基于“實時數(shù)字控制”技術(shù)的“電力電子技術(shù)”實驗教學(xué)模式研究

鄧富金，蔣 瑋，黃允凱，顧 偉

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形式、立德樹人新要求而提出的“新工科”概念，是我國高等工程教育改革的重要方向[1]。當(dāng)前，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特征的新經(jīng)濟正在蓬勃發(fā)展，國家一系列重大戰(zhàn)略深入實施，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新舊動能轉(zhuǎn)換，都對工程技術(shù)人才作用的發(fā)揮提出了更高的要求[2-3]。

電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)[4]。“電力電子技術(shù)”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)本科生必修的專業(yè)課，具有很強的實用性和綜合性，是電氣工程領(lǐng)域理論和實踐相結(jié)合的專業(yè)核心課程之一[5-6]。課程要求學(xué)生在了解各類電力電子器件工作原理及性能的基礎(chǔ)上，基于各類電力電子器件搭建滿足工程實際需求的電力電子變流器實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，掌握相關(guān)的控制理論，并具備利用數(shù)字信號處理DSP(Digital Signal Processing)芯片對變流器進行控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的工程實踐能力。

通過對“電力電子技術(shù)”專業(yè)課程及其實驗課程的授課,作者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學(xué)模式難以滿足“新工科”建設(shè)的理念，需要引入新的實驗教學(xué)模式，緊密結(jié)合工程實際應(yīng)用，豐富實驗教學(xué)對象，推動傳統(tǒng)教學(xué)模式改革，以實現(xiàn)“新工科”對人才培養(yǎng)的定位——“培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，為未來提供智力和人才支撐”[1,7]。為此,作者對“電力電子技術(shù)”實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀進行了深入且系統(tǒng)的剖析，指出問題所在，并在此基礎(chǔ)上進行基于“新工科”理念的課程教學(xué)改革與探索，通過基于“實時數(shù)字控制”技術(shù)的RTU(Real Time Unit)平臺對“電力電子技術(shù)”課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行改革，緊密結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)實驗教學(xué)內(nèi)容，循序漸進地培養(yǎng)學(xué)生形成全面的理論知識體系和鍛煉學(xué)生的實踐動手能力，同時借助RTU教學(xué)實驗平臺的優(yōu)勢，結(jié)合學(xué)科發(fā)展趨勢和領(lǐng)域前沿發(fā)展內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對電力電子專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的前瞻性與創(chuàng)新性。

1 “電力電子技術(shù)”實驗教學(xué)現(xiàn)狀

“新工科”建設(shè)明確指出，實踐能力是“新工科”人才必須具備的基本能力之一[8]?！皩嵺`是驗證真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，教學(xué)過程中必須注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實踐動手能力。而目前，由于教學(xué)資源和教學(xué)環(huán)境的限制，“電力電子技術(shù)”專業(yè)課程中的實驗課程實驗內(nèi)容簡單、實驗手段單一，學(xué)生只能夠在拓撲結(jié)構(gòu)固定的電力電子變流器實驗平臺上進行簡單的連接線操作以及觀察實驗現(xiàn)象，只能夠機械地對所學(xué)理論知識進行簡單且表面的驗證，無法體現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計能力、動手能力以及創(chuàng)新能力，即使是課程作業(yè)和綜合設(shè)計，目前依然缺少有效的方式對學(xué)生的設(shè)計和實驗過程進行監(jiān)管，仿真分析與實驗驗證無法完全統(tǒng)一，導(dǎo)致電力電子課程理論和實踐無法緊密結(jié)合、與提高學(xué)生實踐動手能力的目標(biāo)依然存在很大差距。綜合來看，當(dāng)前電氣工程及其自動化專業(yè)“電力電子技術(shù)”實驗課程的教學(xué)主要面臨以下挑戰(zhàn)。

1.1 控制系統(tǒng)開發(fā)門檻高、時間長

現(xiàn)有電力電子技術(shù)變流器的控制系統(tǒng)開發(fā)模式多基于DSP芯片進行，但是學(xué)生需要學(xué)習(xí)大量的DSP開發(fā)細節(jié)并且具備良好的邏輯和編程能力才能夠設(shè)計所需的變流器控制系統(tǒng)，學(xué)習(xí)門檻高。此外，在DSP開發(fā)過程中存在控制系統(tǒng)外圍輔助電路設(shè)計任務(wù)量大，底層代碼編寫復(fù)雜且容易出錯，并且存在系統(tǒng)仿真在現(xiàn)實中無法直接應(yīng)用以及在有限的課程學(xué)時內(nèi)利用DSP等教學(xué)裝置對教學(xué)內(nèi)容進行實證的難度大等問題，造成現(xiàn)有教學(xué)模式下電力電子實驗課程任務(wù)開發(fā)過程所需時間長、成本高、難度大，更是難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生在有限的實驗課程學(xué)時內(nèi)難以提高他們的設(shè)計和驗證控制算法的能力。

1.2 現(xiàn)有“電力電子技術(shù)”實驗平臺開放性不足

現(xiàn)有電力電子變流器實驗平臺使用的是集成化的電路實驗平臺，實驗使用到的變流器中電力電子元器件位置固定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，學(xué)生只能在現(xiàn)有的實驗平臺上通過簡單的手動連接部分線路來認識和理解電路，難以接觸各類電力電子器件，難以直觀的認識和熟悉各類電力電子器件的功能和運行性能，難以培養(yǎng)學(xué)生采用各類電力電子器件搭建電力電子變流器的能力，難以全面地通過實驗任務(wù)讓學(xué)生有效地理解課本中的理論知識，從而難以激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣?；诂F(xiàn)有實驗平臺的教學(xué)方式也較為封閉，教學(xué)流程和教學(xué)內(nèi)容固定，教學(xué)環(huán)境受限，難以達到引導(dǎo)學(xué)生進行積極主動的探索，并在探索中理解電力電子理論知識、挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能的目的。

1.3 現(xiàn)有“電力電子技術(shù)”實驗平臺共享性不足

當(dāng)前“電力電子技術(shù)”實驗課程多使用傳統(tǒng)的電力電子變流器實驗箱或?qū)嶒炁_，教學(xué)模式存在較多限制，比如實驗課程人數(shù)眾多，卻受限于實驗室的場地、空間條件和實驗平臺的硬件條件，電力電子實驗通常只能采取多人共用一臺實驗設(shè)備的傳統(tǒng)教學(xué)模式和手動接線的實驗方式，設(shè)備利用效率低，也導(dǎo)致了部分學(xué)生“無實驗可做”的情況。另外，有限的實驗課時也限制了實驗教學(xué)更好地開展，沒有足夠的時間積累，難以達到在有限的實驗課程教學(xué)時間內(nèi)有效地培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的目標(biāo)，難以達到良好的教學(xué)效果。

1.4 教學(xué)模式難以滿足“新工科”需求

“電力電子技術(shù)”實驗課程與工程實踐和科學(xué)研究聯(lián)系緊密，實驗教學(xué)需要考慮最新的技術(shù)發(fā)展趨勢、面向社會對人才的需要，這就要求實驗平臺和教學(xué)模式能夠為創(chuàng)新實踐服務(wù)，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的“新工科”人才助力[9]。反觀現(xiàn)狀，在電力電子領(lǐng)域前沿技術(shù)迅速發(fā)展的時代背景下，眾多先進技術(shù)和理念層出不窮，而實際教材內(nèi)容陳舊、跟不上時代的發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式缺乏對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和指導(dǎo)，傳統(tǒng)實驗平臺僅能夠完成對基本原理和基本電路的實驗，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維，存在嚴重的科學(xué)研究和實驗教學(xué)分離的現(xiàn)象。

2 “電力電子技術(shù)”實驗教改措施

針對上述“電力電子技術(shù)”實驗課程教學(xué)中所存在的問題，本文提出了基于“實時數(shù)字控制”技術(shù)的RTU裝置，基于RTU裝置的開放性實驗系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化、遠程化、共享化新型教學(xué)實驗平臺，最終基于該平臺建立新型實驗教學(xué)模式的教學(xué)改革方案，具體實施方案如圖1所示。

圖1 教學(xué)現(xiàn)狀及教改方案

2.1 開發(fā)面向“電力電子技術(shù)”實驗課程的RTU裝置

綜合考慮“電力電子技術(shù)”實驗課程對控制系統(tǒng)功能、核心控制器/處理器、外圍資源、硬件接口方式、嵌入式原型和語言開發(fā)環(huán)境的需求，開發(fā)面向“電力電子技術(shù)”實驗教學(xué)需求的實時仿真單元RTU，其主要目的在于跨越虛擬仿真與實時測試之間的鴻溝，開發(fā)代碼自動生成技術(shù)，將仿真模型直接轉(zhuǎn)化為代碼，并下載到RTU裝置進行實時控制，以簡化控制系統(tǒng)開發(fā)流程。為實現(xiàn)將仿真程序下載到RTU后，在硬件上進行實時運行，保證模擬的實時性，根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的特性，開發(fā)建立接口模型以達到精確的仿真效果，開發(fā)豐富的采樣、調(diào)理和數(shù)字、模擬輸入輸出資源。開發(fā)一體化、通用化的控制器硬件電路，學(xué)生可直接上手使用控制設(shè)備，以節(jié)省設(shè)計控制、驅(qū)動和監(jiān)測等電路的時間。

圖2給出了基于RTU的實驗系統(tǒng)。首先，學(xué)生在RTU仿真環(huán)境中可使用所提供的模塊設(shè)計電力電子仿真系統(tǒng)模型，并通過RTU仿真來驗證設(shè)計的正確性。其次，通過RTU可將驗證成功的仿真系統(tǒng)模型自動地轉(zhuǎn)化為嵌入式代碼，并下載到RTU控制系統(tǒng)運行，控制電力電子變流器。該過程無需學(xué)生手動編程，有效地降低了電力電子變流器控制系統(tǒng)開發(fā)的難度，極大地縮短了開發(fā)的時間。

圖2 基于RTU的電力電子實驗系統(tǒng)

2.2 開發(fā)基于RTU的開放性實驗系統(tǒng)

1)軟件資源開發(fā)

為簡化控制系統(tǒng)程序開發(fā)流程，開發(fā)適配RTU軟件仿真環(huán)境的各類常用控制系統(tǒng)模塊單元，比如比例積分微分控制模塊單元、比例諧振控制模塊單元、滯環(huán)控制單元、脈沖寬度調(diào)制模塊單元、空間矢量調(diào)制模塊單元、選擇諧波消除法調(diào)制模塊單元、最近電平逼近調(diào)制模塊單元等仿真模型，供學(xué)生在RTU硬件在環(huán)實驗?zāi)Ｐ烷_發(fā)中直接調(diào)用。

2)硬件資源開發(fā)

以支撐實驗教學(xué)和引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新實踐為目標(biāo)，定制開發(fā)與RTU核心控制系統(tǒng)兼容的模塊化電力電子實驗電路，比如“電力電子技術(shù)”教材中經(jīng)典的交流-直流變流器電路模塊和直流-直流變流器電路模塊，廣泛應(yīng)用于電力電子變流器的全橋電路模塊和半橋電路模塊，三相電路模塊、單相電路模塊等，向?qū)W生提供“菜單式”教學(xué)對象?；谒_發(fā)的RTU和各類電力電子電路模塊，學(xué)生可以采用“搭積木”的方式對自己的想法和創(chuàng)新進行嘗試與探索。

2.3 搭建基于RTU的新型教學(xué)實驗平臺

基于開發(fā)的RTU開放性實驗系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)化、遠程化、共享化“電力電子技術(shù)”教學(xué)實驗平臺，以實現(xiàn)設(shè)備預(yù)約、實驗操作、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果評價等環(huán)節(jié)的在線化、無紙化。

建立網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)實驗平臺，是將RTU與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，向?qū)W生提供遠程下載代碼、觀測控制對象、采集實驗數(shù)據(jù)等功能，為遠程化、共享化實驗教學(xué)提供基礎(chǔ)條件。

建立遠程化教學(xué)實驗平臺，是指學(xué)生可以通過校園網(wǎng)和遠程控制界面連接并使用RTU，對實驗對象進行實時控制，通過RTU配備的攝像頭裝置實時觀測控制對象的運行狀態(tài)，并根據(jù)返回的實時實驗數(shù)據(jù)和觀測到的實驗現(xiàn)象進行實時測試，教師也可對學(xué)生的在線操作進行實時的在線指導(dǎo)、在線考核和在線評價。

建立共享化教學(xué)實驗平臺，是指通過實驗平臺實現(xiàn)對實驗資源的“分時共享”，學(xué)生首先對實驗設(shè)備和實驗時間進行預(yù)約，然后在預(yù)約時間內(nèi)使用實驗設(shè)備進行實驗，以達到讓學(xué)生在不同時間對同一套實驗裝置進行操作，完成各自實驗內(nèi)容的目的。

基于該教學(xué)實驗平臺，不僅提升了實驗設(shè)備的利用率，也提升了實驗教學(xué)指導(dǎo)的效率，讓數(shù)量有限的實驗平臺和開放時間發(fā)揮最大效益，此外，即使是在特殊時期，比如疫情期間，也可進行正常的教學(xué)實驗活動。

2.4 建立基于RTU的新型實驗教學(xué)模式

為滿足“新工科”建設(shè)背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，基于開發(fā)的RTU新型實驗平臺，建立電力電子技術(shù)新型實驗教學(xué)模式，具體可以分為以下兩個層次。

1)基于RTU的多元化實驗教學(xué)模式

根據(jù)“電力電子技術(shù)”實驗課程的教學(xué)和實驗要求，結(jié)合RTU新型教學(xué)實驗平臺的功能特點，開發(fā)包括理論驗證、課程設(shè)計、創(chuàng)新實踐、科學(xué)研究在內(nèi)的多元化實驗教學(xué)模式，滿足不同年級、不同課程、不同培養(yǎng)階段對實驗教學(xué)的多元化需求。同時，提出以“開放式、網(wǎng)絡(luò)化、任務(wù)性”為特征的實驗課程教學(xué)模式，向?qū)W生提供“時間自由、空間自由、實驗對象自由”的實驗體驗，允許學(xué)生在包括實驗室、宿舍甚至家中使用電力電子實驗對象和RTU控制系統(tǒng)，完成個性化的實驗內(nèi)容。

2)基于RTU的過程管控和評價教學(xué)模式

實施實驗課程的過程管控。遵循“電力電子技術(shù)”實驗課程的教學(xué)規(guī)律，借助RTU的數(shù)據(jù)采集能力，對包含實驗內(nèi)容、實驗流程、實驗對象、實驗數(shù)據(jù)、結(jié)果分析在內(nèi)的教學(xué)實驗過程實施管控，構(gòu)建包含“實驗構(gòu)思、內(nèi)容規(guī)劃、工程能力、成果呈現(xiàn)”的教學(xué)過程管控關(guān)鍵節(jié)點，促進師生互動，提高教師對實驗過程的管控能力，實現(xiàn)實驗過程可查閱、可評價、可追溯。

改革實驗課程的評價方法。基于RTU的新型實驗教學(xué)模式設(shè)計靈活、準(zhǔn)確、可操作的評價體系。為教學(xué)過程中的“項目選題、方案設(shè)計、現(xiàn)場考察、結(jié)果驗收、總結(jié)報告”等教學(xué)環(huán)節(jié)和場景設(shè)計與教學(xué)大綱目標(biāo)一致、并且能體現(xiàn)學(xué)生自主創(chuàng)新性的可靠評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對學(xué)生實驗進程的全方位評價。引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)目標(biāo)、提升自身能力，并能夠在評價過程中與學(xué)生形成互動，及時將情況反饋給學(xué)生，及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計存在的問題，持續(xù)對教學(xué)方法、教學(xué)要求和教學(xué)流程進行改進。

3 結(jié)語

本文深入分析并總結(jié)了目前“電力電子技術(shù)”實驗課程教學(xué)方式存在的各種問題。為了解決這些問題，本文提出了基于“實時數(shù)字控制”技術(shù)的RTU裝置，基于RTU的開放性實驗系統(tǒng)，基于RTU的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化、共享化教學(xué)實驗平臺，并最終建立基于RTU的新型實驗教學(xué)模式。其創(chuàng)新之處在于開發(fā)RTU向?qū)W生提供了基于模塊化軟、硬件的開放性實驗環(huán)境，建立了集網(wǎng)絡(luò)化、遠程化、共享化、任務(wù)化為一體的新型實驗教學(xué)模式，并利用RTU的數(shù)據(jù)采集能力對實驗過程進行過程管控和可靠評價。

通過基于“實時數(shù)字控制”技術(shù)對“電力電子技術(shù)”實驗教學(xué)模式進行改革，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，努力培養(yǎng)學(xué)生成為符合國家和社會需求的“新工科”人才。