基于“實時數字控制”技術的“電力電子技術”實驗教學模式研究

鄧富金，蔣 瑋，黃允凱，顧 偉

(東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

基于國家戰略發展新需求、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]。當前，以新技術、新業態、新產業和新模式為特征的新經濟正在蓬勃發展，國家一系列重大戰略深入實施，產業轉型升級和新舊動能轉換，都對工程技術人才作用的發揮提出了更高的要求[2-3]。

電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術[4]。“電力電子技術”課程是電氣工程及其自動化專業本科生必修的專業課，具有很強的實用性和綜合性，是電氣工程領域理論和實踐相結合的專業核心課程之一[5-6]。課程要求學生在了解各類電力電子器件工作原理及性能的基礎上，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電能的轉換，掌握相關的控制理論，并具備利用數字信號處理DSP(Digital Signal Processing)芯片對變流器進行控制系統設計和開發的工程實踐能力。

通過對“電力電子技術”專業課程及其實驗課程的授課,作者發現現有教學模式難以滿足“新工科”建設的理念，需要引入新的實驗教學模式，緊密結合工程實際應用，豐富實驗教學對象，推動傳統教學模式改革，以實現“新工科”對人才培養的定位——“培養多元化、創新型卓越工程人才，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”實驗課程教學現狀進行了深入且系統的剖析，指出問題所在，并在此基礎上進行基于“新工科”理念的課程教學改革與探索，通過基于“實時數字控制”技術的RTU(Real Time Unit)平臺對“電力電子技術”課程的實驗教學環節進行改革，緊密結合理論教學內容，重構實驗教學內容，循序漸進地培養學生形成全面的理論知識體系和鍛煉學生的實踐動手能力，同時借助RTU教學實驗平臺的優勢，結合學科發展趨勢和領域前沿發展內容，激發學生對電力電子專業的學習興趣，培養學生學習的前瞻性與創新性。

1 “電力電子技術”實驗教學現狀

“新工科”建設明確指出，實踐能力是“新工科”人才必須具備的基本能力之一[8]。“實踐是驗證真理的唯一標準”，教學過程中必須注重對學生實踐能力的培養，提高學生的實踐動手能力。而目前，由于教學資源和教學環境的限制，“電力電子技術”專業課程中的實驗課程實驗內容簡單、實驗手段單一，學生只能夠在拓撲結構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象，只能夠機械地對所學理論知識進行簡單且表面的驗證，無法體現學生的設計能力、動手能力以及創新能力，即使是課程作業和綜合設計，目前依然缺少有效的方式對學生的設計和實驗過程進行監管，仿真分析與實驗驗證無法完全統一，導致電力電子課程理論和實踐無法緊密結合、與提高學生實踐動手能力的目標依然存在很大差距。綜合來看，當前電氣工程及其自動化專業“電力電子技術”實驗課程的教學主要面臨以下挑戰。

1.1 控制系統開發門檻高、時間長

現有電力電子技術變流器的控制系統開發模式多基于DSP芯片進行，但是學生需要學習大量的DSP開發細節并且具備良好的邏輯和編程能力才能夠設計所需的變流器控制系統，學習門檻高。此外，在DSP開發過程中存在控制系統外圍輔助電路設計任務量大，底層代碼編寫復雜且容易出錯，并且存在系統仿真在現實中無法直接應用以及在有限的課程學時內利用DSP等教學裝置對教學內容進行實證的難度大等問題，造成現有教學模式下電力電子實驗課程任務開發過程所需時間長、成本高、難度大，更是難以激發學生的學習興趣，培養學生在有限的實驗課程學時內難以提高他們的設計和驗證控制算法的能力。

1.2 現有“電力電子技術”實驗平臺開放性不足

現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，系統結構單一，學生只能在現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，難以培養學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讓學生有效地理解課本中的理論知識，從而難以激發學生對課程學習的興趣。基于現有實驗平臺的教學方式也較為封閉，教學流程和教學內容固定，教學環境受限，難以達到引導學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、挖掘學生創新潛能的目的。

1.3 現有“電力電子技術”實驗平臺共享性不足

當前“電力電子技術”實驗課程多使用傳統的電力電子變流器實驗箱或實驗臺，教學模式存在較多限制，比如實驗課程人數眾多，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備的傳統教學模式和手動接線的實驗方式，設備利用效率低，也導致了部分學生“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時間內有效地培養學生實踐能力的目標，難以達到良好的教學效果。

1.4 教學模式難以滿足“新工科”需求

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

2 “電力電子技術”實驗教改措施

針對上述“電力電子技術”實驗課程教學中所存在的問題，本文提出了基于“實時數字控制”技術的RTU裝置，基于RTU裝置的開放性實驗系統，網絡化、遠程化、共享化新型教學實驗平臺，最終基于該平臺建立新型實驗教學模式的教學改革方案，具體實施方案如圖1所示。

圖1 教學現狀及教改方案

2.1 開發面向“電力電子技術”實驗課程的RTU裝置

綜合考慮“電力電子技術”實驗課程對控制系統功能、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環境的需求，開發面向“電力電子技術”實驗教學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，開發代碼自動生成技術，將仿真模型直接轉化為代碼，并下載到RTU裝置進行實時控制，以簡化控制系統開發流程。為實現將仿真程序下載到RTU后，在硬件上進行實時運行，保證模擬的實時性，根據各執行機構和傳感器的特性，開發建立接口模型以達到精確的仿真效果，開發豐富的采樣、調理和數字、模擬輸入輸出資源。開發一體化、通用化的控制器硬件電路，學生可直接上手使用控制設備，以節省設計控制、驅動和監測等電路的時間。

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

圖2 基于RTU的電力電子實驗系統

2.2 開發基于RTU的開放性實驗系統

1)軟件資源開發

為簡化控制系統程序開發流程，開發適配RTU軟件仿真環境的各類常用控制系統模塊單元，比如比例積分微分控制模塊單元、比例諧振控制模塊單元、滯環控制單元、脈沖寬度調制模塊單元、空間矢量調制模塊單元、選擇諧波消除法調制模塊單元、最近電平逼近調制模塊單元等仿真模型，供學生在RTU硬件在環實驗模型開發中直接調用。

2)硬件資源開發

以支撐實驗教學和引導學生進行創新實踐為目標，定制開發與RTU核心控制系統兼容的模塊化電力電子實驗電路，比如“電力電子技術”教材中經典的交流-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，向學生提供“菜單式”教學對象。基于所開發的RTU和各類電力電子電路模塊，學生可以采用“搭積木”的方式對自己的想法和創新進行嘗試與探索。

2.3 搭建基于RTU的新型教學實驗平臺

基于開發的RTU開放性實驗系統建立網絡化、遠程化、共享化“電力電子技術”教學實驗平臺，以實現設備預約、實驗操作、數據采集、結果評價等環節的在線化、無紙化。

建立網絡化教學實驗平臺，是將RTU與互聯網進行連接，向學生提供遠程下載代碼、觀測控制對象、采集實驗數據等功能，為遠程化、共享化實驗教學提供基礎條件。

建立遠程化教學實驗平臺，是指學生可以通過校園網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，并根據返回的實時實驗數據和觀測到的實驗現象進行實時測試，教師也可對學生的在線操作進行實時的在線指導、在線考核和在線評價。

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

基于該教學實驗平臺，不僅提升了實驗設備的利用率，也提升了實驗教學指導的效率，讓數量有限的實驗平臺和開放時間發揮最大效益，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實驗活動。

2.4 建立基于RTU的新型實驗教學模式

為滿足“新工科”建設背景下創新人才培養的需求，基于開發的RTU新型實驗平臺，建立電力電子技術新型實驗教學模式，具體可以分為以下兩個層次。

1)基于RTU的多元化實驗教學模式

根據“電力電子技術”實驗課程的教學和實驗要求，結合RTU新型教學實驗平臺的功能特點，開發包括理論驗證、課程設計、創新實踐、科學研究在內的多元化實驗教學模式，滿足不同年級、不同課程、不同培養階段對實驗教學的多元化需求。同時，提出以“開放式、網絡化、任務性”為特征的實驗課程教學模式，向學生提供“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，完成個性化的實驗內容。

2)基于RTU的過程管控和評價教學模式

實施實驗課程的過程管控。遵循“電力電子技術”實驗課程的教學規律，借助RTU的數據采集能力，對包含實驗內容、實驗流程、實驗對象、實驗數據、結果分析在內的教學實驗過程實施管控，構建包含“實驗構思、內容規劃、工程能力、成果呈現”的教學過程管控關鍵節點，促進師生互動，提高教師對實驗過程的管控能力，實現實驗過程可查閱、可評價、可追溯。

改革實驗課程的評價方法。基于RTU的新型實驗教學模式設計靈活、準確、可操作的評價體系。為教學過程中的“項目選題、方案設計、現場考察、結果驗收、總結報告”等教學環節和場景設計與教學大綱目標一致、并且能體現學生自主創新性的可靠評價指標和評價標準，實現對學生實驗進程的全方位評價。引導學生完成教學目標、提升自身能力，并能夠在評價過程中與學生形成互動，及時將情況反饋給學生，及時發現教學內容設計存在的問題，持續對教學方法、教學要求和教學流程進行改進。

3 結語

本文深入分析并總結了目前“電力電子技術”實驗課程教學方式存在的各種問題。為了解決這些問題，本文提出了基于“實時數字控制”技術的RTU裝置，基于RTU的開放性實驗系統，基于RTU的網絡化、遠程化、共享化教學實驗平臺，并最終建立基于RTU的新型實驗教學模式。其創新之處在于開發RTU向學生提供了基于模塊化軟、硬件的開放性實驗環境，建立了集網絡化、遠程化、共享化、任務化為一體的新型實驗教學模式，并利用RTU的數據采集能力對實驗過程進行過程管控和可靠評價。

通過基于“實時數字控制”技術對“電力電子技術”實驗教學模式進行改革，培養學生的實踐動手能力和創新能力，努力培養學生成為符合國家和社會需求的“新工科”人才。