Summary
يصف هذا العمل نظام التجريب عبر الإنترنت الذي يوفر تجارب مرئية ، بما في ذلك تصور النظريات والمفاهيم والصيغ ، وتصور العملية التجريبية باستخدام منصات اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D) ، وتصور نظام التحكم والمراقبة باستخدام عناصر واجهة مستخدم مثل الرسوم البيانية والكاميرات.
Abstract
التجريب أمر بالغ الأهمية في التعليم الهندسي. يستكشف هذا العمل التجارب المصورة في المختبرات عبر الإنترنت للتعليم والتعلم وكذلك البحث. تتم مناقشة الميزات التفاعلية والتصورية ، بما في ذلك تنفيذ الخوارزمية الموجهة نظريا ، وتصميم الخوارزمية المستندة إلى الويب ، وواجهة المراقبة القابلة للتخصيص ، ومنصات الاختبار الافتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D). ولتوضيح سمات المختبرات المقترحة ووظائفها، تقدم ثلاثة أمثلة، بما في ذلك استكشاف النظام من الدرجة الأولى باستخدام نظام قائم على الدائرة مع عناصر كهربائية، وتصميم خوارزمية تحكم على شبكة الإنترنت للتجريب الافتراضي وعن بعد. باستخدام خوارزميات التحكم المصممة من قبل المستخدم ، لا يمكن إجراء عمليات المحاكاة فحسب ، بل يمكن أيضا إجراء تجارب في الوقت الفعلي بمجرد تجميع خوارزميات التحكم المصممة في خوارزميات تحكم قابلة للتنفيذ. يوفر المختبر المقترح عبر الإنترنت أيضا واجهة مراقبة قابلة للتخصيص ، حيث يمكن للمستخدمين تخصيص واجهة المستخدم الخاصة بهم باستخدام الأدوات المتوفرة مثل مربع النص والرسم البياني و 3-D وأداة الكاميرا. يمكن للمعلمين استخدام النظام للعرض التوضيحي عبر الإنترنت في الفصل الدراسي ، والطلاب للتجريب بعد الفصل الدراسي ، والباحثين للتحقق من استراتيجيات التحكم.
Introduction
المختبرات هي بنية تحتية حيوية للبحث والتعليم. عندما لا تكون المختبرات التقليدية متاحة و / أو يمكن الوصول إليها لأسباب مختلفة ، على سبيل المثال ، تكاليف الشراء والصيانة التي لا يمكن تحملها ، واعتبارات السلامة ، والأزمات مثل جائحة مرض فيروس كورونا 2019 (COVID-19) ، يمكن للمختبرات عبر الإنترنت تقديم بدائل1،2،3. وعلى غرار المختبرات التقليدية، أحرز تقدم كبير مثل الميزات التفاعلية4 والتجارب القابلة للتخصيص5 في المختبرات عبر الإنترنت. قبل وأثناء جائحة COVID-19 ، تقدم المختبرات عبر الإنترنت خدمات تجريبية للمستخدمين في جميع أنحاء العالم6,7.
من بين المختبرات عبر الإنترنت، يمكن للمختبرات البعيدة أن توفر للمستخدمين تجربة مماثلة للتجارب العملية بدعم من منصات الاختبار المادية والكاميرات8. ومع تقدم الإنترنت، والاتصالات، والرسومات الحاسوبية، وتقنيات التقديم، توفر المختبرات الافتراضية أيضا بدائل للمختبرات التقليدية1. تم التحقق من فعالية المختبرات البعيدة والافتراضية لدعم البحث والتعليم في الأدبيات ذات الصلة1،9،10.
يعد توفير التجارب المرئية أمرا بالغ الأهمية للمختبرات عبر الإنترنت ، وأصبح التصور في التجريب عبر الإنترنت اتجاها. يتم تحقيق تقنيات تصور مختلفة في المختبرات عبر الإنترنت ، على سبيل المثال ، مخططات المنحنيات ، ومنصات الاختبار ثنائية الأبعاد (2-D) ، ومنصات الاختبار ثلاثية الأبعاد (3-D) 11. في التعليم الضابط ، العديد من النظريات والمفاهيم والصيغ غامضة الفهم. وبالتالي ، فإن التجارب المرئية حيوية لتعزيز التدريس وتعلم الطلاب والبحث. ويمكن استنتاج التصور المعني في الفئات الثلاث التالية: (1) تصور النظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم الخوارزميات وتنفيذها على شبكة الإنترنت، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للنظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم وتنفيذ الخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي والصيغ باستخدام الخوارزمية القائمة على الويب وتنفيذها، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي مع تصميم الخوارزميات وتنفيذها على (2) تصور العملية التجريبية باستخدام أجهزة اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد ؛ (3) تصور التحكم والمراقبة باستخدام الحاجيات مثل الرسم البياني وأداة الكاميرا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
في هذا العمل ، يتم توفير ثلاثة أمثلة مرئية منفصلة لتعزيز التعليم والتعلم والبحث ، والتي يمكن الوصول إليها عبر مختبر نظام التحكم الشبكي (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. مثال 1: نظام من الدرجة الأولى باستخدام بروتوكول التجريب القائم على الدائرة
- الوصول إلى نظام NCSLab.
- افتح متصفح ويب سائد وأدخل عنوان URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- انقر فوق الزر "بدء التجربة " على الجانب الأيسر من الصفحة الرئيسية لتسجيل الدخول إلى النظام. اسم المستخدم: whutest; كلمة المرور: whutest.
ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا مثالين آخرين (المثال 2 والمثال 3). - أدخل WHULab في قائمة المختبر الفرعي على الجانب الأيسر واختر WHUtypicalLinks للتجريب.
ملاحظة: تم تصميم وتنفيذ ست واجهات فرعية لأغراض مختلفة لدعم المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي. - أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية .
ملاحظة: يمكن للمستخدم اختيار نموذج خوارزمية عام تم تصميمه ومشاركته من قبل مستخدمين مصرح لهم آخرين أو إنشاء نموذج جديد. - اختر وانقر فوق الزر إنشاء نموذج جديد وأدخل واجهة الخوارزمية المستندة إلى الويب. قم ببناء مخطط دائرة باستخدام الكتل المتوفرة، كما هو موضح في الشكل 1.
ملاحظة: يستخدم مضخم صوت تشغيلي آخر (op-amp) (Op-Amp2 في الشكل 1) لإلغاء إزاحة الطور 180 درجة. للتأكد من أن المدخلات والمقاومات والمكثف قابلة للضبط، يتم تحديد مكثف متغير واحد ومقاومين متغيرين في مكتبة ELECTRIC ELEMENTS وأربع كتل ثابتة من مكتبة SOURCES من لوحة مكتبة الكتلة على الجانب الأيسر. - انقر نقرا مزدوجا فوق الكتل المقابلة لتعيين المعلمات كما هو موضح في الجدول 1. اضبط نطاق المحور X للمخطط على 8 ثوان.
ملاحظة: سيتم تشغيل نافذة منبثقة بعد النقر المزدوج على الكتلة، والتي تتضمن أوصاف الكتلة ويمكن استخدامها لإعداد المعلمة. يوضح الشكل 1 مثالا على المقاوم (R3). - انقر فوق الزر "بدء المحاكاة " ؛ سيتم توفير نتيجة المحاكاة في الواجهة ، كما هو مدرج في الشكل 1.
ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا المثالين الآخرين مع منصات الاختبار الأخرى. يمكن أن توفر نتائج المحاكاة معلومات للمستخدمين لإعادة فحص النظام المصمم القائم على الدائرة لتجنب حدوث دائرة خاطئة. ومع ذلك ، فإن الدائرة المعيبة لن تسبب أي ضرر للمستخدمين أو النظام ، لذلك لا داعي للقلق بشأن العواقب. - انقر فوق الزر "بدء التجميع ". انتظر حتى يتم إنشاء مخطط الكتلة المصمم في خوارزمية تحكم قابلة للتنفيذ يمكن تنزيلها وتنفيذها في وحدة التحكم عن بعد المنشورة على جانب جهاز الاختبار لتنفيذ خوارزميات التحكم.
ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا التجارب التالية مع أجهزة الاختبار الأخرى. - قم بإجراء تجارب في الوقت الفعلي باستخدام خوارزمية التحكم التي تم إنشاؤها. انقر على زر طلب التحكم للتقدم بطلب للتحكم في نظام الدائرة.
ملاحظة: "طلب التحكم" هي آلية الجدولة للنظام. بمجرد منح المستخدم امتياز التحكم ، يمكن للمستخدم إجراء تجارب على جهاز الاختبار المقابل. يمكن لمستخدم واحد فقط شغل جهاز الاختبار في كل مرة لمنصات الاختبار الفعلية ، وقد تم تنفيذ آلية جدولة قائمة الانتظار لجدولة المستخدمين المحتملين الآخرين استنادا إلى قاعدة من يأتي أولا يخدم أولا11. بالنسبة لمنصات الاختبار الافتراضية ، يمكن دعم عدد كبير من المستخدمين في وقت واحد. تم اختبار 500 تجربة متزامنة للمستخدم بشكل فعال. بالنسبة للنظام القائم على الدائرة ، يمكن ل 50 مستخدما الوصول إلى النظام في وقت واحد. - انقر فوق الزر " إرجاع " إلى الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية . ابحث عن خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ ضمن لوحة نماذج الخوارزميات الخاصة .
ملاحظة: يمكن أيضا العثور على خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ في لوحة الخوارزمية الخاصة بي في الواجهة الفرعية لخوارزمية التحكم . - انقر فوق الزر إجراء تجربة لتنزيل خوارزمية التحكم المصممة إلى وحدة تحكم عن بعد.
- أدخل واجهة التكوين الفرعية وانقر فوق الزر إنشاء شاشة جديدة لتكوين واجهة مراقبة ، كما هو موضح في الشكل 2. يتم تضمين أربعة مربعات نص لضبط المعلمات ومخطط منحنى واحد لمراقبة الإشارة.
ملاحظة: المخطط الموجود على اليمين في الشكل 2 هو نفس المخطط الموجود في اليسار، والذي تمت إضافته لإظهار البيانات باستخدام الزر تعليق . - اربط الإشارات والمعلمات بالأدوات المحددة.
ملاحظة: المعلمة / الإدخال ، المعلمة / R0 ، المعلمة / R1 ، والمعلمة / C لأربعة مربعات نص ، على التوالي ، والمعلمة / الإدخال والإشارة / الإخراج لمخطط المنحنى. - انقر فوق الزر ابدأ لبدء التجربة.
ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا التجارب التالية مع أجهزة الاختبار الأخرى. يمكن للمستخدمين حفظ التكوين للاستخدام في المستقبل. - اضبط جهد الإدخال على 0 فولت ، وقم بضبط المكثف C إلى 5 μF (0.000005 في الشكل 2) ، ثم اضبط جهد الإدخال على 1 فولت ؛ ويوضح الشكل 2 العملية الديناميكية لجهد الخرج.
- حساب المعلمات المقابلة K و T.
ملاحظة: يمكن حساب ثابت الوقت عندما يصل الناتج إلى 63.2٪ من القيمة النهائية K بعد t = T، وهو 0.63212. من الشكل 2 ، يمكن ملاحظة أن المدة الزمنية هي 1 s ، وبالتالي ، T = 1 ، وهو ما يتفق مع النظرية التي ، T = R1C = 200000 * 0.000005 = 1 ، و K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (وهو ما يساوي القيمة النهائية)12. وبالتالي ، يمكن تحديد نظام الدرجة الأولى على النحو التالي:
.
.2. مثال 2: بروتوكول التجريب الافتراضي التفاعلي والمرئي
- استخدم نظام NCSLab لإجراء المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي.
- قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab. أدخل المختبر الفرعي ProcessControl واختر جهاز اختبار DualTank ، ثم أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية .
- صمم خوارزمية تحكم مشتقة تناسبية متكاملة (PID) باستخدام واجهة الويب التي يوفرها NCSLab باتباع الخطوات الموضحة في المثال 1. الشكل 3 هو مثال خوارزمية لنظام الخزان المزدوج.
- انقر نقرا مزدوجا فوق وحدة تحكم PID ، وقم بضبط المعلمات للمصطلحات النسبية (P) والمتكاملة (I) والمشتقة (D). تعيين P = 1.12 ، I = 0.008 و D = 6.6 ، على التوالي.
ملاحظة: يجب ضبط المصطلحات P وI وD جنبا إلى جنب مع نتيجة المحاكاة. - انقر فوق الزر "بدء المحاكاة " ؛ ستظهر نتيجة المحاكاة ، والتي يتم تضمينها على الجانب الأيمن من الشكل 3.
ملاحظة: يمكن ملاحظة أن أداء التحكم جيد ، وأن خوارزمية التحكم جاهزة للتجريب في الوقت الفعلي. - قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ باتباع الخطوات المذكورة سابقا.
- قم بتنزيل خوارزمية التحكم إلى وحدة التحكم عن بعد وقم بتكوين واجهة مراقبة مع أربعة مربعات نصية ل Set_point و P و I و D ، على التوالي.
- قم بتضمين مخطط لرصد مستوى المياه Set_point المقابلة. اختر أداة 3-D ، والتي يمكن أن توفر جميع زوايا منصات الاختبار والرسوم المتحركة لمستوى المياه المتصلة بالبيانات في الوقت الفعلي.
- انقر فوق الزر "ابدأ " ؛ بعد ذلك ، سيتم تنشيط واجهة المراقبة كما هو موضح في الشكل 4 ، والذي يوفر تجربة افتراضية مرئية.
- اضبط Set_point من 10 سم إلى 5 سم ، ثم اضبط I = 0.1 عندما يصل ارتفاع مستوى الماء في الخزان المتحكم فيه ويستقر عند 5 سم. إعادة تعيين نقطة الضبط من 5 سم إلى 15 سم ؛ يمكن أن نرى من الشكل 4 أن هناك تجاوزا.
- قم بضبط I من 0.1 إلى 0.01 وأعد تعيين نقطة الضبط من 15 سم إلى 25 سم. يمكن ملاحظة أن التجاوز قد تم القضاء عليه ، ويمكن أن يستقر مستوى الماء بسرعة عند قيمة نقطة الضبط البالغة 25 سم.
3. مثال 3: البحث باستخدام بروتوكول المختبرات البعيدة والافتراضية
- إجراء تجربة في الوقت الحقيقي في NCSLab.
- قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab واختر التحكم في سرعة المروحة في المختبر الفرعي للمختبر عن بعد.
- أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية . اسحب الكتل لإنشاء الرسم التخطيطي لخوارزمية التحكم في النموذج الداخلي (IMC)، كما هو موضح في الشكل 5.
ملاحظة: تم تصميم F(s) و Gm(s)-1 كما هو موضح في الشكل 5 ، حيث يتم توضيح خوارزمية التحكم المصممة باستخدام NCSLab للتحكم في نظام التحكم في سرعة المروحة في وضع المختبر البعيد والافتراضي. - قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ واستخدم نظام التحكم في سرعة المروحة للتحقق من خوارزمية IMC المصممة.
- تكوين واجهة مراقبة. اربط مربعي نص بمعلمتين ، وهما Set_point و lambda (ل λ وهو ثابت وقت التصفية) للضبط ، ومخطط في الوقت الفعلي مع Set_point والسرعة للمراقبة. حدد عنصر واجهة مستخدم طراز 3-D للمروحة وأداة الكاميرا للمراقبة.
- انقر فوق الزر ابدأ لتنشيط التجريب في الوقت الفعلي. أعد تعيين Set_point من 2000 دورة في الدقيقة إلى 1500 دورة في الدقيقة، ثم أعد تعيينها من 1500 دورة في الدقيقة إلى 2500 دورة في الدقيقة، وتظهر النتيجة في الشكل 6.
ملاحظة: يمكن الاستنتاج أنه عندما λ = 1 يمكن تثبيت النظام إلى مرجع خطوة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم استخدام نظام المختبر المقترح في العديد من التلاميذ المختلفين في جامعة ووهان ، مثل الأتمتة وهندسة الطاقة والطاقة والهندسة الميكانيكية وجامعات أخرى ، مثل جامعة خنان الزراعية6.
يتم تزويد المعلمين / الطلاب / الباحثين بمرونة كبيرة لاستكشاف النظام باستخدام منصات اختبار افتراضية و / أو مادية مختلفة ، وتحديد خوارزميات التحكم الخاصة بهم ، وتخصيص واجهة المراقبة الخاصة بهم ؛ وبالتالي، يمكن للمستخدمين على مختلف المستويات الاستفادة من النظام المقترح. يمكن للتجارب المرئية التي يوفرها النهج المقترح أن تعزز فهم النظريات والمفاهيم والصيغ.
يمكن استخدام النظام المقترح لأنواع مختلفة من تصميم الخوارزميات (الشكل 1 والشكل 3 مثالان) ومتعدد الأغراض مثل التعليم والتعلم والبحث (يمكن اعتبار ثلاثة بروتوكولات ثلاثة أمثلة تطبيقية). النظام من الدرجة الأولى هو مثال على أنه يمكن تطبيق النظام على تحليل النظام النموذجي باستخدام الرسوم البيانية القائمة على الدائرة.
يوضح الشكل 3 والشكل 5 أن المختبر المقترح عبر الإنترنت يمكنه تصميم خوارزميات تحكم بسيطة ومعقدة باستخدام الكتل المصممة ، والتي تم التحقق منها من خلال المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي باستخدام منصات الاختبار الافتراضية والمادية ثلاثية الأبعاد ، على التوالي ، كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 6.
توضح الأمثلة الثلاثة أن المختبر التفاعلي والمرئي المقترح يمكنه تحقيق التصور التالي كما هو مذكور أعلاه. (1) يمكن تصور النظرية والصيغ والرسوم البيانية التخطيطية من خلال تصميم وتنفيذ خوارزمية على شبكة الإنترنت ، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب. (2) بدعم من منصات الاختبار الافتراضية ثلاثية الأبعاد ، يمكن تصور العمليات التجريبية في غياب منصات الاختبار المادية والكاميرات المنتشرة في موقع جهاز الاختبار. في المختبرات البعيدة ، يمكن أن يفيد دمج منصات الاختبار 3-D المستخدمين أيضا ، مما يسمح للمستخدمين بعرض تفاصيل منصات الاختبار من زوايا مختلفة. يمكن أن يؤدي الجمع بين منصات الاختبار الافتراضية 3-D ومنصات الاختبار المادية في الجانب البعيد إلى تحسين تجربة المستخدم. (3) باستخدام الأدوات المطورة مثل الرسم البياني وأداة الكاميرا ومربع النص ، يمكن تصور المراقبة والتحكم أثناء العملية التجريبية.
الشكل 1: بناء نظام من الدرجة الأولى مع كتل من مكتبة العناصر الكهربائية في NCSLab. يمكن للمستخدم سحب أي كتلة من لوحة مكتبة الكتلة على الجانب الأيسر وإنشاء نظام عن طريق ربط الكتل المحددة بشكل صحيح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: تجربة في الوقت الحقيقي لنظام من الدرجة الأولى باستخدام خوارزمية التحكم المصممة. المعلمات قابلة للتعديل ، ويمكن مراقبة الإشارات باستخدام الأدوات المتوفرة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: تصميم وتنفيذ خوارزمية التحكم PID المستندة إلى الويب لنظام الخزان المزدوج. يتم تضمين نتيجة المحاكاة ، والتي توضح أنه يمكن التحكم في مستوى المياه في الخزان الثاني إلى قيمة نقطة الضبط البالغة 10 سم.
الشكل 4: التجريب في الوقت الحقيقي مع نظام الخزان المزدوج. بعد ضبط المصطلح المتكامل من 0.1 إلى 0.01 ، تتم إعادة تعيين نقطة الضبط من 15 سم إلى 25 سم. يمكن ملاحظة أن التجاوز قد تم القضاء عليه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 5: تحكم IMC في نظام التحكم في سرعة المروحة. النموذج العكسي لنموذج المروحة المحدد هو دالة نقل غير مناسبة (بالنسبة لدالة نقل مناسبة ، يجب أن يكون ترتيب بسط دالة النقل أقل من أو يساوي ترتيب المقام) ، والذي يتم إنشاؤه باستخدام كتل عامة بناء على النموذج المحدد. لتمكين مرشح قابل للتعديل، تم إنشاء عامل التصفية أيضا باستخدام الكتل. يمثل لامدا في الشكل متبادل λ في المعادلة 6 ويمكن ضبطه بسهولة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 6: التحكم في الوقت الفعلي ومراقبة سرعة المروحة باستخدام مختبر التحكم عن بعد في سرعة المروحة جنبا إلى جنب مع نظام مروحة افتراضية 3-D. يقع نظام المروحة المادية في جامعة ووهان ويوفر خدمات المختبرات عن بعد للمستخدمين في جميع أنحاء العالم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: رسم تخطيطي للنظام من الدرجة الأولى. يعتمد تصميم الدوائر من الدرجة الأولى وتنفيذها في NCSLab على هذا الرسم البياني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 8: نظام ثنائي الخزان الافتراضي 3-D في NCSLab. الغرض من التحكم هو التحكم في مستوى المياه في الخزان الثاني إلى قيمة نقطة الضبط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 9: مخطط بنية التحكم في النموذج الداخلي. Gm (s) هو نموذج النبات الحقيقي G (ق) ، Gm (ق) -1 هو النموذج العكسي ل Gm (s) ، F (s) وهو المرشح. تشكل F (s) و Gm (s) -1 و Gm (s) وحدة تحكم IMC. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| البارامتر | قيمة |
| R0 | 200 كيلو أوم |
| آر 1 | 200 كيلو أوم |
| C | 1 ميكروف |
| R2 | 200 كيلو أوم |
| R3 | 200 كيلو أوم |
| الادخال | 1 فولت |
الجدول 1: تكوينات المعلمات لنظام الدائرة من الدرجة الأولى. يتم استخدام R2 و R3 لإلغاء إزاحة الطور جنبا إلى جنب مع op-amp.
الشكل التكميلي 1: واجهة تحذير المحاكاة عندما يفشل المستخدم في تأريض الدائرة. ستحذر النتيجة المستخدمين ، مما قد يساعدهم على إعادة التحقق من الدائرة المصممة. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 2: واجهة تحذير التجميع عندما يفشل المستخدم في تأريض الدائرة. ستحذر النتيجة المستخدمين ، مما قد يساعدهم على إعادة التحقق من الدائرة المصممة. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 3: نتيجة المحاكاة عندما يعكس المستخدم قطبية المكثف. تم اختيار مكثف عادي بدلا من المكثف المتغير لتوضيح هذا المثال. لم تظهر أي رسالة تحذير، والنتيجة مشابهة للشكل التكميلي 4. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 4: ينتج عن المحاكاة عندما تكون قطبية المكثف صحيحة. تم اختيار مكثف عادي بدلا من المكثف المتغير لتوضيح هذا المثال. ستظهر نتيجة المحاكاة لمساعدة المستخدمين على التحقق من الدائرة. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يصف البروتوكول المقدم نظام مختبر هجين عبر الإنترنت يدمج منصات الاختبار المادية للتجريب عن بعد ومنصات الاختبار الافتراضية 3-D للتجريب الافتراضي. يتم توفير العديد من مكتبات الكتل المختلفة لعملية تصميم الخوارزمية ، مثل العناصر الكهربائية للتصميم القائم على الدائرة. يمكن للمستخدمين من خلفيات التحكم التركيز على التعلم دون مهارات البرمجة. يجب النظر في التصميم السليم لخوارزمية التحكم التي يمكن تطبيقها على جهاز اختبار مناسب. من الصعب أيضا تصميم وحدة تحكم لضمان أداء تحكم جيد (مع الأخذ في الاعتبار مؤشر أداء التحكم ، بما في ذلك تجاوز التجاوز ووقت التسوية والخطأ الثابت) قبل تطبيقه على جهاز الاختبار الذي يتم التحكم فيه. قبل تجميع خوارزمية تحكم يمكن استخدامها للتجريب في الوقت الفعلي ، يجب إجراء المحاكاة لمعالجة المشكلات المحتملة. يمكن تطبيق خوارزميات التحكم على منصات الاختبار المختلفة الأخرى باستخدام النظام بمجرد دمجها في النظام المقترح.
وفيما يلي الخلفية والمعرفة النظرية فيما يتعلق بالأمثلة الثلاثة.
بالنسبة للنظام من الدرجة الأولى ، يمكن تحليل مبدأ النظام من الدرجة الأولى باستخدام نظرية الدائرة مع الدائرة المقدمة في الشكل 7. وفقا لنظرية الدائرة12، يمكن الحصول على المعادلتين التاليتين. من العرض الجانبي للإدخال الخاص ب op-amp ، يكون التيار هو
(1)
من العرض الجانبي للإخراج ل op-amp ، يمكن الحصول على المعادلة 2
(2)
أين 
هي مقاومة الدائرة المتوازية RC.
من خلال الجمع بين المعادلتين 1 و 2 ، يمكن حساب دالة النقل للنظام على النحو التالي:
(3)
حيث تشير علامة الطرح (-) إلى تحول طور 180 درجة لجهد الإخراج ، والذي يتم إهماله في التحليل في الخطوات التالية.
دلالة K = R1 / R0 ، T = R1C ، ومن ثم يمكن تمثيل دالة النقل للنظام على أنها
(4)
بالنسبة لنظام الخزان المزدوج ، يوضح الشكل 8 نظام خزان المياه 3-D المصمم. تم استكشاف تصميم وتنفيذ إصدار سابق باستخدام Flash في عمل W. Hu et al. في عام 201413. الغرض من التحكم في جهاز الاختبار هذا هو التحكم في مستوى المياه في الخزان الثاني إلى قيمة نقطة الضبط. تم استخدام وحدة تحكم PID للتحكم في الخزان المزدوج. من الناحية النظرية ، يمكن التعبير عن PID على النحو التالي14
(5)
حيث Kp و Ki و Kd هي معاملات المصطلحات P و I و D ، على التوالي.
يتميز IMC بسهولة الضبط مع الأداء الجيد لتتبع نقطة الضبط وقد تم استخدامه على نطاق واسع للتحكم في التطبيقات الواقعية15. يظهر الشكل 9 بنية التحكم في IMC ، حيث G (ق) هو النبات الحقيقي و Gm (ق) هو نموذج النبات. عادة ما يتم الحصول على Gm (s) من خلال تحديد النظام. Gm(s)-1 هو النموذج العكسي ل Gm (s) ، و F (s) هو المرشح. R (s) و Y (s) و E (s) هي المرجع والإخراج والخطأ ، على التوالي. تشكل F (s) و Gm (s) -1 و Gm (s) وحدة تحكم IMC. يتم استخدام عامل تصفية افتراضي قياسي F(s)16 في هذا العمل كمعادلة 6
, (6)
حيث λ هو ثابت وقت المرشح، ويتم تحديد الترتيب n لضمان معوض IMC مناسب أو شبه مناسب (F(s)*Gm(s)-1).
تم تصميم خوارزمية التحكم IMC وتطبيقها للتحكم في نظام سرعة المروحة المادية من خلال الحساب والتحليل والتصميم المناسب. في هذا العمل ، يمثل G (s) نظام التحكم في سرعة المروحة المادية ، والذي يتم تحديد نموذجه Gm (ق) كنظام من الدرجة الثانية
. (7)
يتم تعيين الترتيب n للمرشح F(s) إلى 1. لأغراض الضبط ، يمثل lambda في الشكل 5 متبادل λ في المعادلة 6 ويمكن ضبطه بسهولة. تم تعيين عامل التصفية ليكون كما يلي
. (8)
يسمح تصميم الخوارزمية المستندة إلى الويب للمستخدمين على مستوى متقدم بتصميم خوارزميات أكثر تعقيدا بدعم من S-function. بيد أنه يجري النظر في استراتيجيات مراقبة أكثر تقدما للبحث والتعليم، مثل استراتيجيات التحكم في النظم المتعددة العوامل أو استراتيجيات التحكم الشبكية ذات القيود الزمنية، من أجل مواصلة تحسين النظام المختبري المقترح.
يعتمد النظام القائم على الدائرة على المحاكاة. واحدة من مزايا المحاكاة هي أنه يمكن للمستخدمين إجراء عملياتهم بحرية. لا داعي للقلق بشأن العواقب لأن سوء عملهم لن يسبب أي ضرر لأنفسهم وللنظام ومنصات الاختبار ، خاصة في نظام التجريب عبر الإنترنت.
بعد تصميم نظام قائم على الدائرة ، من المفترض أن يقوم المستخدم بتشغيل محاكاة. وفي بعض الحالات، مثل الفشل في تأريض الدائرة، فإن نتائج المحاكاة والتجميع ستحذر المستعملين، مما قد يساعدهم على إعادة فحص الدائرة المصممة (الشكل التكميلي 1 والشكل التكميلي 2). وفي حالات أخرى، على سبيل المثال، عكس قطبية المكثف (الشكل التكميلي 3)، لن تظهر أي رسالة تحذير عندما يحاول المستخدم إجراء محاكاة أو تجميع، تكون نتيجته مماثلة لنتيجة الدائرة الصحيحة كما هو موضح في الشكل التكميلي 4.
حاليا ، القيد الرئيسي لنظام التجريب عبر الإنترنت هو أنه يمكن استخدامه في المقام الأول للمستخدمين الذين لديهم خلفية تحكم. لا يمكن استخدام النظام القائم على الدائرة إلا للمحاكاة بدون إعدادات للأجهزة. لتغطية المجالات الهندسية المتنوعة ، يمكن دمج أجهزة أنظمة الدوائر التي يمكن تطبيقها على الهندسة الكهربائية والإلكترونية. وينبغي أيضا النظر في المزيد من منصات الاختبار لمناطق أخرى.
بالمقارنة مع MATLAB / Simulink ، لا يلزم وجود MATLAB / Simulink مستقل لكل مستخدم باستخدام المنهجية المقترحة. علاوة على ذلك ، فإن التجريب في الوقت الفعلي مع منصات الاختبار الافتراضية 3-D ومنصات الاختبار المادية هو أكثر من مجرد محاكاة خالصة في المختبر المقترح. بالمقارنة مع المختبر البعيد القائم على MATLAB / Simulink الذي قدمه I. Santana et al.9 ، يمكن استخدام المختبر المقترح لتصميم وحدات التحكم ونظام التحكم بأكمله باستخدام النظام القائم على الدائرة ، ومنصات الاختبار الافتراضية 3-D ، والفيزيائية. توفر بيئة التجريب (EE) أساليب تصميم وحدة تحكم عملية مع تصميم مرئي قائم على Blockly للتجارب البسيطة وتصميم نصي قائم على جافا سكريبت للتجارب المعقدة5. بالنظر إلى أن الطلاب أكثر دراية ب MATLAB / Simulink ، يمكن أن تكون واجهة تصميم الخوارزمية القائمة على الكتلة المشابهة ل MATLAB / Simulink خيارا جيدا لتصميم نظام التحكم.
يمكن استخدام النظام المقترح للتعليم والتعلم والبحث للمعلمين والطلاب والباحثين. حاليا ، تم استخدام النظام بشكل رئيسي في التخصصات المتعلقة بهندسة التحكم. يمكن تطبيق النظام على الهندسة الكهربائية والإلكترونية والإلكترونيات والإلكترونيات الصناعية والتحكم الصناعي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة 62103308 ، 62173255 المنح ، 62073247 المنح ، ومنحة 61773144.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
References
- De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
- Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699 (2019).
- Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. Virtual and remote labs in control education: A survey. Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).
- Lei, Z., et al. 3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education. IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).
- Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum. IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -P. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).
- Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).
- Gomes, L., Bogosyan, S.
- Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).
- Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories. IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).
- Lei, Z., et al. Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).
- Love, J.
- Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework. International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).
- Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
- De Keyser, R., Muresan, C. I. Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system. 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).
- Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. Improved filter design in internal model control. Industrial & Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).
