加强本科生自动化工程项目参与提高本科生专业课程学习兴趣

    张浩 任正云 冯雪 汪文斌

    

    

    

    摘? 要 自动化技术应用越来越广泛，自动化专业也随之兴起。但是，由于自动化专业课程较多，有些课程枯燥乏味，缺乏趣味性，因此，许多学生缺少学习兴趣。加强本科生自动化工程项目的参与，使学生在项目参与中了解专业课程的重要性，从而提高对于专业课程的学习兴趣，就显得势在必行。

    关键词 自动化专业;工程项目;单晶硅

    中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）14-0096-03

    Strengthen Participation of Undergraduate Automation Project and Enhance Undergraduate Students Interest in Professional Course： A Case Study of Single Crystal Silicon Growth Furnace//

    ZHANG Hao， REN Zhengyun， FENG Xue， WANG Wenbin

    Abstract Automation technology is applied more and more widely， and automation specialty is also rising. However， there are many courses of automation specialty， some of which are boring， so many

    students lack interest in learning. Therefore， it is necessary to streng-

    then the participation of undergraduate automation engineering pro-jects， so that students can understand the importance and interesting aspects of professional courses in the project participation， so as to enhance their interest in professional courses.

    Key words automation specialty; engineering projects; single crystal

    silicon

    1 引言

    自动化技术形成于18世纪末至20世纪30年代，是指机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。近些年，随着自动化技术在工业、农业、军事、商业、医疗和家庭等方面的应用，从事自动化专业以及自动化专业相关的人逐渐增多，因此，高校中的自动化专业随之兴起。目前，我国设有自动化专业的高校已经达到400多座，基本上工科院校都开设有自动化专业或自动化相关专业[1]。

    自动化专业涉及领域十分广泛，学习的课程也比较多，譬如电路原理、计算机原理及应用、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术、自动控制理论、现代控制理论、微机原理与接口技术、单片机原理与应用、信号与系统分析、自动化概论、嵌入式系统原理与设计、最优化技术、C语言程序设计、数学建模、自动检测技术等。但是，当今许多高校的学生在学习这些课程时并不知道课程的目的是什么，学了有什么用，或者与具体的工业过程、工程项目有什么关系，再加上课程本身缺乏趣味性，导致许多学生对相关课程缺少学习兴趣。本文通过具体的工程项目，指出本科教学与工程项目之间的关系，明确学习相关课程的意义和目的，以提高学生对自动化专业课程的学习兴趣。

    2 单晶硅生长炉项目

    单晶硅即硅的单晶體，是一种良好的半导体材料，是信息产业和新能源产业的基础材料，由高纯度的多晶硅在单晶硅生长炉内拉制而成，在我国的现代化建设中有着十分重要的地位。单晶硅的直径误差是衡量产品质量的重要标志，这就要求尽可能减少人工参与。然而我国单晶硅生产的自动化控制水平还比较低，国内消耗的大部分高质量的单晶硅还是依赖进口。因此，研究出一种好的单晶硅的控制方法是十分有必要的，必将带来巨大的经济效益。本项目就是提出了一种新的单晶硅生长的控制方法。

    单晶硅的具体生产过程为：把高纯度的多晶硅原料放入石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温使其熔化，然后将一根固定在轴上的籽晶浸入溶液表面;如果温度合适，溶液中的硅原子以特定的结构在固液面分布结晶，构成单晶体，然后沿竖直方向旋转且缓慢地提拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长;晶体不断生长，待大部分硅原子完成结晶时，通过控制温度和晶体提拉速度，使晶体直径逐渐缩小成一个锥体，单晶硅棒由此成型[2]。单晶硅生长炉结构如图1所示。

    影响单晶硅直径的主要因素是提拉速度和液面温度，提拉速度变快时，直径也迅速变小;液面温度升高时，硅棒的直径也变小，但由于热场过程是大滞后、非线性过程，因此反应比较慢。经过综合考虑，本项目采用双重预测PI方法来进行控制[3]。系统的结构图如图2所示。

    通过单晶硅生产过程的数据建立起“灰箱模型”，确定模型的结构及参数。根据模型设计相应的控制器，并通过实时监测软件获取信息，监测界面如图3所示。

    3 工程项目与课程之间关系

    在一个自动化项目实施过程中需要许多本科课程的知识，需要课程之间的相互配合。以单晶硅生长炉项目为例，所需知识如下。

    设计如图1所示的系统框图需要用到自动控制原理课程第二章“自动控制系统的数学模型”、第六章“控制系统的综合与校正”中的知识和过程控制系统课程第三章“过程控制系统设计”中的知识，主要是如何确定控制目标、控制方案。

    通过生产过程的数据建立相关模型，需要过程控制系统课程第二章“过程控制系统建模方法”中机理建模法、测试建模法、具有纯延迟的单容对象特性等相关知识，数学模型课程中简单的优化模型、微分方程模型、差分方程模型等知识。

    模型建立起来需要Matlab控制系统仿真与设计课程第三章“Simulink仿真”中Simulink模型如何创建、仿真运行、遇到问题后如何调试，第四章“经典控制理论设计与仿真”中单位脉冲响应、单位阶跃响应和单位斜坡响应等知识。

    相关算法的编写则需要C程序设计课程第二章“算法——

    程序的灵魂”、第三章“简单的C程序设计——顺序程序设计”、第四章“选择结构程序设计”中的知识。以上几章都只是编写一个简单算法所需要的知识，此外还需要了解自动控制原理课程中的离散控制系统，数学模型课程中的离散模型等知识。

    相关数据的存储需要数据库与软件工程课程第一章“数据库基础知识”中关于数据处理、数据管理的知识，包括组织和保存数据、进行数据的维护、数据查询、数据统计;还有第八章“数据库保护技术”中数据库的安全性、完整性、恢复技术等知识。

    监测单晶硅生长炉的状态则需要数字图像处理课程与自动检测技术课程的知识。例如，想要监测生长炉中的压力状态，则需要自动检测技术课程第四章“压力测量”中的知识;想要监测液面温度和溶液温度，则需要第五章“温度测量”中的知识，这样才知道是选用电阻式测温、电偶式测温、辐射式测温还是红外式测温;想要监测生长炉中的物位，决定什么时候收尾，则需要第七章“物位测量”中的知识，决定是选择浮力式、电容式还是超声波液位测量。此外，想要准确确定单晶硅生长的不同状态，则需要运用CCD图像测量技术，这就需要数字图像处理课程的知识。

    而不同软件通过网络连接一起进行仿真时，需要工业以太网的原理与应用课程的知识，需要了解第一章“自动化领域中的以太网”中以太网、路由器、虚拟局域网、建立连接与网络拓扑方面的知识，第三章“组态与规划”中OPC、以太网/工业协议（Ethernet/IP）、Modbus TCP的知識。

    工程项目与自动化本科课程之间的关系如图4所示，可以看出二者之间的密切关系。只有认真学习了本科的相关课程，才能做好一个工程项目;同样，只有通过一个工程项目，才能让学生明白学习相关课程的意义，提高学生的学习兴趣。

    4 结语

    本科课程的学习是为了工程项目的更好实施，为了工程项目的顺利实施，才会认真学习相关课程。所以，二者相辅相成，想要提高本科生对于专业课程的学习兴趣，则需要加强其对本科工程项目的参与度。■

    参考文献

    [1]王娜，李浩.浅谈自动化专业发展前景[J].山东工业技术，2019（14）.

    [2]刘秀.基于双重预测PI的单晶硅直径控制系统[D].上海：东华大学，2016.

    [3]刘秀，任正云，李春阳.双重预测PI算法在单晶硅生长炉中的应用[J].控制工程，2016（6）：890-894.