《專業綜合設計實驗》課程教學探討

吳學舜+韓志強

摘 要： 《專業綜合設計實驗》課程要求通過靈活多樣的形式，使學生初步掌握專業的一些基本操作、實踐技能，同時在實踐過程中培養學生動手能力、分析解決實際問題的能力，以及創新精神和團隊意識。本文以發動機專業的“柴油機共軌壓力控制”實驗為對象，對該課程的教學內容和教學方法進行探討。

關鍵詞： 《專業綜合設計實驗》 汽車發動機 高壓共軌柴油機 軌壓控制

1.引言

培養大學生的綜合創新能力是培養學生工程素質的基礎。現今高校的重大使命就是高度重視學生的綜合創新能力培養，造就出適應新世紀知識經濟要求的創造型人才[1]。目前傳統汽車發動機實驗都是測量發動機的機械效率、速度特性、負荷特性等，單純依靠傳統教學實驗根本達不到培養具有綜合創新能力人才的目的，并且傳統教學實驗已經不能滿足行業發展和企業對畢業生的實踐技能、分析解決問題能力和團隊精神等的要求。本文以“柴油機共軌壓力控制”實驗為對象，闡述該課程應怎樣培養學生的綜合創新能力。

本實驗課程的改革旨在改變汽車發動機專業實驗課由老師講解實驗原理、實驗設備工作原理后按照既定實驗大綱操作，學生記錄實驗數據、處理數據后撰寫實驗報告的傳統實驗教學模式，提高學生在實驗教學中的參與程度和對所學知識的綜合運用解決專業相關問題的能力。本文將從實驗前、實驗中和實驗后三個部分介紹改革后的《專業綜合設計實驗》課程的開展。

2.實驗前教學

實驗前教學主要包括實驗原理的認識、實驗方案的制訂及實驗設備的準備三個部分，在每一部分充分發揮學生的能力，以學生為主、老師為輔。

2.1實驗原理的認識

該部分實驗老師根據實驗室條件及本學科發展情況提出一個實驗主題，該實驗主題必須有一定的前瞻性，對學生來說相對較陌生，并且實驗室的實驗條件能夠滿足實驗需求。如本次實驗課程改革中，根據實驗室具有的條件提出的實驗主題是“高壓共軌柴油機的共軌壓力控制”。因為首先柴油機采用高壓共軌系統，噴射定時、噴油量和噴射壓力各自獨立控制，可以實現靈活可控的噴油規律，不僅能夠優化燃燒、降低排放，還可以提高燃油經濟性、減少噪聲，是滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ，甚至歐Ⅴ排放法規的柴油機的理想電控燃油噴射系統[2]。共軌壓力不僅決定了噴油壓力的高低，而且是噴油計量的重要參數，其穩定性和過渡響應直接影響發動機啟動、怠速、加速等性能。共軌壓力的精確控制是共軌系統優于傳統供油系統的重要因素。該實驗主題的前瞻性較強，并且對學生理解專業的發展狀況有非常大的促進作用。其次，實驗室具有油泵試驗臺，能夠滿足高壓共軌壓力的實驗要求。

老師提出實驗主題后，學生需要利用課后時間查閱書籍或文獻深入了解該實驗主題，在該過程中老師可以指導學生查閱文獻方向。如本實驗主題中可以指導學生首先了解柴油機的發展歷程、柴油高壓共軌燃油供給系統的發展歷程、柴油高壓共軌系統的組成及工作原理、軌壓控制的原理、軌壓控制的方法等內容。這部分內容，學生需要利用到所學的《汽車發動機構造》、《汽車發動機原理》、《文獻檢索》、《發動機新技術》等課程知識，而了解的結果是利用所學《科技論文寫作》知識寫一篇關于本實驗主題“高壓共軌柴油機的共軌壓力控制”的論文，并且將此論文作為實驗報告的一部分。

這部分內容中，學生必須了解柴油機高壓共軌系統的組成如圖1所示，系統工作時燃油從郵箱經過集成在電控高壓油泵中的低壓油泵加壓后流經燃油計量閥，燃油計量閥控制進入到高壓油泵的燃油量，燃油經過高壓油泵加壓之后進入到共軌管中，共軌管中的燃油通過電控噴油器被噴入到氣缸中。在此系統中發動機的電控系統通過檢測共軌管中的燃油壓力與目標壓力的差值，從而改變燃油計量閥的控制信號的脈寬以控制進入到高壓油泵的燃油量，達到控制共軌壓力。在此控制過程中，一般采用的是PID反饋控制原理。

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制。特別對于被控對象的精確數學模型難以建立，系統的參數經常發生變化，運用控制理論分析綜合要耗費很大代價，卻不能得到預期效果。因此人們往往采用PID控制器，根據經驗進行在線整定，以便得到滿意的控制效果。

常規PID控制系統原理框圖如圖2所示，系統由模擬PID控制器和被控對象組成。

簡而言之，PID控制器各部分的作用如下：

①比例環節：即時成比例地反映控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。

②積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

③微分環節：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

2.2實驗方案的制訂

當學生對實驗主題有充分認識之后，就要開始制訂實驗方案，在這一部分，老師要引導學生根據之前對實驗原理部分的認識找到本實驗中噴油泵轉速、PID控制的參數、噴油器噴油量、軌壓突變量等參量影響共軌壓力穩定性。并且引導學生回顧自己所學的《汽車測試技術》知識找到這些參量的測量和控制方法，本實驗中可以通過控制驅動噴油泵工作的變頻電機控制和測量噴油泵的轉速、PID控制參數和軌壓突變量可以通過控制器的上位機直接控制和讀取、噴油量可以利用示波器測量噴油器的驅動信號脈寬，再利用噴油器的流量特性曲線計算出循環噴油量、共軌壓力可以通過壓阻式壓力傳感器測量。其次是必須知道判斷軌壓是否穩定的三個標準：波動范圍、超調量、恢復時間。

表1是學生根據實驗要求制作的PID控制參數對高壓共軌柴油機軌壓穩定性影響的實驗方案，在這部分實驗方案制定過程中，老師要與學生充分交流，充分發揮學生的主觀能動性，引導學生按照試驗大綱要求制訂實驗方案，同時提供部分實驗設備的參數及控制參數的范圍，如此方案制訂中老師要提供軌壓控制器的基本參數、P、I、D等控制參數的范圍，以及給出發動機常用的噴油脈寬和軌壓突變量。只有在這些控制參數都比較清楚的情況下，學生才能制定出比較合理的實驗方案。

表2是學生在表1中的實驗方案完成之后，根據實驗結果選出最優的P、I、D值后制訂的對高壓共軌柴油機軌壓控制進一步認識的實驗方案，從實驗結果中學生可以了解到發動機的運行參數如轉速（油泵轉速）、噴油量（噴油脈寬）、軌壓突變量對高壓共軌柴油機軌壓穩定性的影響，為進一步更精確更穩定地控制柴油機的軌壓提供依據。

3.實驗的開展

在這部分，實驗指導老師將根據實驗設備詳細介紹實驗設備的工作原理、操作方法及操作和使用注意事項。在實驗中將學生分組，一組學生進行實驗設備的操作、一組學生進行實驗現象的觀察及實驗結果記錄。兩組學生必須緊密協調和配合才能完成實驗，在整個實驗過程中，實驗指導老師在正式開始前應該給學生演示一下正確的實驗操作過程及指出正確的實驗現象，其他時間則在旁進行指導并且糾正學生可能有的不正當操作。

在實驗完成之后，指導老師帶領學生進行實驗的收尾工作，如實驗室水、電、氣、油等的關閉工作，實驗設備的規整工作，實驗衛生的打掃工作。

在整個實驗過程中要讓學生以主人翁的意識參與到實驗中，讓學生充分認識到科研實驗過程，養成良好的實驗習慣，為學生畢業后的工作做準備。

4.實驗報告

實驗報告的結構與傳統實驗報告機構一致主要包括實驗原理、實驗設備、實驗過程、實驗結果分析及實驗心得體會這五部分。但內容是有些差別的，如實驗原理部分的內容就是在前文中提到的一篇關于“高壓共軌柴油機的共軌壓力控制”的論文；實驗設備部分主要介紹在實驗中實驗指導老師介紹的實驗設備包括其原理及使用注意事項；實驗結果分析部分要求學生對得到的實驗數據進行處理、畫圖分析，最后從中找到一般規律或者嘗試運用學到的知識對試驗結果進行總結并且分析其原因。

本次實驗中有部分學生根據實驗過程及實驗結果分析總結出了高壓共軌柴油機軌壓控制的一般規律，得到了軌壓調節的PID口訣：

參數整定找最佳，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，比例度盤要放大。

曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。

曲線偏離回復慢，積分時間往下降。

曲線波動周期長，積分時間再加長。

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。

動差大來波動慢，微分時間應加長。

5.結語

以培養大學生綜合創新能力為目標的教育教學改革要求通過對課程體系教學內容、教學方法的改革營造創新型育人環境，克服理論脫離實際的趨勢，從而有效培養學生的創新思維能力和實踐動手能力。《專業綜合設計實驗》課程教學改革通過對教學內容和教學方法的改革，要求學生充分運用所學知識認識實驗內容、制訂實驗方案及動手完成實驗，從而在實踐過程中培養學生動手能力、分析解決實際問題的能力，培養學生的創新精神和團隊意識及良好的實驗習慣。

參考文獻：

[1]張曉紅，溫東東.機械類專業學生實踐創新能力的培養.考試周刊，2015，59.

[2]周龍寶.內燃機學（第三版）.機械工業出版社，2011.