半實(shí)物仿真驅(qū)動(dòng)的“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”一流課程建設(shè)探索

田斐 崔世林 陶太洋

南陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院 河南南陽(yáng) 473004

1 概述

2019年10月，教育部啟動(dòng)了一流課程建設(shè)工作，“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”是電氣專業(yè)的一門重要核心課程，屬于專業(yè)平臺(tái)必修課程，該課程同工程實(shí)際切合緊密，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟悉調(diào)速系統(tǒng)，掌握轉(zhuǎn)速、電流反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握交流調(diào)速系統(tǒng)的方法，為今后從事電機(jī)的控制與維護(hù)、伺服控制、電氣傳動(dòng)控制等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在學(xué)校“一流課程建設(shè)基金”的資助下，“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”承擔(dān)起了電氣專業(yè)第一批一流課程建設(shè)任務(wù)，在一流課程的建設(shè)過程中，如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高課程的教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生的工程素質(zhì)與能力和思政思辨能力，是一個(gè)迫切需要解決的問題。部分高校借助工程教育專業(yè)認(rèn)證[1]的契機(jī)，對(duì)課程的教學(xué)方式和手段進(jìn)行了大幅改革，教學(xué)質(zhì)量取得了一定的進(jìn)展；部分高校大力開展精品課程建設(shè)，也取得了一定的成績(jī);還有部分高校大力開展MOOC在線課程;也有部分高校開展了線上線下混合教學(xué)等。這些措施的實(shí)施，都為提升教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生的工程素質(zhì)和能力做出了一定的貢獻(xiàn)和成績(jī)。

“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”是綜合性極高的專業(yè)課程，該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生具備使用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)能力，具備使用整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的能力，并且能夠具備對(duì)電機(jī)實(shí)施在線控制和調(diào)速的實(shí)際應(yīng)用能力[2]，為使同學(xué)們具備以上能力目標(biāo)，我們電氣專業(yè)圍繞該課程設(shè)置了一系列輔助課程，協(xié)助學(xué)生理解該課程的綜合性和適用性，使學(xué)生體驗(yàn)該課程，主動(dòng)開展學(xué)習(xí)，具體課程關(guān)系如圖1所示。

圖1 “電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程關(guān)系

為了達(dá)到該課程的教學(xué)目標(biāo)，我們?cè)凇半娏ν蟿?dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)方案設(shè)計(jì)上考慮學(xué)情和社會(huì)的客觀需要，提出了基于半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”一流課程建設(shè)方案，將智與勞相結(jié)合，綜合培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，更新實(shí)驗(yàn)設(shè)置，將驗(yàn)證性試驗(yàn)變?yōu)槿谌雱?chuàng)新的開發(fā)性試驗(yàn)，以實(shí)際工程項(xiàng)目建設(shè)案例為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，幫助學(xué)生了解課程在工作中的作用，使得學(xué)生足不出課程便能體會(huì)到學(xué)以致用、理論指導(dǎo)實(shí)踐的強(qiáng)大威力，使同學(xué)們?cè)诓饺肷鐣?huì)之前就能具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，并為今后長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下理論、實(shí)踐和思想的基礎(chǔ)[3]。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)教學(xué)改革

“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)目的主要是以電子技術(shù)或計(jì)算機(jī)為控制核心，采用電力電子器件為控制器件，以電動(dòng)機(jī)為被控制實(shí)體，采用自控原理分析設(shè)計(jì)控制過程，掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律及設(shè)計(jì)方法，通過課程設(shè)計(jì)及綜合實(shí)驗(yàn)課程鞏固理論知識(shí)，驗(yàn)證基本理論和進(jìn)行實(shí)際工程案例開發(fā)，提高學(xué)生綜合能力。

課程的重點(diǎn)是速度控制系統(tǒng)，即調(diào)速控制系統(tǒng)。為了達(dá)到該課程的培養(yǎng)目標(biāo)和完成培養(yǎng)任務(wù)，我們采取了兩個(gè)重要措施：

(1)依托南陽(yáng)理工學(xué)院青年教師發(fā)展基金，申報(bào)了《電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)》(NIT2016SJJG-013)實(shí)踐教學(xué)改革項(xiàng)目1項(xiàng)，自主開發(fā)了20臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置用于該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程設(shè)計(jì)。

(2)依托南陽(yáng)理工學(xué)院“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”一流課程建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)了“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”半實(shí)物仿真平臺(tái)一套。

2.1 電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

半實(shí)物仿真，又稱為硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation)，是指在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真，實(shí)時(shí)性是進(jìn)行半實(shí)物仿真的必要前提。

電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一套以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，電機(jī)為被控對(duì)象，PLC和電力電子為控制器件的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。建成后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2、圖3所示。該平臺(tái)的建設(shè)對(duì)整個(gè)電氣專業(yè)的學(xué)生提供了能夠參加教師橫向課題的機(jī)會(huì)，屬于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式的一種[4]，為學(xué)生提供了理論知識(shí)的運(yùn)用空間，能將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，解決生活生產(chǎn)實(shí)踐中的問題，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)和生活，使培養(yǎng)的人才適合社會(huì)的需求。在課題的引領(lǐng)下，有助于系統(tǒng)總結(jié)新課程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)成果，最大程度促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

圖2 自主開發(fā)的電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)裝置——PLC部分

圖3 自主開發(fā)的電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)裝置——電源部分

2.2 半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”這門課程的實(shí)驗(yàn)，各元器件內(nèi)部調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程十分短暫且無法直接測(cè)量，基于MATLAB建立虛擬模型可以將各個(gè)內(nèi)部變量直觀地引出，便于查看，在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下將內(nèi)部參數(shù)直觀呈現(xiàn)，而且還可以自行設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，了解不同參數(shù)在運(yùn)行過程中的實(shí)際作用，以輔助教學(xué)。同時(shí)，基于MATLAB的虛擬仿真平臺(tái)還可以幫助學(xué)生以非常簡(jiǎn)單的方式和非常小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)自己的控制方法，而無須對(duì)硬件做任何改動(dòng)，這不但增進(jìn)了學(xué)生的編程能力，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情[5]。

但是，單純的MATLAB純虛擬仿真[6]不利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力，不利于學(xué)生實(shí)際的設(shè)備操作、數(shù)據(jù)采集等能力和知識(shí)的培養(yǎng)。另外，過于抽象的虛擬平臺(tái)人為地在理論和實(shí)踐之間增加了一條鴻溝。因此，我們開發(fā)出了半實(shí)物虛擬仿真控制平臺(tái)[5，7-9]，該平臺(tái)采用MATLAB作為主控制端，實(shí)物設(shè)備的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給MATLAB，控制器用MATLAB編寫，半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)的控制界面如圖4所示。

圖4 基于MATLAB的半實(shí)物仿真控制平臺(tái)

半實(shí)物仿真平臺(tái)的研究具有以下意義：

(1)半實(shí)物仿真擁有數(shù)字軟件仿真和實(shí)際實(shí)物試驗(yàn)無可比擬的全方位優(yōu)勢(shì)，這種仿真方式能夠在研發(fā)階段就發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的質(zhì)量問題，把研制風(fēng)險(xiǎn)降低到最小，產(chǎn)品質(zhì)量提升到最好，另外，還可以縮短關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)周期，大幅減少不必要的實(shí)際物理試驗(yàn)次數(shù)，減少不必要的物理耗材等。

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，半實(shí)物仿真采用在系統(tǒng)中接入部分實(shí)物的方式，意味著可以把控制對(duì)象、執(zhí)行器等部分不變的實(shí)物放在系統(tǒng)中進(jìn)行考察，既保證了關(guān)鍵部件的實(shí)際檢驗(yàn)，又保證了關(guān)鍵軟件和算法的實(shí)際驗(yàn)證，因此半實(shí)物仿真是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和研制質(zhì)量的必要手段。

(2)半實(shí)物仿真本質(zhì)上支持快速原型設(shè)計(jì)及硬件在回路測(cè)試，支持用戶基于Simulink等圖形化建模工具進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，極大地縮短開發(fā)周期，提高了公司關(guān)鍵技術(shù)的可重用性，減少了公司前期投入。

(3)在產(chǎn)品研發(fā)階段、算法驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，若采用實(shí)際控制器進(jìn)行控制，則存在控制器硬件修改調(diào)試周期長(zhǎng)、可靠性差等問題，依賴合作伙伴供貨周期等因素，若采用半實(shí)物仿真，就可以高效地、便捷地完成前期算法的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

(4)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，半實(shí)物虛擬仿真教學(xué)融合了虛擬教學(xué)和實(shí)物教學(xué)的共同優(yōu)點(diǎn)，能滿足工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需求。

3 教學(xué)效果和畢業(yè)生評(píng)價(jià)反饋

針對(duì)我校“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程，采用開發(fā)的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，提供了學(xué)生理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐之間聯(lián)系的橋梁，強(qiáng)化了理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的有機(jī)高度互融，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生對(duì)該類實(shí)驗(yàn)課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)熱情，形成了“理論學(xué)習(xí)”到“實(shí)驗(yàn)實(shí)踐”的成功互聯(lián)和高度融合，使學(xué)生一畢業(yè)就成為一名合格的技術(shù)人員成為可能，學(xué)生學(xué)習(xí)成效非常顯著，畢業(yè)生反饋評(píng)價(jià)優(yōu)良。對(duì)2017級(jí)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)的205名同學(xué)的調(diào)查問卷顯示，所有學(xué)生都對(duì)該半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)給予了非常高的評(píng)價(jià)，徹底改變了學(xué)生“學(xué)了理論不知道有什么用，該怎么用”的窘境，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。