時間：2023-07-24 17:06:38
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇航天航空技術論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
他是一位桃李滿天下的教授，也是一位碩果累累的學者，在生命的長河里，他的每一個側面，都值得我們尊敬。他就是清華大學航天航空學院工程熱物理研究所教授宋耀祖。
崢嶸歲月，風云流蕩。自1970年畢業于清華大學精密儀器系以來，他始終拼搏在熱科學與技術領域的科研前沿陣地，著重對工程技術的研究，已累計發表學術論文約180篇，與忠合編“熱物理激光測試技術”等書籍。這些應用基礎研究工作為解決工程科技方面的問題提供了寬廣的理論基礎。
多次承擔國家自然科學基金，“國家重點基礎研究發展規劃項目”（973項目），863項目，國家教委博士點基金等資助的科研項目以及云南省、日本大金公司等企業的節能減排項目。特別是在工業過程的節能與余熱利用領域，以他為技術負責人的學術團隊在國內外首次發明了一種熱法磷酸生產的新技術，發明專利技術已獲8個獎項，其中重要的獎項有“國家技術發明獎二等獎”、“第十一屆中國專利優秀獎”。“云南省技術發明一等獎”、“第四屆發明創業獎”、“第二屆全國杰出專利工程技術獎”等。該發明技術現已實現了產業化，取得了顯著的經濟效益與節能減排的社會效益。在航天器的熱控制技術領域，他被總裝備部任命為“載人航天工程（921工程）”出艙航天服專家組成員，為確保“神七”出艙航天服內生命保障系統的正常工作做出了貢獻。榮獲總裝備部中國載人航天工程辦公室表彰的“為神舟七號載人航天飛行任務的圓滿成功做出了重要貢獻”的榮譽證書。
歲月荏苒，當年風華正茂的棟梁之才雖已不復往日的英姿颯爽，但他滄桑的臉龐上卻寫滿了智慧與親切，他樂于將自己的科研經驗與后輩分享，他說在他長期的工程技術研究中，最大的體會是，取得工程技術研究成功的三要素是：基礎、實踐、團隊。其一，“基礎”乃是指通過系統的理論學習掌握寬厚的基礎理論，如數學，物理，化學等基礎知識（這些基礎知識往往通過自學去掌握是十分困難的），借助于這些基礎知識能通過自學進一步理解與掌握有關領域的專業知識與專門的技能；其二，“實踐”是取得工程技術研究成功的必經之路。親臨工程現場，參加實驗與試驗，向一切有實踐經驗的人請教等都是實踐的重要環節。在實踐的基礎上進行理論分析，通過理論與實踐的結合，確定研究目標，明確技術難點，尋求與探索解決問題的技術方案，技術途徑；其三，“團隊”乃是指，在明確解決問題的技術方案基礎上，組織與帶領好一支學術團隊，在團隊內既有分工，又有協作。既要發揮每一個團隊成員的聰明才智，又要給每一位團隊成員創造各自的發展空間。
從躊躇滿志的懵懂學子，到嶄露頭角的青年才俊，從學識淵博的科研專家，到聲望顯赫的著名學者，一步步走來，“科研”二字是催促他前進的動力，“勤奮”二字是對他過往歲月最好的注解。近年來，由于年齡和身體原因，宋耀祖已從教學科研一線退了下來，他的角色在轉變，不變的是，他仍在為社會貢獻著自己的一份力量。利用退休后的時間，他還從事著“中國特色社會主義是中國發展的必由之路”的研究，先后為教師、學生講授黨課10多次，榮獲清華大學“學習宣傳貫徹黨的十七大精神”征文一等獎，在“紀念改革開放三十年――中國專家學者科學與人文論壇”大會上獲優秀論文一等獎。
關鍵詞：可展機構；結構類型；可展機構應用
引言
可展機構具有承載力大但收攏時所占空間小，收放靈活和運輸方便等優點。隨著全球工業化的快速發展，機械基本上取代了傳統的手工的發展，尤其在重工業領域，可展機構為人類生活生產提供了不可忽視的便利性[1]。但可展機構在機械原理、機械設計等傳統文獻中并沒有具體分類研究，而且開發空間巨大。所以針對該類機構的系統性研究亟待加強。
1 可展機構的特點
（1）結構緊湊、尺寸小巧，且設備收縮后體積小。這是可展機構最大的優點，也使得其作業所要求的占用空間小。在地下水位較高的地區工作時對機坑的處理會十分簡單。它能夠在任何已有設備上直接使用，而無需修改設備結構和機坑深度[2]。
（2）載荷能力大、穩定性好。相對于其他機構來講，大部分可展機構的承載能力偏大。由于其穩定的結構，可展機構在額定承載能力和伸展長度下，具有很好的穩定性。
（3）定位精準。大部分可展機構在運行過程能確保在行程的任意一點精確定位，并鎖定高度，不像液壓設備會因溫度的變化或泄漏產生位置變化。
（4）運行平穩、噪音較低。由于其連續成型原理，無垂直方向爬行，使得機構運轉平穩安靜，除驅動裝置的運行噪音，大部分可展器本身的工作噪音很低。
（5）效率高。大部分可展設備的總傳動效率較高，通常可達到 80%以上。
（6）構造簡單，使用方便。可展機構的結構精巧而簡潔，所以可展器本身的安裝工作簡易而快捷，一塊伸縮機構通常在很短的時間即可安裝使用。
（7）通用性高。可展機構對使用環境沒有太高要求，使其經常在太空、海洋等復雜環境下工作，并依然保持其穩定性。
2 可展機構的結構類型
2.1 剪叉式可展機構
剪叉式可展機構具有結構簡易、承載量大、操控性好的特點，因此在各種環境下的裝卸、現代物流、高空營救與作業中得到了廣泛的應用[3]。剪叉式可展機構是一種傳遞力的結構，并且對力起導向作用。如圖1，拐臂3、8分別與橫梁焊接橐桓穌體，剪叉機構最高和最低處的剪叉臂分別與上、下板鉸接，內剪叉臂10與滑輪7鉸接，滑輪7可以在滑道11上滑動，內、外剪叉臂之間通過銷軸5連接，可以繞其相對轉動。氣缸伸縮，柱塞拐臂8與氣缸相對轉動，從而使內、外剪叉臂繞銷軸旋轉，使滑輪在滑道中滑動，進而改變內、外剪叉臂夾角，從而實現機架的伸展與收縮，完成對機構上物體快速升降。是一種生活中常見而簡易的可展機構，應用范圍廣，對驅動機構要求不高。但因其停止位置不夠準確，精度較低的缺點，也使得其很難在高精度要求的環境下工作。
2.2 薄壁管式可展機構
薄壁管可展機構是一種原始的可展機構，它結構簡單，展開運動是依靠薄壁發生彈性變形，展開所需的時間短。19世紀60年代，加拿大就研發了STEM。它是利用弧形薄鋼尺本身能自卷曲的特性，完成機構的收攏和展開。在此基礎上BI-STEM是由單個STEM發展而來的[4][5]。它是將一個薄片被重疊放在另一個完全一樣薄片內部。改良后兩個薄片形成的機構比一個STEM的鋼片窄，提升了機構的機械性能，彎曲剛度和抗扭剛度。其收攏后超小的體積，簡單的構造，使得薄壁管伸展機構在未來充滿了開發空間。
2.3 鉸接桿式可展機構
鉸接桿式可展機構作為一種線性展開機構，展開后為格柱狀，在太空十分常見，通常由幾種長度不同、內帶驅動彈簧的桿件和鉸接頭組成，展開狀態下具有比其他可展機構更高的剛度，能夠完成大跨度的伸展。這種伸展的原始驅動力為扭簧的彈性勢能，在直流電機的驅動下，通過螺紋千斤頂驅動。鉸接桿式可展機構具有精度高、展開剛度高以及展開效率高等優點。其鉸接桿的縱梁較短，并非貫穿整個桁架，且縱梁和橫向支架均為剛性。關節上的驅動彈簧提供了展開時的驅動力[6][7]。
2.4 充氣可展開機構
充氣式可展機構常用于大型次結構體的展開，如太陽翼、天線反射器、氣閘艙等。1996年美國取得了膨脹展開天線空間展開試驗的成功，并將該技術應用于展開式結構、展開式天線（如圖4）和太陽電池陣等方面。近年來，各國專家針對空間充氣展開結構進行了充分研究，因為它質量小、熱穩定性高、收縮效率高、可靠性高、結構的復雜程度低，可應用的領域多。不同于其他可展機構活動機構過于復雜，所以有可能在不同環境不同領域下代替其他可展機構[8]，是未來可展機構的重要研究方向。
3 可展機構在不同領域的應用
3.1 航空航天
當今大型可展結構已成為航天科技的重要研究課題之一。無論是衛星上的可展天線、航天器上的氣閘艙，可展機構在航天航空領域的身影無處不在。航空航天領域已有的可展結構主要有直線可展機構和螺旋式可展機構兩種。其中更多的體現在衛星上的天線系統。衛星上的天線伸展機構是衛星反射器和衛星星體的連接部分。對衛星的天線反射器起到固定支撐的作用。在人造衛星開始環繞地球運轉后，天線伸展臂會帶動天線環形桁架一起展開，是確定天線環形桁架工作位置正確的重要因素，保障了衛星信號的正常接收與發射。天線伸展臂能否及時、準確的伸展到位直接影響了整個衛星發射任務的成功與否。同時，對于衛星整個物理結構來講，可展機構在展開狀態下，它的結構參數對整個天線系統的動力學特性具有很大影響[9]。所以，可展機構在航天領域的研究是非常有價值的。
3.2 日常生活
可展機構在生活中的應用主要體現在舞臺的升降。1988年，具有加拿大專利技術的板帶自組螺旋可展器于美國加利福尼亞州的退伍軍人紀念中心首次進行使用。它是將一盤水平螺旋板片拉開，如圖5。然后連續插入一種垂直螺旋片，就組合成一個由兩種螺旋片連續自鎖的垂直螺旋管柱。水平螺旋板片的上下表面設有特制凹槽，能夠保證垂直螺旋板片輕松地嚙合并精準的定位。這一組長螺旋組合結構在垂直方向能承受很大載荷，并將載荷連續增大和降低[10][11]。且運行平穩工作噪音小，所以能夠很好地完成舞臺升降的任務。除了舞臺升降機構，學校等公眾場合經常使用的電動伸縮門，其實也是一種典型的剪叉式可展機構，由很多的鉸接桿重復鉸接構成，通過改變桿與桿之間的夾角，完成整個伸縮門的開合。它超大的伸展行程成了它最大優點，簡單驅動方式和低廉的成本，也是它普及的重要原因。
3.3 機器人領域
如圖6所示是一種應用于清理炮彈發射后炮筒內的殘留的塵土、油垢和渣土等問題而發明的一種旋轉可展機器人機構[12]。它是基于空間可展機構運動特征分析，將一個旋轉的底盤和一個空間可展機構結合在一起，形成一個具有旋轉伸展功能的機構，代替士兵完成武器內部的保養任務。具體結構如圖6所示[13]。解決了炮筒內部的可能存在問題，節省戰場上的寶貴時間，體現可展機構在機器人領域應用的重要地位。
4 結束語
可展機構具有展_后面積大、收攏時占用空間小且便于收放和運輸等特點。在航天航空、日常生活，機器人等領域應用廣泛。因此這種機構的機械設計和運動分析研究得到國內研究機構的普遍重視。而對于不同可展機構的開發與應用，還需要更多針對性的研究與探索。
參考文獻
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關鍵詞：模糊控制；模糊邏輯系統；自適應控制
0 引 言
自從1956年美國Zadel教授首次把模糊集這個概念在發表的關于模糊集合理論論文中期提出之后，模糊理論已發展了50年，模糊理論知識體系現已成熟和完善，同時也在工業生產的實踐應用的領域越來越廣泛。把模糊邏輯技術當做控制規則融入與控制技術中，能有效解決和處理那些傳統控制模式構造的控制器難以解決的難題，模糊自適應控制是將模糊邏輯理論與自適應控制相結合，具有魯棒性強、易于掌握和操作、控制性能好等特點。近年來，模糊自適應控制理論日趨成熟，控制技術也得到很大的發展，尤其是在智能控制、電子自動化以及航天航空等多方面解決了許多實際問題，引起了越來越多學者和技術人員的重視。
1 模糊控制理論的基本思想
從1960年至今，現代控制理論廣泛應用于重工業的生產實踐、電子信息自動化以及航空航天等多方面并且取得了巨大的成功。例如最優化控制這類問題中可以使用極小值原理來參與解決；運用卡爾曼濾波器解決含有有色噪聲的系統中的問題加以研究；對大滯后過程的控制使用預測控制理論則能有效控制等等。同樣上述控制及應用都需一個基本條件：需能對被控對象進行精確的數學建模。但是由于科技生產力的飛速發展，被控對象和系統的結構越來越繁瑣復雜，控制過程中需要考慮和解決的問題越來越多，對于非線性的多參數的復雜被控對象，對被控對象和系統結構的精確建模往往難以進行，這也使得對復雜對象的控制難以進行和處理。
與上述必須對被控對象進行建模才能設計控制器的這種模式恰好相反的是，在對于以上原因和問題處理和解決的過程，通常有豐富操作經驗的工作人員并不需要通過對被控對象建模而是可以靠自身豐富的動手經驗和熟練地手動控制就可以達到很好的處理和控制效果。這些豐富的經驗包括對被控對象的熟知以及在全部可能會發生的情景下應如何改變控制規則從而采取的相對應的控制對策。這些對策和判斷常常是通過自然語言來表述的，與精確地數學模型相比這些語言不是系統的而是具有模糊性。即從外界不斷的獲取相關反饋信息，對這些信息經過分析、研究和整理，做出相對應的決策同時改變控制規則和方式，從而是控制目的達到預期的目標。在這些操作工作過程上，通過研究和分析人的自主能動性和自主控制的行為，利用這些行為特點，讓計算機模擬人得思維方式用來控制那些無法構建精確的數學模型的被控對象，從而形成了模糊控制。
模糊控制是集模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識應用在控制方法上，以此來模擬人的模糊邏輯思維，用來解決無法建立精確的數學模型的過程的智能控制方法。模糊控制是在模糊集等理論的基礎上將人的推理、判斷、思維過程應由比較簡單的數學形式描述出來。模糊控制的目標是為解決各種問題提供更加有效的思路和方法，再加上比起傳統控制方法，模糊控制可以融入人的思維判斷，所以這種控制方法在實際應用中更加得到重視，應用領域也越來越廣泛。
2 模糊控制
模糊系統是指與模糊概念、模糊邏輯直接相關的系統。它通常是由模糊器、模糊規則庫、模糊推理機以及解模糊器這四個模塊組成。模糊器首先是把系統輸入量進行適當比例對應地量化作為論域中的數值，然后對應每一個量化的數值定義一個模糊子集，并把每個模糊子集所相對應的隸屬函數定義出來，最后把數值對應的隸屬度應用合適的語言值求出來。模糊規則庫中對應的每個規則都是由進行手工操作的工作人員的豐富和熟練的操作經驗和知識以及這些工作人員在控制過程中用來計算各種數據的相關算法。模糊推理機是指應用模糊邏輯法則把模糊規則庫中的規則用某種映射表達出來。解模糊器則和模糊器的作用相反，解模糊器就是把模糊推理最終得來的結果轉換成相應的數值量。
模糊控制系統就是在常規的控制系統中，用模糊邏輯系統來取代傳統的控制器，進而使得復雜難以建模的被控對象能得到更有效的控制。
3 自適應模糊控制
模糊控制的應用領域越來越廣泛，在應用模糊控制進行解決問題過程中可以看出，是否能夠制定出好的模糊控制規則將會直接影響到控制效果，而控制規則的制定原則通常是由工作人員在具體操作過程中對被控對象的熟知和了解以及在實際操作過程的實踐中總結出來的。在把模糊控制應用那些復雜的時變的非線性不確定的系統時，由于被控過程中出現一些時變的非線的以及高階性的其他隨機干擾等因素，造成縱使采用了模糊控制也不能達到很好的控制目的，如果控制能夠自動調節這個問題就能得到解決，所以人們在模糊控制的基礎上融于了能夠自組織、自學習、自適應的技術，結合這些因素的模糊控制在控制過程中可以利用自學習的功能從外界環境以及自身控制過程當中得到相關有用的信息，并依這些搜集到的信息進行相關的反饋和修改控制規則或參數，從而使得整個系統的控制功能隨著問題的變化給出不同的控制規則。
4 自適應模糊控制系統結構
自適應模糊控制的設計是為了使得控制具有自組織、自學習、自適應這些特點的，為了能夠在控制運行過程中，結合相應地控制效果和外部環境，對控制器的控制方案做進一步的修改和完善使得控制效果達到更好的結果，這就使得模糊控制具有更高的智能性，所以在最常見的自適應模糊控制方案的設計中是把偏差測量、控制校正和規則修改這三個功能塊附加在基本模糊控制器中。
其中，偏差測量塊，用于測量實際輸出和期望輸出的偏差值，從而確定系統控制中需要校正的量，以便為系統控制規則的修正提供信息；控制量校正塊，用于把輸出應答需要校正的量轉換成控制量需要校正的量；規則修改塊，對控制量的修改通過校正控制規則來實現校正量。自適應模糊控制器的工作原理是：通過測量輸出誤差的差值來獲得需要校正的信息，然后將需要校正的輸出應答的校正量轉換成控制量需要的校正量，最終通過修改控制規則來實施校正量。
5 自適應模糊控制的研究與發展
1960年代中期，Zadeh教授創建了模糊集理論，與 Mamdani教授 等人分別開展了一系列關于模糊控制的研究工作，自從模糊控制得到了學者的大量研究和實踐，模糊控制理論逐漸發展成富有發展成果和發展吸引力的研究領域。
1979年， Procyk和他的導師Mamdani提出了一種能使模糊控制規則自動生成和自動修改的自組織模糊控制器（SOC），第一次在模糊控制的結構中加入了自組織的功能，首次在較高起點上實現了如何用自組織模糊控制器在較短時間內在一類大過程的問題上取得更好地控制效果。Shao等人后來對算法作了一些改進并應用在實際生產中，之后Rhee和Vander等人進一步通過由定量過程來獲得定性控制規則的方法改進了控制器。
Pedrycz 提出了一種模糊關系模型的辨識方法，該方法是基于參考模糊集的系統模糊關系模型而實施的；T.Takagi 和 M.Sugeno 緊跟R.M.Tong 的研究步伐，提出了一種用模糊集理論去辨識系統模糊模型的語言的方法。這兩種極具有代表意義辨識方法為工業的實際生產中的建模提供極有效的工具，并為自適應模糊控制的進一步研究發展提供了非常有效的工具。Z.Bien和Yong-Tae Kim應用了變結構控制的思想設計了魯邦自學習的控制器用于解決傳統的自組織模糊控制過程中出現的外部干擾敏感問題，在雙關節倒立擺控制過程中取得了良好的控制效果，但是控制過程中出現了震動現象。
Harris和Moore 提出了建立在過程模糊模型基礎上而不是直接把模糊邏輯技術直接當成控制器的間接自適應模糊控制，使得類似自校正調節器的控制功能最終得以實現。Layne等人在傳統的模型參考自適應控制的控制過程中加入了模糊邏輯技術從而得到了新的模糊模型參考學習控制。張化光在借鑒TS模型的模糊自校正控制的基礎上在控制器上應用了廣義預測控制律，用這種方法很好的解決了具有不確定時滯問題，同時能顧及系統模型失配的影響，具有良好的魯棒性。G.V.S.Raju和J.Zhou 基于K.F.Glu和S.Daley把自適應控制器應用在復雜多變過程的研究成果上提出了遞階模糊控制以及自適應遞階模糊控制。G.V.S Raju等人在戴忠達的算法基礎上，提出了一類自適應多級模糊控制器。之后A.Gegov提出了應用于城市交通控制網絡的一類多級智能模糊控制器。K.Y.Tu等人設計了利用滑動超平面連接多個單變量的FLC的多層模糊控制器，并闡述了閉環系統穩定性的條件。
6 結語
模糊控制相對于傳統的控制理論能夠解決更多實際復雜的建模以及控制問題，是一種極為有效的控制方法，自適應模糊控制是一種具有自組織、自學習、自適應的控制方法，在控制過程中，自適應模糊控制系統能夠在系統運行過程中根據外界反饋的信息不斷修改自身的控制規則，使得系統的性能更加的完善改善了系統的性能。近幾年來，自適應模糊控制因為其自身的控制特性而取得了很大進展，基于模型的自適應模糊控制與神經網絡控制的結合，使系統功能以及穩定性得到進一步增強，為非線性系統的建模以及控制提供了有效的工具。自適應模糊控制在近幾年的發展中已開始向多元化和交叉學科方向發展，加強對自適應模糊控制的研究是近幾年越來越迫切的問題，同時模糊-神經網絡混合系統的出現給自適應模糊控制的研究帶來了新的生機，但是由于系統的非線性與復雜性使得研究工作的難度大大增加。自適應模糊控制系統逐漸向混合系統模式方向發展，對于自適應模糊控制的研究有著很大的發展潛力和廣闊的應用前景。
參考文獻：
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關鍵詞：TMS320F2812；PMSM控制
中圖分類號：TM383 ； 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0212-02
1 引言
21世紀石油鉆井工業的迅速發展，隨鉆測量和隨鉆測井的技術也得以迅速發展，其對地質導向鉆井來說至關重要，因而對其要求越來越高。而連續波泥漿脈沖發生器作為目前國外大型石油公司獨有的商業化產品，具有傳輸速率快等優點，是隨鉆測量信號最重要的傳輸方式之一。
連續波泥漿脈沖發生器中傳輸信息的核心部分之一是永磁同步電機的控制系統。永磁同步電機（Permanent Magnet Motor，簡稱PMSM）具有體積小、力矩慣量大、效率和功率因數高等優點。因而在測井系統中運用永磁同步電機，能夠降低成本，減少維修，節約能源。基于這些優點，本文介紹采用TMS320F2812控制永磁同步電機，以滿足二進制FSK調制方式對轉閥電機的調速要求[1，2，3]。
2 控制框圖
井下傳感器將采集到的數據進行信號編碼，然后通過轉閥驅動電機控制系統驅動轉閥旋轉，進而產生泥漿壓力脈沖，壓力脈沖經過鉆桿中的泥漿上傳信息，地面傳感器接收到}沖信號以后，通過濾波整形，信號譯碼，得到井下采集的數據信息，然后經過數據的分析和處理反饋到計算機，實時了解井下工況。控制工作原理框圖如圖1示。
3 硬件控制設計
為了使永磁同步電機能夠在不同的轉速間迅速切換，獲得較好的2FSK調制信號。本文以 TMS320F2812 為控制核心，以此數字信號處理器負責完成大部分的計算和控制功能[4，5，6]。在MATLAB/Simulink中建立永磁同步電機的向量控制系統的原理圖如圖2所示。
本文中采用空間脈寬調制（SVPWM）控制策略，此時定子電流勵磁分量 [id]=0，永磁同步電機相當于一臺他勵直流電機，定子電流中只有X，Y軸分量，且永磁體磁動勢空間向量與定子磁動勢空間向量正交，此時永磁同步電機轉矩中只剩永磁轉矩分量 [Te1]，只需要控制定子電流的轉矩分量 [iq]的大小即可。這樣電磁轉矩就只依賴于交軸電流，能夠實現交、直軸電流的解耦。永磁同步電機的定子由三相SVPWM逆變器供電，轉子位置傳感器檢測轉子轉速 n和轉角 [θ]。由轉速外環和電流內環經過PI調節并經過反PARK變化得到SVPWM調制器的電壓調制信號。檢測到的定子電流經CLARKE變換和PARK變換，得到定子電流[id]和[iq]作為電流的回饋信號。
4 軟件控制設計
根據軟件模塊化設計思路，充分利用 DSP 的資源特點，根據建模編寫相應的控制系統程序，包括檢測模塊、算法模塊、SVPWM模塊等。軟件主程序主要針對系統硬件及各變量設定初始值，完成寄存器的配置和給定初始值，在循環等待中，當中斷觸發時，開始執行子程序，中斷服務子程序作為系統軟件部分的核心，主要包括定時器中斷和功率驅動保護中斷[7]。軟件控制主流程圖如圖3所示。
5 仿真結果
設電機在0～0.3s時的PMSM的轉速響應仿真波形圖如圖4
其中圖5橫坐標為時間軸t，單位為s，縱坐標為轉速n，單位為m/s，所得轉速響應仿真波形圖如圖5所示。
從圖5以看出，在轉速為600m/s的時候，采用PI控制，轉速上下波動幅值為10，波動率為 。滿足二進制FSK調制方式對轉閥電機的調速要求。
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【關鍵詞】智能家居 GSM模塊 單片機
隨著網絡技術的發展，網絡化智能家居系統可提供遙控、家電控制、照明控制、窗簾自控、防盜報警、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、安全和便利。本文設計的基于GSM網絡的智能家居監控系統由智能監控模塊、數據采集系統和用戶手機構成，通過GSM短信息的收發實現對家庭設備的遠程監控。
1 總體設計方案
系統由中心控制模塊和各分散控制模塊組成。中心控制模塊實現控制用戶手機和各分散控制功能模塊。選用AT89S52單片機作為該監控系統的核心控制元件。主控單片機模塊接收用戶手機發送的短信息，根據短消息的內容控制各子功能模塊；同時主控單片機模塊將家居系統的控制信息以短信形式發送到用戶手機，由單片機構成各控制模塊子系統。
1.1 系統硬件部分
根據任務需要，合理選擇單片機、傳感器、GSM模塊和設備來構成系統。為使硬件設計盡可能合理，系統的電路設計遵循了以下幾個方面：
（1）選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結構的靈活性。
（2）選用功能強、集成度高的電路或芯片。
（3）選擇通用性強、市場貨源充足的元器件。
（4）在對硬件系統總體結構考慮時，考慮通用性的問題，采用模塊化的設計方式。
（5）系統的擴展及各功能模塊的設計應適當留有余地，以備將來修改、擴展之需。
（6）在電路設計時，充分考慮應用系統各部分的驅動能力
最終確定采用AT89S52單片機作為處理芯片。西門子的TC35系列的TC35iGSM模塊，TC35i與GSM2/2+兼容、雙頻（GSM900/GSMl800）、RS232數據口、符合ETSI標準GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠安全的傳輸，方便用戶的應用開發與設計。
1.2 系統軟件部分
軟件部分由以下幾部分構成：數據采集單元、手機短信信令識別與分析單元、GSM模塊TC35 modem接口程序部分、分析控制部分。其中數據采集部分和手機短信信令識別需要作實時處理；GSM模塊TC35 modem接口程序部分和分析控制部分則是根據采集和手機短信信令進行分時操作有利于提高系統效率。
2 系統軟件設計
軟件設計部分主要有數據采集部分、手機短信信令識別、TC35Modem接口程序部分、分析控制部分。其中數據采集部分和手機短信信令識別需要作實時處理；GSM模塊TC35Modem接口程序部分和分析控制部分則是根據采集和手機短信信令進行分時操作有利于提高系統效率。本智能家居監控系統軟件設計的內容主要有主控模塊程序、TC35Modem模塊通信程序、串口通信初始化程序和短消息的編碼解碼程序。軟件設計模塊如圖1所示。
2.1 單片機系統軟件設計
為了實現單片機與TC35I模塊的通信順暢，必須使二者的串口波特率一致，如果單片機F=11.0590MHZ，設置串行口波特率為9600，工作方式為方式3，Tl定時器采用工作方式2。其中串行口和定時器的工作方式和初值可以根據具體情況加以更改。
本系統的軟件設計是將整個短信處理模塊放入單片機的中斷服務子程序中。發送和接收串行口數據采用中斷方式進行，這樣可以大大節省CPU資源。當接收一幀數據進入一位寄存器，送入接收SBUF中，同時將Rl置1；當發送數據載入發送SBUF中開始向外發送，發送完畢后即將TI置1。無論Rl置1還是TI置1，均會激發串口中斷，執行中斷服務程序。響應中斷時，首先判斷中斷是接收程序還是發送程序，若為接收中斷則將SBUF中的數據存入接收隊列緩沖區；若為發送中斷便將待發送的數據幀發送到SBUF中。
2.2 短消息PDU模式編碼解碼程序
在GSM標準中，中文編碼采用UTF-8的編碼，不是目前國內常用的GB-2312編碼，因此需要對中文編碼進行轉換才能與采用GB-2312漢字庫相配合，方可正確顯示出短消息中漢字字型。由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對應的線性關系，因此需要采用查表的方式進行轉換。
2.3 短消息收發程序設計
發送短信息的主要工作是將發送的內容進行相應的編碼，其次就是將發送所用的SMS服務中心號碼、目標號、有效時間和短信內容按照PDU編碼的格式發送出去。如果是接收短信息，其工作就是將接受到的短信息內容進行解碼，發送和接收的PDU串的結構是不同的。接收程序流程圖如圖2所示。
3 運行結果
運行結果如圖3所示。
4 結論
本文設計了一個基于GSM網絡的無線傳感智能家居監控系統。系統在運行中還有改進之處，還需進一步對程序結構進行優化。本設計只是智能家居控制中的一部分，目前國內很多公司都在致力于智能家居產品的開發，隨著相關技術的進一步發展，我國將全面普及智能家庭網絡系統和產品。
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關鍵詞:連續玄武巖纖維;防火隔熱;過濾環保;增強復合;高技術纖維
連續玄武巖纖維(CBF)是以天然的火山噴出巖作為原料,將其破碎后加入熔窯中,在1450℃～1500℃熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維。以CBF為增強體可制成各種性能優異的復合材料,可廣泛應用于消防、環保、航空航天、軍工、車船制造、工程塑料、建筑等軍工和民用領域,故CBF被譽為21世紀的新材料[1]。隨著國外工藝技術的不斷改進以及新市場的不斷開拓,玄武巖纖維有望成為第四大高強高模纖維。
1國內外發展研究狀況
1.1國外發展研究狀況
以玄武巖為主要原料生產的巖棉自從1840年首先在英國威爾斯試制成功到現在已有160多年的歷史[2]。1922年在美國專利(OS1438428)出現由法國人Paul提出玄武巖纖維制造技術,但沒有實質性生產。
20世紀50年代初期,德國、捷克和波蘭等東歐國家以玄武巖為原料,采用離心法生產出了纖維平均直徑為25μm～30μm的玄武巖棉。隨后60年代初期,美國、前蘇聯、德國等大力發展垂直立吹法生產工藝,使玄武巖棉產量迅速增長。前蘇聯引進了德國立吹法制造礦物棉的生產專利,在消化、吸收的基礎上,成功地將該項技術應用于玄武巖棉的生產,設計生產能力為日產38噸～40噸玄武巖棉。玄武巖纖維的研究工作主要集中在前蘇聯。玄武巖纖維于1953―1954 年由蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院開發出[3]。蘇聯早在20世紀60―70年代就致力于連續玄武巖纖維的研究工作,烏克蘭建筑材料工業部設立了專門的別列切絕熱隔音材料科研生產聯合體,主要任務是研制CBF及其制品制備工藝的生產線。聯合體的科研實驗室于 1972 年開始研制制備CBF,曾經研制出 20 多種CBF制品的生產工藝[4]。1973年,前蘇聯新聞機構報道了有關玄武巖纖維材料在其國內廣泛應用的情況。1985年在前蘇聯的烏克蘭率先實現工業化生產,產品全部用于前蘇聯國防軍工和航天p航空領域。
1991年前蘇聯解體后,此項目開始公開,并用于民用項目。目前連續玄武巖主要研發及生產基地在俄羅斯及烏克蘭兩個國家。蘇聯的解體,客觀上影響了CBF的推廣應用,但是,由于玄武巖纖維具有有別于碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維的一系列優異性能,而且性價比好,引起了美國、歐盟等國防軍工領域的高度重視。
1.2國內發展研究現狀
我國自20世紀70年代起,就斷斷續續地開展對CBF的研究,但未獲得成功。2001年哈爾濱工業大學組建了專門的研究隊伍致力于玄武巖纖維制備技術的研發。2004年哈爾濱工業大學深圳研究院與成都航天萬欣科技有限公司組建了成都航天拓鑫科技有限公司,進一步研究改進玄武巖連續纖維制造設備功能,開發出玄武巖纖維終端產品。
2002年,我國正式將連續玄武巖纖維列入國家863計劃,承擔該課題項目的深圳俄金碳材料科技有限公司(由深圳黃金屋真空科技有限公司與俄羅斯一家軍工材料研究院合資組建的)和大型民營企業橫店集團等3家股東注資2000萬元人民幣,于2003年12月成立了橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司。經近兩年來的技術開發,橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司采用創新的生產技術和“一步法”工藝,取得了以純天然玄武巖(不添加任何輔料)為原料生產連續玄武巖纖維的研發成果,并成功實現了工業化生產。該公司不僅掌握了電熔爐、火焰爐、氣電結合的生產技術,而且生產的多軸向織物樹脂基復合材料及玄武巖纖維片材等復合材料等產品得到軍工和民用領域有關用戶的認可。
目前,發展中的橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司是繼俄羅斯等獨聯體與美國之后的全世界具有一定規模、排名第六位的生產工廠。有專家學者預測: 2010年全國生產玄武巖連續纖維1萬t,2020年為7萬t～10萬t。
2玄武巖纖維(CBF)的性能
2.1新型環保性材料
CBF具有非人工合成的純天然性,加之生產過程無害,且產品壽命長,是一種低成本p高性能p潔凈程度理想的新型綠色主動環保材料。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出,使CBF制造過程的池爐排放煙塵中無有害物質析出,不向大氣排放有害氣體,無工業垃圾及有毒物質污染環境。玄武巖纖維在很大程度上可代替玻璃纖維,被廣泛用于航天航空、石油化工、汽車、建筑等多領域,因而,CBF被譽為21世紀“火山巖變絲”、“點石成金”的新型環保纖維。
2.2功能性優良的材料
CBF是繼碳纖維p芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維之后的第四大高技術纖維支柱,在許多條件下可替代碳纖維p芳綸纖維,在某些場合甚至比上述兩種纖維性能還好。玄武巖纖維及其制品的異常優越性能具體表現在以下幾個方面:
(1)顯著的耐高溫性能和熱震穩定性。CBF的使用溫度范圍為-260 ℃～880 ℃,這一溫度遠遠高于芳綸纖維、無堿E玻纖、石棉、巖棉、不銹鋼,接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維;熱震穩定性好,在500℃下保持不變, 在900℃時原始重量僅損失3%[5]。
(2)較低的熱傳導系數。CBF的熱傳導系數為0.031 W/m?K～0.038 W/m?K,低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、巖棉、硅纖維、碳纖維和不銹鋼。
(3)高的彈性模量和抗拉強度。CBF的彈性模量為:9100 kg/mm2～11000 kg/mm2,高于無堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙烯纖維和硅纖維。CBF 的抗拉強度為3800～4800 MPa,比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高,與S玻璃纖維相當。
(4)化學穩定性好。CBF的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好[6～7]。其耐久性、耐候性、耐紫外線照射、耐水性、抗氧化等性能均可與天然玄武巖石頭相媲美。
(5)吸音系數較高。CBF的吸音系數為0.9～0.99,高于無堿玻纖和硅纖維;優良的透波性和一定的吸波性,吸音和隔音性能優異,具有良好的隱身性能, 可制作隱身材料。
(6)良好的電絕緣性和介電性能。CBF的比體積電阻較高為1×1012 Ω?m,大大高于無堿玻纖和硅纖維;體積電阻率比電絕緣E玻璃纖維高一個數量級,介電損失角正切高50 %。
(7)較低的吸濕性。CBF的吸濕性低于0.1 %,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。
(8)天然的硅酸鹽相溶性。與水泥p混凝土的分散性好,結合力強,熱脹冷縮系數一致,耐候性好。
表1給出了CBF與各種纖維材料的物理性能對比。
3玄武巖纖維(CBF)的應用
3.1防火隔熱領域的應用
CBF用于防火服正處于起步階段,由于其本身的特殊性能,用于防火服領域有較大的優勢。CBF是無機纖維,具有不燃性、耐溫性(-269℃～650℃)、無有毒氣體排出、絕熱性好、無熔融或滴落、強度高、無熱收縮現象等優點。缺點是比重較芳綸纖維大,穿著的舒適感不如芳綸纖維防火服。如果CBF與其他纖維混紡可制成阻燃面料,用于部隊的相關裝備顯然是有明顯優勢的。
3.2在過濾環保領域的應用
CBF是一種新型的綠色環保材料,可用于環保領域有害介質、氣體的過濾、吸附和凈化,特別是在高溫過濾領域,CBF的長期使用溫度是650℃,遠優于傳統過濾材料,是過濾基布、過濾材料、耐高溫氈的首選材料。
目前過濾材料主要有天然纖維、各種合成纖維、各種無機纖維和金屬纖維。由于對耐高溫提出了更高的要求,又引進了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是,目前所有的過濾材料都不能解決過濾高溫介質的問題,而CBF可以在-269℃~650℃的范圍內長期使用,它的耐高溫性能是其他材料所無法比擬的。
3.3CBF增強樹脂基復合材料的應用
CBF具有良好的技術特性:低容重,低導熱率,低吸濕率和對腐蝕介質的化學穩定性,能夠降低結構重量,形成新型結構材料。利用這些特性,在軍品和民品領域有廣泛的應用。玄武巖纖維增強樹脂基復合材料是制造坦克裝甲車輛的車身材料,可減輕其重量;用于制造火炮材料,尤其是用于炮管熱護套材料可以大大提高火炮的命中率和射擊精度。在槍彈、引信、彈匣、大口徑機槍槍架、坦克裝甲車輛的薄板裝甲、汽車發動機罩、減震裝置等方面有大量的應用。在船舶工業中可大量用于船殼體、機艙絕熱隔音和上層建筑;用CBF蜂窩板可制成火車車廂板,既減輕了車廂的重量,又具有一種良好的阻燃性能。
CBF具有良好的增強效應.單纖維拔絲試驗表明,CBF與環氧聚合物的黏合能力高于E玻璃纖維,而且在采用硅烷偶聯劑處理后其黏合能力還會進一步提高,因此,玄武巖纖維可以代替即將禁用的石棉來作為耐高溫結構復合材料、橡膠技術制品等增強材料,也可用于制作制動器、離合器等摩擦片的增強材料。表2為各種纖維增強環氧樹脂基復合材料的機械性能比較。
另外,CBF還是碳纖維的低價替代品,具有一系列優異性能。尤為重要的是,由于它取自天然礦石而無任何添加劑,是目前為止唯一的無環境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品。所以玄武巖纖維在復合材料的增強材料領域的應用,已引起廣泛重視并將快速發展。
3.4在電子技術領域的應用
CBF具有良好的介電性能。其含有較多的導電氧化物,是不適合做介電材料的,但是采用某種浸潤劑處理纖維表面后,其介電損失角正切比常規玻纖大大降低,它的體積電阻率比E玻璃纖維高一個數量級,所以 CBF非常適合用于耐熱介電材料[1]。
CBF是優良的絕緣材料,利用這一介電特性和吸濕率低、耐溫好的特性,可以制成高質量印刷電路板,此外,CBF還可以用作風力發電葉片的增強材料[8]。
4玄武巖纖維(CBF)生產工藝
雖然CBF的生產技術看似簡單,但實際上頗為復雜,需要很多的技術訣竅。為實現高質量玄武巖纖維的工業生產,需要考慮各方面的技術復雜性和設計專用設備。
圖1為目前典型的CBF生產工藝流程:首先要選用合適的玄武巖礦原料,經破碎、清洗后的玄武巖原料儲存在料倉1中待用,經喂料器2用提升輸送機3輸送到定量下料器4喂入單元熔窯,玄武巖原料在1500℃左右的高溫初級熔化帶5下熔化,目前玄武巖熔制窯爐均是采用頂部的天然氣噴嘴6的燃燒加熱。熔化后的玄武巖熔體流入拉絲前爐7,為了確保玄武巖熔體充分熔化,其化學成分得到充分的均化以及熔體內部的氣泡充分揮發,一般需要適當提高拉絲前爐中的熔制溫度,同時還要確保熔體在前爐中的較長停留時間。最后,玄武巖熔體進入兩個溫控區,將熔體溫度調至約1350℃左右的拉絲成型溫度,初始溫控帶用于“粗”調熔體溫度,成型區溫控帶用于“精”調熔體溫度。來自成型區的合格玄武巖熔體經200 孔的鉑銠合金漏板8拉制成纖維,拉制成的CBF在施加合適浸潤劑9后經集束器10及纖維張緊器11,最后至自動繞絲機12[9]。
1―料倉;2―喂料器;3―提升輸送機;4―定量下料器;5―原料初級熔化帶;6―天然氣噴嘴;7―二級熔制帶(前爐);8―鉑銠合金漏板;9―施加浸潤劑;10―集束器;11―纖維張緊器;12-自動卷絲機
盡管連續玄武巖纖維在各個方面表現出優異的特性,但是如果想要將這些特性發揮出來,仍有一些技術上的困難要去克服。
5目前面臨的問題
5.1玄武巖成分波動大
CBF的生產存在一些困難。不同類型的玄武巖礦石具有不同的特性和化學結構。由于玄武巖是由地球熔巖形成的,因此造成它的先天不足,就是其成分的波動,不僅不同礦床成分波動較大,就是同一礦點化學成分也有一定的波動范圍。這就直接導致玄武巖纖維性能波動大,使其在高端領域上的大量應用受到限制。制造CBF對使用的玄武巖原料有一定的選擇性,一般要求玄武巖原料中基本沒有耐高溫的晶相,這種晶相在不完全的熔制工藝中易形成二次結晶的晶核而影響玄武巖拉絲過程的穩定性[9]。
5.2生產過程中消耗的成本
連續CBF主要成本集中在所用的天然氣燃料,鉑銠合金漏板的消耗量及其使用壽命。
(1)較高的能源價格
我國天然氣的價格較高,為了保證連續玄武巖纖維的生產成本,就必須改造礦石熔化爐,燃氣-空氣系統,燃氣燒噴的結構,采用新工藝技術,新型能源供應系統,新的耐火材料和保溫材料[10]。
(2)鉑銠合金漏板的消耗
連續玄武纖維巖生產過程中隨著漏板溫度的提高,高溫蠕變會影響到纖維成型過程的穩定性及漏板的使用壽命,熔體中的含鐵類氧化物成分會明顯增加對鉑銠合金的侵蝕,鉑銠拉絲用漏板也是玄武巖纖維生產工藝中的關鍵設備之一,它直接影響著纖維生產的效率,纖維的質量及檢修周期,最終影響玄武巖纖維的生產成本。能否實現2000 噸以上的池窯化生產和1200～2000孔多孔大漏板拉絲工藝還有待研究[3]。
6結論與展望
從全球的發展水平看,全世界玄武巖纖維的技術及規模尚處于初級階段,這給我們追趕乃至超過國外的先進技術水平提供了很大的發展空間和市場機遇。我們要充分認識到:第一,我國連續玄武巖纖維與發達國家的巨大差距和亟待強化發展的重要意義;第二,加強工藝及設備的工程化配套研究,進一步加強高新技術纖維產業信息化和標準化工作的重要性,由浙江石金玄武巖纖維有限公司牽頭制定的《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265―2009)國家技術標準在列。這是我國乃至全球第一個有關玄武巖纖維的國家級技術標準,將于今年11月5日全面實施。我們也要繼續努力進一步加強相關檢測標準制定,推動連續玄武巖纖維產業安全和可持續發展。
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關鍵詞：卡爾曼濾波，BP神經網絡，狀態估計，導航系統
1 引言
捷聯慣導系統(SINS)和GPS組合而成的導航系統是當今導航領域最主要的組合方式，它有效的減少了系統誤差，提高精度，降低了導航系統的成本，這種組合方式已在航天航空、航海、陸地平臺導航、測繪等領域得到了廣泛應用。在傳統的SINS/GPS組合狀態估計中，經典卡爾曼濾波器[3]發揮重要作用，但其要求條件苛刻，主要體現在要求模型的狀態方程和量測方程精確、系統噪聲和量測噪聲的統計模型為零均值的高斯白噪聲；但在復雜環境下，噪聲的統計信息不可能預見，更不可能是理想的高斯白噪聲，因此，許多在仿真條件下表現非常好的系統運用到實際環境中就容易出現精度下降甚至發散現象。而回歸BP神經網絡具有較強的并行計算能力，容錯性好，在神經元數量足夠時，逼近非線性函數的程度比較好。本文在經典濾波的基礎上引入回歸BP神經網絡[4]對組合導航系統進行狀態估計，盡可能減少非線性噪聲對系統的影響；首先利用經典卡爾曼濾波對不同特性的噪聲輸入下的系統進行估計，得到各條件下的狀態后，將各條件下的狀態估計均值作為樣本輸出，以各種噪聲集對網絡進行訓練；在訓練結束后，將訓練后的回歸BP神經網絡作為狀態估計器輸出組合導航系統估計值。
2 回歸BP神經網絡算法
誤差反向傳播BP算法是前向網絡學習算法中應用最為廣泛的算法，回歸BP網絡是在BP算法中采用的梯度下降法推廣到回歸網絡中，其具有反饋和前饋機制，即在網絡的一個訓練周期中，網絡的輸出同時反饋給網絡的輸入神經單元作為網絡的外部輸入。如圖1所示為一個典型的三層回歸BP網絡。
圖1回歸BP網示意圖
在圖1中有一個關聯層，每一個隱含的結點都有一個相應的關聯層結點與之連接，并且連線的權值可調，而關聯層的信號來自于輸出，關聯層節點起到了存儲網絡內部狀態的作用，當關聯層與中間層連接后，起到了狀態反饋的作用，這為組合導航系統這種典型的時間序列信號分析提高了有力的工具，具有“記憶”功能的回歸BP網絡能夠對一階馬爾科夫序列很好的濾波和預報。反饋網絡的反饋激勵的加入使得局部的記憶特性被放大易造成傳統的梯度下降學習方法過早的收斂，本文采用可修正速率的梯度下降學習法，其本質是綜合考慮當前和前一時刻的梯度向量，調整其具有適應性，不因為某一時刻的梯度變化而改變網絡的收斂狀態。算法的基本要求與傳統梯度法基本相同，學習的準則是讓網絡實際輸出與樣本比較，直至誤差平方和達到最小。在算法中加入速率因子，使神經網絡權值的更新不僅考慮了當前梯度方向，還考慮了前一時刻的梯度方向，減少網絡反饋對闡述調整的敏感性，有效抑制了局部最優；速率因子的取值應當根據網絡可能陷入局部最優的程度而定。
3 導航系統的狀態表達與組合濾波
根據SINS/GPS組合導航系統得理論，可以得到如下組合誤差的狀態方程：
F(t)為系統的動態矩陣；G(T)為系統噪聲系數矩陣；W(t)為系統噪聲。
本文中對系統噪聲仍確定為高斯白噪聲，這是由于系統噪聲的統計特性一般不會劇烈變化，而系統量測噪聲的統計特性變換是引起卡爾曼濾波器性能下降的主要因素。系統量測噪聲容易受到外界環境的干擾，如溫度、電磁場、濕度等等，因此本文主要針對卡爾曼濾波中的量測噪聲統計特性變化進行研究。
4 回歸BP神經網絡對組合導航系統的狀態估計
4.1 回歸BP神經網絡對組合導航系統狀態估計模型設計
神經網絡的訓練是神經網絡能夠應用的前提。在樣本訓練中對同一狀態量輸入X，選取不同的噪聲集合，通過卡爾曼濾波器，取得一系列的不同條件下的最優估計,將這些最優估計的狀態均值作為神經網絡期望樣本輸出的真實值，構成了不同噪聲集合下得輸入樣本和卡爾曼濾波器得到的輸出樣本；通過不同噪聲集合樣本的訓練，使得神經網絡具有處理各種統計特性噪聲的自適應能力。訓練結束后，就可以利用普通的無偏卡爾曼濾波器和訓練好的神經網絡進行狀態估計。圖2為卡爾曼濾波和神經網絡組合的示意圖。
圖2 卡爾曼濾波與回歸BP神經網絡組合示意圖
在實際的參數選取和設計中，本文采用卡爾曼濾波器的初始估計和SINS/GPS的參數誤差作為回歸BP神經網絡的狀態變量。選取參數誤差X作為回歸BP網絡的狀態變量。
以上參數依次為：緯度誤差、經度誤差、高程誤差、東向速度誤差、北向速度誤差、垂直速度誤差，三個姿態角誤差。將普通卡爾曼濾波器的輸出作為初始值。
4.2 仿真實驗與分析
1）不進行任何濾波的SINS位置誤差曲線
圖4 不加濾波器的SINS位置誤差曲線 圖5 組合濾波后北向位置估計誤差曲線
圖4是斷開卡爾曼濾波器和神經網絡的結果。沒有GPS和濾波器的輔助，在很短的時間內，單純的SINS輸出就會偏移很多。。。
2）進行組合濾波后的誤差曲線
在加入GPS和濾波器后，從圖5可以看出，濾波器狀態估值與真實值之間的誤差變化保持在較高的水準，說明濾波器明顯減少了SINS的漂移和積累誤差，并且在噪聲復雜多變的情況下仍然表現出了平滑過渡的狀態。需要說明的是由于GPS的位置精度從長期看是高于SINS的，本文在進行位置估計的時候，出于以SINS為主的思想，給予GPS的權值較小。
圖6 組合濾波后滾動角估計誤差曲線 圖7卡爾曼濾波滾動角估計誤差曲線圖
從姿態角的誤差分析可以看出，濾波器能夠很快的收斂。。SINS的姿態誤差受到外界條件影響是比較大的，即量測噪聲的影響超過系統噪聲，從圖6中可以看出，在噪聲統計特性變化的條件下，誤差值仍然很小，說明神經網絡系統能夠有效地對量測噪聲進行濾波。
3）組合誤差與普通卡爾曼濾波誤差的比較
對單純卡爾曼濾波系統和組合系統分別輸出的姿態角的比較。對實測數據中SINS和GPS原始數據加載入濾波器。誤差圖進行了部分的放大，如圖7所示，從圖7中可以明顯看出，單純的卡爾曼濾波系統對復雜噪聲的濾波能力遠遠差于組合系統，表現在數據曲線上就是跳動很明顯，也驗證了組合系統具有較好的對不同統計特性的復雜噪聲的適應能力。
5 結論
本文探討了采用神經網絡系統對導航系統濾波的問題。采用卡爾曼濾波器與回歸BP神經網絡系統的組合能夠有效地提高導航系統在復雜環境下的導航精度，并且能夠做到較快的收斂。但是這種方法的缺點在于需要大量的樣本輸入和需要完善的噪聲組合選擇，同時也受到計算能力的限制。此外，隱含層層數的選擇和結點個數的選擇應當如何優化，也是一個需要探索的問題。
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【關鍵詞】遠程；故障診斷；監控
1.引言
在工業化時代，大規模機械電氣設備的使用讓社會生產效率大幅度的增加，但與此同時，機械設備故障也頻繁發生，延誤生產時機。所謂故障，是指機械系統偏離正常功能，造成設備基本功能不能保證。最初故障診斷是依賴人員的個人經驗及簡單檢測儀器，隨著電工電子、傳感器、信號分析、計算機等技術的發展，對發生的故障，除要求設備管理人員具備掌握一定的機械專業技術、還要有電氣、計算機等專業知識。這對于依賴于個人知識儲備在故障面前顯得杯水車薪，特別是高技術含量進口機械設備故障如民航發動機故障，我們有時候卻無能無力而不得不依賴外國專家指導。這樣在計算機網絡的發展下，基于WEB的遠程故障診斷分析由此而產生。
遠程故障診斷可提高復雜機械電氣設備的維護和診斷，實現對分設備和關鍵部件進行分散集中式監視、診斷和管理。不僅提高了設備的管理效率，降低了維護費用，還提高了故障診斷的水平和快速性，也有利于資源共享。
2.監控診斷系統
監測與診斷主要是根據快變信號、緩變信號以及開關量信號的變化，運用通頻和分頻振幅值等多種方法來判斷機組是否正常運行。
系統需有多種采集卡，包括振動信號采集卡、轉速采集卡、溫度壓力流量采集卡以及報警信號采集卡。還需要有相應的信號變換和調理電路。各種參量的獲取是通過振動、溫度、壓力、轉速等測量傳感器實時獲取機組工作狀態信息。然后將各種信號通過信號分析處理方法通過PC總線和計算機顯示出來，實現各種工況的實時顯示。再到更高層次就是利用智能診斷系統對監測的數據進行分析和模態識別，利用邏輯推理和數值分析方法相結合的方式，利用專家知識和固有原始數據進行分析和比較，得出診斷結論，以上過程可用下圖結構表示。
圖1 監控診斷系統組成框圖
3.遠程故障診斷地應用
遠程故障診斷是一門實用性強的技術，它在工業、醫療、石油、航空等各個方面都有廣泛地推廣和使用。
利用INTERNET技術，FANUC的數控機床采用了C/S的架構設計，這其中包括了服務器和客戶端。運用SQLSERVER 2008可以創建數據庫，利用TCP/IP協議可以建立通訊鏈路，利用柔性制造系統可以對機床故障診斷分類，利用電腦分發出診斷號、參數號，進行PMC接口診斷。也有的專家獨辟蹊徑，將遠程故障診斷在數控裝置的應用劃分成了四個模塊，即信息檢索模塊、智能診斷模塊、網絡會診模塊、遠程檢測模塊。信息檢索模塊主要是利用專家系統人工或者機器進行檢索，智能診斷模塊主要應用對檢測信號進行分析，再利用與此類似的遠程數控設備監控診斷系統是由CNC、現場監控工況機，數據存儲服務器、WEB服務器及遠程監控與診斷系統中心等組成。楊賢等介紹了一種監控軟件，HOMS監控軟件是以狀態監測為基礎，最優檢修決策為目的的。它的體系架構為狀態監測系統，廠級診斷中心，企業級決策中心。
在汽車行業，常用的維修檢測設備是從電噴車解碼器、手持式故障診斷儀慢慢發展到行業中比較流行的離線PC式汽車故障診斷儀。現在又有新的趨勢了，顏伏伍、曹愷等研究了基于智能手機的汽車遠程故障診斷。他們發現一些手持式診斷設備存在攜帶不方便、缺乏維修指導并且診斷效率低下等情況，利用ARM公司推出的開發復雜應用程序的RVDS（Realview Development Suite）開發工具設計實現了讀清故障碼、讀凍結幀、讀數據流等，另外還具有遠程交互能力和方便專家進行遠程輔助診斷等功能。
在石油與礦山機械領域，王峰、路小琪研究了基于物聯網的礦井提升機感知系統設計。所謂物聯網就是通過二維碼識別設備、射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。在這種技術環境下，提升機控制系統通過傳感器、檢測設備以及安裝在系統中的無線傳感器等關于該設備的運行狀態經過以太網傳遞至調度室。在長輸油氣管道中，實現輸油泵在online狀態下監測最好是使用在線故障診斷軟件，可是幾乎所有的都是通過安裝在設備商的各種監測儀表，然后通過網絡上傳到SCADA系統上進行數據分析處理、多線程進行管理。可以達到實時監控狀態，準確地找到故障報警。在鉆機的在線檢測中，從萬生、張鵬飛、林智敏、于輝等人在石油機械雜志上研究了利用國際上最先進的remote數據與圖像監測處理技術，采用移動通信衛星實現了遠程數據及視頻傳輸的功能，利用這些專有技術實現了數據的網間共享以及信息捕捉等功能。在壓縮機的故障診斷與監控上，吳文莉采用了嵌入式CPU和無線通訊GPRS發送模塊如遠程數據傳輸單元DTU組成。在對鐵路設備的診斷系統設計中，李桂林發表在《自動化與儀器儀表》上論述了采用計算機網絡、數據庫技術和故障診斷技術，一定程度上提高了列車的運行效率和保障了行車安全。
另外，Deb.S，Domagala.C，Gho-shal，Alena.R在《The international society for optical Engineering》利用美國Qualtech的軟件開發了一種基于上述系統判斷的遠程診斷服務器，建立了遠程檢測空間服務站的模型。我國葉文君等利用基于模型和信號處理的方法對空調系統的故障診斷和檢測進行了分析和總結。在機器人焊接方面，由星云焊接公司研制的Nebula型焊機，它可以通過互聯網實現遠程故障診斷、遠程檢測，還可以將數字電視技術應用在它上面。
4.結語
文章簡要介紹了故障診斷系統的組成和基本原理，肯定了基于WEB故障診斷系統的作用，并且介紹了監控檢測系統的組成以及遠程故障診斷在各行各業的應用。基于WEB的故障診斷技術發展已有多年了，相關技術已經日趨成熟，對于遠程故障診斷的前景可能會在對故障位置精確性確定、故障時間準確性預測、檢測故障地點的精密化等方向發展。
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【關鍵詞】工程力學；教學改革；工學結合
0 引言
《工程力學》課程是一門研究物體機械運動以及構件強度、剛度和穩定性的學科。在機械工程、土木建筑、水利工程、石油化工等領域中得到廣泛的運用，也是上述專業在高校學習中的一門必修專業基礎課程。《工程力學》課程的特點是理論性強，公式繁多，邏輯嚴密，對于訓練學生的邏輯推理思維和工程建模能力有著重要的影響力。
《工程力學》課程包含了理論力學（靜力學、動力學以及運動學）和材料力學兩部分，涉及的知識量非常大。隨著近年來各個學科的發展，學生所需涉獵的專業課程越來越多，而工程力學課程的學時數被大大壓縮。如何在有限的學時內，使學生即能掌握工程力學的基本知識，又能了解當前工程力學的最新發展；既能培養學生的邏輯思維，又能提高學生的綜合能力，成為工程力學教育工作者普遍關心的問題。筆者結合本校實際，從教學內容、教學方法、教學手段等方面對《工程力學》課程教學改革進行思考與探討。
1 與工程技術相聯系，優化教學內容
本校《工程力學》課程主要在油氣儲運、工業工程、工業設計、機械工程等專業開設，在大學第三學期開課，是學生接觸的較早的一門專業基礎課。這門課程普遍被學生認為枯燥、難學、難以提起學習的興趣。然，“興趣”是人對事物產生好奇心得本質，離開了興趣，對任何事物就會停留在為“學習”而“學習”的層面上，難有突破。因此想要吸引學生的注意力提起學習的興趣，就必須給其留有豐富且生動實用的印象。這種生動實用感從何而來？教師可以將生活實例引入課堂，例如在講解靜力學中力對軸之矩，可以利用教室的門來進行演示，當對門施予與門軸相互平行的力或是與門軸相交的力均不能使門產生轉動，唯有加載的力與門軸既不相交也不平行時，門方可產生繞軸轉動的運動效應。又如在講解扭轉概念時，單純的文字講解會比較抽象，可以舉一個類似的例子，例如人在洗臉的時候需要擰干毛巾，而給毛巾兩端施加力偶，使其產生的變形就是扭轉變形。對于不同專業，可以在課堂上引入一些與專業相關的工程實例。例如對于油氣儲運專業，在講解彎曲變形問題是，可以引用臥式容器，在僅考慮其自重的情況下，是一個外伸梁的彎曲問題。
以此方式可以使學生們發現力學其實并不是沒用的，而是與生活和自身的專業是息息相關的，從而引起同學們學習《工程力學》課程的興趣。
2 靈活運用多種教學方式，培養學生的力學能力
2.1 活用多媒體技術，把CAE軟件引入課堂
CAE（Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。目前CAE軟件在土木工程、機械行業、石油化工乃至航天航空航海等領域中被廣泛應用。
將CAE軟件引入課堂中，有助于學生對課程中力學概念和原理的理解，而不會因為單純的文字講述而覺得抽象，空洞，難以理解。例如在材料力學主要研究的是構件在外力作用下的變形、受力與失效，其中包括了構件的內部應力的變化，此時就可以運用CAE軟件（如Abaqus軟件）建模分析，在觀察物體外部受力的情況下，物體的變形及其內部的應力分布變化情況（圖1）。而在講解圣維南原理和應力集中概念時候，同樣可以利用CAE軟件來演示，由此可讓學生有更加直觀理性的認知。
另外，充分運用多媒體教學課件，在有聲有色的教學環境中，使得課堂內容豐富活躍。多媒體技術，是利用計算機綜合處理文本、圖形、聲音、視頻等多種媒體數據，并集成一個交互性系統的技術。在講解如何利用摩擦角測定摩擦系數，構件強度、剛度、穩定性在工程中的重要性等都可以在課堂利用動畫形式進行演示，讓學生了解到理論與工程實際應用的有機結合。
圖 1 桿件受力變形、應變圖
2.2 運用互動式教學，活躍課堂氣氛，提高學生學習興趣
常言道：一個巴掌拍不響。純粹的“填鴨式”教學，學生得不到學習的樂趣，且隨著課程時間的推移，學生會覺得漸漸感到膩煩，同時教師也會覺得疲憊。如何扭轉這種局面，使得學生積極主動地加入到學習中去，成為課堂教學中的主體呢？采用互動式的教學方式，使得學生與教師在教學工程中，形成相互對話，相互交流，相互促進的教學模式，有助于活躍課堂的學習氣氛，增加學生的求知欲，從而提高教學質量。
在課堂教學中，教師可以提出一個實例問題，然后講解相關的理論知識，再與學生以討論的模式用理論知識解決實例問題。接著在提出幾個相類似的問題，由學生課后自行分組討論解決。也可由學生提出一些生活中常見的相似實例，應用學習到的理論知識和分析方法進行問題的解決。如此一來，即培養了學生靈活運用所學知識，訓練其獨立思考的能力，而這也是學生對知識的一次理解、復習、鞏固的過程。從中教師也可以看到學生對知識點的接受程度，及時調整教學進度以及教學方法，從而促進教師教學質量的提高。
除此以外，互動式教學模式還可以是角色互換方式。在適當的時候，學生與教師的角色可以對調一下。例如，提出一個實例，讓學生在課后以小組為單位進行討論，然后在課堂上，由小組推選一位代表對實例問題進行講解，學生在體會一次備課到上課的過程，通過相互的討論、交流，使得其對所學知識進一步鞏固的過程；且從中教師也可以發現教學上的問題，以及得到一些教學方式上的啟發。
2.3 重視與實驗教學相結合
工程力學實驗教學是工程力學教學中一個重要環節。在實驗過程中可以培養學生的動手能力，創新能力和探索能力，能提高學生的工程素質。但現在的實驗教學基本是一個驗證性實驗的過程。學生依靠教師的詳細講解、演示后，根據實驗指導書上的內容，逐步的完成實驗、記錄數據，在此過程中，學生基本不需要思考和疑問，只是為了做實驗而做實驗，而忽略了實驗思維和動手能力的培養。因此，每每一到實驗課，學生基本也就敷衍了事。
要使實驗課得到學生的重視，在于如何把實驗與實際相結合，提起學生的興趣，讓學生感受到學習的理論知識普遍應用在自己的身邊。可組織學生觀看《力學在工程（土木、機械、水利、航空等）中的應用》的視頻，了解力學理論知識在工程的應用與創新，不僅使學生了解工程力學學科的研究范圍，也使得學生看到了力學與工程結合的一些前沿問題。
另一方面，在學生對理論知識有了一定的掌握，可通過工程力學實驗教學網頁，對了解實驗的原理和目的，通過動畫演示且熟悉實驗設備的操作，再進行實際實驗操作。且可以定期開放實驗室，由學生選擇感興趣的課題，根據所學理論知識自行設計實驗方案，擬定實驗步驟，利用實驗室設備完成實驗。例如：“用電測法則測定彎扭組合變形的主應力和內力”實驗，讓學生設計具體的實驗方案，如何實現主應力和內力的測定，定出實驗步驟，然后利用實驗室所提供的實驗設備和儀器，進行實驗步驟和方案的驗證，經過檢驗、較誤、調整后得到所需要的實驗數據，最后進行數據的綜合分析。在這整個過程中，即培養了學生的動手能力，也加深了學生對理論知識的深刻理解和體會，同時也獲得了一種成就感，品嘗到科學探索的樂趣，也增強了學生對實驗課程的興趣。
2.4 合理利用習題課的時間，培養學生的力學思維能力
對于工科類課程來說，在學習的過程中必然需要配上一些習題以訓練學生的分析問題，解決問題的能力，對《工程力學》課程也不例外。然而，要解得題目所求，則需對題目的已知條件進行分析，接著對大腦中所學過的知識點進行檢索過濾，從而找到最合適的解決方法。這一過程恰恰就是對知識的一次歸納、整理和分析。教師在選擇習題時，精選典型的例題進行講解，指出學生在分析思考是容易出錯或者出錯的細節部分。在這個過程中，鼓勵學生多發問，多思考，多發表個人的看法，有助于學生建立起清晰的解決問題的思路，助長其創新思維的逐步成長。
3 結束語
總而言之，工程力學課程是一門應用性廣泛的學科。在教學過程中，因材施教，靈活多變的教學方式，與實際工程的相結合，激發學生的學習興趣，使得學生能夠理解所學知識。使其由被動的地位轉換成主動學習的角色。通過互動教學模式，實驗教學的相結合，培養學生的發現問題，提出問題，分析問題和解決問題的能力，使其運用在課堂得到的力學知識能夠學以致用，實現理論與實踐詳解，提高學生的邏輯思維和創新能力，從而提高學生的綜合素質，有助于學生日后的專業課程學習，以及工作能力的培養。
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關鍵詞：材料化學專業 材料物理 教學模式 科學研究
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0181-02
材料化學專業是材料科學與現代化學等多門學科相互交叉、滲透發展形成的具有強大活力的新興交叉學科，是運用材料化學的基本理論和方法研究材料的制備、組成、結構、性質及應用的學科。在國民經濟發展和科學前沿領域中都起著不可替代的重要作用。材料物理是材料化學專業一門重要的專業基礎課，是學生在修完“大學物理”、“無機化學”、“有機化學”、“物理化學”、“材料化學”、“材料合成化學”等有關課程后，開設的一門起承前啟后作用的專業基礎課，具有很強的理論性和實踐性[1]。目的主要是讓材料化學專業的學生了解利用物理學的方法處理材料科學中問題。學會從物理學的一些基本概念、基本原理、基本定律出發，說明材料的微觀結構、組織形貌、原子電子運動狀態及它們與材料性能和成分之間的關系。該課程要求理解材料的力學、熱學、電學、磁學、光學、聲學以及材料的功能轉換等內容。通過該課程的學習能深刻理解材料的各種性能及主要影響因素，并能在材料研究中建立相應的物理模型，闡述材料結構、性能和它們在各種外界條件下發生的變化及其變化規律。該課程的教學效果對學生在“金工實習”、“生產實習”、“畢業論文設計”等后續相關專業課程的學習具有較深遠的影響。該課程最大的特點是涉及的知識面廣、信息量大、應用性強，涉及的理論知識比較抽象，因此給教師的教學和學生的學習都帶來了一定的挑戰。而新形勢下，培養高質量的創新型人才是當前我國高等教育最為重要的歷史責任。然而，傳統教學中的“填鴨式”等問題，不利于學生創新性思維的開發。因此，教學方法的改革迫在眉睫。
教學過程是通過教師的教與學生的學相互有效地互動配合實現的，因此教學方法在教學活動中起到關鍵的作用。在《材料物理》的教學過程中，關注學生能力的培養，摒棄傳統“填鴨式”灌輸的教學方法，采用多元化立體的教學模式，調動學習積極性，啟發學生自主思考，以問題為導向開展學習活動，培養學生的自主學習能力、創新意思和科學思維方式。
1 優化多媒體輔助教學，激發學生的學習興趣
材料物理課程具有學科知識面寬、概念抽象、公式復雜、理論性強并且難于理解等特點，而傳統的板書式教學手段由于其單調、枯燥、抽象等缺點，導致學生出現厭學甚至棄學等消極情緒，大大地降低了教W效果。而多媒體輔助教學是集圖、文、像、色、聲為一體的現代教育技術，可使抽象復雜難以理解的理論知識，以直觀生動地形式表現出來，增強了課堂教學的趣味性，激發了學生的學習熱枕，使得學生自主地學習知識，提高了教學效果。針對較為抽象易混淆的概念，可以采用動畫模擬的方式幫助學生構建知識框架，加深理解。比如，晶體塑性形變的兩種基本形式是滑移和孿晶，很難用學生的既往知識經驗來理解和區分，因此，采用動畫模擬演示和同步解說功能的微視頻講解，直觀地體現出兩者的差別，充分調動學生的空間想象力，營造體驗式教學情境，瓦解傳統教學的時空障礙，幫助學生加深理解，在腦海中留下畫面。例如，吸聲材料中關于焦點這部分知識時，導入北京天壇公園的回音壁和三音石等圖片和視頻，一方面加深學生對基礎理論知識的理解，另一方面可以對學生進行人文教育，了解中國古人的聰明才智，并關注非物質文化遺產的保護等社會熱點問題。值得注意的是，多媒體教學并不是時時處處都適合的教學手段，針對一些公式的推導，例題以及課后習題的講解過程，需要結合傳統教學模式，循序漸進的分析講解，給予學生充足的時間去思考、理解和解決相關問題。
2 引入課題式教學方法，調動學生的學習主動性
“材料物理”課程知識內容較為抽象，內容繁雜，以教師為主的教學模式開展教學，較難調動學生學習的積極性，常常達不到理想的教學效果，而作為一門理論與實際應用結合較緊密的專業基礎課，利用課堂上學習的理論知識解決實際應用問題，不但可以激發學生的學習動力，還可以鍛煉學生應用知識處理問題的思維方式和自主探究能力。課題式教學方法屬于構建性的教學，是一種嶄新的啟發式教學模式。課題式教學方法是指在學生具備一定知識儲備后，在導師的指導下，選擇和確定專題進行科學研究，在這個過程中，學生主動地搜集文獻、獲取知識、分析問題、解決問題。這種教學方法可以迎合當今社會對高素質、全方面、具有創造力的應用型人才的培養要求。課題式教學注重問題導向，有助于提高學生思維水平，獲取實用方法。
因此，在傳統教學模式的基礎上，采用探究性的課題式教學模式，以課題為載體、問題為導向、學生為主體、教師為引導，注重學研結合和思維訓練，有助于學生開展體驗式的學習模式，在自主思考、小組合作的過程中，學習知識，培養思維方式，發展與人協作的精神，鍛煉科學研究的素養，最終在知識與技能、情感與價值觀等方面得到全面的培養鍛煉。結合材料物理的內容特點，課題可以分為材料的力學、材料的熱學、材料的電學、材料的磁性、材料的光學、材料的聲學六大類，設置課題，如集成電路用基片材料、LED發光顯示材料的發展、高溫超導材料的應用、單分子磁體的研究現狀、光纖通訊材料的發展、航天航空復合材料的選取、生物材料、儲能材料的研究現狀、太陽能電池的發展等。由學生自由選擇合作學習小組，學習小組內部確定個人分工，開展對該領域的研究背景與研究意思、當前難以突破的技術瓶頸以及研究熱點的文獻調研。在此過程中，學生通過個人搜集材料、小組討論的方式，一方面鍛煉了學生獲取知識、提取和選擇有關知識的能力，另一方面小組內部的協調討論，有助于培養學生的團隊意識。最終可以選擇通過撰寫專題文獻調研報告、小組討論與答辯、開展相關專題的大學生創新性實驗等方式，引導學生自主地參加學習活動，讓學生能夠體驗到思考問題，獨立解決問題的和成就感，體會科學研究的過程和思維方式。另一方面，還可以引導學生參加科研項目，整體提升學生創新能力和動手能力。在課題式教學活動的過程中，可以潛移默化地培養學生的批判性、創造性思維、團體意識以及科學探索精神，完成傳統教學達不到的教學效果。
3 開展學生講授，集中討論的模擬教學模式，全方位培養學生的綜合素質
傳統的教學模式中，主要是老師在講臺上講，學生相對比較被動地聽，由于課程內容比較深奧和抽象，很多學生在課堂上較難跟上老師的思路和節奏，因而出現精力不集中、^腦僵化、困倦等問題，由此惡性循環，最終喪失學習的興趣和動力，導致教學效果降低。古人云：師者，傳道授業解惑也。授人以魚不如授人以漁。而教師除了完成傳道受業的責任外，還要激發出學生的學習潛能，要教會學生處理問題解決問題的策略和能力。因此，開發以學生為主體的教學模式，為學生提供更多的自主學習的時間和空間，改變學生被動的學習方式，從而達到事半功倍的效果。針對有些能引起學生興趣的內容，采取模擬教學模式，由學生講授、課堂討論的方式實現對知識的接受與消化吸收，在此過程中，一方面學生會積極主動地去預習、搜集材料、分析知識內容的邏輯性與連貫性，在過程中，學生需要去了解知識的來龍去脈，可以引導學生去搜集一些材料科學名人的科研事跡，去學習前輩們發現問題解決問題的科學思維，為學生們提供一些生活中的應用實例，讓學生在學習知識內容的同時，加深對基本概念的理解，體會知識的重要性和實用性。另一方面，在進行角色互換的同時，可以鍛煉學生的表達能力，組織語言的能力，去理解學習的過程，了解教師備課、授課的整個過程，感受教師在其中的努力，培養學生體恤和尊重他人的品質，達到情感與價值觀的教育目的。比如，可以讓學生去了解中國科技大學謝毅院士關于熱釋電材料方面的工作，介紹中科院長春應用化學研究所張洪杰院士在高性能稀土發光材料的研究工作，北京大學高松院士在高密度磁存儲材料等方面的研究等，這樣不但拉近了學生與科研世界的距離，讓學生們了解當前科研的前沿方向和課題，去理解所學知識的必要性，增強學習的動力和興趣。
4 結語
隨著時代的變遷和科技的進步，新形勢下社會對大學生的要求也發生了改變，因此要求作為教師也要不斷地去學習和摸索適合現階段學生的教學模式。不摒棄傳統教學方法，也要不斷地思考與改革，去融合新的教育理念，運用和構建多元化的教學模式，激發學生自主學習的潛能，訓練學生的邏輯思維能力，增強學生的綜合素質，培養學生的創新精神和實踐精神。總之，教學是要以人為本，堅持學生為主體，嘗試多元化的教學模式，調動學生的學習興趣和積極性，使學生學會思考問題的方式，成為一個不僅具有扎實理論基礎知識、并且具有獨立思考和處理問題能力的創新型人才。
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關鍵詞：傳熱學；任務教學法；課程設計
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0044-02
傳熱學是一門研究由溫差引起的熱量傳遞規律的科學，是現代科學技術中最重要的基礎學科之一，它不僅是能源動力、交通運輸、石油化工等專業本科生的一門重要專業基礎課，而且在機械、電子、土木、航天航空和輕紡食品等工程技術領域里的應用也十分廣泛。目前大連海洋大學（以下簡稱“我校”）該課程體系是由理論、實驗、實習和課程設計四個環節所組成。其中傳熱學課程設計這個教學環節是緊接在傳熱學課程理論教學之后進行的一個綜合性實踐教學環節，也是學生綜合運用傳熱學、換熱器設計以及相關先修課程知識，聯系實際生產和日常生活，以完成以某一特定設計任務為主的一次工程設計實踐環節（包括自行完成主體設備的選型計算、材料選擇及內部結構設計、工藝計算及主要尺寸設計，主要附屬設備的選型設計，主體設備總圖的繪制等，同時還要綜合考慮制造成本、加工工藝難度、維護保養等因素）。因此，該課程設計在整個課程體系教學改革中的地位十分重要。[1-3]
一、傳熱學課程設計的現狀與改革方向
目前高校的課程設計大多數是依附于理論課程而開設的，與理論教學同步并在授課計劃范圍內完成，通常課程設計的過程往往是學生仿照教師的設計過程和設計指導書上的步驟來進行。因此課程設計的核心主要是指導教師，學生按教師預先給定好的設計流程進行，被動地接受設計方案，喪失了主動參與課程設計的積極性和熱情，而且在設計中發生問題也不能及時反饋。這樣的結果，將大大降低學生的動手能力、分析和解決問題的能力，更談不上對學生工程素質的培養了。
隨著對培養工程素質人才的需求和對傳統課程設計教學模式改革的呼聲越來越高，一種“以學生為中心”的教學理念即“任務學習法”越來越受到教育工作者的重視。這種教學模式主要是體現“任務導向”和“學生主體、教師主導”的教學原則，引導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力，甚至于交流合作的能力，這同樣也是當前培養知識、能力、素質綜合發展的工程型人才的改革方向。[4，5]
二、基于任務型教學法的課程設計改革原則
為了將任務教學法成功而高效地運用于傳熱學課程設計這一實踐教學環節，在改革之前必須制訂某些行之有效的原則作為指導，以便使其更好地發揮功用。考慮到任務型教學法是一種以任務為核心單位計劃和組織教學的途徑，它強調在“做中學”，不僅吸收了以往多種教學方法的優點，而且和其他的教學方法并不排斥。因此，筆者在教學改革實施過程中根據此教學方法的特點提出了以下的課程設計原則。[6]
1.將較難的任務前置
大量的研究結果表明，學生在整個學習過程中的精力是有限的。根據筆者多年指導課程設計的教學經驗，發現學生往往在學習過程的前半階段思想最為活躍，精力也最為充沛。因此，在給定課程設計任務后，教師應有意識地把那些理論性強、需要花費大量精力才能掌握的較難的任務環節放在課程設計的前半階段，例如對換熱器的選型計算部分。這不僅僅是因為這些較難的學習任務往往更具有冒險性和創新性，而且這樣的設置可以極大地激發學生的學習興趣和好奇心，從實際教學反饋效果來看教學效果良好，也更有利于教師靈活地推動整個課程設計教學流程的進行。
2.將安靜的教學任務前置
激烈的教學活動能讓學生的大腦興奮，特別是在課程設計的后半階段，學生往往會感覺到疲憊，這個時候如果再進行安靜的教學活動，學生的大腦就會處于一種抑制狀態，從而影響整個課程設計的教學效果。因此，為了保證學生處于科學、合理的學習狀態，指導教師應當把相對較為安靜的教學任務安排在課程設計的前半階段。
3.將整個課程設計連貫化
根據任務型教學法的指導思想，任務的設計是實施任務型教學法的關鍵和前提。因此，在課程設計正式開始之前，教師應指導每名學生根據分配的相關參數獨立構建設計項目，每一項目均設計任務若干，在任務設計的過程中考慮行業發展、企業需求的實際情況，同時把傳熱學作為基礎技能貫穿于任務環中，讓學生提前對任務環的大體框架有一個較為清晰的了解。同時以任務為核心單位計劃和組織教學，在“教中做”，在“做中學”，通過一系列的集體活動或個人活動來開展課程設計，最后對所涉及的全部教學內容進行整合并總結。總之，每一個教學環節都應該緊密相連，從教學設計角度保證課程設計的連貫性，并讓學生能夠獲得最佳的學習效果。
三、課程設計的具體改革步驟
1.改革課程設計的教學大綱
課程設計中的教學目標和任務都是依據教學大綱提出的，而教學大綱中所提出的相關教學要求和教學任務就是開展課程設計的指揮棒，其作用不言而喻。顯然，大綱中的這些目標和要求應該能夠體現任務教學法的任務設計思想。
通過傳熱學課程設計這一實踐環節，應該讓學生掌握換熱器設備設計的基本程序和方法，熟悉查閱技術資料、國家技術標準的途徑，正確地選用公式和數據，加強工程計算和CAD繪圖能力，初步形成工程優化意識，并能運用簡潔的文字和工程語言正確表述設計思想和結果，從而培養學生的工程能力和創新能力。筆者在總結以往教改經驗的基礎上，將教學大綱作為前任務階段進行改革，根據行業的發展趨勢以及學生日后就業的企業需求，為每名學生都構建了不同的設計項目，引導學生自主地參與到任務設計環節中來。當學生對自身任務有了較為明確的認知后，就可以進入任務環階段了。
2.課程設計題目的設定
在任務環階段需要學生采用各種方法和手段去完成任務要求。如何能讓學生從課程設計中既學到有用的知識和技能，同時又符合傳熱學課程設計的教學要求，這是課程設計題目設定的最根本原則。考慮到傳熱學課程設計最多一般也就兩周的時間，同時受各種條件的限制，學生到現場測量考察換熱器實物的可能性很小。如果設置的課程設計題目過大過深，學生可能會沒有時間深入研究任務而只是忙于完成形式上的設計報告。因此，在設計題目的設定上，指導書中會盡量選取學生在學校和日常生活中能接觸到的常見換熱器類型，同時做到每名學生的初始設計參數都不一樣，從而培養學生自主設計的獨立工作意識。[7]
3.教學環境的改革
傳統的課程設計教學環境已經不能很好地適應新形勢下的課程設計教學要求。任務教學法就是要以學生為中心，創新教學模式和教學方法，建立以學生為主體、教師為主導的教學模式，通過組建課程設計小組，激發學生學習興趣，引導學生通過組內分工、信息資源共享、技術難題攻關、組內討論、組外交流等多種方式參與到教師的各個教學環節中去，鼓勵每一名學生發揮自身特點，積極參與到設計團隊的任務中，充分利用學生主觀能動性，師生共同營造一個輕松熱烈的教學環境。
基于以往的課程設計教學經驗，采用靈活的情景式教學比較有利于任務教學法的開展，同時適當結合CDIO（構思、設計、實現、運作）模式等先進教學方法，展開對設計任務的團隊討論及研究模式，注重原理和應用相結合，強化以工程實例為載體的案例教學，將課程設計與工程體系有機結合，強化綜合設計和工程實踐訓練。同時開展專題討論，強化能力的培養。教學中增加一些專題討論、工程案例、工程項目研究報告，有助于培養學生分析、解決問題的能力，創新意識和創新能力。
4.評價與考核方式的改革
從學生的長遠發展來看，對學生的評價與考核不過是激勵他們不斷學習和進步的一種手段。既然實踐環節的教學目的是側重提高學生的動手實踐能力，那么其評價考核方式就應與傳統的理論教學有所區別，針對任務教學法更應如此。
由于任務教學法是以任務作為教學的主線，以學生實踐作為中心，以老師作為輔導。因此，在考核方式上也應以學生為主體，以設計任務完成的質量作為考核依據，而不再以最終的課程設計報告作為終結性評價指標。每個學生作為個體既是自己任務的設計者，也是其他同學的“同行”，可以對其他同學的設計進行評價打分，因為學生在一起共同完成課程設計任務的同時，對彼此平時的表現也是最為了解的，這樣可以提升評價考核的公平性與透明度，有效促進學生們的學習積極性。
四、結束語
總而言之，任務教學法有效地打破了傳統的教學模式，最大限度地發揮了學生學習的積極性和主動性，不僅符合新形勢下對高素質工程技術人才培養的需要，同時在教學實踐中也取得了良好的教學效果。在教學中，教師要不斷地總結實際經驗，運用任務教學法，實現傳熱學課程設計教學效果的不斷提高。
參考文獻：
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關鍵詞：創客導師；自主成長；專業素質；原則；策略
中圖分類號：G451 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）04-0068-04
近幾年中國教育信息化進程中最熱門的詞語莫過于“創客教育”，創客教育經歷2012年興起、2015年的井噴式發展，如今已經成為教育領域新興力量。教育部《教育信息化“十三五”規劃》明確指出，有條件的地方要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新模式中的應用。然而，不可回避的現實是創客導師的缺乏已經嚴重制約了中國創客教育的發展。教育發展，教師先行！因此，探究創客導師自主成長的策略具有現實意義和理論價值。
一、創客導師的專業素質
1.創客導師
創客教育導師是指具有一定的創客教育專業素質，有能力指導、推動創客教育實施的教師。創客導師不強調教師的專業背景，注重教師的綜合素質和能力，強調教師跨學科開展創客教育。
2.創客導師的專業素質
（1）技術素質
創客教育是一種技術性很強的教育模式，創客教育凸顯利用現代先進的科學技術培養學生的創新素養。開源硬件（Arduino、樹莓派等）、設計工具（PS、3D建模、AutoCAD等）、加工工具（3D打印機、激光切割機等）無不成為創客教育的標配工具。這些技術是信息時代的產物，是先進制造技術的代表，因此，技術素質是創客導師的入門素質。
（2）創客教育課程規劃實施素質
當前創客教育實施的最大問題就是缺少課程的支撐，歸根結底是當前創客導師還是沒有掌握創客教育課程規劃、開發和實施的能力。創客導師只有掌握了創客教育課程規劃、實施的素質，才能推動校園創客教育的深度發展。
（3）管理素質
教師創客教育管理素質既包括對創客教育課堂的管理，也包括對創客空間的管理和運營。管理的難點在創客空間的運營。2016年7月28日教育部基礎教育司負責人表示，裝備是教書育人的必要條件，在加大配備力度的同時，要充分把各種裝備經常地、全面地用起來，“寧肯用壞、不能放壞”。創客空間作為信息裝備密集的地方，管理使用好非常關鍵。
（4）科研創新素質
創客教育的發展需要理論的研究也要實踐的研究，科研創新是創客教育推動的重要力量。創客導師具備科研創新素質才能確保校園創客教育的持續發展。
二、創客導師自主成長的目標及內容設定和實現
創客導師來自不同的學科背景，以信息技術教師居多，專業素質參次不齊。因此創客導師需要根據自己的實際情況，設定自主成長的目標和內容。從學科專業背景來看，信息技術教師可以將利用信息技術促進學科融合能力作為目標，數學教師可以將掌握3D打印技術作為學習目標，物理教師可以將掌握創意電子作為學習目標，美術教師可以將掌握激光切割技術作為學習目標。從創客專業素質缺失的角度來看，如果技術能力較弱，則應以掌握創客教育技術為目標；如果創客教育課程教學能力不足，則應以掌握跨學科教學法為目標；如果對科研創客能力不滿意，則應該以如何寫高水平論文、做課題研究為目標。從階段性成長角度來看，開始應該以掌握創客教育技術為目標，熟練之后以提高創客教育實踐能力為目標，積累豐富經驗后則以創客教育科研創新為目標。
目標和內容是多樣化、多層面和分階段的，但必須是適合自己的，符合自己需求和特|的[1]。目標和內容設定好后，如何落實則擺在首位。創客導師自主成長的過程注定不是一帆風順的，在缺少業界規范和專家引領的情況下，創客導師需要“守得住追求，耐得住寂寞，頂得住壓力”，通過埋頭學習、思考和總結，逐漸由不成熟到成熟，由普通教師到專家學者。
三、信息技術環境下創客導師自主成長特征
1.多樣化的共享資源
信息技術環境為創客導師的自主成長提供了多樣化的共享資源，無論是資源的內容還是資源的形式都具有多樣化的特征[2]。創客開放共享精神，讓創客教育學習資源觸手可得，常見的創客教育資源有教學視頻、PPT、電子書、器材使用說明書等，來源的渠道諸如淘寶網、云盤、創客專家的博客等。多樣化的共享資源滿足教師多層次、個性化的自主發展需求[3]。
2.豐富的學習手段
隨著移動互聯網技術、移動終端技術、視頻傳輸技術等一系列技術的飛速發展，享受無時不在、隨時隨地的學習成為可能。信息技術環境為創客導師構建了一個功能強大、覆蓋面廣的學習工具，譬如創客導師借助iPad、平臺電腦進行移動學習，觀看教學視頻學習創客技術，利用即時通訊工具進行行業交流等等。
3.成果的迅速傳播
信息技術環境下知識得以迅速傳播，在開源理念下，創客導師的成果作品（自制作品、學生作品、教學案例視頻）通過互聯網迅速傳播和蔓延。這種迅速傳播的優勢加速了創客教育的發展，也提高了創客導師的影響力。
4.高效的交流協商
創客導師與同行就創客教育的技術、實施、創客空間的管理進行深入而廣泛的探討，并針對創客教育的難題開展討論和協商[4]。創客導師可以采用線上線下的方式與全國范圍的創客教師探討，譬如貓友會_創客教育QQ群、紅棉創客空間微信群、貓友會線下研討等。
5.廣泛的協作學習與研究
不同區域的創客導師能通過互聯網同步或異步開展協作學習和研究活動。創客導師通過網絡化的協作學習與研究，科學分工，優勢互補，提升了學習和實踐的能力。協作學習的廣泛性還體現在學科領域，具有不同學科背景的創客導師能聚集、融合在一起，開展跨學科的創客教育活動[2]。
四、信息技術環境下創客導師自主成長原則
基于創客導師的專業素質要求和自主成長的特征，我們認為創客導師自主成長要把握好5個原則：自主成長與創客教育的需求相一致的原則、個人成長與學校發展匹配的原則、獨立自主與借助外力相結合的原則、埋頭學習與探索實踐并舉的原則、學科專長與多樣化技能合理平衡的原則。創客導師處理好以上原則對于自主成長能起到事半功倍的效果。
1.自主成長與創客教育的需求相一致的原則
與創客教育的需求相一致是創客導師自主成長的目標和歸宿。創客教育的需求既包括大范圍世界性發展需求，也包括小范圍內的學校創客教育需求。把握創客教育的發展主流以及校園創客的特色發展，才能夠讓創客教育走得好，走得下去。因此，創客導師的自主成長要瞄準創客教育的需求。
2.個人成長與學校發展匹配的原則
創客教育發展看學校，學校創客教育的發展是創客教育發展的主要力量。將創客教育納入到學校發展之中，也就意味著創客導師的個人成長必須與學校發展相匹配。學校的創客教育發展往往是特色發展，帶有學校深厚的烙印，創客導師要識時務，將個人成長助力于學校發展。
3.獨立自主與借助外力相結合的原則
獨立自主與借助外力是一把劍的雙刃，兩者結合才能發揮作用。當前創客教育導師培訓體系還未建立，創客導師的培養還需教師的獨立自主成長。但獨立成長的弊端也是明顯的，容易導致創客導師閉門造車，視野狹窄。因此，一旦有機會創客導師還得出去走走看看，了解別人怎么做，或者請來專家指導自己怎么做。
4.埋頭學習c探索實踐并舉的原則
創客導師自主成長的過程中可能出現的最大問題就是“學了不用，用了沒有后續”。創客導師除了要埋頭學習掌握自己不擅長的東西，更要時時將所學的內容實踐，做到“邊學邊用”，切不要等到學好了再去實踐。大量事實證明，創客教育推進領域，快速行動很重要。
5.學科專長與多樣化技能合理平衡的原則
創客導師自主成長過程中，掌握多樣化的創客技術非常有必要，但是不能丟掉自己的學科專長。創客教育是信息技術與學科融合的又一主陣地，是體現信息技術應用的優質示范場所。創客導師應合理平衡學科專長與多樣化技能，做到個人創客專業素質有特色有內涵。
五、信息技術環境下創客導師自主成長策略
1.找準優勢領域做個人成長規劃
結合創客教育的特點，我們認為有幾個領域可以成為抓手，有競賽輔導、課題研究、創客設備器材的研發。
（1）競賽輔導
創客運動的蓬勃發展，得益于各種創客活動的成功舉辦。教育領域創客文化的培育，需要更多形式、覆蓋面更廣的創客活動[5]。2016年4月28日，第四屆全國中小學機器人教學展評暨首屆校園創客作品展活動在海南舉辦，2016年第十七屆全國電腦制作大賽首次將創客項目納入比賽項目，2016年8月，第二十五屆中國兒童青少年計算機表演賽之創客挑戰賽在北京航天航空大學舉辦。校園創客競賽如星火燎原般興起，創客導師順勢而為，通過競賽輔導既能培訓學校創客教育氛圍，一旦獲獎又能為學校帶來榮譽，更重要的是能獲得學校領導層的支持和學校教師的認可，為個人成長獲得持續動力。
（2）課題研究
課題研究是一個集中研究教育教學問題的綜合性活動平臺，通過課題研究可以快速提高踐行創客教育的能力[1]。到目前為止，有關創客教育的課題研究并不多見。如果學校有創客空間的支持，創客導師就可以基于創客教育實踐開展課題研究，非常具有實際意義。
（3）創客設備器材的研發
創客設備器材的研發是最具科技含量和最有挑戰性的事情，這一般需要一個團隊支撐。目前，教師群體中成功實現了創客器材設備研發的教師主要有傅騫教授以及“好好搭搭”的祝良友老師，傅騫教授的團隊研發了Mixly開源硬件開發平臺，而祝良友老師則實現了好好搭搭開源硬件的商業化運作。
2.充分利用好網絡所提供的平臺
自信息技術邁入教育教學領域之日起，廣大的信息技術工作者便不斷向教師普及多媒體等現代教育儀器設備的使用[6]。QQ群、微信、YY直播、社區等平臺的出現為創客導師的自主成長提供了全方位的支持。資源的豐富性、使用上的開放性、經濟上的優越性、交流互動的便捷性、參與者的廣泛性讓創客導師足不出戶便可以與天南海北的同行交流研討，汲取大師營養。表1列舉全國有廣泛影響力的創客教育社群。
3.讀書、反思與寫作
（1）養成讀書的習慣
閱讀大量書籍對于創客導師的重要性是不言而喻的，創客教育沒有專門的學科背景，對于大多數教師而言是一個全新的領域。多學科、富技術的特點要求創客導師不斷學習，擴展視野，更新觀念，提高技術。創客導師閱讀的書比較多，以計算機編程、網絡、單片機技術、模擬電路、數字電路、3D打印為主，大數據、物聯網、信息技術應用教學論方面的書也應該涉及。
（2）以寫作倒逼反思
反思的習慣和能力是任何一個教師走向成功必不可缺少的精神素養和專業品質。校園創客導師角色眾多，任務繁重，往往很難有時間去反思創客教育。寫作則可以倒逼創客導師反思，寫作的過程既是搜集自己創客教育實踐的過程，也是反思的過程。寫作為創客教育落地實施積累了第一手素材，同時也源源不斷為創客教育的發展提供智慧。
4.構建基于網絡的自主發展共同體
所謂創客教育自主發展共同體，是指一個加快創客教師成長成熟、提高創客導師專業素質發展的組織單位，它以自愿、主動交往作為其理論基礎，共同參與、平等協商、合作交流、相互幫助、共同提高[6]。群體動力學理論表明，群體內部各成員之間的良好協作能為每個成員帶來更多方面的增值。自主發展共同體有以下優勢：
（1）共同的愿景提供源源不斷的動力
共同的愿景引領著共同體的方向，形成共同體的文化信念和精神支柱。創客教育實踐是一個“難以開始，容易結束”的過程，門檻高，難度大，教師如果沒有堅定的信念，很容易放棄。共同體成員的相互慰藉、幫助，為創客教育的實施提供源源不斷的動力。
（2）共同的實踐積累可靠有效的經驗
當前創客教育還處于摸索階段，大量創客導師缺少創客教育實施的方法。基于共同體的實踐探究能夠增進創客導師的交流學習，為個人經驗上升為集體共識提供了平臺，為集體共識成為規范標準提供了有效途徑。
5.積極外出學習參加培訓和研討活動
已有的研究和實踐證明，社臨場感有助于降低學習者在線學習過程中的孤獨感，提升學習滿意度和促進虛擬學習社區的建立[7]。外出學習參加面對面培訓能夠增強創客導師學習的社會臨場感，創客導師在培訓體驗中加深對創客教育的理解，通過交流互動驗證自己的實踐正確性。研討活動也是必須的，研討活動中往往有創客教育大咖的參與，親身感受創客教育的演講、討論對個人觀念的修正往往有顛覆性效果。當然，外出學習需要征得學校的意見，同時安排好調課，在某些時候還必須自己預支付相關費用。
隨著我國創客教育的飛速發展，創客導師的需求也越來越多，如何讓創客教師成為一名合格的創客導師是擺在創客教育界的問題。創客導師需求的旺盛帶來的是機遇，也是挑戰。創客教師要迎難而上，選擇適合自己快速成長的路徑，為創客教育的深入發展做貢獻。
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