太阳能板跟踪控制系统虚拟仿真实验开发与应用

谈怡君; 夏美娟; 郝培华; 郝丽丽; 梁雪春

doi:10.13718/j.cnki.xsxb.2022.06.012

摘要: 针对实体实验受空间限制、经济成本高和测试难度大等实际问题，以太阳能电池板跟踪太阳光源最佳运行轨迹的科研工程设计项目为基础，通过计算机信息化手段和虚拟仿真技术，利用位置检测模块、控制模块、跟踪执行模块构建太阳能板跟踪控制系统，开发在线虚拟实验平台，采用开放式控制参数设计方法进行实时、精准、直观地设计，让学生可不受地域和时间限制，在线自主完成综合设计实验，提升学生的学习兴趣并训练学生的综合应用能力.

Abstract: Physical experiments have some problems causing by the space constraints, economic cost and the difficulty of testing. In this paper, a solar tracking control system with an online virtual experiment platform was built which was based on scientific research and engineering design project of the best path for tracking the sun light source. The system consists of position detection module, control module, tracking execution module and the online virtual experiment platform was designed to do the experiments in real-time, accurately and intuitively with opened control parameters through the computer information technology means and virtual simulation technology. Students can complete the comprehensive designing experiment online independently not affected by geographical and time. The experiment is flexible and easy to operate, and can improve the students' interest in learning and can train the students' comprehensive application ability.

Key words:

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在高等教育创新型人才培养中，毕业生实践能力的训练，对我国未来经济和科技保持高速增长具有重要意义，与经济社会发展水平密切关联^[1-3]. 利用现代信息手段，充分共享优质实验教学资源，是快速增强学生实践能力的重要途径. 基于互联网在线开放虚拟仿真实验项目，可以有效地利用优质实验项目资源，虚拟仿真实验教学已从强调信息化网络平台建设的初始阶段，进入到强调优质项目资源建设与应用的深入发展阶段^[4-6]，尤其是在2020年突发疫情的背景下，虚拟实验项目的应用可以巩固线上教学的效果，弥补无法进行实体实验的不足，突出体现在线实验的优势，也必将对今后“互联网+教育”的发展产生强力推动作用.

能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有巨大的开发前景. 我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源有深远的能源战略意义. 太阳能有效利用的关键是确保太阳能电池板跟踪光源，从而提高太阳能电池板光能量采集的效率. 目前的跟踪方式主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪，其中光电跟踪可以通过良好控制系统设计来保证较高的跟踪精度^[6].

通过太阳能板跟踪系统设计实验可以培养学生的综合运用能力和创新开发能力，但进行实体实验需建设较大面积的室外实验场地，实验条件还要考虑天气的原因，测试难度大；大型太阳能板成本高，控制系统综合性强，设计参数关联耦合度高；实体实验调试复杂、难度大、耗时长. 因此，单纯依赖实体实验难以完成教学内容，达到实验目的.

本文以太阳能板跟踪控制系统在线虚拟仿真实验项目为例，通过信息化手段和虚拟仿真技术，对控制系统的模块和参数等进行实时、精准、直观地设计，实验即可以在仿真系统中选择不同硬件和不同参数来进行数据比较，还可以在不同的控制参数以及在不同季节太阳辐射条件下进行实验并以3D效果展现，仿真系统还设置教学管理内容，本文介绍了太阳能板跟踪控制系统在线虚拟仿真实验的开发过程和内容，投入到实际教学运行中，可以有效地缩短实验周期，降低实验成本，提升学生的自主学习能力和综合运用能力，同时通过实验满足学生的成就感，有利于提高对专业知识的学习兴趣^[7].

2. 实验考核

太阳能板跟踪控制系统在线虚拟仿真实验项目借助在线教学网络平台，实验者获得实验资格后，只需有上网功能的计算机及配有相关仿真软件，无论身处何时何地均可通过网络远程共享进行虚拟实验，并提交结果和在线交流.

实验要求学生能认真完成预习和观看实验指导视频；能熟练操作虚拟仿真系统完成全部实验；实验报告要求写出完整的实验计算步骤和设计过程，给出正确完整的仿真图、实验数据图像、分析结果；思考实验过程中的收获，特别是对控制器控制参数设计的体会. 成绩考核中还包括实验练习，学生根据自己掌握知识的程度答题后，系统自动给出评分并计入总分中. 学生在进行实验操作时，要对理论知识和系统做深入分析才能解决实验设计中的问题，实验可以综合考察学生对相关课程知识的掌握程度和分析问题、解决问题以及软件使用的能力.

3. 实验效果

疫情防控期间，教育部要求高校实现“停课不停教，停课不停学”^[14]，网络授课过程中，在实验教学环节部分，学生无法返回学校进行实体实验，这更突显了在线虚拟实验平台的优势，在此期间，智能电网与新能源技术等课程采用了该实验平台，取得了良好的效果.

1) 降低了实验成本，可反复实验不受场地和时间的限制

实体实验项目经济成本高，场地限制大，单纯依赖实体实验无法完成实验教学内容，无法达到实验目的. 采用网络信息化手段和虚拟仿真技术，通过虚实结合的实验手段，实时直观地体现每一实验步骤的设计效果，缩短了实验周期，降低了实验成本，实现了信息技术与专业课程实验的有机融合，提高了实践教学质量.

2) 提高了学生的学习兴趣，有利于培养学生的综合应用能力和创新能力

实验本着“能实不虚、虚实结合”的原则，重在学生综合能力的培养，至少满足2个课时的实验教学需求，打破演示型、验证型的传统实验模式，以综合设计为主. 学生在实验中需要涉及计算机仿真技术、自动控制原理、电气传动等多门课程的知识，通过综合运用知识、自己动手进行设计达到控制效果. 在实验考核中摒弃标准答案模式，鼓励学生给出不同控制器解决方案. 生动的模拟环境给学生留下直观而深刻的印象，有效提升了实验教学效果.

3) 发挥科研的引领作用，启发科研思维

将教师的科研成果和课题以及大学生创新训练成果引入该虚拟仿真实验平台，丰富了实验教学内容，极大地扩展了实验项目的深度和广度^[15].

4. 结语

虚拟仿真实验教学系统通过互联网访问使用，以后将逐步补充和创新实验内容和增加实验学时，逐步开放达到资源共享，营造自主学习的氛围，不仅可服务校内相关专业师生，未来将面向校外公众开放. 这必将对全社会共享、共用精品实验教学资源，关注新时代电气自动化专业建设和课程改革，起到积极的推动作用.

参考文献 (15)

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