基于“实时数字控制”技术的“电力电子技术”实验教学模式研究

邓富金，蒋 玮，黄允凯，顾 伟

(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

基于国家战略发展新需求、国际竞争新形式、立德树人新要求而提出的“新工科”概念，是我国高等工程教育改革的重要方向[1]。当前，以新技术、新业态、新产业和新模式为特征的新经济正在蓬勃发展，国家一系列重大战略深入实施，产业转型升级和新旧动能转换，都对工程技术人才作用的发挥提出了更高的要求[2-3]。

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[4]。“电力电子技术”课程是电气工程及其自动化专业本科生必修的专业课，具有很强的实用性和综合性，是电气工程领域理论和实践相结合的专业核心课程之一[5-6]。课程要求学生在了解各类电力电子器件工作原理及性能的基础上，基于各类电力电子器件搭建满足工程实际需求的电力电子变流器实现电能的转换，掌握相关的控制理论，并具备利用数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)芯片对变流器进行控制系统设计和开发的工程实践能力。

通过对“电力电子技术”专业课程及其实验课程的授课,作者发现现有教学模式难以满足“新工科”建设的理念，需要引入新的实验教学模式，紧密结合工程实际应用，丰富实验教学对象，推动传统教学模式改革，以实现“新工科”对人才培养的定位——“培养多元化、创新型卓越工程人才，为未来提供智力和人才支撑”[1,7]。为此,作者对“电力电子技术”实验课程教学现状进行了深入且系统的剖析，指出问题所在，并在此基础上进行基于“新工科”理念的课程教学改革与探索，通过基于“实时数字控制”技术的RTU(Real Time Unit)平台对“电力电子技术”课程的实验教学环节进行改革，紧密结合理论教学内容，重构实验教学内容，循序渐进地培养学生形成全面的理论知识体系和锻炼学生的实践动手能力，同时借助RTU教学实验平台的优势，结合学科发展趋势和领域前沿发展内容，激发学生对电力电子专业的学习兴趣，培养学生学习的前瞻性与创新性。

1 “电力电子技术”实验教学现状

“新工科”建设明确指出，实践能力是“新工科”人才必须具备的基本能力之一[8]。“实践是验证真理的唯一标准”，教学过程中必须注重对学生实践能力的培养，提高学生的实践动手能力。而目前，由于教学资源和教学环境的限制，“电力电子技术”专业课程中的实验课程实验内容简单、实验手段单一，学生只能够在拓扑结构固定的电力电子变流器实验平台上进行简单的连接线操作以及观察实验现象，只能够机械地对所学理论知识进行简单且表面的验证，无法体现学生的设计能力、动手能力以及创新能力，即使是课程作业和综合设计，目前依然缺少有效的方式对学生的设计和实验过程进行监管，仿真分析与实验验证无法完全统一，导致电力电子课程理论和实践无法紧密结合、与提高学生实践动手能力的目标依然存在很大差距。综合来看，当前电气工程及其自动化专业“电力电子技术”实验课程的教学主要面临以下挑战。

1.1 控制系统开发门槛高、时间长

现有电力电子技术变流器的控制系统开发模式多基于DSP芯片进行，但是学生需要学习大量的DSP开发细节并且具备良好的逻辑和编程能力才能够设计所需的变流器控制系统，学习门槛高。此外，在DSP开发过程中存在控制系统外围辅助电路设计任务量大，底层代码编写复杂且容易出错，并且存在系统仿真在现实中无法直接应用以及在有限的课程学时内利用DSP等教学装置对教学内容进行实证的难度大等问题，造成现有教学模式下电力电子实验课程任务开发过程所需时间长、成本高、难度大，更是难以激发学生的学习兴趣，培养学生在有限的实验课程学时内难以提高他们的设计和验证控制算法的能力。

1.2 现有“电力电子技术”实验平台开放性不足

现有电力电子变流器实验平台使用的是集成化的电路实验平台，实验使用到的变流器中电力电子元器件位置固定，系统结构单一，学生只能在现有的实验平台上通过简单的手动连接部分线路来认识和理解电路，难以接触各类电力电子器件，难以直观的认识和熟悉各类电力电子器件的功能和运行性能，难以培养学生采用各类电力电子器件搭建电力电子变流器的能力，难以全面地通过实验任务让学生有效地理解课本中的理论知识，从而难以激发学生对课程学习的兴趣。基于现有实验平台的教学方式也较为封闭，教学流程和教学内容固定，教学环境受限，难以达到引导学生进行积极主动的探索，并在探索中理解电力电子理论知识、挖掘学生创新潜能的目的。

1.3 现有“电力电子技术”实验平台共享性不足

当前“电力电子技术”实验课程多使用传统的电力电子变流器实验箱或实验台，教学模式存在较多限制，比如实验课程人数众多，却受限于实验室的场地、空间条件和实验平台的硬件条件，电力电子实验通常只能采取多人共用一台实验设备的传统教学模式和手动接线的实验方式，设备利用效率低，也导致了部分学生“无实验可做”的情况。另外，有限的实验课时也限制了实验教学更好地开展，没有足够的时间积累，难以达到在有限的实验课程教学时间内有效地培养学生实践能力的目标，难以达到良好的教学效果。

1.4 教学模式难以满足“新工科”需求

“电力电子技术”实验课程与工程实践和科学研究联系紧密，实验教学需要考虑最新的技术发展趋势、面向社会对人才的需要，这就要求实验平台和教学模式能够为创新实践服务，为培养具有创新能力的“新工科”人才助力[9]。反观现状，在电力电子领域前沿技术迅速发展的时代背景下，众多先进技术和理念层出不穷，而实际教材内容陈旧、跟不上时代的发展，传统教学模式缺乏对学生创新思维的培养和指导，传统实验平台仅能够完成对基本原理和基本电路的实验，限制了学生的创新思维，存在严重的科学研究和实验教学分离的现象。

2 “电力电子技术”实验教改措施

针对上述“电力电子技术”实验课程教学中所存在的问题，本文提出了基于“实时数字控制”技术的RTU装置，基于RTU装置的开放性实验系统，网络化、远程化、共享化新型教学实验平台，最终基于该平台建立新型实验教学模式的教学改革方案，具体实施方案如图1所示。

图1 教学现状及教改方案

2.1 开发面向“电力电子技术”实验课程的RTU装置

综合考虑“电力电子技术”实验课程对控制系统功能、核心控制器/处理器、外围资源、硬件接口方式、嵌入式原型和语言开发环境的需求，开发面向“电力电子技术”实验教学需求的实时仿真单元RTU，其主要目的在于跨越虚拟仿真与实时测试之间的鸿沟，开发代码自动生成技术，将仿真模型直接转化为代码，并下载到RTU装置进行实时控制，以简化控制系统开发流程。为实现将仿真程序下载到RTU后，在硬件上进行实时运行，保证模拟的实时性，根据各执行机构和传感器的特性，开发建立接口模型以达到精确的仿真效果，开发丰富的采样、调理和数字、模拟输入输出资源。开发一体化、通用化的控制器硬件电路，学生可直接上手使用控制设备，以节省设计控制、驱动和监测等电路的时间。

图2给出了基于RTU的实验系统。首先，学生在RTU仿真环境中可使用所提供的模块设计电力电子仿真系统模型，并通过RTU仿真来验证设计的正确性。其次，通过RTU可将验证成功的仿真系统模型自动地转化为嵌入式代码，并下载到RTU控制系统运行，控制电力电子变流器。该过程无需学生手动编程，有效地降低了电力电子变流器控制系统开发的难度，极大地缩短了开发的时间。

图2 基于RTU的电力电子实验系统

2.2 开发基于RTU的开放性实验系统

1)软件资源开发

为简化控制系统程序开发流程，开发适配RTU软件仿真环境的各类常用控制系统模块单元，比如比例积分微分控制模块单元、比例谐振控制模块单元、滞环控制单元、脉冲宽度调制模块单元、空间矢量调制模块单元、选择谐波消除法调制模块单元、最近电平逼近调制模块单元等仿真模型，供学生在RTU硬件在环实验模型开发中直接调用。

2)硬件资源开发

以支撑实验教学和引导学生进行创新实践为目标，定制开发与RTU核心控制系统兼容的模块化电力电子实验电路，比如“电力电子技术”教材中经典的交流-直流变流器电路模块和直流-直流变流器电路模块，广泛应用于电力电子变流器的全桥电路模块和半桥电路模块，三相电路模块、单相电路模块等，向学生提供“菜单式”教学对象。基于所开发的RTU和各类电力电子电路模块，学生可以采用“搭积木”的方式对自己的想法和创新进行尝试与探索。

2.3 搭建基于RTU的新型教学实验平台

基于开发的RTU开放性实验系统建立网络化、远程化、共享化“电力电子技术”教学实验平台，以实现设备预约、实验操作、数据采集、结果评价等环节的在线化、无纸化。

建立网络化教学实验平台，是将RTU与互联网进行连接，向学生提供远程下载代码、观测控制对象、采集实验数据等功能，为远程化、共享化实验教学提供基础条件。

建立远程化教学实验平台，是指学生可以通过校园网和远程控制界面连接并使用RTU，对实验对象进行实时控制，通过RTU配备的摄像头装置实时观测控制对象的运行状态，并根据返回的实时实验数据和观测到的实验现象进行实时测试，教师也可对学生的在线操作进行实时的在线指导、在线考核和在线评价。

建立共享化教学实验平台，是指通过实验平台实现对实验资源的“分时共享”，学生首先对实验设备和实验时间进行预约，然后在预约时间内使用实验设备进行实验，以达到让学生在不同时间对同一套实验装置进行操作，完成各自实验内容的目的。

基于该教学实验平台，不仅提升了实验设备的利用率，也提升了实验教学指导的效率，让数量有限的实验平台和开放时间发挥最大效益，此外，即使是在特殊时期，比如疫情期间，也可进行正常的教学实验活动。

2.4 建立基于RTU的新型实验教学模式

为满足“新工科”建设背景下创新人才培养的需求，基于开发的RTU新型实验平台，建立电力电子技术新型实验教学模式，具体可以分为以下两个层次。

1)基于RTU的多元化实验教学模式

根据“电力电子技术”实验课程的教学和实验要求，结合RTU新型教学实验平台的功能特点，开发包括理论验证、课程设计、创新实践、科学研究在内的多元化实验教学模式，满足不同年级、不同课程、不同培养阶段对实验教学的多元化需求。同时，提出以“开放式、网络化、任务性”为特征的实验课程教学模式，向学生提供“时间自由、空间自由、实验对象自由”的实验体验，允许学生在包括实验室、宿舍甚至家中使用电力电子实验对象和RTU控制系统，完成个性化的实验内容。

2)基于RTU的过程管控和评价教学模式

实施实验课程的过程管控。遵循“电力电子技术”实验课程的教学规律，借助RTU的数据采集能力，对包含实验内容、实验流程、实验对象、实验数据、结果分析在内的教学实验过程实施管控，构建包含“实验构思、内容规划、工程能力、成果呈现”的教学过程管控关键节点，促进师生互动，提高教师对实验过程的管控能力，实现实验过程可查阅、可评价、可追溯。

改革实验课程的评价方法。基于RTU的新型实验教学模式设计灵活、准确、可操作的评价体系。为教学过程中的“项目选题、方案设计、现场考察、结果验收、总结报告”等教学环节和场景设计与教学大纲目标一致、并且能体现学生自主创新性的可靠评价指标和评价标准，实现对学生实验进程的全方位评价。引导学生完成教学目标、提升自身能力，并能够在评价过程中与学生形成互动，及时将情况反馈给学生，及时发现教学内容设计存在的问题，持续对教学方法、教学要求和教学流程进行改进。

3 结语

本文深入分析并总结了目前“电力电子技术”实验课程教学方式存在的各种问题。为了解决这些问题，本文提出了基于“实时数字控制”技术的RTU装置，基于RTU的开放性实验系统，基于RTU的网络化、远程化、共享化教学实验平台，并最终建立基于RTU的新型实验教学模式。其创新之处在于开发RTU向学生提供了基于模块化软、硬件的开放性实验环境，建立了集网络化、远程化、共享化、任务化为一体的新型实验教学模式，并利用RTU的数据采集能力对实验过程进行过程管控和可靠评价。

通过基于“实时数字控制”技术对“电力电子技术”实验教学模式进行改革，培养学生的实践动手能力和创新能力，努力培养学生成为符合国家和社会需求的“新工科”人才。