Summary
Эта работа описывает онлайн-систему экспериментов, которая обеспечивает визуализированные эксперименты, включая визуализацию теорий, концепций и формул, визуализацию экспериментального процесса с помощью трехмерных (3-D) виртуальных испытательных стендов и визуализацию системы управления и мониторинга с использованием виджетов, таких как диаграммы и камеры.
Abstract
Экспериментирование имеет решающее значение в инженерном образовании. Эта работа исследует визуализированные эксперименты в онлайн-лабораториях для преподавания и обучения, а также исследования. Обсуждаются интерактивные и визуализирующие функции, включая реализацию алгоритма с теоретическим руководством, веб-дизайн алгоритма, настраиваемый интерфейс мониторинга и трехмерные (3D) виртуальные испытательные стенды. Для иллюстрации особенностей и функциональных возможностей предлагаемых лабораторий приведены три примера, в том числе исследование системы первого порядка с использованием схемотехнической системы с электрическими элементами, веб-проектирование алгоритма управления для виртуальных и удаленных экспериментов. Используя разработанные пользователем алгоритмы управления, можно не только проводить моделирование, но и эксперименты в режиме реального времени после того, как разработанные алгоритмы управления были скомпилированы в исполняемые алгоритмы управления. Предлагаемая онлайн-лаборатория также предоставляет настраиваемый интерфейс мониторинга, с помощью которого пользователи могут настраивать свой пользовательский интерфейс, используя предоставленные виджеты, такие как текстовое поле, диаграмма, 3D и виджет камеры. Учителя могут использовать систему для онлайн-демонстрации в классе, студенты для экспериментов после занятий, а исследователи для проверки стратегий контроля.
Introduction
Лаборатории являются жизненно важной инфраструктурой для исследований и образования. Когда обычные лаборатории недоступны и /или недоступны по разным причинам, например, недоступные закупки и стоимость обслуживания, соображения безопасности и кризисы, такие как пандемия коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19), онлайн-лаборатории могут предложить альтернативы1,2,3. Как и в обычных лабораториях, в онлайн-лабораториях был достигнут значительный прогресс, такой как интерактивные функции4 и настраиваемые эксперименты5. До и во время пандемии COVID-19 онлайн-лаборатории предоставляют экспериментальные услуги пользователям по всему миру6,7.
Среди онлайн-лабораторий удаленные лаборатории могут предоставить пользователям опыт, аналогичный практическим экспериментам, при поддержке физических испытательных стендов и камер8. С развитием Интернета, связи, компьютерной графики и технологий рендеринга виртуальные лаборатории также предоставляют альтернативы обычным лабораториям1. Эффективность удаленных и виртуальных лабораторий для поддержки исследований и образования была подтверждена в соответствующей литературе1,9,10.
Предоставление визуализированных экспериментов имеет решающее значение для онлайн-лабораторий, и визуализация в онлайн-экспериментах стала тенденцией. Различные методы визуализации достигаются в онлайн-лабораториях, например, кривые диаграммы, двумерные (2-D) испытательные стенды и трехмерные (3-D) испытательные стенды11. В контрольном образовании многочисленные теории, концепции и формулы неясны для понимания; таким образом, визуализированные эксперименты имеют жизненно важное значение для улучшения преподавания, обучения студентов и исследований. Вовлеченную визуализацию можно разделить на следующие три категории: (1) визуализация теорий, концепций и формул с помощью веб-алгоритма проектирования и реализации, с помощью которых можно проводить моделирование и эксперименты; (2) Визуализация экспериментального процесса с помощью 3-D виртуальных испытательных стендов; (3) Визуализация управления и мониторинга с помощью виджетов, таких как диаграмма и виджет камеры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
В этой работе представлены три отдельных визуализированных примера для улучшения преподавания, обучения и исследований, к которым можно получить доступ через Лабораторию сетевых систем управления (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Пример 1: Система первого порядка, использующая протокол экспериментирования на основе схем
- Доступ к системе NCSLab.
- Откройте основной веб-браузер и введите URL-адрес https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- Нажмите кнопку Начать эксперимент в левой части главной страницы, чтобы войти в систему. Имя пользователя: whutest; пароль: whutest.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для двух других примеров (Пример 2 и Пример 3). - Введите WHULab в левый список подлабораторий и выберите WHUtypicalLinks для экспериментов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шесть подинтерфейсов разработаны и реализованы для различных целей для поддержки моделирования и экспериментов в реальном времени. - Введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ».
ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может выбрать модель общедоступного алгоритма, разработанную и используемую другими авторизованными пользователями, или создать новую модель. - Выберите и нажмите кнопку Создать новую модель и войдите в веб-интерфейс алгоритма. Постройте принципиальную схему, используя предоставленные блоки, как показано на рисунке 1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Другой операционный усилитель (операционный усилитель) (Op-Amp2 на рисунке 1) используется для отмены сдвига фазы на 180°. Чтобы обеспечить настройку входного сигнала, резисторов и конденсатора, один переменный конденсатор и два переменных резистора в библиотеке ELECTRIC ELEMENTS и четыре блока констант из библиотеки SOURCES выбираются из левой панели библиотеки блоков. - Дважды щелкните соответствующие блоки, чтобы задать параметры, перечисленные в таблице 1. Установите диапазон оси X диаграммы равным 8 с.
ПРИМЕЧАНИЕ: После двойного щелчка по блоку срабатывает всплывающее окно, которое включает в себя описания блока и может быть использовано для установки параметра. Пример резистора (R3) проиллюстрирован на рисунке 1. - Нажмите на кнопку Начать моделирование ; результат моделирования будет предоставлен в интерфейсе, как показано на рисунке 1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для двух других примеров с другими испытательными стендами. Результаты моделирования могут предоставить пользователям информацию для повторной проверки разработанной системы на основе схем, чтобы избежать неправильной схемы. Тем не менее, неисправная цепь не причинит вреда пользователям или системе, поэтому пользователям не придется беспокоиться о последствиях. - Нажмите кнопку Начать компиляцию . Подождите, пока разработанная блок-схема не будет сгенерирована в исполняемый алгоритм управления, который может быть загружен и выполнен в пульте дистанционного управления, развернутом на стороне испытательной установки для реализации алгоритмов управления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для следующих экспериментов с другими испытательными стендами. - Проводите эксперименты в режиме реального времени с использованием сгенерированного алгоритма управления. Нажмите кнопку Request Control , чтобы подать заявку на управление системой схемы.
ПРИМЕЧАНИЕ: "Контроль запросов" - это механизм планирования для системы. Как только пользователю предоставляется привилегия управления, он может проводить эксперименты с соответствующей тестовой установкой. Только один пользователь может одновременно занимать тестовую установку для физических тестовых установок, и механизм планирования очередей был реализован для планирования других потенциальных пользователей на основе правила First Come First Served 11. Для виртуальных тестовых установок одновременно может поддерживаться огромное количество пользователей. Было проведено эффективное тестирование 500 одновременных экспериментов пользователей. Для системы на основе схем 50 пользователей могут получить доступ к системе одновременно. - Нажмите кнопку «Вернуть» в подинтерфейсе «Разработка алгоритма ». Найдите исполняемый алгоритм управления на панели «Частные модели алгоритмов ».
ПРИМЕЧАНИЕ: Исполняемый алгоритм управления также можно найти на панели «Мой алгоритм» в подинтерфейсе «Алгоритм управления ». - Нажмите кнопку «Провести эксперимент», чтобы загрузить разработанный алгоритм управления на пульт дистанционного управления.
- Введите подинтерфейс Configuration и нажмите кнопку Create New Monitor(Создать новый монитор ), чтобы настроить интерфейс мониторинга, как показано на рисунке 2. Включены четыре текстовых поля для настройки параметров и один график кривых для мониторинга сигнала.
ПРИМЕЧАНИЕ: Диаграмма справа на рисунке 2 является той же диаграммой, что и диаграмма слева, которая была добавлена для демонстрации данных с помощью кнопки Suspend . - Свяжите сигналы и параметры с выбранными виджетами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Параметр / Вход, Параметр / R0, Параметр / R1 и Параметр / C для четырех текстовых полей, соответственно, и Параметр / Вход и Сигнал / Выход для диаграммы кривой. - Нажмите кнопку Пуск , чтобы начать эксперимент.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для следующих экспериментов с другими испытательными стендами. Пользователи могут сохранить конфигурацию для дальнейшего использования. - Установите входное напряжение на 0 В, настройте конденсатор C на 5 мкФ (0,000005 на рисунке 2), а затем установите входное напряжение на 1 В; динамический процесс выходного напряжения проиллюстрирован на рисунке 2.
- Рассчитайте соответствующие параметры K и T.
ПРИМЕЧАНИЕ: Константа времени может быть рассчитана, когда выход достигает 63,2% от конечного значения K после t = T, что равно 0,63212. Из рисунка 2 видно, что длительность времени равна 1 с, таким образом, T = 1, что согласуется с теорией, в которой T = R1C = 200000*0,000005 = 1, а K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (что равно конечному значению)12. Таким образом, система первого порядка может быть указана как:
.
.2. Пример 2: Интерактивный и визуализированный протокол виртуального экспериментирования
- Используйте систему NCSLab для проведения моделирования и экспериментов в режиме реального времени.
- Войдите в систему NCSLab. Войдите в подлабораторию ProcessControl и выберите тестовую установку dualTank , а затем введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ».
- Спроектируйте алгоритм управления пропорционально-интегральной производной (PID) с использованием веб-интерфейса, предоставляемого NCSLab, следуя шагам, описанным в примере 1. На рисунке 3 приведен пример алгоритма для системы с двумя резервуарами.
- Дважды щелкните на ПИД-контроллере и настройте параметры для пропорциональных (P), интегральных (I) и производных (D) терминов. Установите P = 1,12, I = 0,008 и D = 6,6 соответственно.
ПРИМЕЧАНИЕ: Термины P, I и D должны быть настроены в сочетании с результатом моделирования. - Нажмите на кнопку Начать моделирование ; появится результат моделирования, который включен в правую часть рисунка 3.
ПРИМЕЧАНИЕ: Видно, что производительность управления хорошая, а алгоритм управления готов к экспериментам в режиме реального времени. - Сгенерируйте алгоритм исполняемого элемента управления, выполнив ранее упомянутые шаги.
- Загрузите алгоритм управления на пульт дистанционного управления и настройте интерфейс мониторинга с четырьмя текстовыми полями для Set_point, P, I и D соответственно.
- Включите диаграмму для мониторинга уровня воды и соответствующие Set_point. Выберите 3-D виджет, который может предоставить все углы испытательных стендов и анимацию уровня воды, связанную с данными в реальном времени.
- Нажмите на кнопку Пуск ; затем интерфейс мониторинга будет активирован, как показано на рисунке 4, который представляет собой визуализированный виртуальный эксперимент.
- Установите Set_point от 10 см до 5 см, а затем установите I = 0,1, когда высота уровня воды в контролируемом резервуаре достигнет и стабилизируется на уровне 5 см. Сброс заданного значения с 5 см до 15 см; из рисунка 4 видно, что наблюдается превышение.
- Настройте I от 0,1 до 0,01 и сбросьте заданное значение с 15 см до 25 см. Видно, что превышение устранено, а уровень воды может быстро стабилизироваться при заданном значении 25 см.
3. Пример 3: Исследования с использованием протокола удаленных и виртуальных лабораторий
- Проведите эксперимент в режиме реального времени в NCSLab.
- Войдите в систему NCSLab и выберите Управление скоростью вентилятора в подлаборатории Remote Laboratory.
- Введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ». Перетащите блоки, чтобы построить диаграмму алгоритма управления внутренней моделью (IMC), как показано на рисунке 5.
ПРИМЕЧАНИЕ: F(s) и Gm(s)-1 спроектированы так, как показано на рисунке 5, в котором проиллюстрирован разработанный алгоритм управления с использованием NCSLab для управления системой управления скоростью вращения вентиляторов в удаленном и виртуальном лабораторном режиме. - Сгенерируйте исполняемый алгоритм управления и используйте систему управления скоростью вентилятора для проверки разработанного алгоритма IMC.
- Настройте интерфейс мониторинга. Свяжите два текстовых поля с двумя параметрами, а именно: Set_point и лямбда (для λ , который является константой времени фильтра) для настройки, и график в реальном времени с Set_point и скорость для мониторинга. Выберите виджет 3D-модели вентилятора и виджет камеры для мониторинга.
- Нажмите кнопку Пуск , чтобы активировать эксперименты в режиме реального времени. Сбросьте Set_point с 2 000 об/мин до 1 500 об/мин, а затем сбросьте его с 1 500 об/мин до 2 500 об/мин, результат которого показан на рисунке 6.
ПРИМЕЧАНИЕ: Можно сделать вывод, что при λ = 1 система может быть стабилизирована до ступенчатой ссылки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Предлагаемая лабораторная система использовалась в нескольких различных учениках в Уханьском университете, таких как автоматизация, энергетика и энергетика, машиностроение и другие университеты, такие как Хэнаньский сельскохозяйственный университет6.
Преподавателям/студентам/исследователям предоставляется большая гибкость для изучения системы с использованием различных виртуальных и/или физических испытательных стендов, определения их алгоритмов управления и настройки интерфейса мониторинга; таким образом, пользователи на различных уровнях могут воспользоваться предлагаемой системой. Визуализированные эксперименты, предоставляемые предлагаемым подходом, потенциально могут улучшить понимание теорий, концепций и формул.
Предлагаемая система может быть использована для различных типов проектирования алгоритмов (Рисунок 1 и Рисунок 3 являются двумя примерами) и многоцелевых, таких как преподавание, обучение и исследования (три протокола можно рассматривать как три примера применения). Система первого порядка является примером того, что система может быть применена к типичному системному анализу с использованием схем на основе схем.
Рисунки 3 и 5 демонстрируют, что предлагаемая онлайн-лаборатория может проектировать простые и сложные алгоритмы управления с использованием спроектированных блоков, проверенных путем моделирования и экспериментов в реальном времени с 3-D виртуальными и физическими испытательными стендами, соответственно, как показано на рисунке 4 и рисунке 6.
Три примера демонстрируют, что предлагаемая интерактивная и визуализированная лаборатория может достичь следующей визуализации, как указано выше. (1) Теория, формулы и принципиальные диаграммы могут быть визуализированы с помощью веб-проектирования и реализации алгоритмов, с помощью которых можно проводить моделирование и эксперименты. (2) При поддержке 3-D виртуальных испытательных стендов экспериментальные процессы могут быть визуализированы в отсутствие физических испытательных стендов и камер, развернутых на испытательном полигоне. В удаленных лабораториях интеграция 3D-испытательных стендов также может принести пользу пользователям, позволяя пользователям просматривать детали испытательных стендов под разными углами. Сочетание 3-D виртуальных испытательных стендов с физическими испытательными стендами на удаленной стороне может потенциально улучшить пользовательский опыт. (3) Используя разработанные виджеты, такие как диаграмма, виджет камеры и текстовое поле, можно визуализировать мониторинг и управление во время экспериментального процесса.
Рисунок 1: Построение системы первого порядка с блоками из библиотеки ELECTRICAL ELEMENTS в NCSLab. Пользователь может перетащить любой блок из левой панели библиотеки блоков и построить систему, правильно связав выбранные блоки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Эксперимент в реальном времени системы первого порядка с разработанным алгоритмом управления. Параметры настраиваются, а сигналы можно отслеживать с помощью предоставленных виджетов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Проектирование и реализация веб-алгоритма управления PID для системы с двумя резервуарами. Включен результат моделирования, который показывает, что уровень воды во втором резервуаре можно контролировать до заданного значения 10 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Эксперименты в режиме реального времени с системой двойного резервуара. После настройки интегрального члена от 0,1 до 0,01 заданное значение сбрасывается с 15 см до 25 см. Видно, что превышение устранено. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Управление IMC системы управления скоростью вращения вентилятора. Обратная модель идентифицированной модели вентилятора представляет собой неправильную передаточную функцию (для правильной передаточной функции порядок числителя передаточной функции должен быть меньше или равен порядку знаменателя), которая строится с общими блоками на основе идентифицированной модели. Чтобы включить настраиваемый фильтр, фильтр также построен из блоков. Лямбда на рисунке представляет обратную λ в уравнении 6 и может быть легко настроена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Управление в режиме реального времени и мониторинг скорости вентиляторов с использованием удаленной лаборатории управления скоростью вентилятора в сочетании с 3-D виртуальной системой вентиляторов. Физическая система вентиляторов расположена в Уханьском университете и предоставляет удаленные лабораторные услуги пользователям по всему миру. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Принципиальная схема системы первого порядка. Проектирование и реализация схем первого порядка в NCSLab основаны на этой схеме. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: 3-D виртуальная система двойного резервуара в NCSLab. Целью контроля является контроль уровня воды во втором резервуаре до заданного значения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Схема архитектуры управления внутренней моделью. Gm(s) - это модель реального завода G(s), Gm(s)-1 - обратная модель Gm(s), F(s) и является фильтром. F(s), Gm(s)-1 и Gm(s) составляют контроллер IMC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Параметр | Ценность |
| Р0 | 200 кОм |
| Р1 | 200 кОм |
| C | 1 мкФ |
| Р2 | 200 кОм |
| Р3 | 200 кОм |
| Ввод | 1 В |
Таблица 1: Конфигурации параметров для системы цепей первого порядка. R2 и R3 используются для отмены фазового сдвига в сочетании с операционным усилителем.
Дополнительный рисунок 1: Интерфейс предупреждения моделирования, когда пользователь не может заземлить схему. Результат предупредит пользователей, что может помочь им перепроверить разработанную схему. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок 2: Интерфейс предупреждения о компиляции, когда пользователь не может заземлить схему. Результат предупредит пользователей, что может помочь им перепроверить разработанную схему. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок 3: Результат моделирования, когда пользователь меняет полярность конденсатора. Для иллюстрации этого примера вместо переменного конденсатора был выбран обычный конденсатор. Предупреждающее сообщение не отображается, и результат аналогичен дополнительному рисунку 4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок 4: Результат моделирования при правильной полярности конденсатора. Для иллюстрации этого примера вместо переменного конденсатора был выбран обычный конденсатор. Результат моделирования появится, чтобы помочь пользователям проверить схему. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Представленный протокол описывает гибридную онлайн-лабораторную систему, которая объединяет физические испытательные стенды для удаленных экспериментов и 3-D виртуальные испытательные стенды для виртуальных экспериментов. Для процесса проектирования алгоритма предусмотрено несколько различных блочных библиотек, таких как электрические элементы для проектирования на основе схем. Пользователи из опыта управления могут сосредоточиться на обучении без навыков программирования. Следует рассмотреть вопрос о правильном проектировании алгоритма управления, который может быть применен к подходящему испытательному стенду. Также сложно спроектировать контроллер, чтобы гарантировать хорошую производительность управления (учитывая индекс производительности управления, включая превышение, время успокоения и устойчивую ошибку), прежде чем применять его к контролируемому испытательному стенду. Перед составлением алгоритма управления, который можно использовать для экспериментов в режиме реального времени, следует провести моделирование для решения потенциальных проблем. Алгоритмы управления могут быть применены к другим различным испытательным стендам с использованием системы после их интеграции в предлагаемую систему.
Предыстория и теоретические знания в отношении этих трех примеров заключаются в следующем.
Для системы первого порядка принцип системы первого порядка может быть проанализирован с использованием теории цепей с представленной схемой на рисунке 7. Согласно теории цепей12, можно получить следующие два уравнения. С бокового вида на вход операционного усилителя ток равен
(1)
Из выходного бокового вида операционного усилителя можно получить уравнение 2
(2)
где 
— импеданс параллельной цепи RC.
Объединив уравнения 1 и 2, передаточная функция системы может быть вычислена как
(3)
в котором знак минус (-) указывает на сдвиг фазы выходного напряжения на 180°, которым пренебрегают при анализе на следующих этапах.
Обозначьте K = R1/R0, T = R1C, и тогда передаточная функция системы может быть представлена как
(4)
Для системы двойного резервуара спроектированная 3-D система резервуаров для воды проиллюстрирована на рисунке 8. Проектирование и реализация предыдущей версии с использованием Flash были исследованы в работе W. Hu et al. в 201413 году. Целью контроля этого испытательного стенда является контроль уровня воды во втором резервуаре до значения заданного значения. Для управления двойным резервуаром использовался ПИД-контроллер. Теоретически PID может быть выражен как14
(5)
где Kp, Ki, Kd — коэффициенты для членов P, I и D соответственно.
IMC прост в настройке с хорошей производительностью отслеживания заданных значений и широко используется для управления реальными приложениями15. Архитектура управления IMC показана на рисунке 9, в котором G(s) является реальным заводом, а Gm(s) - моделью установки. Gm(s) обычно получают посредством системной идентификации. Gm(s)-1 — обратная модель Gm(s), а F(s) — фильтр. R(s), Y(s) и E(s) являются эталоном, выходом и ошибкой соответственно. F(s), Gm(s)-1 и Gm(s) составляют контроллер IMC. Стандартный фильтр по умолчанию F(s)16 используется в этой работе как уравнение 6
, (6)
где λ — константа времени фильтра, а порядок n выбирается для обеспечения правильного или полукорректного компенсатора ИМК (F(s)*Gm(s)-1).
Алгоритм управления IMC был разработан и применен для управления системой физической скорости вращения вентилятора посредством расчета, анализа и правильного проектирования. В этой работе G(s) представляет собой физическую систему управления скоростью вращения вентилятора, модель которой Gm(s) идентифицируется как система второго порядка.
. (7)
Порядок n фильтра F(s) установлен равным 1. Для целей настройки лямбда на рисунке 5 представляет собой обратную λ в уравнении 6 и может быть легко настроена. Для фильтра установлен следующий вид
. (8)
Веб-дизайн алгоритмов позволяет пользователям на продвинутом уровне разрабатывать более сложные алгоритмы с поддержкой S-функции. Вместе с тем в настоящее время рассматривается вопрос о дальнейшей модернизации предлагаемой лабораторной системы, более совершенных стратегий контроля для научных исследований и образования, таких, как стратегии контроля для многоагентных систем или сетевые стратегии контроля с временными ограничениями.
Система на основе схем основана на моделировании. Одним из преимуществ моделирования является то, что пользователи могут свободно проводить свои операции. Им не нужно беспокоиться о последствиях, так как их неправильная эксплуатация не нанесет вреда им самим, системе и испытательным стендам, особенно в системе онлайн-экспериментов.
После того, как система на основе схем разработана, пользователь должен запустить моделирование. В некоторых случаях, таких как неспособность заземлить схему, результаты моделирования и компиляции предупредят пользователей, что может помочь им перепроверить спроектированную схему (дополнительный рисунок 1 и дополнительный рисунок 2). В других случаях, например, при изменении полярности конденсатора (дополнительный рисунок 3), предупреждение не будет отображаться, когда пользователь пытается провести моделирование или компиляцию, результат которой аналогичен результату правильной схемы, как показано на дополнительном рисунке 4.
В настоящее время основным ограничением системы онлайн-экспериментов является то, что она может в первую очередь использоваться для пользователей с опытом управления. Система на основе схем может использоваться только для моделирования без аппаратных настроек. Чтобы охватить различные инженерные области, аппаратное обеспечение для схемных систем, которые могут быть применены к электротехнике и электронике, может быть интегрировано. Следует также рассмотреть возможность создания дополнительных испытательных стендов для других областей.
По сравнению с MATLAB/Simulink, автономный MATLAB/Simulink для каждого пользователя не требуется с использованием предлагаемой методологии. Более того, эксперименты в режиме реального времени с 3-D виртуальными испытательными стендами и физическими испытательными стендами - это больше, чем чистое моделирование в предлагаемой лаборатории. По сравнению с удаленной лабораторией на базе MATLAB/Simulink, представленной I. Santana et al.9, предлагаемая лаборатория может быть использована для проектирования контроллеров и всей системы управления с системой на основе схем, 3-D виртуальными и физическими испытательными стендами. Экспериментальная среда (EE) предлагает практические методы проектирования контроллеров с блочным визуальным дизайном для простых экспериментов и текстовым дизайном на основе JavaScript для сложных экспериментов5. Учитывая, что студенты более знакомы с MATLAB / Simulink, интерфейс проектирования алгоритмов на основе блоков, похожий на MATLAB / Simulink, может быть хорошим вариантом для проектирования системы управления.
Предлагаемая система может быть использована для преподавания, обучения и исследований для учителей, студентов и исследователей. В настоящее время система в основном используется в дисциплинах, связанных с инженерией управления. Система потенциально может быть применена для электротехники и электроники, промышленной электроники и промышленного управления.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках грантового 62103308, грантового 62173255, грантового 62073247 и грантового 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).
