電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新與研究項目的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 凱， 曹建秋， 王愛娟

(重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新與研究項目的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 凱， 曹建秋， 王愛娟

(重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

圍繞國家對電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新與研究人才需求，以交通電氣信息為特色，構(gòu)建以創(chuàng)新和研究能力為主線的螺旋式、多層次實踐教學(xué)新體系。結(jié)合一個完整船舶電氣實例，從其數(shù)學(xué)模型出發(fā)，自行創(chuàng)建封裝同步發(fā)電機各階次模型，搭建多機電力系統(tǒng)故障模型。研究各階次同步發(fā)電機模型對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響，并得出相應(yīng)結(jié)論。實例給出創(chuàng)新與研究項目設(shè)計實現(xiàn)的方法和思路。

科技創(chuàng)新； 實現(xiàn)方法； 船舶電氣； 實例剖析

2005年國家教育部在《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》中指出：“積極推動研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”，“引導(dǎo)大學(xué)生了解多種學(xué)術(shù)觀點并開展討論、追蹤本學(xué)科領(lǐng)域最新進展，提高自主學(xué)習(xí)和獨立研究的能力”。以上明確指出了高校所培養(yǎng)的大學(xué)生應(yīng)具備一定的創(chuàng)新和研究能力。

托爾斯泰曾指出“如果學(xué)生在學(xué)校里學(xué)習(xí)的結(jié)果是使自己什么也不會創(chuàng)造，那他一生將永遠是模仿和抄襲”。學(xué)生的創(chuàng)造思維素質(zhì)要靠教師有意識地訓(xùn)練，即便是有一點缺憾的創(chuàng)造，也要比無缺點的模仿更有價值。

重慶交通大學(xué)對電氣信息類專業(yè)推行了專業(yè)提升計劃、卓越工程師建設(shè)、人才培養(yǎng)創(chuàng)新實踐示范區(qū)等一系列改革措施。通過改革，使學(xué)生在本科、研究生階段得到科研與發(fā)明創(chuàng)造的訓(xùn)練。推廣個性化培養(yǎng)與研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，形成了創(chuàng)新與研究的教育氛圍。

在改革中，建立和發(fā)揮以創(chuàng)造性為核心，并注重交通行業(yè)特色的電氣信息類人才培養(yǎng)模式。

探索以問題和課題為核心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)多層次、創(chuàng)新與研究實驗教學(xué)內(nèi)容的體系改革，對新的教育方式進行積極探索，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

1 以創(chuàng)新與研究能力為主線的分層遞進實踐教學(xué)體系

按照創(chuàng)新與研究能力培養(yǎng)這一基本思路，我校對電氣信息類專業(yè)在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行了有機整合，形成了以創(chuàng)新與研究能力為主線的多層次螺旋式實驗教學(xué)培養(yǎng)新體系。按照先基礎(chǔ)、后綜合、再創(chuàng)新與研究的思路，循序漸進地安排實驗教學(xué)計劃。針對授課對象和培養(yǎng)目標不同，將實驗項目劃分為基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗、創(chuàng)新與研究實驗三個層次。內(nèi)容由淺入深，從簡單到復(fù)雜，逐步提升實驗技術(shù)水平。使學(xué)生從“學(xué)會走路”，到“自主走路”，最終學(xué)會“自己找路”。

1.1 基礎(chǔ)性實驗

電氣信息類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)，在學(xué)生素質(zhì)修養(yǎng)和能力培養(yǎng)上有著不可缺的位置?！罢n程基礎(chǔ)實驗”與理論課程體系對應(yīng)，重點在培養(yǎng)學(xué)生的實驗基本技能，使其熟悉儀器和設(shè)備使用方法，提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，使學(xué)生“學(xué)會走路”。

1.2 綜合設(shè)計性實驗

樹立以工程設(shè)計“實戰(zhàn)性”的教學(xué)思想，確立專業(yè)課以項目為引導(dǎo)的大作業(yè)，開展諸如EDA、單片機、ARM和DSP開發(fā)的“綜合性工程訓(xùn)練”，在訓(xùn)練中做到以“練”為“戰(zhàn)”。學(xué)生通過參觀了解工程項目，熟悉相關(guān)內(nèi)容，將感性認知通過理性的工程性思維轉(zhuǎn)化為設(shè)計方案，把模擬設(shè)計當成真正工程設(shè)計來做。重點培養(yǎng)學(xué)生綜合、設(shè)計性實驗?zāi)芰蛨F隊合作能力，使學(xué)生學(xué)會“自主走路”。

1.3 創(chuàng)新與研究性實驗

在創(chuàng)新與研究性實驗的教學(xué)中，其中心主題是“問題”的引申及“激發(fā)”。把學(xué)生的思維引入屬于他們自己的“問題意識”中，并不斷地擴展他們的問題意識，讓學(xué)生不由自主地走上問題的思考之路。進行創(chuàng)新與研究教學(xué)要注意三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是要對教學(xué)素材進行深入研究。通過研究典型教學(xué)素材，指引學(xué)生對實驗問題的探究，提高學(xué)生對實驗的興趣和吸引力；二是教學(xué)目標要明確，有了清晰的預(yù)期目標，學(xué)生就能做到有的放矢；三是在教學(xué)方法上要實行創(chuàng)新性、探究性和開放性。這是創(chuàng)新與研究教學(xué)的精髓，也是最能體現(xiàn)教學(xué)成果的重要部分。學(xué)生的實驗不再是“依樣畫葫蘆”，而是帶著研究課題進實驗室。此時，教師不僅是在傳播知識，同時也在引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造知識。采用這種教學(xué)方式，使學(xué)生系統(tǒng)地接受科研訓(xùn)練，這種訓(xùn)練不是被動的，而是主動的。學(xué)生通過親身體驗和學(xué)習(xí)，能大幅度地提高他們對獲取信息、處理信息的能力。通過實踐還可使學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，進行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過系列的創(chuàng)新與研究實驗教學(xué)活動，其體會最深刻。當他們?nèi)〉贸晒麜r，就會感受到研究的艱辛與快樂，從而進一步激發(fā)起他們的學(xué)習(xí)興趣，提高他們思維能力和創(chuàng)造欲望。

為此，專門設(shè)立了電氣信息創(chuàng)新與研究實驗室。在實驗室中按專業(yè)方向形成體系，多角度體現(xiàn)電氣信息的強、弱電及各學(xué)科方向的專業(yè)特點，使實踐教學(xué)內(nèi)容從相對獨立到學(xué)科融合。實驗室配備先進儀器設(shè)備和各種工具，最大程度地向?qū)W生開放。并設(shè)立專項資金對創(chuàng)新與研究實驗項目進行資助。學(xué)生提出的課題經(jīng)專家論證后，給予立項。創(chuàng)新與研究實驗項目實行導(dǎo)師制，導(dǎo)師按照因材施教原則，給予學(xué)生個性化教育與指導(dǎo)。導(dǎo)師通過指導(dǎo)學(xué)生選題、開題、調(diào)研、實驗調(diào)試、總結(jié)答辯、撰寫論文等教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅使學(xué)生了解科學(xué)研究方法和要求，學(xué)到許多書本以外知識，培養(yǎng)其科研能力，而且通過導(dǎo)師的言傳身教更有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的精神。同時，鼓勵學(xué)生參加教師的科研項目，參加各類學(xué)科競賽，引導(dǎo)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)與研究探索的興趣。塑造學(xué)生創(chuàng)新品格，使他們學(xué)會“自己找路”。

自校電氣信息創(chuàng)新實驗室成立以來，學(xué)生先后在各種學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異的成績：如獲第五屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽國家金獎；第四屆“中國青少年科技創(chuàng)新獎”；第一屆重慶市大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎；第二屆重慶市大學(xué)生“盛群杯”單片機應(yīng)用設(shè)計競賽一等獎。

2 電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新與研究實例剖析

我校電氣信息類專業(yè)具有明顯交通特色，擁有諸如船舶電氣、城市軌道車輛牽引與傳動控制、電力牽引供電技術(shù)、交通信息與控制、汽車電子、交通機械電子、橋梁監(jiān)測與控制等本科、研究生多種層次專業(yè)。船舶是水上交通裝備，電氣系統(tǒng)是其“血液系統(tǒng)”。創(chuàng)新與研究教學(xué)的核心問題是實驗教學(xué)項目的設(shè)計。下面以一個完整的船舶電氣系統(tǒng)實例來說明創(chuàng)新與研究項目的實現(xiàn)方法和具體思路。

船舶電站承擔著為全船電氣設(shè)備提供能源的任務(wù)，其安全和可靠性比陸用系統(tǒng)要高很多。我校投資三百多萬元新建了輪機模擬器。該模擬器中的船舶電站部分，功能相當完善，足以滿足學(xué)生對船舶電站運行管理的實訓(xùn)。在提高本科生對船舶電站系統(tǒng)的理解、掌握和管理水平方面是非常適用的。但對于研究生層次的培養(yǎng)來說，則顯得不足。比如，當在研究不同精度的同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型究竟對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有何影響，需給出一個定性和定量的結(jié)論時，這是上述輪機模擬器所解決不了的。

為此，將仿真引入創(chuàng)新實踐中。Matlab是電力系統(tǒng)建模仿真和分析的一個強有力工具，它不僅可在Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)模型進行電力系統(tǒng)計算，還可借助豐富的工具箱資源，實現(xiàn)電力系統(tǒng)中各種復(fù)雜的控制方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等。但在研究中發(fā)現(xiàn)，Matlab僅提供了同步發(fā)電機的六階狀態(tài)空間模型，其它階次的同步發(fā)電機模型卻沒有。因此，導(dǎo)師在這里發(fā)揮了引導(dǎo)作用，讓學(xué)生由所研究對象的物理模型建立其數(shù)學(xué)模型，自行創(chuàng)建封裝同步發(fā)電機的各階次模型，并將其自定義為用戶的模塊庫。這樣，不僅能更深地理解同步發(fā)電機的原理，也保證了后續(xù)研究工作能順利進行。

2.1 同步發(fā)電機模型的搭建

同步發(fā)電機六階模型：用dq0坐標表示的同步發(fā)電機基本方程。除定子d、q繞組外，轉(zhuǎn)子d軸有兩個繞組，勵磁繞組f和等效阻尼繞組D；轉(zhuǎn)子q軸有兩個繞組g和Q，均為等效阻尼繞組。六階模型對阻尼繞組的不同處理，可得簡化數(shù)學(xué)模型[1]。

(1)同步發(fā)電機五階模型。當只考慮f、D、Q繞組的電磁暫態(tài)，忽略q軸g繞組的暫態(tài)效應(yīng)，則6階模型簡化為五階模型。

(2)同步發(fā)電機四階模型。在q軸轉(zhuǎn)子上計及與暫態(tài)過程對應(yīng)的q繞組，略去了兩個時間常數(shù)較小的D和Q繞組時，五階模型簡化為四階模型。

(3)同步發(fā)電機三階模型。當忽略g、D、Q繞組暫態(tài)，只計及勵磁繞組f的電磁暫態(tài)時，4階模型簡化為三階模型。

下面以同步發(fā)電機六階模型為例，來看是怎樣自行創(chuàng)建并封裝的。對文獻[2]中六階模型的8個方程左右兩端同取拉普拉斯變換，并整理可得如下方程組：

Ud(s)=E″d(s)+X″qiq(s)-raid(s)

(1)

Uq(s)=E″q(s)-X″did(s)-raiq(s)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ω(s)=

(7)

(8)

根據(jù)上述方程組，再配合Simulink中的S-Function、State Space以及Transfer Fcn等模塊可進行同步發(fā)電機的建模，所建模型如圖1所示。

圖1 六階同步發(fā)電機的仿真模型

2.2 帶原動機和勵磁同步發(fā)電機模型搭建

同理，用上述方法可對柴油原動機調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)進行建模，把建好的六階同步發(fā)電機、原動機系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)組合起來便得到一個完整的同步發(fā)電機模型。所建模型如圖2所示。圖中為得到同步發(fā)電機三相輸出電壓，采用了dq0_to_abc的坐標反變換，變換用的sin_cos信號由振蕩模塊Osc完成。將坐標反變換后的信號通過控制電壓源等環(huán)節(jié)處理后便得到三相輸出電壓。d、q兩軸等效電流通過測量環(huán)節(jié)和坐標變換得到。

將圖2封裝成為一個同步發(fā)電機，通過拖拉、連接組建成一個多機電力系統(tǒng)模型，這樣便可進行多機電力系統(tǒng)的分析和研究。

2.3 電力系統(tǒng)故障模型搭建及暫態(tài)穩(wěn)定性研究

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分為靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定。其中暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運行的能力。這里的大干擾是指短路故障、突然斷開線路或發(fā)電機等。電力系統(tǒng)遭受大干擾后能否繼續(xù)保持穩(wěn)定的主要標志：一是各機組之間的相對功角搖擺是否逐步衰減；二是局部地區(qū)的電壓是否崩潰。可通過建立各階次同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，分析研究它們對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

圖2 帶原動機和勵磁的同步發(fā)電機仿真模型

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定故障設(shè)置見圖3，是4機8節(jié)點系統(tǒng)。由四臺發(fā)電機和變壓器、輸電線路和負荷等組成。該系統(tǒng)的節(jié)點1、7、8為PV節(jié)點，3為平衡節(jié)點，節(jié)點4、5為PQ節(jié)點。系統(tǒng)基準容量為100MVA，發(fā)電機基準電壓為6.6kV，線路模型采用分布式參數(shù)。其中，發(fā)電機參數(shù)標幺值設(shè)置如下：

圖3 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定故障設(shè)置圖

通過設(shè)置三相短路故障，分析各發(fā)電機組功角變化和機端電壓變化來研究多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。仿真條件為：t=2 s時，在節(jié)點4、5之間，靠近節(jié)點5的出口處的其中一回路設(shè)置三相短路故障，t=2.2 s時故障切除，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 G4機組對G3機組的功角變化曲線

圖4給出了G4機組對G3機組的功角差曲線。其中標號1為采用六階模型得到的曲線，發(fā)電機的功角差在故障后經(jīng)過短時間的減幅振蕩達到穩(wěn)定狀態(tài)，表明系統(tǒng)在這種運行情況下是穩(wěn)定的；標號2為采用3階模型得到的曲線，發(fā)電機組功角曲線不斷振蕩致使發(fā)電機端電壓也不斷振蕩，以致整個系統(tǒng)不能再繼續(xù)運行下去。從上述分析可得到結(jié)論：采用不同階次發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有差異的。相同潮流，同一故障形式的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的結(jié)果不同。其規(guī)律是：在同一故障下，使用階數(shù)低的同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，其仿真結(jié)果較保守。

2.4 實例剖析的深入拓展

以上實例在創(chuàng)建封裝同步發(fā)電機各階次模型時體現(xiàn)了創(chuàng)新的思維，在多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題分析中體現(xiàn)了研究的思路。針對該實例，有以下兩個問題值得注意：

(1)對實例的全面引申和拓展

筆者對該實例問題的研究沒有只停留在這一點上。當創(chuàng)建某一階次的同步發(fā)電機模型后，還從多角度進行了相應(yīng)的研究：故障不同的切除時間對結(jié)果有何影響？三相短路、兩相接地短路，兩相相間短路和單相短路等不同故障類型對結(jié)果有何影響？自動重合閘對暫態(tài)穩(wěn)定又有何影響？對實例中問題進行全面的引申、拓展，才能使研究更深入。

(2)不同層次學(xué)生的創(chuàng)新與研究

創(chuàng)新實驗項目在體現(xiàn)交通特色的同時，也注意到對不同層次學(xué)生的難易度差異。對本科生的培養(yǎng)側(cè)重于系統(tǒng)的建模、常規(guī)控制策略的分析，如果已開設(shè)了智能控制課程的專業(yè)，可把模糊控制的內(nèi)容加入。已實施的部分課題有：《教學(xué)實習(xí)船電力系統(tǒng)建模與仿真》、《船舶同步發(fā)電機帶整流性負載的過渡過程分析》、《永磁同步電動機驅(qū)動的電動汽車仿真》、《電力機車交流傳動系統(tǒng)的半實物實時仿真》、《電力牽引傳動中無速度傳感器控制技術(shù)》等。

對研究生培養(yǎng)則側(cè)重于智能控制策略和方法的研究。在模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能算法、智能混合控制等復(fù)雜控制上作進一步探索。實施的部分課題有：《模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電站同步發(fā)電機勵磁控制器研究》、《基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的船舶柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器研究》、《混合電動汽車的先進智能控制技術(shù)研究》、《基于PSO算法的船舶模糊自調(diào)整PID勵磁控制器研究》、《蟻群優(yōu)化算法在船舶發(fā)電機勵磁控制中的研究》等。

3 結(jié)語

探索具有交通特色、多層次的電氣信息類人才培養(yǎng)模式，形成以工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力為主線的多層次螺旋式實驗教學(xué)培養(yǎng)新體系。本文以一個完整的船舶電站實例，給出創(chuàng)新與研究實踐項目的實現(xiàn)方法和具體思路，并進行了多角度的深入和拓展。實踐表明，建立電氣信息創(chuàng)新實踐平臺，為多種層次的優(yōu)秀學(xué)生提供了更高檔次和靈活的選擇，全面提升了學(xué)生科技創(chuàng)新與研究能力。

[1] 劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機勵磁控制[M].北京:中國電力出版社，2007.

[2] 倪以信,陳壽孫,張寶霖. 動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京: 清華大學(xué)出版社，2002.

[3] 蘇澤光，朱榮輝，肖金鳳(Su Zeguang，Zhu Ronghui，Xiao Jinfeng) .構(gòu)建電氣工程專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的實踐教學(xué)體系(Restructuring the practice teaching system of electrical engineering and the automation specialty)[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2002，14(5)：73-76.

[4] 付家才, 沈顯慶(Fu Jiacai, Shen Xianqing). 電類實用型人才的能力培養(yǎng)(Ability cultivation for applied talents in electrical engineering) [J].實驗室研究與探索(Research and Exploration in Laboratory),2007, 26(6):83-84,106.

[5] 王春芳，張玲麗(Wang Chunfang, Zhang Lingli).提高本科電氣信息類專業(yè)課教學(xué)質(zhì)量探討(Discuss how to improve specialty course teaching quality of electrical majors' undergraduates) [J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(Journal of EEE),2007, 29(1):111-112.

[6] 姬宣德(Ji Xuande).MATLAB在《運動控制系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用(Application of MATLAB software in motion control system's teaching)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA),2010,22(3):156-160.

[7] 李志民，盧曦，孫勇,等(Li Zhimin，Lu Xi，Sun Yong,etal).同步發(fā)電機云模型勵磁控制器的設(shè)計(Design of cloud model excitation controller for synchronous generator)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA),2010,22(3):91-95.

[8] 侯世英，時文飛，萬江(Hou Shiying, Shi Wenfei, Wan Jiang). 基于CMAC-PID控制的柴油發(fā)電機組的建模與仿真(Modeling and evaluating of diesel generators based on CMAC-PID)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(Journal of System Simulation),2007, 19(13): 3052-3055,3063.

徐 凱(1970-)，男，教授，研究方向為電氣自動化、智能控制技術(shù)。Email:xkxjxwx@hotmil.com

曹建秋(1967-)，男，副教授，研究方向為智能控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)。Email:caojq86@cqjtu.edu.cn

王愛娟(1987-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機智能控制技術(shù)。Email:wangaijuanziyou@126.com

DesignandRealizationoftheCreativeandReachingProjectsforElectricalInformationMajor

XU Kai， CAO Jian-qiu， WANG Ai-juan

(College of Information Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China)

To meet the demand for creative and research talents in the field of electrical information, a spiral and multi-level practical teaching system which bears a feature of traffic electrical information was proposed in the paper. Combined with the integrated example of ship electrical power system, and started from a mathematical model, multi-level models of synchronous generator, and the electrical fault model of synchronous generators were created and packed up. Through analyzing and comparing the influence of multi-level generators on the temporary stability of power system, this paper draws a corresponding conclusion. The example provides a realistic approach and thought for the design of creative and researching projects.

creativeness； realizing approach； ship electrical power system； analysis of example

TM619

B

1003-8930(2012)02-0156-05

2010-12-02；

2011-03-22

重慶市教委高等教育教學(xué)改革研究重點項目(09-2-09)；重慶交通大學(xué)實驗教學(xué)改革與研究基金項目