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多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验

多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验

实验简介:本实验依托南京航空航天大学电气工程专业,根据航空特色电气工程专业培养方案的要求,开发了多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验,面向行业和社会开放。本实验结合南航电气工程专业特色核心课程《航空航天供电系统》的关键知识点,从“飞机供电系统认知—系统网络结构综合设计—系统故障重构环节探索”三个层次开展实验,提高学生对飞机供电系统的理解和优化设计的实践能力。 从这里开始实践探究大型多电飞机供电系统!设计原则:本项目依托于南京航空航天大学电气工程及其自动化

南京航空航天大学

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实验简介:

本实验依托南京航空航天大学电气工程专业,根据航空特色电气工程专业培养方案的要求,开发了多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验,面向行业和社会开放。本实验结合南航电气工程专业特色核心课程《航空航天供电系统》的关键知识点,从“飞机供电系统认知—系统网络结构综合设计—系统故障重构环节探索”三个层次开展实验,提高学生对飞机供电系统的理解和优化设计的实践能力。 从这里开始实践探究大型多电飞机供电系统!

设计原则:

本项目依托于南京航空航天大学电气工程及其自动化专业,为教育部国家特色专业、工信部国防重点专业和江苏省品牌专业,所在电气工程学科为工信部重点学科、江苏省重点学科和江苏省优势学科,坚持以学生为中心的实验教学理念,遵照虚拟仿真实验项目“能实不虚,虚实结合”的原则,开发了多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验,面向行业和社会开放。项目将任务驱动式教学方法、交互体验式教学方法和探究式教学方法综合运用于各个实验环节,使学生循序渐进地开展“基本原理学习→综合能力训练→创新能力培养”的实验学习过程。①“飞机供电系统部件、结构和布局”的基础认知实验环节这一层面的实验环节着眼于提升学生对《航空航天供电系统》课程知识点和基本理论的掌握程度,适当覆盖《飞机电气系统》、《航空电机学》、《航空电力系统》、《电力电子技术》等课程,以“实验环节—实验子环节—实验步骤”逐级细化的结构来组织实验教学过程。以“子环节”为单位组织体验式实验过程,实验过程与知识点相对应,实验教学内容贯穿于“步骤”之中。基于交互体验式教学方法,学生通过交互式操作和全方位多角度的深入观察,可有效建立对飞机供电系统总体结构和发电机、蓄电池、变换器等知识的全面认知和理解。②飞机供电系统设计环节首先采取任务驱动教学方法,以满足电气负载对供电系统的需求为设计任务,可以自由设计供电系统的结构,也可以在软件给定的一个不完整的双发电通道飞机供电系统结构图的基础上,选择配置发电机、变压整流器和逆变器、蓄电池等部件,并配置参数。然后进入交互体验式教学,由软件对学生设计的供电系统和参数进行静态评估,评估其功率、可靠性、体积重量等指标是否符合任务需求。满足需求则可以进入下一个环节,否则重新设计。③飞机供电系统动态调试环节这个环节主要是交互体验式教学。包括“发动机起动和发电机建压发电”与“飞行阶段动态调试”两个实验子环节。通过让学生“亲身”参与发电机建压和电网管理操作的实验过程,培养学生综合运用专业知识分析处理问题的能力。在发动机起动和发电机建压子环节中,学生需要掌握电机作为电动机起动发动机的流程和顺序,理解发电机建压的条件,当转速或者电压达不到要求时间则发电机无电能输出,掌握操作步骤所涉及的物理问题本质。飞机在飞行阶段中出现不同的外部环境变化,学生开展动态调试工作,通过操作控制不同的电气负载以应对外部环境变化,满足供电需求。④“系统故障重构”探索创新实验环节这部分实验置身于各个飞行阶段,突出随机性突发性”,学生根据声、光、电信号判断定位故障,然后探索最优故障重构策略,给重要设备继续可靠供电,这部分侧重于探究式教学。随机设置供电系统的故障,包括电弧故障、参数优化实验是本项目的探索创新实验环节,根据随机产生的故障,学生应能快速进行故障定位并隔离。实验系统首先默认给出了基本控制结构下发电系统能够工作,后由学生根据故障现象,开展故障诊断、定位和隔离。通过该实验环节,学生能够全面认识飞机供电系系统,克服了飞机供电系统实物教具难以展示其内部复杂结构的不足,有效解决了教学实验成本高、学生受众面小、极端实验情况危险性大及不可逆、某些实验环境不可达等难题,达成了虚拟仿真实验的基本目标。因此,在各实验环节的设计中,分别采用了任务驱动式教学方法、交互体验式教学方法和探究式教学方法。学生基于给定任务完成相应实验,通过实验调试过程中的不同实验现象,进行任务驱动式、交互体验式和探究式教学,充分调动了学生探索未知领域的实践兴趣,培养学生现场解决问题的能力,达到了虚拟仿真项目建设的目的。我们把相关学习资料均收录在实验项目的在线“知识角”中。学生通过自主学习,了解国家大飞机的系统结构,激发爱国情怀,增强民族使命感和责任感。因此,本实验还将助力课程思政建设,在立德树人过程中发挥重要作用。 

课程目标

本实验结合航空特色高校电气工程专业培养方案的要求,根据本专业特色专业主干课程《航空航天供电系统》的关键知识点,梳理出从典型认知”—“综合训练”—“系统探索三个层次的实验。本教学虚拟仿真实验的实验目的如下1)通过飞机供电系统的认知学习模块,帮助学生了解和掌握大型多电飞机供电系统的基本组成和原理。帮助学生掌握系统的组成及系统中重要组成部件的结构、工作原理和运行特性,采用虚拟现实的学习方式,帮助学生深入了解各个核心部件如起动发电机、起动发电控制器、配电开关、功率控制器、配电网等部件细节组成、结构形式和工作原理,为系统综合实验奠定基础;2)通过飞机供电系统的综合训练,显著提高学生对飞机供电系统系统优化设计能力。学生根据自己的理解设计飞机供电系结构和参数,由软件进行静态评估;然后根据双发电通道飞机供电系统的结构,设计发电机和变换器的部件和参数,并由软件进行静态评估,学生根据评估结果开展系统性能参数优化设计。软件评估通过了才能继续开展下一阶段的实验。接着对设计的双发电通道供电系统进行动态测试。包括发动机起动和发电机建压、全飞行阶段动态测试两部分。3)通过飞机供电系统的探索实验,大幅提升学生自主创新设计的能力。在综合实验的基础上,结合课程教学和相关的供电系统的创新能力培养的教学要求,在虚拟仿真系统中提供给学生开放性设计的设计和测试环境,结合探索实验的要求,由学生可自行自由开展子系统的设计和功能模型的搭建,结合控制参数的优化设计,开展探索性和创新性的实验。4)有效解决实物教学成本高、危险性大等难题。虚拟仿真实验系统不需要学生接触高电压,也不用担心会在设置故障时损坏昂贵的电气设备,因此不具有危险性。容易构建系统,系统具有可逆性,有利于学生探索故障发生后的故障定位、隔离和故障重构策略。虚拟仿真教学实验系统成本低,因而具有示范性和可推广性  

实验要求:

(1)专业与年级要求专业:电气工程及其自动化、民航电气、自动化年级:3年级(2)   基本知识和能力要求对电气工程专业学生来说要求具有《电路》、《电机学》、《自动控制原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》等相关课程基本知识,具备一定的原理分析和参数设计能力。对于大众化、非专业学生来说,对其专业基础知识没有特殊要求,只要会使用网络便可顺利访问学习。在本实验项目的使用人群中,既有专业学生、也有非专业学生。从学生反馈的情况来看,均能达到预期目标,具有比较好的学习效果。 

成绩评定

本实验中各个模块的考核均由计算机客观完成 。评分标准:总分100分+20分(附加分)。实验环节1:认知能力评价:(15分)总共15分 找到15个随机指定的设备, 每个设备的阅读学习时间不少于一定时间;(1)飞机舱外电气系统及部件的认知与考核认知舱外的发动机、发电机、RATG、电作动器、电起落架、电加热风挡玻璃、外部电源接口等。(2)飞机舱内电气系统及部件的认知与考核认知舱内的APU发电机、8个配电盘、电缆、控制器、蓄电池、接触器等。其中:舱外电气设备认知和舱内电气设备认知:能找到15个指定的设备、每个设备的阅读学习时间 总分值为15分 实验环节2:系统设计能力评价:(25+20分附加分)能正确设计电网,满足设计指标要求;正确设计典型双发电通道电网结构和参数,满足指标要求;其中:自由设计电网结构:发电机配置和参数设置、变压整流器配置和参数设置、电网结构、接触器配置和参数设置 总分值为20分(为附加分)设计双发电机通道电网和参数:余度结构、接触器连接、发电机配置和参数设计、变压整流器配置和参数设计、静态评估参数、多电化电气负载配置 总分值为25分  实验环节3:系统动态调试能力评价:(30分)能正确起动发动机,发电机能正确建压;在飞机全飞行阶段,能正确控制多电化电气负载的工作,满足飞机的要求;其中:(1)发动机起动和发电机建压实验模块, 15分其中:发动机起动:起动电源电压设置、起动转速范围设置、起动励磁控制方式选择、起动发电机选型、起动控制方式选择、对应起动控制方式下,电机电流设置、起动、发电切换逻辑和时序设置 总分值为7分发电机建压:发电过程励磁控制方式选择、发电运行转速范围设置、PI参数设置与调节、建压时间、电压超调、电压控制精度、建压成功 总分值为8分(2)全飞行阶段动态调试 15分其中:多电化电气负载操作:电作动器操作、电起落架操作、厨房电烤箱操作、风挡玻璃电加温操作 总分值为8分动态测试供电系统的参数设计:发电机的容量、变压整流器的功率、接触器的参数、完成全飞行阶段动态过程 总分值为7分 实验环节4:探索能力评价:30分)在飞机全飞行阶段,能正确辨别突发的随机故障,进行故障定位和故障隔离;能正确设计故障重构控制策略,实现对重要设备的多余度、容错供电。实验过程中共出现三次随机故障,每次故障处理的判分标准相同。每次故障重构完成后得10分,三次共30分。 故障定位正确 4分没有在规定的时间内完成故障定位则-1分故障隔离正确 2分故障重构逻辑设计正确 4分没有在规定的时间内实现重构则-1分

end