石磊 安俊超 曹永青 柳翊 左寒松 張偉
[摘 要] 探討材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)中的傳統(tǒng)和現(xiàn)代《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題,結(jié)合應(yīng)用型大學(xué)該專業(yè)的培養(yǎng)特點提出改進《金屬材料成型自動控制》課程的方法以及具體的實施方式,經(jīng)過對畢業(yè)生的跟蹤調(diào)查,驗證改革的效果和必要性。
[關(guān) 鍵 詞] 應(yīng)用型大學(xué);材料成型及控制工程;自動控制;課程改革
[中圖分類號] G648 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603(2018)19-0084-02
近年來,建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)成為國內(nèi)高等院校體制改革的重要課題,筆者所在的院校承載著歷史賦予的使命在應(yīng)用型大學(xué)教育戰(zhàn)線上篳路藍縷、開拓奮進,在推動應(yīng)用型大學(xué)的改革和教育發(fā)展的過程中應(yīng)發(fā)揮應(yīng)有的職能作用。《金屬材料成型自動控制》是材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。推進《金屬材料成型自動控制》課程的教科研創(chuàng)新、提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生基本素質(zhì)、強化專業(yè)方向的引領(lǐng)作用,必須大力深化課程改革,為應(yīng)用型大學(xué)教育質(zhì)量提升和內(nèi)涵發(fā)展努力。
一、《金屬材料成型自動控制》課程的定位與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容
《金屬材料成型自動控制》課程在我國工科專業(yè)中屬于專業(yè)基礎(chǔ)課,不少大學(xué)將其列為必修課。該課程近幾年的發(fā)展主要為淡化經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制與智能控制的界限,突出實用論和方法論;重點闡述與材料成型密切相關(guān)的共性問題,適應(yīng)拓寬相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方向口徑的需要;不苛求嚴格的數(shù)學(xué)公式推證和理論精度,從直觀的物理屬性概念出發(fā)去分析問題與解決問題;特別重視在工程上的直接應(yīng)用,教學(xué)中附有較多機械、電子、液壓、氣動等方面的理論,還提供控制理論和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)方框圖在工程中應(yīng)用。
關(guān)于控制理論和方法方面,目前國內(nèi)外除采用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)外,大多數(shù)該課程的改革中還采用SPSS軟件和MATLAB等先進軟件分析和設(shè)計系統(tǒng);教學(xué)研究改革的目標是使課程趨于教師好教學(xué)生易學(xué);達到理工科的加工類、機械類等專業(yè)的培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力與傳授科學(xué)知識水平提高的目的。
傳統(tǒng)式的《金屬材料成型自動控制》課程教育以講述《控制工程基礎(chǔ)》中的經(jīng)典控制論為主,使學(xué)生學(xué)會運用信息處理、系統(tǒng)分析與綜合、解決控制程序的基本方法。一般的,還教授線性和非線性控制系統(tǒng)、計算機采樣控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)計算機輔助分析的基本方法,以使學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)建立起這方面的基本概念。具體內(nèi)容一般包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)和計算機采樣控制系統(tǒng)、時域響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析、誤差分析、系統(tǒng)的綜合與校正、非穩(wěn)定性分析。因此較為適合于機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)、材料成型與控制工程專業(yè)。
二、現(xiàn)代《金屬材料成型自動控制》的教學(xué)現(xiàn)狀
現(xiàn)代《金屬材料成型自動控制》課程的細分領(lǐng)域主要包括基于模擬結(jié)果的控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,用于對比實際加工的實時步驟;還包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性過程分析;控制系統(tǒng)的頻率特性;控制系統(tǒng)的誤差分析和計算;控制系統(tǒng)的綜合與校正;根軌跡法;控制系統(tǒng)的線性和非線性問題;計算機過程控制系統(tǒng)。針對前述幾個方面,傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要有拉格朗日法、逼近法、控制工程的理論、省略法等;從分析誤差到非線性設(shè)計傳統(tǒng)的教學(xué)方法以幾種經(jīng)典的控制方法為主。針對計算機控制系統(tǒng),現(xiàn)有的教學(xué)方法無法體現(xiàn)出針對材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)生所面對的工作崗位的難題,整體教學(xué)方法無法對材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)生所面對的工作條件創(chuàng)造有利的方法。雖然學(xué)習(xí)完成后對計算機控制系統(tǒng)有一定的了解,但是在工作的初級階段,對現(xiàn)場控制的理解和解決工作并不能完全勝任。
隨著應(yīng)用型大學(xué)教育理念的提出,采用經(jīng)典控制理論介紹為主、以公式推導(dǎo)控制理論建立為主要教育方法的已經(jīng)不再全部適用。而在材料成型及控制工程專業(yè)的控制工程課程教育中,與專業(yè)息息相關(guān)的軋制控制、擠壓控制、鍛壓控制和鑄造過程中的凝固控制無法得到具體體現(xiàn),使學(xué)生無法更為直觀地了解《金屬材料成型自動控制》課程的意義和理論。
三、課程亟待改革的問題
為適應(yīng)自動控制技術(shù)針對材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后所對應(yīng)的行業(yè)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀,應(yīng)該加入自動控制在硬件和軟件兩個方面的基本原理教育、主要數(shù)學(xué)模型的基本構(gòu)成、不同成形方法過程如連鑄、擠壓、加熱和軋制等對自動控制技術(shù)的要求和發(fā)展現(xiàn)狀,其中材料成型過程的自動控制應(yīng)是本課程教授的重點。還應(yīng)包含技術(shù)發(fā)展,使學(xué)生接觸較為前沿的內(nèi)容。從自動控制的基本概念到自動控制原理,如軋制/擠壓/鑄造凝固特色成形(以下簡稱特色成形)控制計算機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,特色成形過程計算機控制系統(tǒng),特色成形生產(chǎn)過程自動控制,特色成形中所用到的連續(xù)加熱爐生產(chǎn)過程自動控制,高速線材生產(chǎn)過程自動控制,軋制過程在厚度、連軋張力、活套、板形、溫度和位置方面的自動控制,凝固過程中的凝固方向和凝固速度控制。
基于以上分析,《金屬材料成型自動控制》這門課程在材料成型及控制工程專業(yè)教育中已經(jīng)越來越受到重視,由于傳統(tǒng)方法理論推導(dǎo)較多、控制方法和過程的可視化的教學(xué)較少、學(xué)生通過學(xué)習(xí)無法達到對控制過程進行設(shè)計、使用和維修的能力等局限性,迫切需要發(fā)展《金屬材料成型自動控制》課程的控制過程可視化改革。然而,由于關(guān)于材料成型專業(yè)的控制過程的復(fù)雜性,單純采用課堂講解教學(xué)方法和增加試驗課程方法都難以準確、全面地實現(xiàn)學(xué)生對控制過程的預(yù)測與控制可調(diào)性。
四、課程改革的具體方式
1.增加原課程中的實驗部分,單列《金屬材料成型自動控制綜合實驗》課程:將物理實驗控制過程模擬、控制過程數(shù)值模擬和可視化教具有機結(jié)合,對《金屬材料成型自動控制》課程在材料成型及控制工程專業(yè)的教學(xué)問題進行系統(tǒng)深入的實驗性研究,深刻理解與解決這些關(guān)鍵教學(xué)問題。
2.理論教學(xué)與實驗有機結(jié)合,采用合理的控制過程教具:PLC控制器的使用及其編程實驗6個課時以上,深入了解PLC梯形圖觸點狀態(tài)與邏輯的關(guān)系,梯形圖中線圈相關(guān)的編程元件的狀態(tài)。實驗接近梯形圖預(yù)研從左至右、從上到下的常規(guī)順序。根據(jù)映像寄存器中的輸入進而學(xué)習(xí)邏輯解算。
3.小型橡皮泥軋制機的物理模擬應(yīng)用:采用橡皮泥作為模擬軋制的材料,一般采用家用50~100mm軋輥直徑的“壓面條機”改造成小型軋機,改造加入壓下控制裝置執(zhí)行系統(tǒng),軋機啟停自動控制,壓下和軋輥轉(zhuǎn)速自動控制模仿速度級控制系統(tǒng)。
4.鑄造成型過程的連續(xù)生產(chǎn)線及凝固組織控制:在小型鑄造模擬生產(chǎn)線上采用PLC控制器和相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)完成翻箱造型、澆鑄系統(tǒng)液位控制和角度控制。利用液態(tài)水或乙醇在透明容器內(nèi)一側(cè)加液氮冷卻產(chǎn)生定向凝固控制的觀察系統(tǒng)。將物理實驗控制過程模擬、成型過程控制數(shù)值模擬和微觀成型過程的有機結(jié)合。
通過以上四個方面的《金屬材料成型自動控制》實驗課程改革,筆者所在的院系材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)生進入崗位以后,能較快適應(yīng)所在鑄造、軋制等崗位;根據(jù)目前對畢業(yè)后對口專業(yè)的17名學(xué)生的跟蹤調(diào)查,超過70%的畢業(yè)生完全勝任崗位的實習(xí)時間比采用先前采用傳統(tǒng)《控制工程基礎(chǔ)》課程教育的畢業(yè)生快50%以上。
五、結(jié)語
根據(jù)我校應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)改革的迫切需求,結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)特點,針對《金屬材料成型自動控制》進行了課程改革,改革的效果良好,實用性更強,畢業(yè)生對相關(guān)工作崗位的適應(yīng)能力大幅提升,有助于應(yīng)用型大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高。
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