實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)依托南京航空航天大學(xué)電氣工程專業(yè)，根據(jù)航空特色電氣工程專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，開發(fā)了多電飛機(jī)供電管理與故障重構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，面向行業(yè)和社會(huì)開放。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合南航電氣工程專業(yè)特色核心課程《航空航天供電系統(tǒng)》的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，從“飛機(jī)供電系統(tǒng)認(rèn)知—系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)—系統(tǒng)故障重構(gòu)環(huán)節(jié)探索”三個(gè)層次開展實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。 從這里開始實(shí)踐探究大型多電飛機(jī)供電系統(tǒng)！

設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目依托于南京航空航天大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，為教育部國(guó)家特色專業(yè)、工信部國(guó)防重點(diǎn)專業(yè)和江蘇省品牌專業(yè)，所在電氣工程學(xué)科為工信部重點(diǎn)學(xué)科、江蘇省重點(diǎn)學(xué)科和江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，遵照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，開發(fā)了多電飛機(jī)供電管理與故障重構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，面向行業(yè)和社會(huì)開放。項(xiàng)目將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法、交互體驗(yàn)式教學(xué)方法和探究式教學(xué)方法綜合運(yùn)用于各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生循序漸進(jìn)地開展“基本原理學(xué)習(xí)→綜合能力訓(xùn)練→創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程。①“飛機(jī)供電系統(tǒng)部件、結(jié)構(gòu)和布局”的基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)這一層面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)著眼于提升學(xué)生對(duì)《航空航天供電系統(tǒng)》課程知識(shí)點(diǎn)和基本理論的掌握程度，適當(dāng)覆蓋《飛機(jī)電氣系統(tǒng)》、《航空電機(jī)學(xué)》、《航空電力系統(tǒng)》、《電力電子技術(shù)》等課程，以“實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)子環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)步驟”逐級(jí)細(xì)化的結(jié)構(gòu)來(lái)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。以“子環(huán)節(jié)”為單位組織體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容貫穿于“步驟”之中?；诮换ンw驗(yàn)式教學(xué)方法，學(xué)生通過(guò)交互式操作和全方位多角度的深入觀察，可有效建立對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和發(fā)電機(jī)、蓄電池、變換器等知識(shí)的全面認(rèn)知和理解。②飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)首先采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，以滿足電氣負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)的需求為設(shè)計(jì)任務(wù)，可以自由設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也可以在軟件給定的一個(gè)不完整的雙發(fā)電通道飛機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，選擇配置發(fā)電機(jī)、變壓整流器和逆變器、蓄電池等部件，并配置參數(shù)。然后進(jìn)入交互體驗(yàn)式教學(xué)，由軟件對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)和參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估，評(píng)估其功率、可靠性、體積重量等指標(biāo)是否符合任務(wù)需求。滿足需求則可以進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則重新設(shè)計(jì)。③飛機(jī)供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試環(huán)節(jié)這個(gè)環(huán)節(jié)主要是交互體驗(yàn)式教學(xué)。包括“發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)電機(jī)建壓發(fā)電”與“飛行階段動(dòng)態(tài)調(diào)試”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)子環(huán)節(jié)。通過(guò)讓學(xué)生“親身”參與發(fā)電機(jī)建壓和電網(wǎng)管理操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析處理問(wèn)題的能力。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)電機(jī)建壓子環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要掌握電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的流程和順序，理解發(fā)電機(jī)建壓的條件，當(dāng)轉(zhuǎn)速或者電壓達(dá)不到要求時(shí)間則發(fā)電機(jī)無(wú)電能輸出，掌握操作步驟所涉及的物理問(wèn)題本質(zhì)。飛機(jī)在飛行階段中出現(xiàn)不同的外部環(huán)境變化，學(xué)生開展動(dòng)態(tài)調(diào)試工作，通過(guò)操作控制不同的電氣負(fù)載以應(yīng)對(duì)外部環(huán)境變化，滿足供電需求。④“系統(tǒng)故障重構(gòu)”探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)這部分實(shí)驗(yàn)置身于各個(gè)飛行階段，突出“隨機(jī)性”和“突發(fā)性”，學(xué)生根據(jù)聲、光、電信號(hào)判斷定位故障，然后探索最優(yōu)故障重構(gòu)策略，給重要設(shè)備繼續(xù)可靠供電，這部分側(cè)重于探究式教學(xué)。隨機(jī)設(shè)置供電系統(tǒng)的故障，包括電弧故障、參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)是本項(xiàng)目的探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，根據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生的故障，學(xué)生應(yīng)能快速進(jìn)行故障定位并隔離。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先默認(rèn)給出了基本控制結(jié)構(gòu)下發(fā)電系統(tǒng)能夠工作，后由學(xué)生根據(jù)故障現(xiàn)象，開展故障診斷、定位和隔離。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠全面認(rèn)識(shí)飛機(jī)供電系系統(tǒng)，克服了飛機(jī)供電系統(tǒng)實(shí)物教具難以展示其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不足，有效解決了教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高、學(xué)生受眾面小、極端實(shí)驗(yàn)情況危險(xiǎn)性大及不可逆、某些實(shí)驗(yàn)環(huán)境不可達(dá)等難題，達(dá)成了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基本目標(biāo)。因此，在各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中，分別采用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法、交互體驗(yàn)式教學(xué)方法和探究式教學(xué)方法。學(xué)生基于給定任務(wù)完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中的不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、交互體驗(yàn)式和探究式教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生探索未知領(lǐng)域的實(shí)踐興趣，培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題的能力，達(dá)到了虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的目的。我們把相關(guān)學(xué)習(xí)資料均收錄在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的在線“知識(shí)角”中。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，了解國(guó)家大飛機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，激發(fā)愛國(guó)情懷，增強(qiáng)民族使命感和責(zé)任感。因此，本實(shí)驗(yàn)還將助力“課程思政”建設(shè)，在立德樹人過(guò)程中發(fā)揮重要作用。 

課程目的

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合航空特色高校電氣工程專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，根據(jù)本專業(yè)特色專業(yè)主干課程《航空航天供電系統(tǒng)》的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，梳理出從“典型認(rèn)知”—“綜合訓(xùn)練”—“系統(tǒng)探索”三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)。本教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦?/span>：（1）通過(guò)飛機(jī)供電系統(tǒng)的認(rèn)知學(xué)習(xí)模塊，幫助學(xué)生了解和掌握大型多電飛機(jī)供電系統(tǒng)的基本組成和原理。幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)中重要組成部件的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生深入了解各個(gè)核心部件如起動(dòng)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)發(fā)電控制器、配電開關(guān)、功率控制器、配電網(wǎng)等部件細(xì)節(jié)組成、結(jié)構(gòu)形式和工作原理，為系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；（2）通過(guò)飛機(jī)供電系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練，顯著提高學(xué)生對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。學(xué)生根據(jù)自己的理解設(shè)計(jì)飛機(jī)供電系結(jié)構(gòu)和參數(shù)，由軟件進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估；然后根據(jù)雙發(fā)電通道飛機(jī)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)和變換器的部件和參數(shù)，并由軟件進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估，學(xué)生根據(jù)評(píng)估結(jié)果開展系統(tǒng)性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件評(píng)估通過(guò)了才能繼續(xù)開展下一階段的實(shí)驗(yàn)。接著對(duì)設(shè)計(jì)的雙發(fā)電通道供電系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)電機(jī)建壓、全飛行階段動(dòng)態(tài)測(cè)試兩部分。（3）通過(guò)飛機(jī)供電系統(tǒng)的探索實(shí)驗(yàn)，大幅提升學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。在綜合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程教學(xué)和相關(guān)的供電系統(tǒng)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)要求，在虛擬仿真系統(tǒng)中提供給學(xué)生開放性設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和測(cè)試環(huán)境，結(jié)合探索實(shí)驗(yàn)的要求，由學(xué)生可自行自由開展子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能模型的搭建，結(jié)合控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開展探索性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。（4）有效解決實(shí)物教學(xué)成本高、危險(xiǎn)性大等難題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不需要學(xué)生接觸高電壓，也不用擔(dān)心會(huì)在設(shè)置故障時(shí)損壞昂貴的電氣設(shè)備，因此不具有危險(xiǎn)性。容易構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)具有可逆性，有利于學(xué)生探索故障發(fā)生后的故障定位、隔離和故障重構(gòu)策略。虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低，因而具有示范性和可推廣性。  

實(shí)驗(yàn)要求

（1）專業(yè)與年級(jí)要求專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化、民航電氣、自動(dòng)化年級(jí)：3年級(jí)（2）   基本知識(shí)和能力要求對(duì)電氣工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)要求具有《電路》、《電機(jī)學(xué)》、《自動(dòng)控制原理》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《電力電子技術(shù)》等相關(guān)課程基本知識(shí)，具備一定的原理分析和參數(shù)設(shè)計(jì)能力。對(duì)于大眾化、非專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，對(duì)其專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)沒有特殊要求，只要會(huì)使用網(wǎng)絡(luò)便可順利訪問(wèn)學(xué)習(xí)。在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的使用人群中，既有專業(yè)學(xué)生、也有非專業(yè)學(xué)生。從學(xué)生反饋的情況來(lái)看，均能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有比較好的學(xué)習(xí)效果。 

成績(jī)?cè)u(píng)定

本實(shí)驗(yàn)中各個(gè)模塊的考核均由計(jì)算機(jī)客觀完成 。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：總分100分+20分（附加分）。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)1：認(rèn)知能力評(píng)價(jià)：（15分）總共15分 找到15個(gè)隨機(jī)指定的設(shè)備， 每個(gè)設(shè)備的閱讀學(xué)習(xí)時(shí)間不少于一定時(shí)間；（1）飛機(jī)艙外電氣系統(tǒng)及部件的認(rèn)知與考核認(rèn)知艙外的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、RATG、電作動(dòng)器、電起落架、電加熱風(fēng)擋玻璃、外部電源接口等。（2）飛機(jī)艙內(nèi)電氣系統(tǒng)及部件的認(rèn)知與考核認(rèn)知艙內(nèi)的APU發(fā)電機(jī)、8個(gè)配電盤、電纜、控制器、蓄電池、接觸器等。其中：艙外電氣設(shè)備認(rèn)知和艙內(nèi)電氣設(shè)備認(rèn)知：能找到15個(gè)指定的設(shè)備、每個(gè)設(shè)備的閱讀學(xué)習(xí)時(shí)間 總分值為15分 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)2：系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力評(píng)價(jià)：（25分+20分附加分）能正確設(shè)計(jì)電網(wǎng)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；正確設(shè)計(jì)典型雙發(fā)電通道電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，滿足指標(biāo)要求；其中：自由設(shè)計(jì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)：發(fā)電機(jī)配置和參數(shù)設(shè)置、變壓整流器配置和參數(shù)設(shè)置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、接觸器配置和參數(shù)設(shè)置 總分值為20分（為附加分）設(shè)計(jì)雙發(fā)電機(jī)通道電網(wǎng)和參數(shù)：余度結(jié)構(gòu)、接觸器連接、發(fā)電機(jī)配置和參數(shù)設(shè)計(jì)、變壓整流器配置和參數(shù)設(shè)計(jì)、靜態(tài)評(píng)估參數(shù)、多電化電氣負(fù)載配置 總分值為25分  實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)3：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試能力評(píng)價(jià)：（30分）能正確起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)能正確建壓；在飛機(jī)全飛行階段，能正確控制多電化電氣負(fù)載的工作，滿足飛機(jī)的要求；其中：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)電機(jī)建壓實(shí)驗(yàn)?zāi)K， 15分其中：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)：起動(dòng)電源電壓設(shè)置、起動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置、起動(dòng)勵(lì)磁控制方式選擇、起動(dòng)發(fā)電機(jī)選型、起動(dòng)控制方式選擇、對(duì)應(yīng)起動(dòng)控制方式下，電機(jī)電流設(shè)置、起動(dòng)、發(fā)電切換邏輯和時(shí)序設(shè)置 總分值為7分發(fā)電機(jī)建壓：發(fā)電過(guò)程勵(lì)磁控制方式選擇、發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置、PI參數(shù)設(shè)置與調(diào)節(jié)、建壓時(shí)間、電壓超調(diào)、電壓控制精度、建壓成功 總分值為8分（2）全飛行階段動(dòng)態(tài)調(diào)試 15分其中：多電化電氣負(fù)載操作：電作動(dòng)器操作、電起落架操作、廚房電烤箱操作、風(fēng)擋玻璃電加溫操作 總分值為8分動(dòng)態(tài)測(cè)試供電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)：發(fā)電機(jī)的容量、變壓整流器的功率、接觸器的參數(shù)、完成全飛行階段動(dòng)態(tài)過(guò)程 總分值為7分 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)4：探索能力評(píng)價(jià):（30分）在飛機(jī)全飛行階段，能正確辨別突發(fā)的隨機(jī)故障，進(jìn)行故障定位和故障隔離；能正確設(shè)計(jì)故障重構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要設(shè)備的多余度、容錯(cuò)供電。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共出現(xiàn)三次隨機(jī)故障，每次故障處理的判分標(biāo)準(zhǔn)相同。每次故障重構(gòu)完成后得10分，三次共30分。 故障定位正確 4分沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成故障定位則-1分故障隔離正確 2分故障重構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)正確 4分沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)則-1分