學目標，從課程教學內容、教學實例等方面進行研究和探索，對課程的基礎理論與實踐教學進行優(yōu)化[3]。

2.1 優(yōu)化授課的內容體系、深度和廣度

研究各章節(jié)基本內容的聯(lián)系，調整課程授課體系，以系統(tǒng)建模、分析和綜合設計為主，突出煤炭行業(yè)背景，注重基礎知識的靈活運用。

“自動控制原理”在傳統(tǒng)教學上一直沿用自動化專業(yè)的授課體系，造成“自動化類”和“非自動化類”的界限模糊。對于定單班該課程學時數(shù)少的情況，若按“自動化類”體系授課，只能加大課時信息量，造成學生對教學內容難以及時有效消化，影響教學效果。研究如何在有限學時內讓學生熟練掌握控制原理的基本理論，并突出煤炭電氣工程實踐能力培養(yǎng)，成為構建定單班授課體系的關鍵。

參照培養(yǎng)定位，結合后續(xù)的相關控制理論的專業(yè)課程，從課程體系出發(fā)，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和綜合設計為主線，調整授課知識點深度和廣度。如在講述建立數(shù)學模型基本內容時，應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，使學生正確理解實際模型與抽象模型的區(qū)別與聯(lián)系，并從不同的角度對系統(tǒng)進行建模，加深對實際系統(tǒng)建模的理解。系統(tǒng)分析方法是控制系統(tǒng)綜合設計的基礎，這部分內容主要包括時域分析法、根軌跡法、頻域響應法，這些是控制理論教學的重點，應保留原有知識點的深度。抓住采用時域分析法、根軌跡法和頻域響應法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性的特點，加深學生對不同方法的理解，這是系統(tǒng)分析的關鍵。對于離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論，由于培養(yǎng)計劃中后續(xù)課程相關性較小，可以降低這部分知識的深度和廣度。

2.2 增加煤炭電氣控制系統(tǒng)實例

系統(tǒng)設計對培養(yǎng)學生的分析、綜合能力及創(chuàng)新能力十分重要，也是教學的難點。在授課過程中，要注意研究與選取煤礦電氣工程中的典型范例，如礦井提升機控制系統(tǒng)、掘進機控制系統(tǒng)、通風機控制系統(tǒng)以及排水設備控制系統(tǒng)等，突出煤炭行業(yè)背景，從實例分析中去了解系統(tǒng)的結構特征、工作原理和設計要求。生動的工程實例可大大激發(fā)學生的學習興趣，引導學生感受控制理論的魅力，深刻理解“學以致用”的意義，使學生對課程的學習達到知識和能力的雙重提升。

3 實施案例

礦井提升機調速系統(tǒng)要求平滑調速且調速精度較高。提升機電氣傳動系統(tǒng)的加、減速過程要平穩(wěn)(無超調)?？刂葡到y(tǒng)應保證在額定速度時有±1%的精度。

3.1 提升機系統(tǒng)建模

礦井提升機的直流調速系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 礦井提升機速度控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示的礦井提升機的直流調速系統(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)(直流電機環(huán)節(jié)，忽略不計電樞電感)，繪制系統(tǒng)結構圖，如圖3所示。

圖3 礦井提升機速度控制系統(tǒng)結構圖

對圖3所示的結構圖進行化簡，推出系統(tǒng)的傳統(tǒng)函數(shù)，完成系統(tǒng)建模。

(1)

(2)

學生結合在實驗室測得的晶閘管直流調速和直流電動機的實際參數(shù)，確定傳遞函數(shù)中的結構參數(shù)，Tm=0.0419s，α=0.004，Ce=0.048，令KpKs=K，簡化后系統(tǒng)的一階數(shù)學模型為

(3)

3.2 提升機系統(tǒng)性能分析

基于數(shù)學模型應用時域分析法，復域分析法和頻域分析法來分析系統(tǒng)性能。

3.2.1 穩(wěn)定性分析

因為該系統(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)的快速性指標為調節(jié)時間Ts=3T，將數(shù)學模型變?yōu)槲?多項式

(4)

3.2.3 準確性分析

假設提升系統(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，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 語

面向電氣定單班的“自動控制原理”，采用以基礎理論知識為主，突出有煤礦電氣背景的工程實例，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，能有利于增強學生理論聯(lián)系實踐能力和工程實踐能力，培養(yǎng)學生在煤炭電氣化領域的探索興趣。

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

[2] 郭愛文，周洪.“自動控制原理”課程教學改革探討[J].電氣電子教學學報,2014(2)：35-36.

[3] 周蘭，周少武.Matlab數(shù)字仿真在自動控制原理教學中的應用[J].當代教育理論與實踐，2014(6)：68-70.

(責任校對 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備的監(jiān)測監(jiān)控研究。

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1674-5884(2015)02-0086-03