Summary
이 작품은 이론, 개념 및 수식의 시각화, 3차원(3차원) 가상 테스트 리그로 실험 프로세스 시각화, 차트 및 카메라와 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링 시스템을 시각화하는 등 시각화된 실험을 제공하는 온라인 실험 시스템을 설명합니다.
Abstract
실험은 엔지니어링 교육에서 매우 중요합니다. 이 작품은 교육 및 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 시각화 된 실험을 탐구합니다. 이론 유도 알고리즘 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원(3차원) 가상 테스트 리그를 포함한 대화형 및 시각화 기능에 대해 설명합니다. 제안된 실험실의 기능과 기능을 설명하기 위해 전기 요소가 있는 회로 기반 시스템을 이용한 1차 시스템 탐색, 가상 및 원격 실험을 위한 웹 기반 제어 알고리즘 설계 등 세 가지 예가 제공됩니다. 사용자가 설계한 제어 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 설계된 제어 알고리즘을 실행 가능한 제어 알고리즘으로 컴파일한 후에는 실시간 실험을 수행할 수도 있습니다. 또한 제안된 온라인 실험실에서는 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스를 제공하며, 사용자는 텍스트 박스, 차트, 3D 및 카메라 위젯과 같은 제공된 위젯을 사용하여 사용자 인터페이스를 사용자 지정할 수 있습니다. 교사는 교실에서 온라인 데모를 위해 시스템을 사용할 수 있습니다, 수업 후 실험을위한 학생, 제어 전략을 확인하기 위해 연구원.
Introduction
실험실은 연구 와 교육을위한 중요한 인프라입니다. 종래의 실험실이 다른 원인으로 인해 이용 가능하지 않거나 접근할 수 없는 경우, 예를 들어, 저렴한 구매 및 유지 보수 비용, 안전 고려 사항 및 코로나바이러스 질환 2019(COVID-19) 전염병과 같은 위기, 온라인 실험실은 대안을 제공할 수 있다1,2,3. 기존의 실험실과 마찬가지로, 대화형 기능4 및 사용자 지정 실험5와 같은 상당한 진전이 온라인 실험실에서 달성되었습니다. COVID-19 전염병 이전과 동안, 온라인 실험실은 전 세계 사용자에게 실험 서비스를 제공하고 있습니다6,7.
온라인 실험실 중 원격 실험실은 실제 테스트 리그 및 카메라8을 지원하는 실습 실험과 유사한 경험을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 인터넷, 통신, 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 기술의 발전과 함께 가상 실험실은 기존 실험실1에 대한 대안을 제공합니다. 연구 및 교육을 지원하는 원격 및 가상 실험실의 효과는 관련 문학1,9,10에서 검증되었습니다.
온라인 실험실에서는 시각화된 실험을 제공하는 것이 중요하며 온라인 실험의 시각화가 트렌드가 되었습니다. 다양한 시각화 기술은 온라인 실험실에서 달성되며, 예를 들어 곡선 차트, 2차원(2차원) 테스트 리그 및 3차원(3차원) 테스트 리그11을 달성한다. 제어 교육에서 수많은 이론, 개념 및 수식은 이해하기 가 모호합니다. 따라서, 시각화 된 실험은 교육, 학생 학습 및 연구를 향상시키는 데 필수적입니다. 관련 시각화는 다음과 같은 세 가지 범주로 결론을 내릴 수 있습니다: (1) 시뮬레이션 및 실험을 수행할 수 있는 웹 기반 알고리즘 설계 및 구현을 통해 이론, 개념 및 수식을 시각화하는 단계; (2) 3D 가상 테스트 리그로 실험 프로세스를 시각화하는 행위; (3) 차트 및 카메라 위젯과 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링을 시각화합니다.
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Protocol
이 작품에서는 네트워킹 제어 시스템 연구소(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react)를 통해 액세스할 수 있는 교육 및 학습 및 연구를 향상시키기 위해 세 가지 가시화 예제가 제공됩니다.
1. 예 1: 회로 기반 실험 프로토콜을 사용하는 1차 시스템
- NCSLab 시스템에 액세스합니다.
- 주류 웹 브라우저를 열고 URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.
- 메인 페이지 왼쪽의 실험 시작 버튼을 클릭하여 시스템에 로그인합니다. 사용자 이름: whutest; 암호 : whutest.
참고: 이 단계는 다른 두 예제(예 2 및 예제 3)에도 적합합니다. - 왼쪽 하위 실험실 목록에 WHULab 을 입력하고 실험을 위한 WHUtypicalLinks 를 선택합니다.
참고: 시뮬레이션 및 실시간 실험을 지원하기 위해 6개의 하위 인터페이스가 다양한 목적으로 설계 및 구현됩니다. - 알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다.
참고: 사용자는 다른 권한이 있는 사용자가 설계하고 공유하거나 새 모델을 만들 수 있습니다. - 새 모델 만들기 단추를 선택하고 클릭하고 웹 기반 알고리즘 인터페이스를 입력합니다. 그림 1에 표시된 대로 제공된 블록을 사용하여 회로 다이어그램을 빌드합니다.
참고: 또 다른 작동 증폭기(op-amp) ( 그림 1의 Op-amp2)는 180° 위상 시프트를 취소하는 데 사용됩니다. 입력, 저항기 및 커패시터가 튜닝할 수 있도록 하기 위해 전기 요소 라이브러리의 변수 커패시터 1개와 변수 저항기 2개, 소스 라이브러리의 4개의 상수 블록이 왼쪽 블록 라이브러리 패널에서 선택됩니다. - 해당 블록을 두 번 클릭하여 표 1에 나열된 매개 변수를 설정합니다. 차트의 X축 범위를 8s로 설정합니다.
참고: 블록에 대한 두 번 클릭한 후 팝업 창이 트리거되며, 여기에는 블록에 대한 설명이 포함되며 매개 변수를 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 저항기(R3)의 예는 도 1에 설명되어 있다. - 시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 그림 1에 포함된 대로 시뮬레이션 결과가 인터페이스에 제공됩니다.
참고: 이 단계는 다른 테스트 리그의 두 가지 다른 예제에도 적합합니다. 시뮬레이션 결과는 사용자가 잘못된 회로를 피하기 위해 설계된 회로 기반 시스템을 다시 검사할 수 있는 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나 결함이 있는 회로는 사용자 나 시스템에 해를 끼치지 않으므로 사용자는 결과에 대해 걱정할 필요가 없습니다. - 시작 편집 버튼을 클릭합니다. 설계된 블록 다이어그램이 테스트 리그 측에 배포된 원격 컨트롤러에 다운로드하여 실행할 수 있는 실행 가능한 제어 알고리즘으로 생성되어 제어 알고리즘을 구현할 때까지 기다립니다.
참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다. - 생성된 제어 알고리즘을 사용하여 실시간 실험을 수행합니다. 회로 시스템의 제어를 신청하려면 요청 제어 버튼을 클릭합니다.
참고: "요청 제어"는 시스템의 일정 메커니즘입니다. 사용자가 제어 권한이 부여되면 사용자는 해당 테스트 리그로 실험을 수행할 수 있습니다. 물리적 테스트 리그에 대해 한 번에 하나의 사용자만 테스트 리그를 차지할 수 있으며, 첫 번째 제공 규칙11을 기반으로 다른 잠재적 사용자를 예약하기 위해 큐 스케줄링 메커니즘이 구현되었습니다. 가상 테스트 리그의 경우 많은 사용자를 동시에 지원할 수 있습니다. 500개의 동시 사용자 실험이 효과적으로 테스트되었습니다. 회로 기반 시스템의 경우 50명의 사용자가 한 번에 시스템에 액세스할 수 있습니다. - 알고리즘 디자인 하위 인터페이스로 반환 버튼을 클릭합니다. 개인 알고리즘 모델 패널에서 실행 가능한 제어 알고리즘을 찾습니다.
참고: 실행 가능한 제어 알고리즘은 제어 알고리즘 하위 인터페이스의 내 알고리즘 패널에서도 찾을 수 있습니다. - 실험 수행 버튼을 클릭하여 설계된 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드합니다.
- 구성 하위 인터페이스를 입력하고 그림 2에 표시된 대로 새 모니터 만들기 버튼을 클릭하여 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 매개 변수 튜닝을 위한 4개의 텍스트 상자와 신호 모니터링을 위한 커브 차트 1개가 포함되어 있습니다.
참고: 그림 2 의 오른쪽 차트는 왼쪽차트와 동일하며 일시 중단 단추를 사용하여 데이터를 보여 주기 위해 추가되었습니다. - 신호 및 매개 변수를 선택한 위젯과 연결합니다.
참고: 4개의 텍스트상자에 대한 매개변수/입력, 매개 변수/R1 및 매개변수/C , 곡선 차트의 매개변수/입력 및 신호/출력 . - 시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다.
참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다. 사용자는 나중에 사용할 수 있는 구성을 저장할 수 있습니다. - 입력 전압을 0V로 설정하고 커패시터 C를 5 μF( 도 2에서 0.000005)로 조정한 다음 입력 전압을 1V로 설정합니다. 출력 전압의 동적 공정은 도 2에 도시되어 있습니다.
- 해당 매개 변수 K 및 T를 계산합니다.
참고: 출력이 0.63212인 t = T 이후 최종 값 K의 63.2%에 도달하면 시간 상수를 계산할 수 있습니다. 도 2에서, 시간 지속 시간이 1s, 따라서, T = 1, 이는 이론과 일치하는 것을 알 수 있습니다, T = R1C = 200000 *0.000005 = 1, K = R1 / R0 = 200000 / 2000000 = 1 (최종 값과 동일). 따라서 1차 시스템은 다음과
같이 지정할 수 있습니다.
같이 지정할 수 있습니다.2. 예 2: 대화형 및 시각화된 가상 실험 프로토콜
- NCSLab 시스템을 사용하여 시뮬레이션 및 실시간 실험을 수행합니다.
- NCSLab 시스템에 로그인합니다. ProcessControl 하위 실험실을 입력하고 듀얼탱크 테스트 리그를 선택한 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다.
- 실시예 1에 설명된 단계에 따라 NCSLab에서 제공하는 웹 인터페이스를 사용하여 비례 통합 유도체(PID) 제어 알고리즘을 설계한다. 도 3 은 듀얼 탱크 시스템에 대한 알고리즘 예제입니다.
- PID 컨트롤러를 두 번 클릭하고 비례(P), 모성(I) 및 파생(D) 용어에 대한 매개 변수를 조정합니다. P = 1.12, I = 0.008 및 D = 6.6을 각각 설정합니다.
참고: P, I 및 D 용어는 시뮬레이션 결과와 함께 조정되어야 합니다. - 시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 도 3의 오른쪽에 포함된 시뮬레이션 결과가 나타납니다.
참고: 컨트롤 성능이 좋고 제어 알고리즘이 실시간 실험을 할 준비가 되어 있음을 알 수 있습니다. - 앞에서 언급한 단계에 따라 실행 제어 알고리즘을 생성합니다.
- 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드하고 각각 Set_point, P, I 및 D용 4개의 텍스트상자가 있는 모니터링 인터페이스를 구성합니다.
- 수위 및 해당 Set_point 모니터링하기 위한 차트를 포함합니다. 실시간 데이터와 연결된 수위 의 테스트 리그 및 애니메이션의 모든 각도를 제공 할 수있는 3D 위젯을 선택합니다.
- 시작 버튼을 클릭합니다. 그런 다음, 모니터링 인터페이스는 시각화된 가상 실험을 제공하는 그림 4에 도시된 대로 활성화됩니다.
- Set_point 10cm에서 5cm로 설정한 다음 제어 된 탱크의 수위 높이가 5cm에서 안정되면 I = 0.1을 설정합니다. 셋포인트를 5cm에서 15cm로 재설정합니다. 그림 4 에서 오버슈트가 있음을 알 수 있습니다.
- 0.1에서 0.01까지 I를 조정하고 세트 포인트를 15cm에서 25cm로 재설정합니다. 오버슈트가 제거되고, 수위가 25cm의 셋포인트 값에서 빠르게 안정화될 수 있음을 알 수 있다.
3. 예 3: 원격 및 가상 실험실 프로토콜을 사용하여 연구
- NCSLab에서 실시간 실험을 수행합니다.
- NCSLab 시스템에 로그인하고 원격 실험실 하위 실험실에서 팬 속도 제어를 선택합니다.
- 알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다. 도 5와 같이 블록을 드래그하여 IMC(내부 모델 제어) 제어 알고리즘 다이어그램을 구성합니다.
참고: F(s) 및 Gm(s)-1은 그림 5에 도시된 대로 설계되었으며, NCSLab을 사용하여 설계된 제어 알고리즘은 원격 및 가상 실험실 모드에서 팬 속도 제어 시스템을 제어하는 것으로 나타났습니다. - 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성하고 팬 속도 제어 시스템을 사용하여 설계된 IMC 알고리즘을 확인합니다.
- 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 두 개의 텍스트 상자를 튜닝을 위한 Set_point 람다(필터 시간 상수의 λ )와 모니터링을 위한 Set_point 및 속도와 실시간 차트를 연결합니다. 모니터링을 위해 팬의 3D 모델 위젯과 카메라 위젯을 선택합니다.
- 시작 버튼을 클릭하여 실시간 실험을 활성화합니다. Set_point 2,000rpm에서 1,500rpm으로 재설정한 다음 1,500rpm에서 2,500rpm으로 재설정하여 그 결과는 그림 6에 표시됩니다.
참고: λ = 1이 면에 시스템을 단계 참조로 안정화할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.
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Representative Results
제안 된 실험실 시스템은 자동화, 전력 및 에너지 공학, 기계 공학 및 허난 농업 대학6과 같은 다른 대학과 같은 우한 대학의 여러 다른 제자에서 사용되었습니다.
교사/학생/연구원은 다양한 가상 및/또는 물리적 테스트 리그를 사용하여 시스템을 탐색하고, 제어 알고리즘을 정의하며, 모니터링 인터페이스를 사용자 지정할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공합니다. 따라서, 다른 수준의 사용자는 제안 된 시스템에서 혜택을 누릴 수 있습니다. 제안된 접근 방식에 의해 제공되는 시각화된 실험은 이론, 개념 및 수식에 대한 이해를 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다.
제안된 시스템은 다양한 유형의 알고리즘 설계(도 1 및 도 3 는 두 가지 예)와 교육, 학습 및 연구와 같은 다목적(3개의 프로토콜을 세 가지 응용 사례로 간주할 수 있음)에 사용될 수 있다. 1차 시스템은 회로 기반 다이어그램을 사용하여 시스템을 일반적인 시스템 분석에 적용할 수 있는 예입니다.
도 3 및 도 5 는 제안된 온라인 실험실이 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 각각 3D 가상 및 물리적 테스트 리그를 사용하여 시뮬레이션 및 실시간 실험을 통해 검증된 설계된 블록을 사용하여 간단하고 복잡한 제어 알고리즘을 설계할 수 있음을 입증한다.
세 가지 예는 제안된 대화형 및 시각화된 실험실이 전술한 바와 같이 다음과 같은 시각화를 달성할 수 있음을 보여줍니다. (1) 이론, 수식 및 회로도 는 시뮬레이션 및 실험을 수행할 수 있는 웹 기반 알고리즘 설계 및 구현을 통해 시각화할 수 있습니다. (2) 3D 가상 테스트 리그의 지원으로, 실험 공정은 테스트 리그 사이트에 배포된 물리적 테스트 리그 및 카메라가 없는 경우 시각화될 수 있다. 원격 실험실에서 3D 테스트 리그를 통합하면 사용자에게 도움이 되므로 사용자가 다양한 각도에서 테스트 리그의 세부 정보를 볼 수 있습니다. 3D 가상 테스트 리그와 원격 측의 물리적 테스트 리그를 결합하면 사용자 경험을 향상시킬 수 있습니다. (3) 실험 과정에서 차트, 카메라 위젯 및 텍스트박스와 같은 개발된 위젯을 사용하여 모니터링 및 제어를 시각화할 수 있다.
그림 1: NCSLab의 전기 요소 라이브러리에서 블록이 있는 1차 시스템 구성. 사용자는 왼쪽 블록 라이브러리 패널에서 모든 블록을 드래그하고 선택한 블록을 올바르게 연결하여 시스템을 구성할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 설계된 제어 알고리즘을 통해 1차 시스템의 실시간 실험. 매개 변수는 조정할 수 있으며 제공된 위젯으로 신호를 모니터링할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 듀얼 탱크 시스템에 대한 웹 기반 PID 제어 알고리즘 설계 및 구현. 시뮬레이션 결과가 포함되어 있는데, 이는 두 번째 탱크의 수위가 10cm의 설정점 값으로 제어될 수 있음을 보여 주며, 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 듀얼 탱크 시스템을 위한 실시간 실험. 통합 용어를 0.1에서 0.01로 조정한 후 세트점은 15cm에서 25cm로 재설정됩니다. 오버슈트가 제거되었음을 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 팬 속도 제어 시스템의 IMC 제어. 식별된 팬 모델의 역모델은 부적절한 전송 기능(적절한 전송 기능의 경우, 전송 함수 분자의 순서는 분모의 순서보다 낮거나 같아야 함)이며, 이는 식별된 모델을 기반으로 일반 블록으로 구성됩니다. 튜닝 가능한 필터를 사용하도록 설정하려면 필터도 블록으로 빌드됩니다. 그림의 람다(lambda)는 수학식 6에서 λ 의 상호를 나타내며 쉽게 튜닝할 수 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 3D 가상 팬 시스템과 결합된 팬 스피드 컨트롤 리모컨 을 사용하여 실시간 제어 및 팬 속도 모니터링을 수행할 수 있습니다. 물리적 팬 시스템은 우한 대학에 위치하고 전 세계 사용자에게 원격 실험실 서비스를 제공합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 1차 시스템의 회로도. NCSLab의 1차 회로 설계 및 구현은 이 다이어그램을 기반으로 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: NCSLab의 3D 가상 듀얼 탱크 시스템. 컨트롤의 목적은 셋포인트 값으로 두 번째 탱크의 수위를 제어하는 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 9: 내부 모델 제어 아키텍처의 회로도. Gm(s)은 실제 식물 G의 모델이며, Gm(들)-1은 Gm의 역 모델이며, F(들)는 필터이다. F(s), Gm)-1 및 Gm(s)은 IMC 컨트롤러를 구성합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 매개 변수 | 값 |
| R0 | 200 kΩ |
| R1 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 kΩ |
| R3 | 200 kΩ |
| 입력 | 1 V |
표 1: 1차 회로 시스템의 매개 변수 구성입니다. R2 및 R3 는 op-amp와 결합된 위상 시프트를 취소하는 데 사용됩니다.
보조 그림 1: 사용자가 회로를 접지하지 못할 때 시뮬레이션 경고 인터페이스입니다. 결과는 사용자에게 경고하여 설계된 회로를 다시 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보조 그림 2: 사용자가 회로를 접지하지 못할 때 컴파일 경고 인터페이스입니다. 결과는 사용자에게 경고하여 설계된 회로를 다시 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 3: 사용자가 커패시터의 극성을 반전하면 시뮬레이션 결과. 이 예제를 설명하기 위해 변수 커패시터 대신 일반 커패시터를 선택했습니다. 경고 메시지가 표시되지 않으며 결과는 보충 도 4와 유사합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보조 도 4: 커패시터의 극성이 정확할 때 시뮬레이션 결과. 이 예제를 설명하기 위해 변수 커패시터 대신 일반 커패시터를 선택했습니다. 시뮬레이션 결과가 나타나 사용자가 회로를 확인할 수 있도록 도와줍니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
제시된 프로토콜은 원격 실험을 위한 물리적 테스트 리그와 가상 실험을 위한 3D 가상 테스트 리그를 통합하는 하이브리드 온라인 실험실 시스템을 설명합니다. 회로 기반 설계를 위한 전기 요소와 같은 알고리즘 설계 프로세스에 대해 여러 가지 블록 라이브러리가 제공됩니다. 제어 배경의 사용자는 프로그래밍 기술 없이 학습에 집중할 수 있습니다. 적절한 테스트 리그에 적용할 수 있는 제어 알고리즘의 적절한 설계를 고려해야 합니다. 또한 제어된 테스트 리그에 적용하기 전에 제어 성능(오버슈트, 침전 시간 및 안정적인 오류를 포함한 제어 성능 인덱스 고려)을 보장하기 위해 컨트롤러를 설계하는 것도 어렵습니다. 실시간 실험에 사용할 수 있는 제어 알고리즘을 컴파일하기 전에 잠재적인 문제를 해결하기 위해 시뮬레이션을 수행해야 합니다. 제어 알고리즘은 제안된 시스템에 통합되면 시스템을 사용하여 다른 다른 테스트 리그에 적용할 수 있습니다.
세 가지 예에 대한 배경 및 이론적 지식은 다음과 같습니다.
1차 시스템의 경우, 도 7에서 제공된 회로를 이용한 회로 이론을 사용하여 1차 시스템의 원리를 분석할 수 있다. 회로 이론12에 따르면, 다음 두 방정식을 얻을 수 있다. op-amp의 입력 측 뷰에서 전류는
(1)
op-amp의 출력 측뷰에서, 방정식 2는 얻을 수 있다
(2)
RC 병렬 회로의 임피던스는 어디에 
있습니까?
방정식 1과 2를 결합하여 시스템의 전송 기능을
(3)
마이너스 기호(-)는 출력 전압의 180° 위상 이동을 나타내며, 이는 다음 단계에서 분석에서 무시된다.
K = R1/R0, T = R1C를 표시한 다음 시스템의 전송 기능을
(4)
듀얼 탱크 시스템의 경우 설계된 3D 물 탱크 시스템은 도 8에 설명되어 있습니다. 플래시를 사용하여 이전 버전의 설계 및 구현은 201413 년 W. Hu 등의 작품에서 탐구되었습니다. 이 테스트 장비의 제어 목적은 제2 탱크의 수위를 세트점값으로 제어하는 것입니다. 이중 탱크를 제어하는 데 PID 컨트롤러가 사용되었습니다. 이론적으로, PID는 14로 발현될 수 있다.
(5)
Kp, Ki, Kd가 P, I, D 용어의 계수인 경우 각각.
IMC는 좋은 설정 점 추적 성능으로 조정하기 쉽고 실제 응용 프로그램을 제어하는 데 널리 사용되어왔다15. IMC의 제어 아키텍처는 G(s)가 실제 식물이고 Gm(들)이 식물의 모델인 그림 9에 표시됩니다. Gm(들)은 일반적으로 시스템 식별을 통해 얻을 수 있습니다. Gm(들)-1은 Gm의 역 모델이며, F는 필터이다. R(들), Y(들) 및 E(들)는 각각 참조, 출력 및 오류입니다. F(s), Gm)-1 및 Gm(s)은 IMC 컨트롤러를 구성합니다. 표준 기본 필터 F(s)16은 이 작업에 방정식 6으로 사용됩니다.
, (6)
여기서 λ는 필터 시간 상수이며, 적절한 또는 반적절한 IMC 보상기(F)s)*Gm(s)-1)을 보장하기 위해 순서 n이 선택됩니다.
IMC 제어 알고리즘은 계산, 분석 및 적절한 설계를 통해 물리적 팬 속도 시스템을 제어하도록 설계 및 적용되었습니다. 이 작품에서 G(들)는 실제 팬 속도 제어 시스템을 나타내며, 그 모델 Gm(들)은 2차 시스템으로 식별됩니다.
. (7)
필터 F의 순서 n은 1로 설정됩니다. 튜닝 목적을 위해 도 5의 람다(lambda)는 수학식 6에서 λ의 상호를 나타내며 쉽게 조정할 수 있다. 필터는 다음과 같은 것으로 설정됩니다.
. (8)
웹 기반 알고리즘 설계를 통해 고급 수준의 사용자는 S-function을 지원하여 보다 복잡한 알고리즘을 설계할 수 있습니다. 그러나 다중 에이전트 시스템을 위한 제어 전략이나 시간 제약이 있는 네트워크 제어 전략과 같은 연구 및 교육을 위한 고급 제어 전략은 제안된 실험실 시스템을 더욱 업그레이드하는 방안을 고려하고 있습니다.
회로 기반 시스템은 시뮬레이션을 기반으로 합니다. 시뮬레이션의 장점 중 하나는 사용자가 자유롭게 작업을 수행할 수 있다는 것입니다. 그들은 그들의 오작동이 자신과 시스템 및 테스트 장비, 특히 온라인 실험 시스템에 해를 끼치지 않기 때문에 결과에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
회로 기반 시스템이 설계되면 사용자는 시뮬레이션을 실행해야 합니다. 회로를 접지하지 못하는 것과 같은 경우에 시뮬레이션 및 컴파일 결과는 사용자에게 경고하므로 설계된 회로를 다시 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다(보조 도 1 및 보충 도 2). 예를 들어, 커패시터의 극성을 반전(보충 도 3)하는 경우, 사용자가 시뮬레이션 또는 편집을 수행하려고 할 때 경고 메시지가 표시되지 않으며, 그 결과는 보충 도 4에 표시된 것과 같이 올바른 회로의 결과와 유사합니다.
현재 온라인 실험 시스템의 주요 제한 사항은 주로 제어 배경을 가진 사용자에게 사용될 수 있다는 것입니다. 회로 기반 시스템은 하드웨어 설정 없이 시뮬레이션에만 사용할 수 있습니다. 다양한 엔지니어링 분야를 포괄하기 위해 전기 및 전자 공학에 적용할 수 있는 회로 시스템을 위한 하드웨어를 통합할 수 있습니다. 다른 영역에 대한 더 많은 테스트 리그도 고려해야 합니다.
MATLAB/Simulink와 비교하여 제안된 방법론을 사용하여 각 사용자에 대한 독립형 MATLAB/Simulink가 필요하지 않습니다. 또한 3D 가상 테스트 리그 및 물리적 테스트 리그를 갖춘 실시간 실험은 제안된 실험실에서 순수한 시뮬레이션 이상입니다. I. Santana et al.9가 제시한 MATLAB/Simulink 기반 원격 실험실과 비교하여 제안된 실험실은 회로 기반 시스템, 3D 가상 및 물리적 테스트 리그로 컨트롤러 및 전체 제어 시스템을 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 실험 환경(EE)은 간단한 실험을 위한 블록 기반 시각적 디자인과 복잡한 실험을 위한 JavaScript 기반 텍스트 설계를 갖춘 실용적인 컨트롤러 설계 방법을 제공합니다5. 학생들이 MATLAB/Simulink에 더 익숙하다는 점을 고려할 때 MATLAB/Simulink와 유사한 블록 기반 알고리즘 설계 인터페이스는 제어 시스템을 설계하는 데 좋은 옵션이 될 수 있습니다.
제안된 시스템은 교사, 학생 및 연구원을 위한 교육, 학습 및 연구에 활용될 수 있습니다. 현재 이 시스템은 주로 제어 엔지니어링 관련 분야에서 사용되어 왔습니다. 이 시스템은 잠재적으로 전기 및 전자 공학, 산업 전자 및 산업 제어에 적용 될 수있다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 그랜트 62103308, 그랜트 62173255, 그랜트 62073247, 그랜트 61773144 따라 중국의 국립 자연 과학 재단에 의해 지원되었다.
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).
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