跨学科综合性实验平台的探索与设计

张建良, 卢慧芬, 赵建勇, 吴 越, 付传清

(1. 浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027； 2. 浙江工业大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310014)

跨学科综合性实验平台的探索与设计

张建良1, 卢慧芬1, 赵建勇1, 吴 越1, 付传清2

(1. 浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027； 2. 浙江工业大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310014)

针对现有控制、电气以及建工类实验课程偏重于各自学科的基础性和验证性实验,较少开展具有知识探索与创新发现为特点的跨学科综合性实验的现状,通过将各个学科有限的实验教学资源进行整合优化,探索和设计具有跨学科、层次化的综合性实验平台,最大限度共享和调度学科之间的软硬件实验资源,引导学生综合应用学科交叉基础知识和实验技能, 并将科研实践的开展和管理方式移植到综合性实验项目的设计和实施上,促进创新型宽口径人才的培养和推进实验教学改革。

跨学科综合性实验平台； 层次化实验； 创新意识

随着各学科的深入交叉融合,迫切需要探索以跨学科综合性实验教学平台为基础、通过研究各学科实验中的互补性和优势性,开展多学科、协同性和跨平台相互合作的创新性实验,并利用科研实践对实验教学的指导和启发作用[1-5],设计和实施以学生自由探索为主体、多学科内容交叉融合为特色的自主性、综合性实验。以利用控制和信号类学科专业知识对建工领域人工海洋环境实验装置的优化设计和改进,以及探索融合控制类实验与电气类微电网系统的协调控制实验等研究为代表,通过跨学科知识重组和融合,建立具有设计性、综合性的实验平台,将有助于培养工科大类学生跨学科知识的综合运用和实践动手能力,增强学生分析问题、解决问题的科研能力,培养具有宽口径和创新意识的工科复合型人才[6-11]。

1 跨学科综合性实验平台的设计思路和目的

近年来,我校电气工程学院的应用电子与自动化实验教学中心在现代电力电子和复杂工业系统控制领域积累了丰富的实验技术,电气工程实验教学中心在新能源发电领域、微电网和智能电网领域开展了多项实验项目,而建筑工程学院的土木水利工程实验中心在海洋工程实验和环境土工实验方面展开了一系列的教学实验。

2015年在我校实验室管理部门相关学科交叉和实验共享措施的激励下,通过跨学科教师间的沟通和协作,提出和发现各自学科中亟待解决而又是对方学科专业特长的实验科学和技术问题,使设备资源和师资力量得到了重组优化,初步探索出以控制学科专业知识在建工领域人工海洋环境实验装置优化设计方面,以及结合控制类实验与电气类新能源微网系统协调控制实验等研究为代表的跨学科综合性实验平台,提高了各专业学科有限教学资源的优化整合和规模效益。同时以科研项目管理模式调动学生的学习以及实验的积极性,以学生自主思考和自主攻关为主,探索出一条以创新思维培养为导向,同时培养具有宽口径工程实践能力人才的实验教学改革方向。

2 跨学科综合性实验平台的设计实例

2.1 控制类与建工类跨学科综合性实验平台的设计

2.1.1 实验平台的设计目标

利用自动控制专业知识和工具改进现有人工海洋环境实验装置,研制一种新型海洋潮汐环境实验的自动控制系统,实现潮汐模拟过程中人工环境条件的准确控制,同时具有较高的安全性、稳定性,较经济的成本和较好的可维护性、扩展性,属于典型的自动控制学科和建工学科的实验交叉研究。

2.1.2 实验平台的设计内容

利用信号与控制理论相关的知识和工具,针对现有建工学科中大型海洋环境实验平台设计上的不足,通过对其各个模块中信号的综合分析和判断,设计相应的自动控制系统,从而研制一种稳定性高、结构简单,同时能够实现精确设定环境参数下开展潮汐作用实验的无人值守控制系统,实现对所需海洋潮汐环境参数的有效人工模拟,为建工学科提供一种新型的建筑材料腐蚀耐久性加速实验平台。该综合性实验平台包括2个部分,分别是隶属于建工领域的人工海洋环境实验装置本体和隶属于控制专业范畴的实验装置自动控制系统。该平台的总体设计框架如图1所示。

图1 综合实验平台的总体设计框架

针对现有建工学科的实验要求,通过2个学科教师之间的交流和探索,设定实验装置控制系统的控制目标。根据该控制目标,相应的控制系统分为2个层次,分别是:底层控制单元,主要包括对实验装置中红外灯子系统、潮汐子系统、温湿度子系统、通风子系统环境参数的有效控制；高层控制单元,根据实验需求和实际运行工况,主要从系统级层面实现各个子系统耦合环境参数的有效控制,并对整个实验的控制时序进行协调优化。

在底层控制单元中,针对传统建工实验中存在的温湿度信息、风速信息、光照强度、水位信息不能实时反馈,从而影响各个模块有效控制的问题,同时实验系统在进行过程中存在对外部环境因素干扰的鲁棒性需求,利用控制理论中的反馈校正思想,结合PLC控制器开发温湿度控制子系统、通风控制子系统、红外灯控制子系统、潮汐控制子系统等控制模块,分别实现实验装置中蒸发器、空调器、鼓风机、水泵等操动机构的合理工作状态,并利用对环境参数的实时反馈和校正,实现对系统干扰的鲁棒性。

相应的在高层控制单元中,为了增加人机交互的友好性,根据建工学科的实验操作习惯,在工控机上开发各个PLC模块的协调控制程序,不但实现实验中工序之间的有效衔接,优化工序执行顺序,达到加速实验的目的,而且利用工控机与各个子系统控制系统PLC之间的通信和控制,对各个子系统PLC采集到的相关物理量信息进行实时分析,基于各个子系统之间对于环境信息的耦合特性,设计相应的系统级协调程序,实现子系统间操动机构的联动,提高实验中参数控制的精度和实验的可信性。

2.1.3 实验平台的应用

结合控制学科专业知识建立该跨学科综合性实验平台,将对建筑工程学院在混凝土耐久性测试实验环境模拟及装置技术性能层面上有较大的提升,解决了以往实验方法费时费力的问题,降低了人工参与的成本,提高了实验精度和有效性。同时为控制类专业教师和学生拓展了专业知识的层次化实验应用,通过解决实际工程技术问题提高了学生参与实验的积极性。我校电气工程学院和建筑工程学院的跨学科实验平台研发的成功,将对其他院系以及国内其他高校不同学科的交叉融合具有良好示范作用,同时可为电气工程学院、建筑工程学院以及相关学科高年级本科生和研究生提供一个良好的学习和实验平台。

2.2 电气类与控制类跨学科综合性实验平台的设计

2.2.1 实验平台的设计目标

针对电气专业领域中风电制氢与燃料电池耦合微网实验系统的安全稳定运行问题,对系统组成单元,如风机发电子系统、电解制氢子系统、压缩储氢子系统、燃料电池子系统和可变负荷子系统的运行特性和控制机理进行了详细研究,通过利用控制论知识和技术,设计风电制氢耦合燃料电池微网系统的协调控制,根据环境条件和系统实际工况,实现微网系统在多种运行模式下的柔性可靠运行。通过构建该微网综合性实验平台,不但可以为电气工程类专业学生提供了一个在分布式发电、微网等前沿技术开展探索性实验的机会,同时该实验平台的开发和应用为我校电气工程学院开展控制论、新能源和微网科研实验提供了有力的技术支撑。

2.2.2 实验平台的设计内容

风电制氢耦合燃料电池微网实验平台包括2部分,一部分是由风力发电子系统、电解制氢子系统、压缩储氢子系统、燃料电池子系统和可变负荷子系统所组成的系统硬件单元,另外一部分就是利用信号与控制论知识所设计的单元控制模块以及系统级的协调控制器。整个微网实验平台的结构如图2所示。

图2 微网实验平台的结构

通过为微网内部各个子系统设计和实现相应的控制模块,并通过工业现场通信网络实现各个子系统与系统级协调控制器进行数据交换和逻辑判断。根据风力发电子系统的运行情况,确认弃风电量大小以及是否可以开始制备和存储氢气,微网系统运行在风电制氢模式；根据系统储氢状况以及负荷容量大小,启动燃料电池子系统增加电能供应,微网系统运行在燃料电池发电模式；判断风电并网的容量和质量,以及本地负荷的实际需求和储氢系统的运行状况等,系统协调控制器决定系统各个子系统的联动和协作,微网系统运行在全系统运行模式。因此该微网综合实验平台是一个包括控制流、电力流和氢气流在内的典型非线性复杂工业控制系统。

经过电气专业和控制专业教师对系统需求的沟通,通过发挥各自专业领域的专长和特色,综合分析设计微网系统的运行工况,确立该微网实验平台的3种运行控制模式：

(1) 风电制储氢模式。当电网无法消纳过多风电时,以电解制氢子系统的运行为依据,将多余风电转换为氢气存储。

(2) 燃料电池独立运行模式。综合判断负荷需要供电或风电场输出电能质量无法满足调度要求,启动燃料电池发电系统,将储氢系统的氢能转化为高品质的电能,输出供给微网内负荷需求或馈送回大电网。

(3) 全系统运行模式。综合上述2种运行模式,对系统协调控制器的设计具有更高的控制要求。在该模式下,一方面将质量较差的风电转换为氢气存储,送入储氢系统实现工业应用,另一方面燃料电池系统将氢能转化为高质量电能供给系统或电网负荷。

微网平台的综合性控制策略综合了时序控制与条件控制,充分考虑各子系统的工程特性及运作原理与流程,满足了各子系统运行所需要的相互制约,保证微网在各种工况下稳定、安全、高效运行。

2.2.3 实验平台的应用

利用控制专业技术建立微网综合性实验平台,为进行多种清洁能源耦合条件下的系统控制技术和实验研究提供了可能性,不但可以将传统电力系统领域和分布式发电方面的数值仿真实验进行物理实验验证和提升,有助于开展更加接近实际工程背景的实物仿真和半实物仿真实验,给电气专业学生学习分布式发电控制策略和微电网运行控制技术等智能电网新技术提供平台支撑,而且综合性实验平台的运行经验和数据积累,有助于电气学院师生在微电网领域开展建模、控制和系统运行分析等科研活动,同时为电气学院在新能源发电、微网控制技术领域的科研项目申请和工程实施方面提供了工程和技术实践经验。

3 跨学科综合性实验平台的管理与实施

跨学科综合性实验与传统的实验项目有着本质上

的区别,因此在实验教学的管理和实施上,需要在教学模式上进行改革和探索,以吸引学生主动参与实验, 培养学生利用该综合性实验平台提出实验问题、研究实验方法和解决实验难题的思维和能力,达到提高学生实践能力和综合素质的目的。

综合性实验跨多个学科内容,因此实验课程需要独立设置,不隶属于某一专业的特定理论课。考虑不同学生在知识水平、动手能力、兴趣专长和所在专业等各方面存在的个体差异,有针对性地展开实验课的教学组织、授课方式改革及教材建设。实验教学项目应该依托跨专业学科,实现覆盖基础实验验证教学项目、综合性实验教学项目和探究性实验教学项目的层次化设置。针对低年级基础水平和动手能力一般的学生,制定基础性实验教学项目,培养其对学科基础理论知识的掌握；针对高年级中具有相应学科基本知识储备和实践能力的本科学生,开展综合性实验教学项目,综合应用跨学科知识解决实际应用问题；针对对相关专业科研实践活动有兴趣,同时又具有较强探索能力的学生,设计开放性的探究性实验教学项目,移植和采用教师科研活动中的管理方式,强调教师作为探究性课题引导者的角色,培养学生独立思考的习惯,通过自主设计实验方案,独立操作实验装置,独立比较各种技术方案并纠正实验中的失误,客观评价实验过程和进行结果分析,增强学生在实验教学中的主体性地位。

通过层次化的实验教学内容和针对性的管理方式设置,有助于建构不同能力水平的人才培养机制,同时保证了综合实验平台功能的针对性和完整性,实现以培养学生创新思维和实践能力为主线,建立分层次的、多元化的实验教学改革体系[8-11]。

4 结语

通过整合具有学科关联性和实验教学互补性的相关院系实验室资源,构建以跨学科、多交叉和综合性为特点的实验教学平台,让各专业有限的实验教学资源发挥最大的规模效益。具体通过跨学科知识重组和融合,结合控制和信号学科专业知识对建工领域人工海洋环境实验装置的优化设计和改进,以及探索融合控制类实验与电气类微电网系统的协调控制实验等研究为代表,建立具有设计性、综合性的实验平台,培养工科大类学生跨学科综合运用知识和实践动手的能力,培养具有宽口径和创新意识的工程技术复合型人才。

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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

国家高技术研究发展计划(863)项目(2014AA052501, 2015AA0501374)；国家自然科学基金项目(61371095)；浙江省自然科学基金项目(LY15E070001)；浙江省教育厅科研项目(Y201533326)；浙江大学实验技术研究重点项目(SZD201501)；浙江大学本科实验教学自制仪器设备项目(2016046)；浙江大学电气工程学院探究性实验立项项目

张建良(1984—),男,河南新野,博士,讲师,研究方向为信号分析与处理、复杂工业系统的分析与控制.

E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)1-0194-04