跨學科綜合性實驗平臺的探索與設計

張建良, 盧慧芬, 趙建勇, 吳 越, 付傳清

(1. 浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州 310027； 2. 浙江工業大學 建筑工程學院, 浙江 杭州 310014)

跨學科綜合性實驗平臺的探索與設計

張建良1, 盧慧芬1, 趙建勇1, 吳 越1, 付傳清2

(1. 浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州 310027； 2. 浙江工業大學 建筑工程學院, 浙江 杭州 310014)

針對現有控制、電氣以及建工類實驗課程偏重于各自學科的基礎性和驗證性實驗,較少開展具有知識探索與創新發現為特點的跨學科綜合性實驗的現狀,通過將各個學科有限的實驗教學資源進行整合優化,探索和設計具有跨學科、層次化的綜合性實驗平臺,最大限度共享和調度學科之間的軟硬件實驗資源,引導學生綜合應用學科交叉基礎知識和實驗技能, 并將科研實踐的開展和管理方式移植到綜合性實驗項目的設計和實施上,促進創新型寬口徑人才的培養和推進實驗教學改革。

跨學科綜合性實驗平臺； 層次化實驗； 創新意識

隨著各學科的深入交叉融合,迫切需要探索以跨學科綜合性實驗教學平臺為基礎、通過研究各學科實驗中的互補性和優勢性,開展多學科、協同性和跨平臺相互合作的創新性實驗,并利用科研實踐對實驗教學的指導和啟發作用[1-5],設計和實施以學生自由探索為主體、多學科內容交叉融合為特色的自主性、綜合性實驗。以利用控制和信號類學科專業知識對建工領域人工海洋環境實驗裝置的優化設計和改進,以及探索融合控制類實驗與電氣類微電網系統的協調控制實驗等研究為代表,通過跨學科知識重組和融合,建立具有設計性、綜合性的實驗平臺,將有助于培養工科大類學生跨學科知識的綜合運用和實踐動手能力,增強學生分析問題、解決問題的科研能力,培養具有寬口徑和創新意識的工科復合型人才[6-11]。

1 跨學科綜合性實驗平臺的設計思路和目的

近年來,我校電氣工程學院的應用電子與自動化實驗教學中心在現代電力電子和復雜工業系統控制領域積累了豐富的實驗技術,電氣工程實驗教學中心在新能源發電領域、微電網和智能電網領域開展了多項實驗項目,而建筑工程學院的土木水利工程實驗中心在海洋工程實驗和環境土工實驗方面展開了一系列的教學實驗。

2015年在我校實驗室管理部門相關學科交叉和實驗共享措施的激勵下,通過跨學科教師間的溝通和協作,提出和發現各自學科中亟待解決而又是對方學科專業特長的實驗科學和技術問題,使設備資源和師資力量得到了重組優化,初步探索出以控制學科專業知識在建工領域人工海洋環境實驗裝置優化設計方面,以及結合控制類實驗與電氣類新能源微網系統協調控制實驗等研究為代表的跨學科綜合性實驗平臺,提高了各專業學科有限教學資源的優化整合和規模效益。同時以科研項目管理模式調動學生的學習以及實驗的積極性,以學生自主思考和自主攻關為主,探索出一條以創新思維培養為導向,同時培養具有寬口徑工程實踐能力人才的實驗教學改革方向。

2 跨學科綜合性實驗平臺的設計實例

2.1 控制類與建工類跨學科綜合性實驗平臺的設計

2.1.1 實驗平臺的設計目標

利用自動控制專業知識和工具改進現有人工海洋環境實驗裝置,研制一種新型海洋潮汐環境實驗的自動控制系統,實現潮汐模擬過程中人工環境條件的準確控制,同時具有較高的安全性、穩定性,較經濟的成本和較好的可維護性、擴展性,屬于典型的自動控制學科和建工學科的實驗交叉研究。

2.1.2 實驗平臺的設計內容

利用信號與控制理論相關的知識和工具,針對現有建工學科中大型海洋環境實驗平臺設計上的不足,通過對其各個模塊中信號的綜合分析和判斷,設計相應的自動控制系統,從而研制一種穩定性高、結構簡單,同時能夠實現精確設定環境參數下開展潮汐作用實驗的無人值守控制系統,實現對所需海洋潮汐環境參數的有效人工模擬,為建工學科提供一種新型的建筑材料腐蝕耐久性加速實驗平臺。該綜合性實驗平臺包括2個部分,分別是隸屬于建工領域的人工海洋環境實驗裝置本體和隸屬于控制專業范疇的實驗裝置自動控制系統。該平臺的總體設計框架如圖1所示。

圖1 綜合實驗平臺的總體設計框架

針對現有建工學科的實驗要求,通過2個學科教師之間的交流和探索,設定實驗裝置控制系統的控制目標。根據該控制目標,相應的控制系統分為2個層次,分別是:底層控制單元,主要包括對實驗裝置中紅外燈子系統、潮汐子系統、溫濕度子系統、通風子系統環境參數的有效控制；高層控制單元,根據實驗需求和實際運行工況,主要從系統級層面實現各個子系統耦合環境參數的有效控制,并對整個實驗的控制時序進行協調優化。

在底層控制單元中,針對傳統建工實驗中存在的溫濕度信息、風速信息、光照強度、水位信息不能實時反饋,從而影響各個模塊有效控制的問題,同時實驗系統在進行過程中存在對外部環境因素干擾的魯棒性需求,利用控制理論中的反饋校正思想,結合PLC控制器開發溫濕度控制子系統、通風控制子系統、紅外燈控制子系統、潮汐控制子系統等控制模塊,分別實現實驗裝置中蒸發器、空調器、鼓風機、水泵等操動機構的合理工作狀態,并利用對環境參數的實時反饋和校正,實現對系統干擾的魯棒性。

相應的在高層控制單元中,為了增加人機交互的友好性,根據建工學科的實驗操作習慣,在工控機上開發各個PLC模塊的協調控制程序,不但實現實驗中工序之間的有效銜接,優化工序執行順序,達到加速實驗的目的,而且利用工控機與各個子系統控制系統PLC之間的通信和控制,對各個子系統PLC采集到的相關物理量信息進行實時分析,基于各個子系統之間對于環境信息的耦合特性,設計相應的系統級協調程序,實現子系統間操動機構的聯動,提高實驗中參數控制的精度和實驗的可信性。

2.1.3 實驗平臺的應用

結合控制學科專業知識建立該跨學科綜合性實驗平臺,將對建筑工程學院在混凝土耐久性測試實驗環境模擬及裝置技術性能層面上有較大的提升,解決了以往實驗方法費時費力的問題,降低了人工參與的成本,提高了實驗精度和有效性。同時為控制類專業教師和學生拓展了專業知識的層次化實驗應用,通過解決實際工程技術問題提高了學生參與實驗的積極性。我校電氣工程學院和建筑工程學院的跨學科實驗平臺研發的成功,將對其他院系以及國內其他高校不同學科的交叉融合具有良好示范作用,同時可為電氣工程學院、建筑工程學院以及相關學科高年級本科生和研究生提供一個良好的學習和實驗平臺。

2.2 電氣類與控制類跨學科綜合性實驗平臺的設計

2.2.1 實驗平臺的設計目標

針對電氣專業領域中風電制氫與燃料電池耦合微網實驗系統的安全穩定運行問題,對系統組成單元,如風機發電子系統、電解制氫子系統、壓縮儲氫子系統、燃料電池子系統和可變負荷子系統的運行特性和控制機理進行了詳細研究,通過利用控制論知識和技術,設計風電制氫耦合燃料電池微網系統的協調控制,根據環境條件和系統實際工況,實現微網系統在多種運行模式下的柔性可靠運行。通過構建該微網綜合性實驗平臺,不但可以為電氣工程類專業學生提供了一個在分布式發電、微網等前沿技術開展探索性實驗的機會,同時該實驗平臺的開發和應用為我校電氣工程學院開展控制論、新能源和微網科研實驗提供了有力的技術支撐。

2.2.2 實驗平臺的設計內容

風電制氫耦合燃料電池微網實驗平臺包括2部分,一部分是由風力發電子系統、電解制氫子系統、壓縮儲氫子系統、燃料電池子系統和可變負荷子系統所組成的系統硬件單元,另外一部分就是利用信號與控制論知識所設計的單元控制模塊以及系統級的協調控制器。整個微網實驗平臺的結構如圖2所示。

圖2 微網實驗平臺的結構

通過為微網內部各個子系統設計和實現相應的控制模塊,并通過工業現場通信網絡實現各個子系統與系統級協調控制器進行數據交換和邏輯判斷。根據風力發電子系統的運行情況,確認棄風電量大小以及是否可以開始制備和存儲氫氣,微網系統運行在風電制氫模式；根據系統儲氫狀況以及負荷容量大小,啟動燃料電池子系統增加電能供應,微網系統運行在燃料電池發電模式；判斷風電并網的容量和質量,以及本地負荷的實際需求和儲氫系統的運行狀況等,系統協調控制器決定系統各個子系統的聯動和協作,微網系統運行在全系統運行模式。因此該微網綜合實驗平臺是一個包括控制流、電力流和氫氣流在內的典型非線性復雜工業控制系統。

經過電氣專業和控制專業教師對系統需求的溝通,通過發揮各自專業領域的專長和特色,綜合分析設計微網系統的運行工況,確立該微網實驗平臺的3種運行控制模式：

(1) 風電制儲氫模式。當電網無法消納過多風電時,以電解制氫子系統的運行為依據,將多余風電轉換為氫氣存儲。

(2) 燃料電池獨立運行模式。綜合判斷負荷需要供電或風電場輸出電能質量無法滿足調度要求,啟動燃料電池發電系統,將儲氫系統的氫能轉化為高品質的電能,輸出供給微網內負荷需求或饋送回大電網。

(3) 全系統運行模式。綜合上述2種運行模式,對系統協調控制器的設計具有更高的控制要求。在該模式下,一方面將質量較差的風電轉換為氫氣存儲,送入儲氫系統實現工業應用,另一方面燃料電池系統將氫能轉化為高質量電能供給系統或電網負荷。

微網平臺的綜合性控制策略綜合了時序控制與條件控制,充分考慮各子系統的工程特性及運作原理與流程,滿足了各子系統運行所需要的相互制約,保證微網在各種工況下穩定、安全、高效運行。

2.2.3 實驗平臺的應用

利用控制專業技術建立微網綜合性實驗平臺,為進行多種清潔能源耦合條件下的系統控制技術和實驗研究提供了可能性,不但可以將傳統電力系統領域和分布式發電方面的數值仿真實驗進行物理實驗驗證和提升,有助于開展更加接近實際工程背景的實物仿真和半實物仿真實驗,給電氣專業學生學習分布式發電控制策略和微電網運行控制技術等智能電網新技術提供平臺支撐,而且綜合性實驗平臺的運行經驗和數據積累,有助于電氣學院師生在微電網領域開展建模、控制和系統運行分析等科研活動,同時為電氣學院在新能源發電、微網控制技術領域的科研項目申請和工程實施方面提供了工程和技術實踐經驗。

3 跨學科綜合性實驗平臺的管理與實施

跨學科綜合性實驗與傳統的實驗項目有著本質上

的區別,因此在實驗教學的管理和實施上,需要在教學模式上進行改革和探索,以吸引學生主動參與實驗, 培養學生利用該綜合性實驗平臺提出實驗問題、研究實驗方法和解決實驗難題的思維和能力,達到提高學生實踐能力和綜合素質的目的。

綜合性實驗跨多個學科內容,因此實驗課程需要獨立設置,不隸屬于某一專業的特定理論課?？紤]不同學生在知識水平、動手能力、興趣專長和所在專業等各方面存在的個體差異,有針對性地展開實驗課的教學組織、授課方式改革及教材建設。實驗教學項目應該依托跨專業學科,實現覆蓋基礎實驗驗證教學項目、綜合性實驗教學項目和探究性實驗教學項目的層次化設置。針對低年級基礎水平和動手能力一般的學生,制定基礎性實驗教學項目,培養其對學科基礎理論知識的掌握；針對高年級中具有相應學科基本知識儲備和實踐能力的本科學生,開展綜合性實驗教學項目,綜合應用跨學科知識解決實際應用問題；針對對相關專業科研實踐活動有興趣,同時又具有較強探索能力的學生,設計開放性的探究性實驗教學項目,移植和采用教師科研活動中的管理方式,強調教師作為探究性課題引導者的角色,培養學生獨立思考的習慣,通過自主設計實驗方案,獨立操作實驗裝置,獨立比較各種技術方案并糾正實驗中的失誤,客觀評價實驗過程和進行結果分析,增強學生在實驗教學中的主體性地位。

通過層次化的實驗教學內容和針對性的管理方式設置,有助于建構不同能力水平的人才培養機制,同時保證了綜合實驗平臺功能的針對性和完整性,實現以培養學生創新思維和實踐能力為主線,建立分層次的、多元化的實驗教學改革體系[8-11]。

4 結語

通過整合具有學科關聯性和實驗教學互補性的相關院系實驗室資源,構建以跨學科、多交叉和綜合性為特點的實驗教學平臺,讓各專業有限的實驗教學資源發揮最大的規模效益。具體通過跨學科知識重組和融合,結合控制和信號學科專業知識對建工領域人工海洋環境實驗裝置的優化設計和改進,以及探索融合控制類實驗與電氣類微電網系統的協調控制實驗等研究為代表,建立具有設計性、綜合性的實驗平臺,培養工科大類學生跨學科綜合運用知識和實踐動手的能力,培養具有寬口徑和創新意識的工程技術復合型人才。

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Exploration and design of comprehensive experimental platform with discipline integration

Zhang Jianliang1, Lu Huifen1, Zhao Jianyong1, Wu Yue1, Fu Chuanqing2

(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;(2. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The existing experimental courses in the subject of control, electrical and civil engineering mainly focus on their own basic and validation experiments, and ignore the comprehensive experiments with the advantages of knowledge exploration and innovative capability cultivation. To this end, by integrating and optimizing the limited teaching resources of different subjects, the interdisciplinary and hierarchical comprehensive experimental platform is explored to maximize and share current software and hardware resources, and guide and encourage students’ comprehensive application of existing basic knowledge and experimental skills. The research management experience in the teachers’ research projects is transplanted to design and implement the comprehensive experimental platform, which will promote the cultivation of innovative and wide caliber talents and the reform exploration in experimental teaching.

comprehensive experimental platform with discipline integration； layering experiment； innovation awareness

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.047

2016-07-13

國家高技術研究發展計劃(863)項目(2014AA052501, 2015AA0501374)；國家自然科學基金項目(61371095)；浙江省自然科學基金項目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江大學實驗技術研究重點項目(SZD201501)；浙江大學本科實驗教學自制儀器設備項目(2016046)；浙江大學電氣工程學院探究性實驗立項項目

張建良(1984—),男,河南新野,博士,講師,研究方向為信號分析與處理、復雜工業系統的分析與控制.

E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)1-0194-04