《专业综合设计实验》课程教学探讨

吴学舜+韩志强

摘 要： 《专业综合设计实验》课程要求通过灵活多样的形式，使学生初步掌握专业的一些基本操作、实践技能，同时在实践过程中培养学生动手能力、分析解决实际问题的能力，以及创新精神和团队意识。本文以发动机专业的“柴油机共轨压力控制”实验为对象，对该课程的教学内容和教学方法进行探讨。

关键词： 《专业综合设计实验》 汽车发动机 高压共轨柴油机 轨压控制

1.引言

培养大学生的综合创新能力是培养学生工程素质的基础。现今高校的重大使命就是高度重视学生的综合创新能力培养，造就出适应新世纪知识经济要求的创造型人才[1]。目前传统汽车发动机实验都是测量发动机的机械效率、速度特性、负荷特性等，单纯依靠传统教学实验根本达不到培养具有综合创新能力人才的目的，并且传统教学实验已经不能满足行业发展和企业对毕业生的实践技能、分析解决问题能力和团队精神等的要求。本文以“柴油机共轨压力控制”实验为对象，阐述该课程应怎样培养学生的综合创新能力。

本实验课程的改革旨在改变汽车发动机专业实验课由老师讲解实验原理、实验设备工作原理后按照既定实验大纲操作，学生记录实验数据、处理数据后撰写实验报告的传统实验教学模式，提高学生在实验教学中的参与程度和对所学知识的综合运用解决专业相关问题的能力。本文将从实验前、实验中和实验后三个部分介绍改革后的《专业综合设计实验》课程的开展。

2.实验前教学

实验前教学主要包括实验原理的认识、实验方案的制订及实验设备的准备三个部分，在每一部分充分发挥学生的能力，以学生为主、老师为辅。

2.1实验原理的认识

该部分实验老师根据实验室条件及本学科发展情况提出一个实验主题，该实验主题必须有一定的前瞻性，对学生来说相对较陌生，并且实验室的实验条件能够满足实验需求。如本次实验课程改革中，根据实验室具有的条件提出的实验主题是“高压共轨柴油机的共轨压力控制”。因为首先柴油机采用高压共轨系统，喷射定时、喷油量和喷射压力各自独立控制，可以实现灵活可控的喷油规律，不仅能够优化燃烧、降低排放，还可以提高燃油经济性、减少噪声，是满足欧Ⅲ、欧Ⅳ，甚至欧Ⅴ排放法规的柴油机的理想电控燃油喷射系统[2]。共轨压力不仅决定了喷油压力的高低，而且是喷油计量的重要参数，其稳定性和过渡响应直接影响发动机启动、怠速、加速等性能。共轨压力的精确控制是共轨系统优于传统供油系统的重要因素。该实验主题的前瞻性较强，并且对学生理解专业的发展状况有非常大的促进作用。其次，实验室具有油泵试验台，能够满足高压共轨压力的实验要求。

老师提出实验主题后，学生需要利用课后时间查阅书籍或文献深入了解该实验主题，在该过程中老师可以指导学生查阅文献方向。如本实验主题中可以指导学生首先了解柴油机的发展历程、柴油高压共轨燃油供给系统的发展历程、柴油高压共轨系统的组成及工作原理、轨压控制的原理、轨压控制的方法等内容。这部分内容，学生需要利用到所学的《汽车发动机构造》、《汽车发动机原理》、《文献检索》、《发动机新技术》等课程知识，而了解的结果是利用所学《科技论文写作》知识写一篇关于本实验主题“高压共轨柴油机的共轨压力控制”的论文，并且将此论文作为实验报告的一部分。

这部分内容中，学生必须了解柴油机高压共轨系统的组成如图1所示，系统工作时燃油从邮箱经过集成在电控高压油泵中的低压油泵加压后流经燃油计量阀，燃油计量阀控制进入到高压油泵的燃油量，燃油经过高压油泵加压之后进入到共轨管中，共轨管中的燃油通过电控喷油器被喷入到气缸中。在此系统中发动机的电控系统通过检测共轨管中的燃油压力与目标压力的差值，从而改变燃油计量阀的控制信号的脉宽以控制进入到高压油泵的燃油量，达到控制共轨压力。在此控制过程中，一般采用的是PID反馈控制原理。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。特别对于被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合要耗费很大代价，却不能得到预期效果。因此人们往往采用PID控制器，根据经验进行在线整定，以便得到满意的控制效果。

常规PID控制系统原理框图如图2所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

简而言之，PID控制器各部分的作用如下：

①比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

③微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

2.2实验方案的制订

当学生对实验主题有充分认识之后，就要开始制订实验方案，在这一部分，老师要引导学生根据之前对实验原理部分的认识找到本实验中喷油泵转速、PID控制的参数、喷油器喷油量、轨压突变量等参量影响共轨压力稳定性。并且引导学生回顾自己所学的《汽车测试技术》知识找到这些参量的测量和控制方法，本实验中可以通过控制驱动喷油泵工作的变频电机控制和测量喷油泵的转速、PID控制参数和轨压突变量可以通过控制器的上位机直接控制和读取、喷油量可以利用示波器测量喷油器的驱动信号脉宽，再利用喷油器的流量特性曲线计算出循环喷油量、共轨压力可以通过压阻式压力传感器测量。其次是必须知道判断轨压是否稳定的三个标准：波动范围、超调量、恢复时间。

表1是学生根据实验要求制作的PID控制参数对高压共轨柴油机轨压稳定性影响的实验方案，在这部分实验方案制定过程中，老师要与学生充分交流，充分发挥学生的主观能动性，引导学生按照试验大纲要求制订实验方案，同时提供部分实验设备的参数及控制参数的范围，如此方案制订中老师要提供轨压控制器的基本参数、P、I、D等控制参数的范围，以及给出发动机常用的喷油脉宽和轨压突变量。只有在这些控制参数都比较清楚的情况下，学生才能制定出比较合理的实验方案。

表2是学生在表1中的实验方案完成之后，根据实验结果选出最优的P、I、D值后制订的对高压共轨柴油机轨压控制进一步认识的实验方案，从实验结果中学生可以了解到发动机的运行参数如转速（油泵转速）、喷油量（喷油脉宽）、轨压突变量对高压共轨柴油机轨压稳定性的影响，为进一步更精确更稳定地控制柴油机的轨压提供依据。

3.实验的开展

在这部分，实验指导老师将根据实验设备详细介绍实验设备的工作原理、操作方法及操作和使用注意事项。在实验中将学生分组，一组学生进行实验设备的操作、一组学生进行实验现象的观察及实验结果记录。两组学生必须紧密协调和配合才能完成实验，在整个实验过程中，实验指导老师在正式开始前应该给学生演示一下正确的实验操作过程及指出正确的实验现象，其他时间则在旁进行指导并且纠正学生可能有的不正当操作。

在实验完成之后，指导老师带领学生进行实验的收尾工作，如实验室水、电、气、油等的关闭工作，实验设备的规整工作，实验卫生的打扫工作。

在整个实验过程中要让学生以主人翁的意识参与到实验中，让学生充分认识到科研实验过程，养成良好的实验习惯，为学生毕业后的工作做准备。

4.实验报告

实验报告的结构与传统实验报告机构一致主要包括实验原理、实验设备、实验过程、实验结果分析及实验心得体会这五部分。但内容是有些差别的，如实验原理部分的内容就是在前文中提到的一篇关于“高压共轨柴油机的共轨压力控制”的论文；实验设备部分主要介绍在实验中实验指导老师介绍的实验设备包括其原理及使用注意事项；实验结果分析部分要求学生对得到的实验数据进行处理、画图分析，最后从中找到一般规律或者尝试运用学到的知识对试验结果进行总结并且分析其原因。

本次实验中有部分学生根据实验过程及实验结果分析总结出了高压共轨柴油机轨压控制的一般规律，得到了轨压调节的PID口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查。

先是比例后积分，最后再把微分加。

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。

曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。

曲线偏离回复慢，积分时间往下降。

曲线波动周期长，积分时间再加长。

曲线振荡频率快，先把微分降下来。

动差大来波动慢，微分时间应加长。

5.结语

以培养大学生综合创新能力为目标的教育教学改革要求通过对课程体系教学内容、教学方法的改革营造创新型育人环境，克服理论脱离实际的趋势，从而有效培养学生的创新思维能力和实践动手能力。《专业综合设计实验》课程教学改革通过对教学内容和教学方法的改革，要求学生充分运用所学知识认识实验内容、制订实验方案及动手完成实验，从而在实践过程中培养学生动手能力、分析解决实际问题的能力，培养学生的创新精神和团队意识及良好的实验习惯。

参考文献：

[1]张晓红，温东东.机械类专业学生实践创新能力的培养.考试周刊，2015，59.

[2]周龙宝.内燃机学（第三版）.机械工业出版社，2011.