Datatekniks genomströmning och lärande inom reglerteknikblocket

Transkript

1 Datatekniks genomströmning och lärande inom reglerteknikblocket Sammanfattning Programansvarig för D- programmet har gett S2 (genom undertecknade) i uppdrag att se över det s.k. reglerteknikblocket i D3 under ht 2011, och har också formulerat ett preliminärt uppdrag för Vi ger här en rapport över utfört uppdrag. Vi ger också vår syn på reglerteknikblockets roll i D- utbildningen samt formulerar ett antal frågor, som programledningen bör besvara för att ge nödvändiga förutsättningar för det fortsatta utvecklingsarbetet. Våra viktigaste slutsatser är följande: En viktig anledning till studenternas svårigheter i reglerteknikblocket är att kunskaperna inom matematisk analys har försvagats, och att program- planen inte inrymmer någon progression inom analysen under åk 2. Ur denna synvinkel utfaller en jämförelse med motsvarande kurs vid LTHs D- program negativt för Chalmers vidkommande. Vi anser att studenternas motivation för reglerteknikblocket skulle kunna ökas betydligt på två sätt. Det första är att D- programmet lyfter fram datorsystem för tekniska tillämpningar i allmänhet, och inbyggda system i synnerhet. Det andra är att reglertekniken i större utsträckning betonar implementering av mät- och styrfunktioner i inbyggda system. Det fortsatta utvecklingsarbetet måste grundas på en mycket tydligare målbild från programmets sida, dels programmets övergripande lärandemål, dels förutsättningar för programplanen i åk 3. Vi skulle här gärna se att D- programmet tydligare fokuserar på datorer i tekniska system, vilket också skulle ge en tydligare profilering gentemot IT- programmet. Uppdrag 2011 Mot bakgrund av den dåliga genomströmningen inom reglerteknikblocket (bestående av de obligatoriska kurserna SSY080 Transformer, signaler och system samt ERE102 Reglerteknik) har vi fått i uppdrag att 1) inventera och reformera lärsekvenserna inom reglerteknikblocket med målet att förbättra lärandet hos D- studenterna inom detta ämnesområde, och förhoppningsvis också förbättra genomströmningen; 2) på något sätt ge extra hjälp till den stora grupp studenter som har regler- blocket "efter sig" så att de kan "komma ifatt" (hösten 2010 klarade endast studenter dessa två kurser). I anslutning till uppdraget formulerades också några specifika frågor: a) Vilken profil vill MPSYS ha på studenterna som börjar (gärna i form av en sammanställning av vilka lärmål från kurserna i nuvarande D- utbild- ningen som är viktigast att uppnå som förkunskaper inför MPSYS)?

2 b) Vad är ett minimum av "allmänbildning" som alla ingenjörer bör ha (inom Regler, S2- blocket)? c) Hur kan D- studenternas speciella kompetenser utnyttjas inom Regler- blocket (högnivåmodellering, programvaruteknik, datakommunikation, datorsystemteknik, etc.)? d) Delfråga: vilka tidigare kurser utnyttjas, och hur (gärna i termer av vilka av tidigare lärmål som passar som förkunskapskrav)? e) Vilka av det femåriga D- programmets lärmål kan Regler- blocket hjälpa med/ta hand om? Följande aktiviteter har genomförts under hösten: Ansvariga lärare (undertecknade) har analyserat de två kurserna vad avser förkunskaper, innehåll, lärsekvenser mm. Vi har också analyserat de frågor som rör kopplingarna till MPSYS- programmet och D- programmet i sin helhet. Resultatet sammanfattas nedan. Reglerteknik- kursen har genomgått en förändring redan under denna höst. En sekvens av veckoteman har definierats för att tydliggöra målen med de olika momenten i kursen och hur dessa hänger samman. Varje vecka har inletts med en timmes tillbakablickande och introducerande föreläsning, där vikten har lagts vid sammanhang och en intuitiv, snarare än formell, introduktion av nya begrepp. Vi har också försökt att tydliggöra kursens relevans för programmet och illustrerat viktiga idéer med datorsimuleringar. Reglerteknik- kursen har jämförts med motsvarande kurs på D- programmet vid LTH, både vad gäller innehåll och relationer till andra kurser. Denna jämförelse har redovisats separat; de viktigaste slutsatserna är att reglerteknikkurserna är mycket lika varandra, att programmet på LTH har betydligt mer matematik och något mer av allmänna teknikinslag, och att Chalmers D- program har mer rena programvarukurser. En jämförelse med Linköping ger liknande resultat. I anslutning till uppdragets punkt 2) har ett antal föreläsningar genom- förts under lp 1, med syftet att repetera de viktigaste förkunskaperna för reglerteknikkursen, för att på detta sätt ge en grupp eftersläntrare bättre förutsättningar att följa den ordinarie kursen fram till tentamen. 28 studenter skickade in intresseanmälan, men tyvärr var det endast c:a 5-10 studenter som deltog. Analys Reglerteknikblockets syften och mål Följande övergripande syften är formulerade för de två kurserna: SSY080: Kursen ska ge en grundläggande kunskap om linjära system och hur dessa kan användas för att beskriva effekter i fysikaliska system. Olika matematiska verktyg för att beräkna relationen mellan insignal och utsignal hos ett linjärt system lärs ut. ERE102: Kursen syftar till att introducera grunderna inom reglertekniken och de metoder som används för att designa reglersystem för dynamiska system. Kursen vidgar datateknikstudenternas perspektiv på tekniska system och ger förståelse för hur mekanik, elektronik, datorteknik och

3 reglerteknik samverkar. Dessa insikter kan utnyttjas till att förbättra och utveckla nya produkter med ny funktionalitet och förbättrad prestanda. Från dessa formuleringar kan vi utläsa följande: De två kurserna hänger intimt samman, och SSY080 lägger till stor del den begreppsmässiga grunden för den efterföljande ERE102, där delar av materialet kort repeteras. Tillämpningar på tekniska system betonas. Detta gör att det finns en tydlig koppling tillbaka till de grundläggande kurserna inom fysik och elektro- teknik. I anslutning till detta vill vi betona reglerteknikens betydelse som ett grundläggande ingenjörsämne, som på ett naturligt sätt integrerar kunskaper från matematik, fysik, elektroteknik och datateknik för studiet av tekniska system. Denna syntesaspekt på ämnet är viktig och bör beaktas i ett förändringsarbete. Vi föreslår, delvis som svar på fråga b) ovan, följande målformulering för reglerteknikblocket: Målet med reglerteknikblocket (SSY080+ERE102) är att studenterna skall få de grundläggande kunskaper och färdigheter inom system- och reglertekniken som krävs för att ingå i ett utvecklingsteam med uppgiften att utveckla ett inbyggt system eller större, datorbaserat styrsystem, där mätning och styrning oftast ingår. Anm. Tonvikten ligger alltså på grundläggande kompetens, inte på någon expertroll. Lärsekvenser Vi har identifierat de lärsekvenser som finns inom reglerteknikblocket, och hur de kopplar till tidigare kurser, se bilaga. Våra slutsatser efter denna analys är bl.a. följande: SSY080 introducerar grundläggande begrepp som signaler och system, liksom Laplace- transform, Fourier- representationer och LTI- system, som alla används i ERE102. Hela blocket bygger på grundläggande kurser inom matematik (analys och linjär algebra), fysik och elektroteknik. Samtliga dessa kurser ligger i åk 1, vilket innebär att kunskaperna är något inaktuella vid starten av ht i åk 3, där reglerteknikblocket ligger. Delvis som svar på fråga c) ovan kan man konstatera att D- studenternas speciella kunskaper inte tas tillvara på bästa sätt. Exempelvis skulle implementeringsdelen i ERE102 kunna föras längre med konkreta programmeringsuppgifter, t ex i anslutning till den labb som ingår i kursen. Förkunskaper, lärande och genomströmning Baserat på inventeringen av lärsekvenserna och kopplingarna till tidigare kurser vill vi lyfta fram följande punkter av betydelse för lärande och genomströmning: Som svar på fråga d) ovan följer här en lista på de viktigaste förkunskaperna: o Analys i en variabel, komplexa tal och ordinära differential- ekvationer.

4 o Matriser och vektorer, linjära avbildningar, ekvationssystem, egenvektorer och egenvärden, linjärt (o)beroende. o Elektriska nät. o Grundläggande mekanik och värmelära. Energi-, kraft- och materialbalans. o Grundläggande programmering. De viktiga matematikkunskaperna förmedlas under åk 1, och används i begränsad utsträckning under åk 2. Vi tror att detta, tillsammans med den minskning av matematisk analys som gjorts under senare år i programmet, utgör ett problem för inlärningen i reglerteknikblocket den nödvändiga matematiska mognaden och träningen är inte på plats. Den jämförelse som gjorts med D- programmet vid LTH bekräftar detta intryck. Relationer till programmål Vi har följande kommentarer angående reglerteknikblockets roll för det 5- åriga D- programmet respektive för mastersprogrammet Systems, Control & Mechatronics (MPSYS): Fråga e) ovan tar upp frågan om vilka av det 5- åriga D- programmets lärandemål som reglerteknikblocket kan bidra till. De lärandemål som f.n. gäller för D- programmet är så allmänt hållna, att det i praktiken är omöjligt att svara på denna fråga. Vi har därför valt att istället besvara frågan utifrån det utkast som finns till nya lärandemål ( ). Även här är många av lärandemålen ganska allmänna, och de flesta kurser kan förmodligen hävdas bidra till dessa. För reglerteknikblocket vill vi speciellt lyfta fram följande delmål: o Mål 2: Reglertekniken är ett sådant ingenjörsämne som här omnämns, och som bidrar till bredden i utbildningen. o Mål 6: Tillämpas detta mål på tekniska/inbyggda system bidrar reglertekniken till att uppfylla målet. o Mål 7: D:o o Mål 9: Stämmer väl överens med den målformulering som föreslogs ovan för reglerblocket. o Mål 11: Hållbarhetsaspekten kan med fördel exemplifieras med avancerade process- styrsystem, där reglertekniken bidrar till energieffektivitet, resurssnåla system och slutna processer. Angående kopplingarna till MPSYS- programmet och fråga a) ovan, så finns ganska tydliga förkunskapskrav angivna för MPSYS de viktigaste är just reglerteknikblocket och de kurser som utnyttjas i detta. D- studenter bör dessutom läsa flervariabel analys. En möjlig målbild för D- studenter som läser MPSYS- programmet är att nå de kunskaper och färdigheter som krävs för att leda ett utvecklingsteam med uppgiften att utveckla ett inbyggt system eller större, datorbaserat styrsystem, där mätning och styrning ingår.

5 Uppdrag 2012 I det preliminära uppdrag programansvarig gett S2 inför 2012 anges några förutsättningar för arbetet: MPSYS- programmet är nu ackrediterat av D- programmet. D- studenter som börjar i D1 ht 2012 kommer enligt liggande förslag inte att ha nuvarande Reglerteknik som obligatorisk kurs när de kommer till tredje året (ht 2014). Bakgrunden till detta är i korthet: o En ny obligatorisk projektkurs för D2 gör att en omarbetad kurs Bärkraftig resursanvändning blir obligatorisk i D3. o Kandidatarbetet (obl.) samt ett krav på minst en valfri modul per läsperiod ger plats för högst ytterligare en obligatorisk kurs i D3. Vi har ett antal synpunkter och frågor med anledning av uppdraget inför 2012 och önskar diskutera dessa med programråd och programansvarig, så att vi bättre kan inrikta vårt förändringsarbete framöver: Det nya D- programmets syften och mål Följden av ovanstående är att det blir särskilt angeläget att diskutera D- programmets nya lärandemål och de implikationer dessa får på reglerteknik- blockets roll i utbildningen. Vi vill särskilt lyfta fram det faktum att många av formuleringarna rör dator- och programvarusystem i allmänhet, och vi har också ett bestämt intryck av att D- programmet under senare år har getts en starkare programvaruprägel. Vi anser att programmet skulle kunna profilera sig starkare gentemot IT- programmet genom att tydligare betona användningen av datorer i tekniska system (inbyggda system, produktionssystem, övervakningssystem för kraft- och transportinfrastruktur mm), vilket gör såväl hårdvaruaspekter som kopplingen till andra tekniska ingenjörsdiscipliner viktigare. Begreppet inbyggda system nämns f.ö. endast i förbigående i den nya programbeskrivningen under rubriken Programidé. Reglerteknikens roll I frånvaron av ett förtydligande av D- programmets lärandemål, t ex enligt det som föreslogs i föregående stycke, så är det svårt att avgöra reglerteknikens roll i det nya D- programmet. Det är naturligtvis också mycket viktigt att diskutera vilket utrymme reglerteknikblocket får i programplanen särskilt olyckligt är det att förändringar införs i åk 1 redan nästa år, innan konsekvenser för senare årskurser har belysts. Göteborg den 13 december 2011 Bo Egardt Claës Lindeborg Ants Silberberg Knut Åkesson

6 ERE102 Reglerteknik Lin algebra Fysik Ellära Analys SSY080 LTI- system Laplace Fourier Modellbygge Balansekva)oner Kons)tu)va rela)oner 2 4 Linjära system Diff- ekva)oner Impuls/stegsvar Överförings:n Poler/nollställen Stabilitet Blockschema 1 Tillståndsmodeller Analys av flerdim system Linjärisering Modelltransforma)oner Nyquis<eoremet Frekvensanalys Harmonisk analys Frekvenskurva Bode + Nyquist Tillståndsbaserad design Tillståndsåterkoppling Design i frekvensplanet Specifika)oner Känslighetsfunk)oner PID- design 5 11 Sampling Diskreta system Filterdesign Röda siffror hänvisar )ll kursens lärandemål 9 Implementering Sampling, aliasing Diskre)sering Differensekva)oner An)- windup InlämningsuppgiIer + laboraaon 8 AlternaAva reg- strukturer Framkoppling Kaskadreglering Död)dskompensering 10

7 SSY080, Transformer, Signaler och System för D3 Sampling Numerisk beräkning, FFT Signaler - Kon&nuerliga - Diskreta Fourier representa&oner - Fourierserier (FS) - Fourier transform /FT) Matema&ska Modeller Rela&on Insignal - > System - > Utsignal - Diff. ekva&oner - Faltning (impulssvar) - Frekvenssvar - Generell insignal Xin(s), Xin(z) System - Egenskaper LTI, Stabilitet, mm Överföringsfunk&on - poler /nollställen Laplacetrasform Z- transform