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合肥工业大学-面向电气虚拟仿真与实践创新的实验室建设


应用背景

随着中国的高等教育逐步与国际标准接轨,为了在应对国际竞争、走向世界的道路上迈下更坚实的步伐,目前国内高校在教学改革侧越来越强调对学生实践能力的培养,如何提高学生解决复杂工程问题、提高创新与设计能力成为高等教育的一个至关重要的环节。合肥工业大学电气与自动化工程学院一直非常重视对学生创新实践能力的培养,贯彻工程基础厚,工作作风实,创业能力强的人才培养特色。为了完善研究生教学内容和课程体系,客户新建设电力电子教学实践实验室,能够结合先进的半实物仿真技术,完成如下的目标: 

  • 进行研究生实验教学:结合研究生仿真教学的课程,给学生自己动手搭建系统拓扑、仿真算法、理解控制理论的机会,并在基础的学习实践后完成自主的课题设计; 

  • 作为科研论文验证平台:能够用作为科研平台,对研究课题中实物搭建比较困难的研究对象进行仿真模拟,配合控制算法进行实验效果验证,辅助学生完成科研论文; 


目前传统的实验室平台和教学仪器以操作、演示为基础,拓展性弱、难以开展设计类实验等缺点体现的越来越明显,难以跟上新工科建设与教学改革的步伐。为了弥补传统教学仪器在创新型、设计型实验等方面的不足,使用基于虚拟仪器、实时仿真的系统设计与实验方式,已成为当前实验平台建设与探索的热点。

 

基于StarSim的解决方案

远宽能源的创新电力电子仿真实验平台,旨在为电气相关专业的研究生提供技术领先、性能优异的创新实验平台,基于该建设方案构建的创新实验基地,能够辅助进行相关课程的创新与设计型实验。同时作为半实物仿真平台,对于需要实物参与搭建的科研项目有良好的支持性,是算法验证,科研成果发表的高效辅助工具。整套实验系统的组成如下图所示:



1——控制机箱,内置控制器,用于实现电力电子仿真实验中需要用到的控制算法,发出控制信号给实时仿真机箱,构成闭环的实验系统,该部分也可以由DSP控制板代替,用于进行控制理论实验课程。  

2——实时仿真机箱,可将用StarSim建模环境搭建的被控对象(电力电子电路系统和拓扑)在机箱配置的FPGA硬件上进行准确的实时仿真,将被控对象的特性仿真出来并将响应信号发送给控制侧,完成实验系统的闭环。  

3——实验转接板,用于实现控制侧与仿真侧之间的信号连接,同时转接板上配备了BNC接口,学生可以在实验过程中通过示波器实时观察每一路信号的波形情况。  

4——示波器(可选配置),方便学生在实验过程中观察实际信号,对系统运行的原理有更直观的认识。


应用成果

目前虚拟仿真实验室已经完成了初步的建设并已顺利开设了半实物实时仿真实验课。整个系统由完整的仿真侧、控制侧、实验信号转接接口以及示波器组成,能够在平台上完成并网系统、电力电子装置、微电网等方向的仿真与控制实验。该实验室通过辅助开展仿真与控制设计类实验课程,提高学生的科研与实践水平同时也将为后续开展国家虚拟仿真实验教学项目的申报工作做好准备。下图为实验室部署与开课运行的情况。 


  


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