張 磊 富 立

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)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(guān)聯(lián)性強的研究領(lǐng)域[1]，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)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(yīng)用上述知識解決復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)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(shù)的不斷發(fā)展，各類型高性能電力傳動與自動控制系統(tǒng)在機器人、智能制造等領(lǐng)域內(nèi)承載了前沿科學(xué)技術(shù)與基礎(chǔ)理論知識的融合應(yīng)用，這對該領(lǐng)域人才的實踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求[2]。

“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”作為北京航天航空大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)本科(大三下)的一門重要專業(yè)課程，是該方向?qū)W生由專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)向?qū)I(yè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過渡的關(guān)鍵節(jié)點，是幫助未來該領(lǐng)域人才構(gòu)建完整知識架構(gòu)、理解相關(guān)理論知識的一個重要培養(yǎng)環(huán)節(jié)。其實驗教學(xué)作為引導(dǎo)學(xué)生融合應(yīng)用多門理論知識解決實際工程問題的關(guān)鍵過程，對學(xué)生初步形成系統(tǒng)性思維方式和自主創(chuàng)新意識起到了非常關(guān)鍵的訓(xùn)練作用。以培養(yǎng)滿足“新工科”需求的電力傳動與自動控制領(lǐng)域人才實踐、創(chuàng)新能力為目標，分析了“新工科”背景下傳統(tǒng)實驗教學(xué)中所存在的問題，介紹了該校應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和實驗技術(shù)擴展改進“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)內(nèi)容的詳細措施，提出了構(gòu)建強電弱電結(jié)合、虛實一體實驗課程內(nèi)容體系的具體方法。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

目前，“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”的實驗教學(xué)通常是以通用型教學(xué)實驗臺為授課對象，以實驗指導(dǎo)教師集中講解、學(xué)生分組操作相結(jié)合的授課方式進行。這樣的教學(xué)方式可以確保學(xué)生在預(yù)定的課時和場地內(nèi)、保質(zhì)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(xué)性問題能力的訓(xùn)練

通用型教學(xué)設(shè)備一般是對應(yīng)用于各個不同領(lǐng)域內(nèi)的電力傳動與自動控制系統(tǒng)進行通用化、簡單化后的產(chǎn)物。因而此類實驗設(shè)備“先天”無法復(fù)現(xiàn)將現(xiàn)實化的工程問題抽象為典型理論知識點這一過程，學(xué)生即使完成相關(guān)實驗內(nèi)容，也很難將實驗設(shè)備與實際系統(tǒng)建立聯(lián)系。這將導(dǎo)致學(xué)生在面對實際工程問題時，缺少將其轉(zhuǎn)換為科學(xué)性問題并加以解決的能力。針對這一問題文獻[3]構(gòu)建了仿真模型、動畫、實物視頻等線上教學(xué)輔助資源，為學(xué)生提供了理論聯(lián)系實際的機會，文獻[4]則采用了任務(wù)驅(qū)動、自主調(diào)研等模式，增強學(xué)生對實際系統(tǒng)的理解，都取得了較好的教學(xué)效果。

2)缺少與其它課程內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的實驗項目

傳統(tǒng)“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”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(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性、閉環(huán)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(huán)控制系統(tǒng)等常用部件，但在實驗內(nèi)容的組織上往往將其視為先導(dǎo)課程知識點而不進行深入學(xué)習(xí)，而憑學(xué)生自身又很難將其與電力傳動與自動控制系統(tǒng)的知識體系深度融合，導(dǎo)致各課程實驗項目間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)酰瑹o法幫助學(xué)生形成完整的知識脈絡(luò)。因此文獻[5]中提出要全方位、系統(tǒng)化地構(gòu)建實驗教學(xué)體系，以強化實驗教學(xué)的目的性、層級性和連貫性。

3)缺少精準服務(wù)本課程教學(xué)目標的實驗技術(shù)

目前，通用型教學(xué)設(shè)備中電力傳動系統(tǒng)的檢測、控制功能，一般是通過在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進行C語言程序設(shè)計來實現(xiàn)的。雖然實驗過程中指導(dǎo)教師會將系統(tǒng)例程提供給學(xué)生并講解程序流程，但是在有限的實驗學(xué)時內(nèi)學(xué)生仍難以確切了解嵌入式系統(tǒng)硬件的驅(qū)動方式和軟件程序的整體功能，而且如果在代碼環(huán)節(jié)占用過多的實驗學(xué)時，又會影響學(xué)生對電力傳動系統(tǒng)本身知識的學(xué)習(xí)。因此傳統(tǒng)實驗一般僅向?qū)W生開放程序內(nèi)特定參數(shù)的修改權(quán)限，如轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的PI參數(shù)，導(dǎo)致學(xué)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(tǒng)的基本控制架構(gòu)和實施方法。針對這一問題，文獻[6-8]將代碼生成技術(shù)引入實驗教學(xué)，不但深化了學(xué)生對控制系統(tǒng)原理的理解，而且有效提高了學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

由上述內(nèi)容可見，如何應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和實驗方法突破傳統(tǒng)電力傳動與自動控制系統(tǒng)實驗教學(xué)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(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容是我們所面臨的現(xiàn)實問題。

2 內(nèi)容體系設(shè)計

由于傳統(tǒng)“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)通常是以高電壓、大功率設(shè)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(xué)生難以通過此類設(shè)備進行傳動控制系統(tǒng)的自由探索與研究，導(dǎo)致其無法全面深入理解系統(tǒng)的工作機理。

2.1 強弱電結(jié)合、虛實一體實驗教學(xué)內(nèi)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(nèi)容進行了擴展，形成了一個以強電實驗為核心的強弱電結(jié)合、虛實一體的實驗課程內(nèi)容體系，如圖1所示。

圖1 強弱電結(jié)合、虛實一體實驗課程內(nèi)容體系的基本要素

在該實驗課程內(nèi)容體系中，學(xué)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(yǎng)其凝練科學(xué)性問題的能力和強電操作能力；另一方面學(xué)生可以將強電實驗中的危險性、挑戰(zhàn)性內(nèi)容提取到虛擬仿真環(huán)境和弱電實驗系統(tǒng)內(nèi)，在安全環(huán)境下自由探索、研究，以此培養(yǎng)其自主創(chuàng)新意識?？梢?，該實驗教學(xué)內(nèi)容不但體現(xiàn)了“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”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(yè)特色，而且還為在該課程實驗內(nèi)容內(nèi)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(xué)內(nèi)容設(shè)計

針對“新工科”背景下傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，新體系依據(jù)教學(xué)大綱保留了與課程理論知識點緊密關(guān)聯(lián)的強電實驗內(nèi)容，設(shè)計并開發(fā)了基于模型設(shè)計實驗內(nèi)容和虛擬仿真實驗內(nèi)容，形成了共16學(xué)時的實驗教學(xué)內(nèi)容，如圖2所示。

其中的基于模型設(shè)計實驗和虛擬仿真實驗的實驗方法和設(shè)計理念如下：

1)基于模型設(shè)計實驗

圖2 新課程內(nèi)容體系下的16學(xué)時實驗

基于模型設(shè)計實驗是以Matlab/Simulink作為軟件程序開發(fā)環(huán)境，由DSP28335開發(fā)板和24 V實驗對象構(gòu)成硬件實驗系統(tǒng)，其基本實驗流程如圖3所示。

圖3 基于模型設(shè)計實驗基本流程

在此類實驗中，學(xué)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(tǒng)圖形化軟件程序的構(gòu)建；其次利用Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors程序包內(nèi)的Digital Input、Digital Output、ePWM、ADC等模塊完成實驗系統(tǒng)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(zhuǎn)換為可執(zhí)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(diào)試和驗證系統(tǒng)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(shè)計實驗的仿真驗證，主要利用Simulink軟件當中的模型庫資源，構(gòu)建24 V實驗對象及其控制系統(tǒng)的仿真模型，在仿真環(huán)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(xué)中心的建設(shè)成果，利用系統(tǒng)建模、虛擬現(xiàn)實、人機交互等技術(shù)開發(fā)的“火星星表探測系統(tǒng)控制技術(shù)探究虛擬仿真實驗”，如圖4所示。

該虛擬仿真實驗將傳統(tǒng)電力傳動與自動控制系統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容與火星車移動探測任務(wù)有機結(jié)合，賦予了其鮮明的航空航天特色，系統(tǒng)模型如圖5所示。實驗中學(xué)生通過自主選擇合理的控制方法和控制參數(shù)，消除火星復(fù)雜地貌環(huán)境給車輪電機控制系統(tǒng)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(xué)生對直流電機調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的理解，引導(dǎo)其自主探究外部真實環(huán)境給電力傳動與自動控制系統(tǒng)工作性能帶來的影響以及反饋閉環(huán)控制在實際系統(tǒng)中的作用。

圖4 火星星表探測系統(tǒng)控制技術(shù)探究虛擬仿真實驗

圖5 火星車單輪電機控制系統(tǒng)模型框圖

由上述內(nèi)容可見，強弱電結(jié)合、虛實一體的實驗教學(xué)內(nèi)容體系，在強化強電實驗與課程理論知識點關(guān)系的同時，又通過基于模型設(shè)計實驗和虛擬仿真實驗加深了該課程教學(xué)內(nèi)容與其相關(guān)理論知識的融合應(yīng)用。

3 教學(xué)實施安排

將以強弱電結(jié)合、虛實一體的實驗教學(xué)內(nèi)容體系為載體，從實驗內(nèi)容、實驗技術(shù)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(nèi)容組織向完整系統(tǒng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變

針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中存在的知識體系不完整、實驗項目間關(guān)聯(lián)性弱等問題，將圖2中實驗項目整合為直流傳動控制系統(tǒng)、交流傳動控制系統(tǒng)兩個實驗項目群。項目群內(nèi)按照能力達成目標劃分為：基礎(chǔ)實踐能力訓(xùn)練層、系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)實驗項目群(9學(xué)時)

如圖6所示，在本項目群的基礎(chǔ)實踐能力訓(xùn)練層中，以直流電機驅(qū)動的滑臺控制實驗向?qū)W生展示直流傳動控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用，同時利用滑臺系統(tǒng)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基于模型設(shè)計方法；在系統(tǒng)設(shè)計能力提高層中，以不可逆單閉環(huán)、雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗驗證課程知識點，同時利用火星星表探測系統(tǒng)控制技術(shù)探究虛擬仿真實驗引導(dǎo)學(xué)生探究火星土壤特性對火星車車輪傳動系統(tǒng)控制性能的影響，建立實際系統(tǒng)與實驗設(shè)備間的聯(lián)系；在解決實際問題能力擴展層中，以半開放性設(shè)計題目為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用光電開關(guān)、磁感應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。

圖6 直流傳動控制系統(tǒng)實驗項目群組成

2)交流傳動控制系統(tǒng)實驗項目群(7學(xué)時)

如圖7所示，在基礎(chǔ)實踐能力訓(xùn)練層中，以三相感應(yīng)電動機、SPWM控制開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實驗幫助學(xué)生理解三相交流電機工作原理、SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和測試方法；在系統(tǒng)設(shè)計能力提高層中，利用圖形化軟件設(shè)計環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)SPWM控制方法，掌握小功率永磁同步電機控制系統(tǒng)功能部件的原理和調(diào)試方法；在解決實際問題能力擴展層中，以任務(wù)為驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生依照強電SPWM控制開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)功能，完成小功率永磁同步電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。

圖7 交流傳動控制系統(tǒng)實驗項目群組成

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

3.2 實驗技術(shù)以代碼自動生成技術(shù)為主

針對傳統(tǒng)實驗技術(shù)難以精準服務(wù)信息化、智能化背景下本課程的實驗教學(xué)目標的問題，利用基于模型設(shè)計方法簡化學(xué)生對控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序、控制程序的學(xué)習(xí)，使其專注于電力傳動與自動控制系統(tǒng)整體功能的設(shè)計與調(diào)試，如圖8所示。

圖8 基于模型設(shè)計程序開發(fā)流程與傳統(tǒng)流程間的對比

采用基于模型設(shè)計方法開展實驗教學(xué)，一方面可以幫助學(xué)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(tǒng)功能設(shè)計，有效提高了本實驗課程的參與度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生的設(shè)計與測試不必拘泥于某型、某類控制芯片，實現(xiàn)控制程序的跨型號、跨平臺應(yīng)用，保證學(xué)習(xí)內(nèi)容的系統(tǒng)性和延續(xù)性。

3.3 實驗方式向課內(nèi)、課外協(xié)同轉(zhuǎn)變

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

圖9 課內(nèi)、課外協(xié)同實驗授課過程

4 應(yīng)用效果

在過去三年中，該教學(xué)內(nèi)容體系已在北京航空航天大學(xué)“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)中進行了應(yīng)用，并同時服務(wù)了“自動控制元件與電力電子技術(shù)實驗課”“電力電子技術(shù)A”“課程設(shè)計與綜合實驗”等課程的實驗教學(xué)。

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

圖10 內(nèi)容體系實施前后問卷數(shù)據(jù)對比

該實驗教學(xué)內(nèi)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(xué)習(xí)內(nèi)容，加深了學(xué)生對相關(guān)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(fā)了其自主創(chuàng)新意識，使更多的學(xué)生加入到自動化系統(tǒng)應(yīng)用大賽、智能車大賽、電子設(shè)計大賽等學(xué)科競賽，2016-2019年由我中心指導(dǎo)的學(xué)生在自動化系統(tǒng)應(yīng)用大賽中共獲特等獎4項和一等獎3項。

5 結(jié)語

提出的強弱電結(jié)合、虛實一體的“電力傳動與自動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)內(nèi)容體系，是新工科背景下融合應(yīng)用國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)成果的產(chǎn)物。該教學(xué)內(nèi)容以課程傳統(tǒng)強電實物實驗為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和實驗技術(shù)開發(fā)了線上虛擬仿真、線下虛實結(jié)合型實驗項目，通過融合貫通三種環(huán)境下的實驗教學(xué)，從實驗內(nèi)容、實驗技術(shù)和實驗方式三個方面對課程實驗進行了全面改造，構(gòu)建起一個知識結(jié)構(gòu)相對完整、能力培養(yǎng)更加全面的新型實驗教學(xué)內(nèi)容體系，對培養(yǎng)電力傳動與自動控制領(lǐng)域人才的綜合實踐與自主創(chuàng)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(tǒng)”理論知識跨度大、關(guān)聯(lián)性強的特點，對新工科背景下其它領(lǐng)域人才實踐能力培養(yǎng)具有很好的啟發(fā)作用。