案例教學(xué)在控制工程領(lǐng)域研究生專業(yè)課程中的應(yīng)用

摘 要：智能控制理論與技術(shù)、火電廠先進(jìn)控制是電力學(xué)院控制科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科、控制工程領(lǐng)域兩門重要的專業(yè)課程，將火電廠噴射器的3D數(shù)值仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、蒸汽壓力/溫度控制等研究成果以工程案例形式應(yīng)用于課程教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生研究和實(shí)踐的主動(dòng)性。這種基于案例的實(shí)踐性研究教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生問題解決能力和決策能力，具有很好的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；智能控制；噴射器；壓力/溫度控制

中圖分類號(hào)：TP13；G643.2" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-260X（2025）02-0109-03

智能控制理論與技術(shù)、火電廠先進(jìn)控制課程是電力學(xué)院控制科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科、電子信息專業(yè)學(xué)位控制工程領(lǐng)域的兩門重要的專業(yè)課，也是電氣工程一級(jí)學(xué)科的跨學(xué)科選修課。課程主要講授模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本分析方法和設(shè)計(jì)方法[1]，以及在生產(chǎn)實(shí)際中的一些典型應(yīng)用。通過智能控制理論及高性能控制器設(shè)計(jì)等多方面的深入研究，以達(dá)到控制理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合、進(jìn)一步加深理論研究的目的，對(duì)于相關(guān)學(xué)科碩士研究生的專業(yè)理論學(xué)習(xí)、實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。兩門課程的相關(guān)教材和參考資料較多，應(yīng)用實(shí)例也很多，如將模糊控制應(yīng)用于水位控制系統(tǒng)[2]，應(yīng)用于單級(jí)倒立擺控制，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)[3]、系統(tǒng)辨識(shí)、石灰窯的內(nèi)模控制、火電廠預(yù)測(cè)控制、PID控制、模型參考自適應(yīng)控制、再勵(lì)學(xué)習(xí)控制等。教材中的典型應(yīng)用場(chǎng)景和例題雖然很多，但沒有形成由建模、分析、設(shè)計(jì)到應(yīng)用的全流程體系，與學(xué)生的認(rèn)知相距較遠(yuǎn)，學(xué)生經(jīng)常望而卻步，并不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索欲望。

建設(shè)課程教學(xué)案例，可以將科研工作者的研究成果，以工程案例形式加以整理，有效結(jié)合參與式教學(xué)方法及現(xiàn)代技術(shù)，使學(xué)生通過參與實(shí)際案例全流程分析，逐步掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟。案例教學(xué)可以改造我們的傳統(tǒng)教學(xué)模式，改善教師在課堂教學(xué)過程中過分使用講授而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、參與度不足、不同學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果差異過大等問題，能有效提升研究生學(xué)習(xí)的進(jìn)度[4，5]。

1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)思路

在火電廠的生產(chǎn)過程中，汽輪機(jī)排氣浪費(fèi)了大量的熱能，通過蒸汽噴射器可以將這部分熱能回收利用，用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水或推動(dòng)汽輪機(jī)供電。因此，熱電聯(lián)供成為一種能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的產(chǎn)物，其高效、環(huán)保、穩(wěn)定的能源利用方式，能夠同時(shí)滿足北方居民的用電和供熱需求。蒸汽噴射器作為熱電聯(lián)供的核心器件之一，能夠在不消耗額外機(jī)械能的情況下，回收利用低溫廢氣中的熱能并轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)熱能，實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞，是決定熱電聯(lián)供能量利用效率的關(guān)鍵因素之一[6]。對(duì)乏汽供熱系統(tǒng)中的大型蒸汽噴射器進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬分析和智能算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其引射性能，進(jìn)而提升乏汽供熱系統(tǒng)的能源利用效率具有較高的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

為有效應(yīng)對(duì)節(jié)能減排、降本增效的挑戰(zhàn)，優(yōu)化大型蒸汽噴射器的引射性能就顯得尤為重要。案例通過分析蒸汽噴射器的工作機(jī)理及內(nèi)部構(gòu)造，針對(duì)其結(jié)構(gòu)形狀、工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高蒸汽噴射器的噴射性能，在滿足城市供電供熱的條件下，為火電廠的節(jié)能減排和能源利用效率的提升提供有力支持，積極響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能減排政策[7]。建設(shè)“噴射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工作蒸汽壓力/溫度控制”教學(xué)案例，具有廣泛的應(yīng)用前景，教學(xué)案例設(shè)計(jì)的總體思路如圖1所示。

2 噴射器結(jié)構(gòu)

蒸汽噴射器是一種利用高速蒸汽的沖擊效應(yīng)來增壓、混合、加熱、冷卻等的設(shè)備。其結(jié)構(gòu)由拉瓦爾噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)散器等組成，蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)如圖2所示，運(yùn)行參數(shù)如表1所示，初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過三維建模軟件CREO建立簡(jiǎn)化后的蒸汽噴射器三維軸對(duì)稱模型，模型如圖2所示，后續(xù)導(dǎo)入到CFD流體力學(xué)軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 教學(xué)案例建設(shè)內(nèi)容

蒸汽噴射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科的理論知識(shí)，能夠形成“建模—分析—設(shè)計(jì)—優(yōu)化”一體化的體系，通過對(duì)特定案例的深入分析，可以幫助學(xué)生更好地理解問題的本質(zhì)和解決方法，是學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)、由旁觀者轉(zhuǎn)變成學(xué)習(xí)主導(dǎo)者的重要手段，噴射器教學(xué)案例可以實(shí)現(xiàn)以下多個(gè)方面的知識(shí)綜合、能力訓(xùn)練和素養(yǎng)提升，詳見表3。

該教學(xué)案例的建設(shè)可以為智能控制理論與技術(shù)、火電廠先進(jìn)控制技術(shù)、自動(dòng)控制理論、現(xiàn)代控制理論等課程提供教學(xué)資源，學(xué)生既能夠得到理論知識(shí)的理解提升，也能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，并完成計(jì)算機(jī)FLUENT、MATLAB/SIMULINK及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的訓(xùn)練。

4 教學(xué)案例建設(shè)意義總結(jié)

噴射器案例教學(xué)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）加深理解理論知識(shí)。噴射器案例教學(xué)可以幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)。在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過程中，通過噴射器數(shù)值仿真分析及控制策略的實(shí)際案例分析，可以幫助學(xué)生們更加直觀地理解經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論的抽象理論知識(shí)，將理論與火電廠生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，加深對(duì)理論知識(shí)、控制策略的理解。噴射器教學(xué)案例涉及熱能動(dòng)力、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，可以增強(qiáng)學(xué)生綜合知識(shí)的應(yīng)用能力。（2）培養(yǎng)分析和解決問題的能力。進(jìn)行噴射器案例的分析，要求學(xué)生對(duì)其工作過程、引射性能、控制性能、優(yōu)化方法等進(jìn)行分析和推理，從中提取關(guān)鍵信息并做出決策，并提出提高引射性能的方法和建議，培養(yǎng)學(xué)生的問題分析能力和問題解決能力。噴射器教學(xué)案例實(shí)施過程可以引導(dǎo)學(xué)生深入了解熱電聯(lián)產(chǎn)的背景及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響等方面的情況，學(xué)生可以更全面地綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，將傳統(tǒng)控制與智能控制相結(jié)合，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)和優(yōu)化思想，為解決問題提供有力的依據(jù)。通過這樣的過程，學(xué)生能夠鍛煉和發(fā)展自己的分析思維能力，發(fā)現(xiàn)問題的規(guī)律和特點(diǎn)，總結(jié)出解決問題的有效方法和策略，為類似問題的處理提供參考。（3）激發(fā)學(xué)習(xí)和實(shí)踐興趣。教學(xué)案例能將學(xué)生置于實(shí)際情境中，教學(xué)不再局限于理論知識(shí)的傳授，而能夠引發(fā)學(xué)生的興趣和參與，有助于提高學(xué)生的研究和實(shí)踐的積極性、主動(dòng)性，使他們能夠在模擬的情景中綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能，這種實(shí)踐性研究有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、問題解決能力和決策能力。

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