半實物仿真驅動的“電力拖動自動控制系統(tǒng)”一流課程建設探索

田斐 崔世林 陶太洋

南陽理工學院智能制造學院 河南南陽 473004

1 概述

2019年10月，教育部啟動了一流課程建設工作，“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是電氣專業(yè)的一門重要核心課程，屬于專業(yè)平臺必修課程，該課程同工程實際切合緊密，通過課程的學習，學生能夠熟悉調速系統(tǒng)，掌握轉速、電流反饋調速系統(tǒng)的設計方法，掌握交流調速系統(tǒng)的方法，為今后從事電機的控制與維護、伺服控制、電氣傳動控制等打下堅實的基礎。

在學?！耙涣髡n程建設基金”的資助下，“電力拖動自動控制系統(tǒng)”承擔起了電氣專業(yè)第一批一流課程建設任務，在一流課程的建設過程中，如何在現(xiàn)有基礎上提高課程的教學質量、學生的工程素質與能力和思政思辨能力，是一個迫切需要解決的問題。部分高校借助工程教育專業(yè)認證[1]的契機，對課程的教學方式和手段進行了大幅改革，教學質量取得了一定的進展；部分高校大力開展精品課程建設，也取得了一定的成績;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等。這些措施的實施，都為提升教學質量、提高學生的工程素質和能力做出了一定的貢獻和成績。

“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是綜合性極高的專業(yè)課程，該課程的教學目標是使學生具備使用電機的驅動控制技術能力，具備使用整體系統(tǒng)實現(xiàn)控制的能力，并且能夠具備對電機實施在線控制和調速的實際應用能力[2]，為使同學們具備以上能力目標，我們電氣專業(yè)圍繞該課程設置了一系列輔助課程，協(xié)助學生理解該課程的綜合性和適用性，使學生體驗該課程，主動開展學習，具體課程關系如圖1所示。

圖1 “電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程關系

為了達到該課程的教學目標，我們在“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程教學方案設計上考慮學情和社會的客觀需要，提出了基于半實物虛擬仿真實驗平臺建設的“電力拖動自動控制系統(tǒng)”一流課程建設方案，將智與勞相結合，綜合培養(yǎng)學生的綜合素質與能力，更新實驗設置，將驗證性試驗變?yōu)槿谌雱?chuàng)新的開發(fā)性試驗，以實際工程項目建設案例為導向，激發(fā)學生學習的積極性和主動性，幫助學生了解課程在工作中的作用，使得學生足不出課程便能體會到學以致用、理論指導實踐的強大威力，使同學們在步入社會之前就能具備較強的適應性，并為今后長遠發(fā)展打下理論、實踐和思想的基礎[3]。

2 半實物仿真平臺教學改革

“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程教學目的主要是以電子技術或計算機為控制核心，采用電力電子器件為控制器件，以電動機為被控制實體，采用自控原理分析設計控制過程，掌握運動控制系統(tǒng)的控制規(guī)律及設計方法，通過課程設計及綜合實驗課程鞏固理論知識，驗證基本理論和進行實際工程案例開發(fā)，提高學生綜合能力。

課程的重點是速度控制系統(tǒng)，即調速控制系統(tǒng)。為了達到該課程的培養(yǎng)目標和完成培養(yǎng)任務，我們采取了兩個重要措施：

(1)依托南陽理工學院青年教師發(fā)展基金，申報了《電機測控實驗平臺的研制與實訓項目開發(fā)》(NIT2016SJJG-013)實踐教學改革項目1項，自主開發(fā)了20臺實驗裝置用于該課程的實驗教學及課程設計。

(2)依托南陽理工學院“電力拖動自動控制系統(tǒng)”一流課程建設項目，建設了“電力拖動自動控制系統(tǒng)”半實物仿真平臺一套。

2.1 電機測控實驗平臺

半實物仿真，又稱為硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation)，是指在仿真實驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實物的實時仿真，實時性是進行半實物仿真的必要前提。

電機測控實驗平臺是一套以計算機系統(tǒng)為核心，電機為被控對象，PLC和電力電子為控制器件的綜合性實驗平臺。建成后的實驗平臺如圖2、圖3所示。該平臺的建設對整個電氣專業(yè)的學生提供了能夠參加教師橫向課題的機會，屬于項目驅動教學方式的一種[4]，為學生提供了理論知識的運用空間，能將所學知識融會貫通，解決生活生產實踐中的問題，進而指導生產和生活，使培養(yǎng)的人才適合社會的需求。在課題的引領下，有助于系統(tǒng)總結新課程實踐的經驗成果，最大程度促進學生的發(fā)展。

圖2 自主開發(fā)的電機測控實驗裝置——PLC部分

圖3 自主開發(fā)的電機測控實驗裝置——電源部分

2.2 半實物虛擬仿真實驗系統(tǒng)

“電力拖動自動控制系統(tǒng)”這門課程的實驗，各元器件內部調節(jié)的動態(tài)過程十分短暫且無法直接測量，基于MATLAB建立虛擬模型可以將各個內部變量直觀地引出，便于查看，在保證實驗結果的前提下將內部參數(shù)直觀呈現(xiàn)，而且還可以自行設置相關控制參數(shù)，了解不同參數(shù)在運行過程中的實際作用，以輔助教學。同時，基于MATLAB的虛擬仿真平臺還可以幫助學生以非常簡單的方式和非常小的代價實現(xiàn)自己的控制方法，而無須對硬件做任何改動，這不但增進了學生的編程能力，也激發(fā)了學生的創(chuàng)新熱情[5]。

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

圖4 基于MATLAB的半實物仿真控制平臺

半實物仿真平臺的研究具有以下意義：

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

從系統(tǒng)的觀點來看，半實物仿真采用在系統(tǒng)中接入部分實物的方式，意味著可以把控制對象、執(zhí)行器等部分不變的實物放在系統(tǒng)中進行考察，既保證了關鍵部件的實際檢驗，又保證了關鍵軟件和算法的實際驗證，因此半實物仿真是提高系統(tǒng)設計的可靠性和研制質量的必要手段。

(2)半實物仿真本質上支持快速原型設計及硬件在回路測試，支持用戶基于Simulink等圖形化建模工具進行模型設計，極大地縮短開發(fā)周期，提高了公司關鍵技術的可重用性，減少了公司前期投入。

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

(4)推動實驗教學改革與創(chuàng)新，半實物虛擬仿真教學融合了虛擬教學和實物教學的共同優(yōu)點，能滿足工程應用型人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)需求。

3 教學效果和畢業(yè)生評價反饋

針對我校“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程，采用開發(fā)的半實物虛擬仿真實驗平臺進行教學，提供了學生理論知識與社會實踐之間聯(lián)系的橋梁，強化了理論與實驗實踐的有機高度互融，激發(fā)了學生的學習積極性，使學生對該類實驗課程產生濃厚的學習熱情，形成了“理論學習”到“實驗實踐”的成功互聯(lián)和高度融合，使學生一畢業(yè)就成為一名合格的技術人員成為可能，學生學習成效非常顯著，畢業(yè)生反饋評價優(yōu)良。對2017級電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)的205名同學的調查問卷顯示，所有學生都對該半實物虛擬仿真實驗教學平臺給予了非常高的評價，徹底改變了學生“學了理論不知道有什么用，該怎么用”的窘境，有效激發(fā)了學生的學習興趣和熱情。