加強(qiáng)本科生自動(dòng)化工程項(xiàng)目參與提高本科生專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣

張浩 任正云 馮雪 汪文斌

摘? 要 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，自動(dòng)化專業(yè)也隨之興起。但是，由于自動(dòng)化專業(yè)課程較多，有些課程枯燥乏味，缺乏趣味性，因此，許多學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣。加強(qiáng)本科生自動(dòng)化工程項(xiàng)目的參與，使學(xué)生在項(xiàng)目參與中了解專業(yè)課程的重要性，從而提高對(duì)于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，就顯得勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化專業(yè);工程項(xiàng)目;單晶硅

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

自動(dòng)化技術(shù)形成于18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代，是指機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)或過(guò)程在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)的過(guò)程。近些年，隨著自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)、醫(yī)療和家庭等方面的應(yīng)用，從事自動(dòng)化專業(yè)以及自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的人逐漸增多，因此，高校中的自動(dòng)化專業(yè)隨之興起。目前，我國(guó)設(shè)有自動(dòng)化專業(yè)的高校已經(jīng)達(dá)到400多座，基本上工科院校都開設(shè)有自動(dòng)化專業(yè)或自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)[1]。

自動(dòng)化專業(yè)涉及領(lǐng)域十分廣泛，學(xué)習(xí)的課程也比較多，譬如電路原理、計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、現(xiàn)代控制理論、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、信號(hào)與系統(tǒng)分析、自動(dòng)化概論、嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)、最優(yōu)化技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等。但是，當(dāng)今許多高校的學(xué)生在學(xué)習(xí)這些課程時(shí)并不知道課程的目的是什么，學(xué)了有什么用，或者與具體的工業(yè)過(guò)程、工程項(xiàng)目有什么關(guān)系，再加上課程本身缺乏趣味性，導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)相關(guān)課程缺少學(xué)習(xí)興趣。本文通過(guò)具體的工程項(xiàng)目，指出本科教學(xué)與工程項(xiàng)目之間的關(guān)系，明確學(xué)習(xí)相關(guān)課程的意義和目的，以提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。

2 單晶硅生長(zhǎng)爐項(xiàng)目

單晶硅即硅的單晶體，是一種良好的半導(dǎo)體材料，是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，由高純度的多晶硅在單晶硅生長(zhǎng)爐內(nèi)拉制而成，在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)中有著十分重要的地位。單晶硅的直徑誤差是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)志，這就要求盡可能減少人工參與。然而我國(guó)單晶硅生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平還比較低，國(guó)內(nèi)消耗的大部分高質(zhì)量的單晶硅還是依賴進(jìn)口。因此，研究出一種好的單晶硅的控制方法是十分有必要的，必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目就是提出了一種新的單晶硅生長(zhǎng)的控制方法。

單晶硅的具體生產(chǎn)過(guò)程為：把高純度的多晶硅原料放入石英坩堝，通過(guò)石墨加熱器產(chǎn)生的高溫使其熔化，然后將一根固定在軸上的籽晶浸入溶液表面;如果溫度合適，溶液中的硅原子以特定的結(jié)構(gòu)在固液面分布結(jié)晶，構(gòu)成單晶體，然后沿豎直方向旋轉(zhuǎn)且緩慢地提拉籽晶，晶體便會(huì)在籽晶下端生長(zhǎng);晶體不斷生長(zhǎng)，待大部分硅原子完成結(jié)晶時(shí)，通過(guò)控制溫度和晶體提拉速度，使晶體直徑逐漸縮小成一個(gè)錐體，單晶硅棒由此成型[2]。單晶硅生長(zhǎng)爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

影響單晶硅直徑的主要因素是提拉速度和液面溫度，提拉速度變快時(shí)，直徑也迅速變小;液面溫度升高時(shí)，硅棒的直徑也變小，但由于熱場(chǎng)過(guò)程是大滯后、非線性過(guò)程，因此反應(yīng)比較慢。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本項(xiàng)目采用雙重預(yù)測(cè)PI方法來(lái)進(jìn)行控制[3]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

通過(guò)單晶硅生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)建立起“灰箱模型”，確定模型的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。根據(jù)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件獲取信息，監(jiān)測(cè)界面如圖3所示。

3 工程項(xiàng)目與課程之間關(guān)系

在一個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中需要許多本科課程的知識(shí)，需要課程之間的相互配合。以單晶硅生長(zhǎng)爐項(xiàng)目為例，所需知識(shí)如下。

設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)框圖需要用到自動(dòng)控制原理課程第二章“自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”、第六章“控制系統(tǒng)的綜合與校正”中的知識(shí)和過(guò)程控制系統(tǒng)課程第三章“過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中的知識(shí)，主要是如何確定控制目標(biāo)、控制方案。

通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型，需要過(guò)程控制系統(tǒng)課程第二章“過(guò)程控制系統(tǒng)建模方法”中機(jī)理建模法、測(cè)試建模法、具有純延遲的單容對(duì)象特性等相關(guān)知識(shí)，數(shù)學(xué)模型課程中簡(jiǎn)單的優(yōu)化模型、微分方程模型、差分方程模型等知識(shí)。

模型建立起來(lái)需要Matlab控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)課程第三章“Simulink仿真”中Simulink模型如何創(chuàng)建、仿真運(yùn)行、遇到問(wèn)題后如何調(diào)試，第四章“經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)與仿真”中單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)等知識(shí)。

相關(guān)算法的編寫則需要C程序設(shè)計(jì)課程第二章“算法——

程序的靈魂”、第三章“簡(jiǎn)單的C程序設(shè)計(jì)——順序程序設(shè)計(jì)”、第四章“選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)”中的知識(shí)。以上幾章都只是編寫一個(gè)簡(jiǎn)單算法所需要的知識(shí)，此外還需要了解自動(dòng)控制原理課程中的離散控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型課程中的離散模型等知識(shí)。

相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件工程課程第一章“數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)”中關(guān)于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理的知識(shí)，包括組織和保存數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)的維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì);還有第八章“數(shù)據(jù)庫(kù)保護(hù)技術(shù)”中數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性、完整性、恢復(fù)技術(shù)等知識(shí)。

監(jiān)測(cè)單晶硅生長(zhǎng)爐的狀態(tài)則需要數(shù)字圖像處理課程與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程的知識(shí)。例如，想要監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)爐中的壓力狀態(tài)，則需要自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程第四章“壓力測(cè)量”中的知識(shí);想要監(jiān)測(cè)液面溫度和溶液溫度，則需要第五章“溫度測(cè)量”中的知識(shí)，這樣才知道是選用電阻式測(cè)溫、電偶式測(cè)溫、輻射式測(cè)溫還是紅外式測(cè)溫;想要監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)爐中的物位，決定什么時(shí)候收尾，則需要第七章“物位測(cè)量”中的知識(shí)，決定是選擇浮力式、電容式還是超聲波液位測(cè)量。此外，想要準(zhǔn)確確定單晶硅生長(zhǎng)的不同狀態(tài)，則需要運(yùn)用CCD圖像測(cè)量技術(shù)，這就需要數(shù)字圖像處理課程的知識(shí)。

而不同軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接一起進(jìn)行仿真時(shí)，需要工業(yè)以太網(wǎng)的原理與應(yīng)用課程的知識(shí)，需要了解第一章“自動(dòng)化領(lǐng)域中的以太網(wǎng)”中以太網(wǎng)、路由器、虛擬局域網(wǎng)、建立連接與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娴闹R(shí)，第三章“組態(tài)與規(guī)劃”中OPC、以太網(wǎng)/工業(yè)協(xié)議（Ethernet/IP）、Modbus TCP的知識(shí)。

工程項(xiàng)目與自動(dòng)化本科課程之間的關(guān)系如圖4所示，可以看出二者之間的密切關(guān)系。只有認(rèn)真學(xué)習(xí)了本科的相關(guān)課程，才能做好一個(gè)工程項(xiàng)目;同樣，只有通過(guò)一個(gè)工程項(xiàng)目，才能讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)相關(guān)課程的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

本科課程的學(xué)習(xí)是為了工程項(xiàng)目的更好實(shí)施，為了工程項(xiàng)目的順利實(shí)施，才會(huì)認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)課程。所以，二者相輔相成，想要提高本科生對(duì)于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，則需要加強(qiáng)其對(duì)本科工程項(xiàng)目的參與度。■

參考文獻(xiàn)

[1]王娜，李浩.淺談自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展前景[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（14）.

[2]劉秀.基于雙重預(yù)測(cè)PI的單晶硅直徑控制系統(tǒng)[D].上海：東華大學(xué)，2016.

[3]劉秀，任正云，李春陽(yáng).雙重預(yù)測(cè)PI算法在單晶硅生長(zhǎng)爐中的應(yīng)用[J].控制工程，2016（6）：890-894.