熱工過程自動調(diào)節(jié)課程認知與教學方法淺析

1 引言
“熱工過程自動調(diào)節(jié)”是南京工程學院能源與動力工程學院的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其授課對象是熱能工程、能源信息與自動化系的本科生，旨在培養(yǎng)學生對電站自動控制系統(tǒng)的分析能力，增強對電廠實際調(diào)節(jié)系統(tǒng)的了解。本課程主要涉及自動調(diào)節(jié)原理和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分，前者偏理論研究，后者則將理論與現(xiàn)場被控對象相結(jié)合，因此，該門課程使學生掌握自動調(diào)節(jié)的基本理論，在此基礎(chǔ)上掌握實際電站自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定方法，側(cè)重培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，為學生今后從事火力發(fā)電廠整個熱工控制系統(tǒng)的控制工作打下必要的基礎(chǔ)。
該課程注重與工程實際的交叉滲透，重點培養(yǎng)學生理論學習能力和實際應(yīng)用能力，從理論到實踐的思路，深入淺出，掌握控制基本原理、基本設(shè)計思路以及電站中的典型控制實例。自動控制原理部分涉及高等數(shù)學中的積分和復(fù)變函數(shù)，這一部分需要學生具有扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，夯實的專業(yè)基礎(chǔ)基本功以及較強的抽象思維、邏輯思維和計算能力。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)部分研究包含給水系統(tǒng)、過熱汽溫系統(tǒng)、燃燒控制等火電廠中的典型控制的特點及其設(shè)計思路，需要學生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，深度了解火電廠整體運行流程和能流方向。
如果學生只是為了應(yīng)對考試而機械地強記各種公式，就不知如何應(yīng)對電站控制系統(tǒng)的實際問題。因此，為了達到該課程教學大綱的教學要求，教師需掌握全局觀，緊靠大綱，重點突出，帶領(lǐng)學生掌握好這門課程。
2 課程內(nèi)容認知
該課程涉及的先修課程有高等數(shù)學、電工學、鍋爐原理、汽輪機原理、熱工測量技術(shù)等基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課，因此，在涉及相關(guān)數(shù)學知識時，有必要在課堂上對其進行回顧。
“自動調(diào)節(jié)的基本概念”章節(jié)是全課程的切入點，以自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成和系統(tǒng)方框圖學習為重點，需要學生理解自動調(diào)節(jié)的常用術(shù)語和分類，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程有較系統(tǒng)地完整認識；掌握主要品質(zhì)指標意義和求取方法。
在“自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學模型”章節(jié)里，傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換是教學重點，前者是理解控制原理的基礎(chǔ)，而后者則是微分方程轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)的重要工具。在涉及這些重點內(nèi)容時，有必要在環(huán)節(jié)特性數(shù)學描述的基礎(chǔ)上，掌握傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)或環(huán)節(jié)動態(tài)特性的方法，了解典型擾動和基本環(huán)節(jié)的數(shù)學描述，并將拉普拉斯變換與微分方程相結(jié)合建立模型，使學生充分理解傳遞函數(shù)的概念。
控制系統(tǒng)控制的最基本要求包括穩(wěn)定性，對于線性系統(tǒng)來說，特征方程根的分布決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。理解系統(tǒng)特征方程特征根和系統(tǒng)穩(wěn)定性的數(shù)學關(guān)系（二階系統(tǒng)），熟練掌握勞斯判據(jù)，了解頻域分析的數(shù)學基礎(chǔ)，理解乃奎斯特判據(jù)是學習穩(wěn)定性分析這一章節(jié)的主要內(nèi)容。
在汽輪發(fā)電機組典型自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)教學過程中，需要結(jié)合理論知識對電站鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本工作原理和整定方法、主蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本工作原理與整定方法、燃燒自動控制系統(tǒng)的基本方案、主控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)控制的基本方案有一定程度的了解。
除了課堂理論教學之外，增加了典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性、單回路控制系統(tǒng)整定、汽包鍋爐過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定等實驗。在指導(dǎo)學生實驗過程中，應(yīng)該將實驗現(xiàn)象分析的能力和實驗結(jié)果作為重點考查內(nèi)容。以汽包鍋爐過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定實驗為例：1）從理論角度對整定參數(shù)的幾種方法進行回顧；2）仿真整定并分析火電廠高中壓鍋爐過熱汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的兩種基本方案：A 過熱汽溫串級自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，B 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；3）整定一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般采用計算整定法和工程整定法。
本課程設(shè)計要求：用適當?shù)恼ǚ椒ǚ謩e求出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)；再次，采用Matlab 軟件進行仿真，得出滿意的整定參數(shù)；最后，進行分析總結(jié)。這樣，通過理論知識和實驗結(jié)果相結(jié)合，加深學生對知識的理解力和利用所學知識實驗現(xiàn)象的分析能力。
3 教學方法
教學方法多樣性是指教師在教學過程中應(yīng)有針對性地選用，旨在調(diào)動學生自主學習的積極性，充分激發(fā)學生的學習主觀能動性，最終達到提高解決問題的能力，不斷提高教學質(zhì)量的目的。
3.1 互動式教學
當在講授過程中遇到的一些重點和難點問題時，特別是收到學生課堂課后的難點反饋時，可以設(shè)置交互教學點，例如在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定的章節(jié)學習時，讓學生自發(fā)成組，相互之間進行交流和討論，最后由學生來介紹解決問題的過程和小結(jié)。以“提出問題———多角度思考———積極探索———縝密解答”的模式，引導(dǎo)學生從各個角度、各個側(cè)面來理解理論知識，并以此為依據(jù)解決現(xiàn)場實際問題，最終對問題的解決情況進行分析，促進學生自主性、探索性和協(xié)同性學習的習慣，重點體現(xiàn)“教師為主導(dǎo)，學員為主體”的教學思想，切實提高學生分析、解決問題的能力。
3.2 案例式教學
在教學過程中適當增加情景教學，可以加深學生學習、吸收新知識的效果。因此，在講解課程相應(yīng)知識點時，借助具體的案例可以達到事半功倍的效果。如在講解內(nèi)外回路整定時，首先講解內(nèi)外回路的不同特性以及各自對應(yīng)的整定方法，然后再選擇火電廠常見案例來具體介紹，比如機組汽溫控制，有助于學生對學習內(nèi)容理解的同時，也可以加深學生對所學知識的印象。由學生來尋找一些實際的內(nèi)外回路整定的現(xiàn)場實例，并分析各自系統(tǒng)的特點，可以提高學生的學習興趣，吸引所有的學生參與、思考和作答，加深對知識點的理解，鍛煉學生的學習能力。
3.3 角色互換式教學
該教學方式是教師與學生就某個特定施教目標組成團隊或搭檔進行協(xié)同教學模式。在教學過程中，他們相互協(xié)調(diào)，相互學習，互為補充，共同提高，共同完善。首先由教師主導(dǎo)，完成相關(guān)預(yù)先的設(shè)計與組織，繼而拋出某一問題或知識點，并啟發(fā)學生進行討論，通過組織積極的討論，讓學生各抒己見，主動探尋知識，以達到訓練學生多層次解決問題能力的目的。在課程教學過程中做好角色互換式教學需要要協(xié)調(diào)好以下關(guān)系：教師教和學生學的耦合關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)資源和教材相互補充的關(guān)系；現(xiàn)代和傳統(tǒng)教育技術(shù)充分融合的關(guān)系；面向整體學生和因材施教的關(guān)系。
4 結(jié)語
筆者結(jié)合自己在“熱工過程自動調(diào)節(jié)”教學過程中的具體做法，對該課程的認知和教學方法做出探討。該課程既要求學生掌握基本的熱工過程自動調(diào)節(jié)原理，又要求學生掌握火電廠中實際的控制系統(tǒng)，理解控制理論和電站實際系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)系，著重培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力。
簡言之，該課程是一門理論性和實踐性很強的課程，對于學生理解機組運行調(diào)節(jié)規(guī)律十分重要，因此，教師在教學過程中還需要不斷地探索研究各種教學方法，在實踐中驗證并不斷地改進，切實提高教學質(zhì)量。