吳學(xué)舜+韓志強

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

關(guān)鍵詞： 《專業(yè)綜合設(shè)計實驗》 汽車發(fā)動機 高壓共軌柴油機 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)。現(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)知識經(jīng)濟要求的創(chuàng)造型人才[1]。目前傳統(tǒng)汽車發(fā)動機實驗都是測量發(fā)動機的機械效率、速度特性、負荷特性等，單純依靠傳統(tǒng)教學(xué)實驗根本達不到培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力人才的目的，并且傳統(tǒng)教學(xué)實驗已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展和企業(yè)對畢業(yè)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(yīng)怎樣培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

本實驗課程的改革旨在改變汽車發(fā)動機專業(yè)實驗課由老師講解實驗原理、實驗設(shè)備工作原理后按照既定實驗大綱操作，學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)后撰寫實驗報告的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，提高學(xué)生在實驗教學(xué)中的參與程度和對所學(xué)知識的綜合運用解決專業(yè)相關(guān)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(yè)綜合設(shè)計實驗》課程的開展。

2.實驗前教學(xué)

實驗前教學(xué)主要包括實驗原理的認識、實驗方案的制訂及實驗設(shè)備的準(zhǔn)備三個部分，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實驗原理的認識

該部分實驗老師根據(jù)實驗室條件及本學(xué)科發(fā)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(xué)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(jù)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(tǒng)，噴射定時、噴油量和噴射壓力各自獨立控制，可以實現(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，而且是噴油計量的重要參數(shù)，其穩(wěn)定性和過渡響應(yīng)直接影響發(fā)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(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)供油系統(tǒng)的重要因素。該實驗主題的前瞻性較強，并且對學(xué)生理解專業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r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(xué)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(dǎo)學(xué)生查閱文獻方向。如本實驗主題中可以指導(dǎo)學(xué)生首先了解柴油機的發(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《汽車發(fā)動機構(gòu)造》、《汽車發(fā)動機原理》、《文獻檢索》、《發(fā)動機新技術(shù)》等課程知識，而了解的結(jié)果是利用所學(xué)《科技論文寫作》知識寫一篇關(guān)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(nèi)容中，學(xué)生必須了解柴油機高壓共軌系統(tǒng)的組成如圖1所示，系統(tǒng)工作時燃油從郵箱經(jīng)過集成在電控高壓油泵中的低壓油泵加壓后流經(jīng)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(jīng)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(tǒng)中發(fā)動機的電控系統(tǒng)通過檢測共軌管中的燃油壓力與目標(biāo)壓力的差值，從而改變?nèi)加陀嬃块y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(fā)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(yīng)用于工業(yè)過程控制。特別對于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合要耗費很大代價，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)驗進行在線整定，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控制器和被控對象組成。

簡而言之，PID控制器各部分的作用如下：

①比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號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)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

③微分環(huán)節(jié)：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(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

2.2實驗方案的制訂

當(dāng)學(xué)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(dǎo)學(xué)生根據(jù)之前對實驗原理部分的認識找到本實驗中噴油泵轉(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《汽車測試技術(shù)》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(qū)動噴油泵工作的變頻電機控制和測量噴油泵的轉(zhuǎn)速、PID控制參數(shù)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(qū)動信號脈寬，再利用噴油器的流量特性曲線計算出循環(huán)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(wěn)定的三個標(biāo)準(zhǔn)：波動范圍、超調(diào)量、恢復(fù)時間。

表1是學(xué)生根據(jù)實驗要求制作的PID控制參數(shù)對高壓共軌柴油機軌壓穩(wěn)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(xué)生充分交流，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生按照試驗大綱要求制訂實驗方案，同時提供部分實驗設(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)動機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驗方案。

表2是學(xué)生在表1中的實驗方案完成之后，根據(jù)實驗結(jié)果選出最優(yōu)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(jié)果中學(xué)生可以了解到發(fā)動機的運行參數(shù)如轉(zhuǎn)速（油泵轉(zhuǎn)速）、噴油量（噴油脈寬）、軌壓突變量對高壓共軌柴油機軌壓穩(wěn)定性的影響，為進一步更精確更穩(wěn)定地控制柴油機的軌壓提供依據(jù)。

3.實驗的開展

在這部分，實驗指導(dǎo)老師將根據(jù)實驗設(shè)備詳細介紹實驗設(shè)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(xué)生分組，一組學(xué)生進行實驗設(shè)備的操作、一組學(xué)生進行實驗現(xiàn)象的觀察及實驗結(jié)果記錄。兩組學(xué)生必須緊密協(xié)調(diào)和配合才能完成實驗，在整個實驗過程中，實驗指導(dǎo)老師在正式開始前應(yīng)該給學(xué)生演示一下正確的實驗操作過程及指出正確的實驗現(xiàn)象，其他時間則在旁進行指導(dǎo)并且糾正學(xué)生可能有的不正當(dāng)操作。

在實驗完成之后，指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生進行實驗的收尾工作，如實驗室水、電、氣、油等的關(guān)閉工作，實驗設(shè)備的規(guī)整工作，實驗衛(wèi)生的打掃工作。

在整個實驗過程中要讓學(xué)生以主人翁的意識參與到實驗中，讓學(xué)生充分認識到科研實驗過程，養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，為學(xué)生畢業(yè)后的工作做準(zhǔn)備。

4.實驗報告

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

本次實驗中有部分學(xué)生根據(jù)實驗過程及實驗結(jié)果分析總結(jié)出了高壓共軌柴油機軌壓控制的一般規(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，比例度盤要放大。

曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。

曲線偏離回復(fù)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(yīng)加長。

5.結(jié)語

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)改革要求通過對課程體系教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革營造創(chuàng)新型育人環(huán)境，克服理論脫離實際的趨勢，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力?！秾I(yè)綜合設(shè)計實驗》課程教學(xué)改革通過對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，要求學(xué)生充分運用所學(xué)知識認識實驗內(nèi)容、制訂實驗方案及動手完成實驗，從而在實踐過程中培養(yǎng)學(xué)生動手能力、分析解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團隊意識及良好的實驗習(xí)慣。

參考文獻：

[1]張曉紅，溫東東.機械類專業(yè)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng).考試周刊，2015，59.

[2]周龍寶.內(nèi)燃機學(xué)（第三版）.機械工業(yè)出版社，2011.