“電力傳動與自動控制系統”實驗教學改革

張 磊 富 立

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院， 北京 100191)

電力傳動與自動控制是一個知識體系跨度大、知識面廣、關聯性強的研究領域[1]，該領域的專業技術人才不但要扎實掌握電機、電力電子、傳感器、自動控制等多門理論知識，而且要具有綜合應用上述知識解決復雜系統內實際工程問題的能力。近年來，隨著“大云物移智鏈”等信息技術的不斷發展，各類型高性能電力傳動與自動控制系統在機器人、智能制造等領域內承載了前沿科學技術與基礎理論知識的融合應用，這對該領域人才的實踐能力和創新能力提出了更高的要求[2]。

“電力傳動與自動控制系統”作為北京航天航空大學電氣工程及其自動化專業本科(大三下)的一門重要專業課程，是該方向學生由專業基礎學習向專業系統學習過渡的關鍵節點，是幫助未來該領域人才構建完整知識架構、理解相關理論知識的一個重要培養環節。其實驗教學作為引導學生融合應用多門理論知識解決實際工程問題的關鍵過程，對學生初步形成系統性思維方式和自主創新意識起到了非常關鍵的訓練作用。以培養滿足“新工科”需求的電力傳動與自動控制領域人才實踐、創新能力為目標，分析了“新工科”背景下傳統實驗教學中所存在的問題，介紹了該校應用現代信息技術和實驗技術擴展改進“電力傳動與自動控制系統”實驗教學內容的詳細措施，提出了構建強電弱電結合、虛實一體實驗課程內容體系的具體方法。

1 傳統實驗教學存在的問題

目前，“電力傳動與自動控制系統”的實驗教學通常是以通用型教學實驗臺為授課對象，以實驗指導教師集中講解、學生分組操作相結合的授課方式進行。這樣的教學方式可以確保學生在預定的課時和場地內、保質保量并且安全地完成對課程理論知識的實驗驗證，然而該方式在“新工科”背景下存在著以下問題：

1)缺少對凝練科學性問題能力的訓練

通用型教學設備一般是對應用于各個不同領域內的電力傳動與自動控制系統進行通用化、簡單化后的產物。因而此類實驗設備“先天”無法復現將現實化的工程問題抽象為典型理論知識點這一過程，學生即使完成相關實驗內容，也很難將實驗設備與實際系統建立聯系。這將導致學生在面對實際工程問題時，缺少將其轉換為科學性問題并加以解決的能力。針對這一問題文獻[3]構建了仿真模型、動畫、實物視頻等線上教學輔助資源，為學生提供了理論聯系實際的機會，文獻[4]則采用了任務驅動、自主調研等模式，增強學生對實際系統的理解，都取得了較好的教學效果。

2)缺少與其它課程內容相關聯的實驗項目

傳統“電力傳動與自動控制系統”的實驗過程一般是對某個理論知識點的驗證過程，如：直流脈寬調速系統開環機械特性、閉環靜特性測試等。此類實驗往往包含有直流電動機、電力電子變換器、測速傳感器、閉環控制系統等常用部件，但在實驗內容的組織上往往將其視為先導課程知識點而不進行深入學習，而憑學生自身又很難將其與電力傳動與自動控制系統的知識體系深度融合，導致各課程實驗項目間的關聯性變弱，無法幫助學生形成完整的知識脈絡。因此文獻[5]中提出要全方位、系統化地構建實驗教學體系，以強化實驗教學的目的性、層級性和連貫性。

3)缺少精準服務本課程教學目標的實驗技術

目前，通用型教學設備中電力傳動系統的檢測、控制功能，一般是通過在嵌入式系統內進行C語言程序設計來實現的。雖然實驗過程中指導教師會將系統例程提供給學生并講解程序流程，但是在有限的實驗學時內學生仍難以確切了解嵌入式系統硬件的驅動方式和軟件程序的整體功能，而且如果在代碼環節占用過多的實驗學時，又會影響學生對電力傳動系統本身知識的學習。因此傳統實驗一般僅向學生開放程序內特定參數的修改權限，如轉速環和電流環的PI參數，導致學生通過此類實驗無法深入理解、掌握電力傳動與自動控制系統的基本控制架構和實施方法。針對這一問題，文獻[6-8]將代碼生成技術引入實驗教學，不但深化了學生對控制系統原理的理解，而且有效提高了學生的實踐與創新能力。

由上述內容可見，如何應用現代信息技術和實驗方法突破傳統電力傳動與自動控制系統實驗教學模式的限制，打造滿足“新工科”需求的電力傳動與自動控制系統實驗教學內容是我們所面臨的現實問題。

2 內容體系設計

由于傳統“電力傳動與自動控制系統”實驗教學通常是以高電壓、大功率設備作為研究對象，實驗過程中存在人身傷害的可能性，因此學生難以通過此類設備進行傳動控制系統的自由探索與研究，導致其無法全面深入理解系統的工作機理。

2.1 強弱電結合、虛實一體實驗教學內容框架

基于對以上問題的深入思考，利用弱電實驗和虛擬仿真實驗對原有強電實驗內容進行了擴展，形成了一個以強電實驗為核心的強弱電結合、虛實一體的實驗課程內容體系，如圖1所示。

圖1 強弱電結合、虛實一體實驗課程內容體系的基本要素

在該實驗課程內容體系中，學生一方面可以通過虛擬仿真實驗和弱電實驗提取實際工程問題，通過強電實驗對其中的理論知識點進行驗證，以此培養其凝練科學性問題的能力和強電操作能力；另一方面學生可以將強電實驗中的危險性、挑戰性內容提取到虛擬仿真環境和弱電實驗系統內，在安全環境下自由探索、研究，以此培養其自主創新意識。可見，該實驗教學內容不但體現了“電力傳動與自動控制系統”強電主干課程的基本實驗要素和電氣工程及其自動化的專業特色，而且還為在該課程實驗內容內融入信息、控制、機械等理論知識提供了有力支撐。

2.2 實驗教學內容設計

針對“新工科”背景下傳統實驗教學中存在的問題，新體系依據教學大綱保留了與課程理論知識點緊密關聯的強電實驗內容，設計并開發了基于模型設計實驗內容和虛擬仿真實驗內容，形成了共16學時的實驗教學內容，如圖2所示。

其中的基于模型設計實驗和虛擬仿真實驗的實驗方法和設計理念如下：

1)基于模型設計實驗

圖2 新課程內容體系下的16學時實驗

基于模型設計實驗是以Matlab/Simulink作為軟件程序開發環境，由DSP28335開發板和24 V實驗對象構成硬件實驗系統，其基本實驗流程如圖3所示。

圖3 基于模型設計實驗基本流程

在此類實驗中，學生首先通過拖拽、連接功能模塊的方式，完成電力傳動控制系統圖形化軟件程序的構建；其次利用Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors程序包內的Digital Input、Digital Output、ePWM、ADC等模塊完成實驗系統軟、硬件接口的配置；第三利用Matlab/Simulink的代碼自動生成功能，將圖形化軟件程序轉換為可執行控制代碼，并通過CCS軟件將其下載到DSP28335中；最后由DSP28335控制24 V實驗對象，調試和驗證系統軟、硬件功能，并完成整個實驗過程。

2)虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗分為兩類：一類是對基于模型設計實驗的仿真驗證，主要利用Simulink軟件當中的模型庫資源，構建24 V實驗對象及其控制系統的仿真模型，在仿真環境下對擬采用的控制方法進行有效性驗證。另一類是國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設成果，利用系統建模、虛擬現實、人機交互等技術開發的“火星星表探測系統控制技術探究虛擬仿真實驗”，如圖4所示。

該虛擬仿真實驗將傳統電力傳動與自動控制系統實驗教學內容與火星車移動探測任務有機結合，賦予了其鮮明的航空航天特色，系統模型如圖5所示。實驗中學生通過自主選擇合理的控制方法和控制參數，消除火星復雜地貌環境給車輪電機控制系統帶來的擾動作用，達到控制火星車行進方向的目的，以此加深學生對直流電機調速系統開環機械特性和閉環靜特性的理解，引導其自主探究外部真實環境給電力傳動與自動控制系統工作性能帶來的影響以及反饋閉環控制在實際系統中的作用。

圖4 火星星表探測系統控制技術探究虛擬仿真實驗

圖5 火星車單輪電機控制系統模型框圖

由上述內容可見，強弱電結合、虛實一體的實驗教學內容體系，在強化強電實驗與課程理論知識點關系的同時，又通過基于模型設計實驗和虛擬仿真實驗加深了該課程教學內容與其相關理論知識的融合應用。

3 教學實施安排

將以強弱電結合、虛實一體的實驗教學內容體系為載體，從實驗內容、實驗技術和實驗方式三個方面對該課程實驗進行了重新組織與安排。

3.1 實驗內容組織向完整系統學習轉變

針對傳統實驗教學過程中存在的知識體系不完整、實驗項目間關聯性弱等問題，將圖2中實驗項目整合為直流傳動控制系統、交流傳動控制系統兩個實驗項目群。項目群內按照能力達成目標劃分為：基礎實踐能力訓練層、系統設計能力提高層、解決實際問題能力擴展層。

1)直流傳動控制系統實驗項目群(9學時)

如圖6所示，在本項目群的基礎實踐能力訓練層中，以直流電機驅動的滑臺控制實驗向學生展示直流傳動控制系統的典型應用，同時利用滑臺系統指導學生學習基于模型設計方法；在系統設計能力提高層中，以不可逆單閉環、雙閉環可逆直流調速系統實驗驗證課程知識點，同時利用火星星表探測系統控制技術探究虛擬仿真實驗引導學生探究火星土壤特性對火星車車輪傳動系統控制性能的影響，建立實際系統與實驗設備間的聯系；在解決實際問題能力擴展層中，以半開放性設計題目為驅動，引導學生學習應用光電開關、磁感應傳感器、光敏電阻模塊等多種傳感器，完成直流傳動控制系統的設計與調試。

圖6 直流傳動控制系統實驗項目群組成

2)交流傳動控制系統實驗項目群(7學時)

如圖7所示，在基礎實踐能力訓練層中，以三相感應電動機、SPWM控制開環調速系統實驗幫助學生理解三相交流電機工作原理、SPWM變頻調速系統的組成和測試方法；在系統設計能力提高層中，利用圖形化軟件設計環境，引導學生深入學習SPWM控制方法，掌握小功率永磁同步電機控制系統功能部件的原理和調試方法；在解決實際問題能力擴展層中，以任務為驅動引導學生依照強電SPWM控制開環調速系統功能，完成小功率永磁同步電機轉速閉環控制系統的設計與調試。

圖7 交流傳動控制系統實驗項目群組成

以上兩個實驗項目群利用基于模型設計實驗和虛擬仿真實驗對傳統實驗內容進行了延伸與擴展，使學生能夠接受到從部件級到系統級的綜合鍛煉，不但能幫助其樹立工程系統觀念，而且能培養其創新實踐能力。

3.2 實驗技術以代碼自動生成技術為主

針對傳統實驗技術難以精準服務信息化、智能化背景下本課程的實驗教學目標的問題，利用基于模型設計方法簡化學生對控制系統硬件驅動程序、控制程序的學習，使其專注于電力傳動與自動控制系統整體功能的設計與調試，如圖8所示。

圖8 基于模型設計程序開發流程與傳統流程間的對比

采用基于模型設計方法開展實驗教學，一方面可以幫助學生擺脫程序代碼的束縛，使其更加專注于電力傳動控制系統功能設計，有效提高了本實驗課程的參與度，激發學生學習興趣；另一方面可以緩解不同實驗課程使用不同硬件平臺的尷尬局面，讓學生的設計與測試不必拘泥于某型、某類控制芯片，實現控制程序的跨型號、跨平臺應用，保證學習內容的系統性和延續性。

3.3 實驗方式向課內、課外協同轉變

針對傳統“電力傳動與自動控制系統”實驗授課方式單一，學生缺乏課下自主學習平臺的問題，利用虛擬仿真實驗環境和基于模型設計方法所依托的軟件環境，以課內、課外協同的授課方式開展本課程的實驗教學。如圖9所示，學生首先在課內完成實物實驗對象的原理學習和基本性能測試，提取被控對象模型；其次根據實驗任務要求，在課外完成實驗對象控制系統的設計和仿真驗證；最后在課內利用調試好的仿真模型生成軟件代碼，下載到實物系統內進行調試，最終由實驗指導教師驗證實驗結果。利用上述課內、課外協同的授課方式可以有效激勵學生開展深度自主學習，同時激發學生的挑戰意識和探索精神。

圖9 課內、課外協同實驗授課過程

4 應用效果

在過去三年中，該教學內容體系已在北京航空航天大學“電力傳動與自動控制系統”實驗教學中進行了應用，并同時服務了“自動控制元件與電力電子技術實驗課”“電力電子技術A”“課程設計與綜合實驗”等課程的實驗教學。

此外，為了有效跟蹤“電力傳動與自動控制系統”實驗課程的實施情況，不斷完善與改進實驗教學效果，從2016年開始對該實驗課程實施了課后問卷調查。對比了體系實施前16-18年，與體系實施后19、21年統計數據，見圖10。該體系在強化理論知識理解和提升專業實踐能力等方面得到了學生們的一致認可。

圖10 內容體系實施前后問卷數據對比

該實驗教學內容體系的實施，有效貫穿了電機、電力電子、傳感器、自動控制等多門課程學習內容，加深了學生對相關理論知識的理解，提升了其分析、解決實際工程問題的能力，激發了其自主創新意識，使更多的學生加入到自動化系統應用大賽、智能車大賽、電子設計大賽等學科競賽，2016-2019年由我中心指導的學生在自動化系統應用大賽中共獲特等獎4項和一等獎3項。

5 結語

提出的強弱電結合、虛實一體的“電力傳動與自動控制系統”實驗教學內容體系，是新工科背景下融合應用國家級虛擬仿真實驗教學中心建設成果的產物。該教學內容以課程傳統強電實物實驗為基礎，應用現代信息技術和實驗技術開發了線上虛擬仿真、線下虛實結合型實驗項目，通過融合貫通三種環境下的實驗教學，從實驗內容、實驗技術和實驗方式三個方面對課程實驗進行了全面改造，構建起一個知識結構相對完整、能力培養更加全面的新型實驗教學內容體系，對培養電力傳動與自動控制領域人才的綜合實踐與自主創新能力起到了巨大的推動作用。此外，該課程體系充分迎合了“電力傳動與自動控制系統”理論知識跨度大、關聯性強的特點，對新工科背景下其它領域人才實踐能力培養具有很好的啟發作用。