日本芝浦工业大学利用 MATLAB、Simulink 和 Arduino 硬件开发基于工程的全球电力系统控制学习课程
“我们的目标是帮助工程专业的学生学习如何通过国际协作和试验来解决行业问题。借助 MATLAB 和 Simulink，我们的电力系统实验室可以与多所大学合作开展此类试验。”
挑战
采用基于工程的全球学习方法，向工程专业本科生教授电力系统控制基本理论
解决方案
在利用 Arduino 和实际的同步发电机开展实操试验之前，通过 MATLAB 和 Simulink 让学生能够以协作方式进行控制设计仿真
结果
- 提升了学生的技能
- 实现了国际协作
- 最大程度缩短了起步时间
芝浦工业大学的学生利用 MATLAB 和 Simulink 来设计、实现和优化同步发电机的控制器。
芝浦工业大学 (SIT) 基于工程的全球学习 (gPBL) 计划为来自日本和海外合作大学的学生提供了一个契机，让他们可在解决行业问题的过程中培养协作、系统思维和系统管理方面的技能。由工程系大二和大三学生组成的团队合作设计、实现并优化了同步发电机的控制器。这些学生来自日本、印度尼西亚、马来西亚、泰国以及越南。
过去，这门课程以面授的行式进行，学生需要舟车劳顿，从其他大学远赴芝浦工业大学。最近，该课程已改为线上形式。在这种模式下，学生可以使用 MATLAB® 和 Simulink® 进行设计仿真，然后通过 Arduino® 接口在真实硬件上对设计进行测试和优化。
“gPBL 课程的目标是通过工程向学生介绍国际协作，”该课程的首席教师 Goro Fujita 教授说道。“在学生通过建模、仿真和试验来学习设计发电机控制的过程中，MATLAB 和 Simulink 充当了这种协作的纽带。”
挑战
当该课程从面授改为线上时，Fujita 教授和他的同事需要从头开始重新设计它的核心试验。进行这次重新设计时，教师必须考虑到这些工程专业的学生是一个多元化的群体，他们讲不同的语言，具有不同的背景和技能水平。
在整个课程中，Fujita 教授力求让学生专注于控制设计，而不是学习和配置新软件。因此，他需要学生们已熟悉或可以快速学习的建模和仿真工具。此外，这些工具必须能够与基于 Arduino 的硬件开发工具包轻松集成，该工具包是由 Fujita 教授和他的教师同事们一起构建的。最后，这些工具必须便于在线上环境中进行基于工程的独立和协作式学习。
解决方案
作为芝浦工业大学 gPBL 计划的一部分，Fujita 教授和他的同事们，包括课程助教 Sitompul 博士，使用 MATLAB 和 Simulink 向来自五个国家/地区的学生团队教授同步发电机控制设计。
在该课程的第一部分，Fujita 教授让学生使用 Arduino 平台在 MATLAB 和 Simulink 中完成了简单的练习。这些练习包括让 LED 闪烁或控制直流电机，它们可以确保所有学生都了解使用 MATLAB 和 Simulink 通过 Arduino 接口控制硬件的基础知识。
接下来，学生开始使用教师为该课程创建的同步发电机模型工具包。此工具包提供了一个感应电机，用作同步发电机的原动机。该发电机连接到传输线和负载。
在 Fujita 教授的指导下，学生团队使用 Simulink 和 Control System Toolbox™ 开发了一个控制器模型。然后，他们使用该控制器模型以及 Fujita 教授使用 Simulink 和 Simscape™ 创建的同步发电机被控对象模型运行了闭环仿真。
在一系列周会上，学生们规划并讨论了他们要进行的试验。芝浦工业大学的学生负责动手实操，而合作大学的学生主要关注分析和仿真。
在一次试验中，芝浦工业大学的学生使用 Simulink、Simulink Support Package for Arduino Hardware 和 Arduino 平台运行了控制器的一个初始版本。然后，他们改变了发电机的负载，并记录了由此产生的电压和频率偏差。海外学生则在 MATLAB 中分析结果，通过波特图将其可视化，并通过传递函数对其建模。
根据分析，海外学生调整了 Simulink 模型中的控制参数值，这些参数值可通过发电机的感应电机和励磁机来调节电压和频率。芝浦工业大学的学生重新运行了试验，以测量这些变化对系统性能的影响，并确定是否需要进一步优化。
最后，学生将仿真结果与物理试验结果进行了比较，以验证他们的检查结果。
除了同步发电机控制系统外，Fujita 教授与他的同事们目前还在开发另一个实验模块，该模块将使用 MATLAB、Simulink 和 Arduino 平台实现电力系统控制。
结果
- 提升了学生的技能。“MATLAB 和 Simulink 是学生学习电力系统控制的理想工具，”Fujita 教授说道。“学生可以在 Simulink 中更新控制参数，然后通过将 Arduino 连接到物理发电机来运行试验，以观察系统性能受到的影响。”
- 实现了国际协作。“在 MATLAB 和 Simulink 的帮助下，我们的学生顺利地开展了国际协作，并使用一种通用语言解决了工程层面的问题，”Fujita 教授说道。MATLAB 和 Simulink 使沟通不畅的问题减到了最少。”
- 最大程度缩短了起步时间。“MATLAB 和 Simulink 对我们教授这门课程很重要，部分原因是它们在许多大学的工程系都得到了广泛应用，”Fujita 教授说道。“由于我们的学生对该软件有所了解，因此，我们可以更轻松地将特定试验模块引入课程中。”
