半实物仿真驱动的“电力拖动自动控制系统”一流课程建设探索

田斐 崔世林 陶太洋

南阳理工学院智能制造学院 河南南阳 473004

1 概述

2019年10月，教育部启动了一流课程建设工作，“电力拖动自动控制系统”是电气专业的一门重要核心课程，属于专业平台必修课程，该课程同工程实际切合紧密，通过课程的学习，学生能够熟悉调速系统，掌握转速、电流反馈调速系统的设计方法，掌握交流调速系统的方法，为今后从事电机的控制与维护、伺服控制、电气传动控制等打下坚实的基础。

在学校“一流课程建设基金”的资助下，“电力拖动自动控制系统”承担起了电气专业第一批一流课程建设任务，在一流课程的建设过程中，如何在现有基础上提高课程的教学质量、学生的工程素质与能力和思政思辨能力，是一个迫切需要解决的问题。部分高校借助工程教育专业认证[1]的契机，对课程的教学方式和手段进行了大幅改革，教学质量取得了一定的进展；部分高校大力开展精品课程建设，也取得了一定的成绩;还有部分高校大力开展MOOC在线课程;也有部分高校开展了线上线下混合教学等。这些措施的实施，都为提升教学质量、提高学生的工程素质和能力做出了一定的贡献和成绩。

“电力拖动自动控制系统”是综合性极高的专业课程，该课程的教学目标是使学生具备使用电机的驱动控制技术能力，具备使用整体系统实现控制的能力，并且能够具备对电机实施在线控制和调速的实际应用能力[2]，为使同学们具备以上能力目标，我们电气专业围绕该课程设置了一系列辅助课程，协助学生理解该课程的综合性和适用性，使学生体验该课程，主动开展学习，具体课程关系如图1所示。

图1 “电力拖动自动控制系统”课程关系

为了达到该课程的教学目标，我们在“电力拖动自动控制系统”课程教学方案设计上考虑学情和社会的客观需要，提出了基于半实物虚拟仿真实验平台建设的“电力拖动自动控制系统”一流课程建设方案，将智与劳相结合，综合培养学生的综合素质与能力，更新实验设置，将验证性试验变为融入创新的开发性试验，以实际工程项目建设案例为导向，激发学生学习的积极性和主动性，帮助学生了解课程在工作中的作用，使得学生足不出课程便能体会到学以致用、理论指导实践的强大威力，使同学们在步入社会之前就能具备较强的适应性，并为今后长远发展打下理论、实践和思想的基础[3]。

2 半实物仿真平台教学改革

“电力拖动自动控制系统”课程教学目的主要是以电子技术或计算机为控制核心，采用电力电子器件为控制器件，以电动机为被控制实体，采用自控原理分析设计控制过程，掌握运动控制系统的控制规律及设计方法，通过课程设计及综合实验课程巩固理论知识，验证基本理论和进行实际工程案例开发，提高学生综合能力。

课程的重点是速度控制系统，即调速控制系统。为了达到该课程的培养目标和完成培养任务，我们采取了两个重要措施：

(1)依托南阳理工学院青年教师发展基金，申报了《电机测控实验平台的研制与实训项目开发》(NIT2016SJJG-013)实践教学改革项目1项，自主开发了20台实验装置用于该课程的实验教学及课程设计。

(2)依托南阳理工学院“电力拖动自动控制系统”一流课程建设项目，建设了“电力拖动自动控制系统”半实物仿真平台一套。

2.1 电机测控实验平台

半实物仿真，又称为硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation)，是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真，实时性是进行半实物仿真的必要前提。

电机测控实验平台是一套以计算机系统为核心，电机为被控对象，PLC和电力电子为控制器件的综合性实验平台。建成后的实验平台如图2、图3所示。该平台的建设对整个电气专业的学生提供了能够参加教师横向课题的机会，属于项目驱动教学方式的一种[4]，为学生提供了理论知识的运用空间，能将所学知识融会贯通，解决生活生产实践中的问题，进而指导生产和生活，使培养的人才适合社会的需求。在课题的引领下，有助于系统总结新课程实践的经验成果，最大程度促进学生的发展。

图2 自主开发的电机测控实验装置——PLC部分

图3 自主开发的电机测控实验装置——电源部分

2.2 半实物虚拟仿真实验系统

“电力拖动自动控制系统”这门课程的实验，各元器件内部调节的动态过程十分短暂且无法直接测量，基于MATLAB建立虚拟模型可以将各个内部变量直观地引出，便于查看，在保证实验结果的前提下将内部参数直观呈现，而且还可以自行设置相关控制参数，了解不同参数在运行过程中的实际作用，以辅助教学。同时，基于MATLAB的虚拟仿真平台还可以帮助学生以非常简单的方式和非常小的代价实现自己的控制方法，而无须对硬件做任何改动，这不但增进了学生的编程能力，也激发了学生的创新热情[5]。

但是，单纯的MATLAB纯虚拟仿真[6]不利于提高学生的实践能力，不利于学生实际的设备操作、数据采集等能力和知识的培养。另外，过于抽象的虚拟平台人为地在理论和实践之间增加了一条鸿沟。因此，我们开发出了半实物虚拟仿真控制平台[5，7-9]，该平台采用MATLAB作为主控制端，实物设备的数据通过串口发送给MATLAB，控制器用MATLAB编写，半实物虚拟仿真平台的控制界面如图4所示。

图4 基于MATLAB的半实物仿真控制平台

半实物仿真平台的研究具有以下意义：

(1)半实物仿真拥有数字软件仿真和实际实物试验无可比拟的全方位优势，这种仿真方式能够在研发阶段就发现产品潜在的质量问题，把研制风险降低到最小，产品质量提升到最好，另外，还可以缩短关键技术的研发周期，大幅减少不必要的实际物理试验次数，减少不必要的物理耗材等。

从系统的观点来看，半实物仿真采用在系统中接入部分实物的方式，意味着可以把控制对象、执行器等部分不变的实物放在系统中进行考察，既保证了关键部件的实际检验，又保证了关键软件和算法的实际验证，因此半实物仿真是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。

(2)半实物仿真本质上支持快速原型设计及硬件在回路测试，支持用户基于Simulink等图形化建模工具进行模型设计，极大地缩短开发周期，提高了公司关键技术的可重用性，减少了公司前期投入。

(3)在产品研发阶段、算法验证等环节，若采用实际控制器进行控制，则存在控制器硬件修改调试周期长、可靠性差等问题，依赖合作伙伴供货周期等因素，若采用半实物仿真，就可以高效地、便捷地完成前期算法的实验和验证。

(4)推动实验教学改革与创新，半实物虚拟仿真教学融合了虚拟教学和实物教学的共同优点，能满足工程应用型人才培养目标的实现需求。

3 教学效果和毕业生评价反馈

针对我校“电力拖动自动控制系统”课程，采用开发的半实物虚拟仿真实验平台进行教学，提供了学生理论知识与社会实践之间联系的桥梁，强化了理论与实验实践的有机高度互融，激发了学生的学习积极性，使学生对该类实验课程产生浓厚的学习热情，形成了“理论学习”到“实验实践”的成功互联和高度融合，使学生一毕业就成为一名合格的技术人员成为可能，学生学习成效非常显著，毕业生反馈评价优良。对2017级电力系统及其自动化专业的205名同学的调查问卷显示，所有学生都对该半实物虚拟仿真实验教学平台给予了非常高的评价，彻底改变了学生“学了理论不知道有什么用，该怎么用”的窘境，有效激发了学生的学习兴趣和热情。