Summary
Dit werk beschrijft een online experimenteersysteem dat gevisualiseerde experimenten biedt, waaronder de visualisatie van theorieën, concepten en formules, het visualiseren van het experimentele proces met driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen en het visualiseren van het besturings- en bewakingssysteem met behulp van widgets zoals kaarten en camera's.
Abstract
Experimenteren is cruciaal in het technisch onderwijs. Dit werk onderzoekt gevisualiseerde experimenten in online laboratoria voor lesgeven en leren en ook onderzoek. Interactieve en visualiserende functies, waaronder theoriegestuurde algoritme-implementatie, webgebaseerd algoritmeontwerp, aanpasbare monitoringinterface en driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen worden besproken. Om de kenmerken en functionaliteiten van de voorgestelde laboratoria te illustreren, worden drie voorbeelden gegeven, waaronder de eerste-orde systeemverkenning met behulp van een circuitgebaseerd systeem met elektrische elementen, webgebaseerd besturingsalgoritmeontwerp voor virtuele en externe experimenten. Met behulp van door de gebruiker ontworpen besturingsalgoritmen kunnen niet alleen simulaties worden uitgevoerd, maar kunnen ook realtime experimenten worden uitgevoerd zodra de ontworpen besturingsalgoritmen zijn gecompileerd in uitvoerbare besturingsalgoritmen. Het voorgestelde online laboratorium biedt ook een aanpasbare monitoringinterface, waarmee gebruikers hun gebruikersinterface kunnen aanpassen met behulp van de meegeleverde widgets zoals het tekstvak, de grafiek, 3D en de camerawidget. Docenten kunnen het systeem gebruiken voor online demonstratie in de klas, studenten voor experimenten na de les en onderzoekers om controlestrategieën te verifiëren.
Introduction
Laboratoria zijn vitale infrastructuur voor onderzoek en onderwijs. Wanneer conventionele laboratoria niet beschikbaar en/of toegankelijk zijn vanwege verschillende oorzaken, bijvoorbeeld onbetaalbare aankoop- en onderhoudskosten, veiligheidsoverwegingen en crises zoals de coronavirusziekte 2019 (COVID-19) pandemie, kunnen online laboratoria alternatieven bieden1,2,3. Net als conventionele laboratoria is er aanzienlijke vooruitgang geboekt, zoals interactieve functies4 en aanpasbare experimenten5 in de online laboratoria. Voor en tijdens de COVID-19-pandemie bieden online laboratoria experimentele diensten aan gebruikers over de hele wereld6,7.
Onder online laboratoria kunnen externe laboratoria gebruikers een ervaring bieden die vergelijkbaar is met hands-on experimenten met de ondersteuning van fysieke testopstellingen en camera's8. Met de vooruitgang van internet, communicatie, computergraphics en renderingtechnologieën bieden virtuele laboratoria ook alternatieven voor conventionele laboratoria1. De effectiviteit van externe en virtuele laboratoria ter ondersteuning van onderzoek en onderwijs is gevalideerd in gerelateerde literatuur1,9,10.
Het aanbieden van gevisualiseerde experimenten is cruciaal voor online laboratoria en visualisatie in online experimenten is een trend geworden. Verschillende visualisatietechnieken worden bereikt in online laboratoria, bijvoorbeeld curvekaarten, tweedimensionale (2D) testopstellingen en driedimensionale (3D) testopstellingen11. In het controleonderwijs zijn tal van theorieën, concepten en formules onduidelijk om te begrijpen; gevisualiseerde experimenten zijn dus van vitaal belang voor het verbeteren van het onderwijs, het leren van studenten en onderzoek. Het betrokken visualiseren kan worden onderverdeeld in de volgende drie categorieën: (1) Het visualiseren van theorieën, concepten en formules met webgebaseerd algoritmeontwerp en -implementatie, waarmee simulatie en experimenten kunnen worden uitgevoerd; (2) Visualiseren van het experimentele proces met 3D virtuele testopstellingen; (3) Visualiseren van controle en bewaking met behulp van widgets zoals een grafiek en een camerawidget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In dit werk worden drie afzonderlijke gevisualiseerde voorbeelden gegeven om onderwijs en leren en onderzoek te verbeteren, die toegankelijk zijn via het Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Voorbeeld 1: Eerste-ordesysteem met behulp van circuitgebaseerd experimenteerprotocol
- Toegang tot het NCSLab-systeem.
- Open een reguliere webbrowser en voer de URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react in.
- Klik op de knop Experiment starten aan de linkerkant van de hoofdpagina om in te loggen op het systeem. Gebruikersnaam: whutest; wachtwoord: whutest.
OPMERKING: Deze stap is ook geschikt voor twee andere voorbeelden (voorbeeld 2 en voorbeeld 3). - Voer het WHULab in de linker sublaboratoriumlijst in en kies WHUtypicalLinks voor experimenten.
OPMERKING: Zes subinterfaces zijn ontworpen en geïmplementeerd voor verschillende doeleinden om simulatie en real-time experimenten te ondersteunen. - Ga naar de subinterface Algorithm Design .
OPMERKING: De gebruiker kan een openbaar algoritmemodel kiezen dat is ontworpen en gedeeld door andere geautoriseerde gebruikers of een nieuw model maken. - Kies en klik op de knop Nieuw model maken en ga naar de webgebaseerde algoritme-interface. Bouw een schakelschema met behulp van de meegeleverde blokken, zoals weergegeven in figuur 1.
OPMERKING: Een andere operationele versterker (op-amp) (Op-Amp2 in figuur 1) wordt gebruikt om de 180° faseverschuiving te annuleren. Om ervoor te zorgen dat de ingang, de weerstanden en de condensator instelbaar zijn, worden één variabele condensator en twee variabele weerstanden in de ELECTRIC ELEMENTS-bibliotheek en vier constante blokken uit de SOURCES-bibliotheek geselecteerd uit het linkerblokbibliotheekpaneel. - Dubbelklik op de bijbehorende blokken om parameters in te stellen zoals vermeld in tabel 1. Stel het X-asbereik van de grafiek in op 8 s.
OPMERKING: Een pop-upvenster wordt geactiveerd na een dubbelklik op het blok, dat de beschrijvingen van het blok bevat en kan worden gebruikt voor het instellen van de parameter. Een voorbeeld van de Resistor (R3) is afgebeeld in figuur 1. - Klik op de knop Simulatie starten ; het simulatieresultaat wordt weergegeven in de interface, zoals opgenomen in figuur 1.
OPMERKING: Deze stap past ook bij de twee andere voorbeelden met andere testopstellingen. De simulatieresultaten kunnen informatie bieden voor gebruikers om het ontworpen circuitgebaseerde systeem opnieuw te controleren om een verkeerd circuit te voorkomen. Een defect circuit zal echter geen schade toebrengen aan de gebruikers of het systeem, zodat de gebruikers zich geen zorgen hoeven te maken over de gevolgen. - Klik op de knop Compilatie starten . Wacht tot het ontworpen blokdiagram wordt gegenereerd in een uitvoerbaar besturingsalgoritme dat kan worden gedownload en uitgevoerd naar de afstandsbediening die aan de kant van de testopstelling is geïmplementeerd om besturingsalgoritmen te implementeren.
OPMERKING: Deze stap past ook bij de volgende experimenten met andere testopstellingen. - Voer real-time experimenten uit met behulp van het gegenereerde besturingsalgoritme. Klik op de knop Verzoek om controle van het circuitsysteem aan te vragen.
OPMERKING: "Verzoekcontrole" is het planningsmechanisme voor het systeem. Zodra een gebruiker de controlemachtiging heeft gekregen, kan de gebruiker experimenten uitvoeren met de bijbehorende testopstelling. Slechts één gebruiker kan de testopstelling tegelijk bezetten voor fysieke testopstellingen en het wachtrijplanningsmechanisme is geïmplementeerd om andere potentiële gebruikers te plannen op basis van de regel "Wie het eerst komt, het eerst maalt11. Voor virtuele testopstellingen kan een enorm aantal gebruikers tegelijkertijd worden ondersteund. 500 gelijktijdige gebruikersexperimenten zijn effectief getest. Voor het circuitgebaseerde systeem hebben 50 gebruikers tegelijk toegang tot het systeem. - Klik op de knop Terug naar de subinterface Algoritmeontwerp . Zoek het uitvoerbare besturingsalgoritme in het deelvenster Privéalgoritmemodellen .
OPMERKING: Het uitvoerbare besturingsalgoritme is ook te vinden in het deelvenster Mijn algoritme in de subinterface van het besturingsalgoritme . - Klik op de knop Een experiment uitvoeren om het ontworpen besturingsalgoritme naar een afstandsbediening te downloaden.
- Ga naar de subinterface Configuratie en klik op de knop Nieuwe monitor maken om een bewakingsinterface te configureren, zoals weergegeven in afbeelding 2. Vier tekstvakken voor parameterafstemming en één curvediagram voor signaalbewaking zijn inbegrepen.
OPMERKING: De grafiek aan de rechterkant in figuur 2 is dezelfde grafiek als die aan de linkerkant, die is toegevoegd om de gegevens te demonstreren met behulp van de knop Opschorten . - Koppel de signalen en parameters aan de geselecteerde widgets.
OPMERKING: Parameter / Input, Parameter / R0, Parameter / R1 en Parameter / C voor respectievelijk vier tekstvakken, en Parameter / Input en Signal / Output voor de curvegrafiek. - Klik op de knop Start om het experiment te starten.
OPMERKING: Deze stap past ook bij de volgende experimenten met andere testopstellingen. Gebruikers kunnen de configuratie opslaan voor toekomstig gebruik. - Stel de ingangsspanning in op 0 V, stem de condensator C af op 5 μF (0,000005 in figuur 2) en stel vervolgens de ingangsspanning in op 1 V; het dynamische proces van de uitgangsspanning wordt geïllustreerd in figuur 2.
- Bereken de overeenkomstige parameters K en T.
OPMERKING: De tijdconstante kan worden berekend wanneer de output 63,2% van de eindwaarde K na t = T bereikt, wat 0,63212 is. Uit figuur 2 is te zien dat de tijdsduur 1 s is, dus T = 1, wat consistent is met de theorie waarin, T = R1C = 200000*0,000005 = 1, en K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (wat gelijk is aan de eindwaarde)12. Het eerste-ordesysteem kan dus worden gespecificeerd als:
.
.2. Voorbeeld 2: Interactief en gevisualiseerd virtueel experimenteerprotocol
- Gebruik het NCSLab-systeem om simulatie en real-time experimenten uit te voeren.
- Log in op het NCSLab-systeem. Ga naar het ProcessControl-sublaboratorium , kies de dualTank-testopstelling en voer vervolgens de subinterface Algorithm Design in.
- Ontwerp een proportioneel-integraal-afgeleid (PID) besturingsalgoritme met behulp van de webinterface van NCSLab volgens de stappen die worden beschreven in voorbeeld 1. Figuur 3 is een algoritme voorbeeld voor het dual tank systeem.
- Dubbelklik op de PID-controller en stem de parameters af voor proportionele (P), integrale (I) en afgeleide (D) termen. Stel P = 1,12, I = respectievelijk 0,008 en D = 6,6.
OPMERKING: De termen P, I en D moeten worden afgestemd in combinatie met het simulatieresultaat. - Klik op de knop Simulatie starten ; het simulatieresultaat verschijnt, dat aan de rechterkant van figuur 3 is opgenomen.
OPMERKING: Het is duidelijk dat de controleprestaties goed zijn en dat het besturingsalgoritme klaar is voor real-time experimenten. - Genereer het uitvoerbare besturingsalgoritme volgens de eerder genoemde stappen.
- Download het besturingsalgoritme naar de afstandsbediening en configureer een bewakingsinterface met vier tekstvakken voor respectievelijk Set_point, P, I en D.
- Voeg een grafiek toe voor het monitoren van het waterniveau en de bijbehorende Set_point. Kies een 3D-widget, die alle hoeken van de testopstellingen en animaties van het waterniveau kan bieden die zijn verbonden met de realtime gegevens.
- Klik op de knop Start ; vervolgens wordt de bewakingsinterface geactiveerd zoals weergegeven in figuur 4, die een gevisualiseerd virtueel experiment biedt.
- Stel de Set_point in van 10 cm tot 5 cm en stel vervolgens I = 0,1 in wanneer de hoogte van het waterniveau in de gecontroleerde tank 5 cm bereikt en stabiliseert. Reset het instelpunt van 5 cm naar 15 cm; uit figuur 4 is te zien dat er sprake is van een overshoot.
- Tune I van 0,1 naar 0,01 en reset het instelpunt van 15 cm naar 25 cm. Te zien is dat de overshoot is geëlimineerd en het waterniveau kan zich snel stabiliseren op de instelpuntwaarde van 25 cm.
3. Voorbeeld 3: Onderzoek met protocol voor externe en virtuele laboratoria
- Voer een real-time experiment uit in NCSLab.
- Log in op het NCSLab-systeem en kies Fan Speed Control in het sublaboratorium van het Remote Laboratory.
- Ga naar de subinterface Algorithm Design . Sleep de blokken om het IMC-besturingsalgoritmediagram (Internal Model Control) samen te stellen, zoals weergegeven in figuur 5.
OPMERKING: De F('s) en Gm(s)-1 zijn ontworpen zoals weergegeven in figuur 5, waarin het ontworpen besturingsalgoritme met NCSLab wordt geïllustreerd om een ventilatorsnelheidscontrolesysteem op afstand en virtueel in laboratoriummodus te regelen. - Genereer het uitvoerbare besturingsalgoritme en gebruik het ventilatorsnelheidscontrolesysteem om het ontworpen IMC-algoritme te verifiëren.
- Configureer een bewakingsinterface. Koppel twee tekstvakken met twee parameters, namelijk de Set_point en lambda (voor λ wat de filtertijdconstante is) voor afstemming en een real-time grafiek met de Set_point en Snelheid voor monitoring. Selecteer de 3D-modelwidget van de ventilator en de camerawidget voor bewaking.
- Klik op de knop Start om real-time experimenten te activeren. Reset de Set_point van 2.000 tpm naar 1.500 tpm en reset hem vervolgens van 1.500 tpm naar 2.500 tpm, waarvan het resultaat wordt weergegeven in figuur 6.
OPMERKING: Er kan worden geconcludeerd dat wanneer λ = 1 het systeem kan worden gestabiliseerd tot een stapreferentie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het voorgestelde laboratoriumsysteem is gebruikt in verschillende discipelen aan de Universiteit van Wuhan, zoals de Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering en andere universiteiten, zoals Henan Agricultural University6.
Docenten / studenten / onderzoekers krijgen grote flexibiliteit om het systeem te verkennen met behulp van verschillende virtuele en / of fysieke testopstellingen, hun besturingsalgoritmen te definiëren en hun monitoringinterface aan te passen; gebruikers op verschillende niveaus kunnen dus profiteren van het voorgestelde systeem. De gevisualiseerde experimenten die door de voorgestelde aanpak worden geboden, kunnen mogelijk het begrip van theorieën, concepten en formules verbeteren.
Het voorgestelde systeem kan worden gebruikt voor verschillende soorten algoritmeontwerp (figuur 1 en figuur 3 zijn twee voorbeelden) en multifunctionele doeleinden zoals onderwijs, leren en onderzoek (drie protocollen kunnen worden beschouwd als drie toepassingsvoorbeelden). Het eerste-ordesysteem is een voorbeeld dat het systeem kan worden toegepast op typische systeemanalyse met behulp van circuitgebaseerde diagrammen.
Figuur 3 en figuur 5 tonen aan dat het voorgestelde online laboratorium eenvoudige en complexe besturingsalgoritmen kan ontwerpen met behulp van de ontworpen blokken, geverifieerd door simulatie en real-time experimenten met respectievelijk 3D virtuele en fysieke testopstellingen, zoals weergegeven in figuur 4 en figuur 6.
De drie voorbeelden tonen aan dat het voorgestelde interactieve en gevisualiseerde laboratorium de volgende visualisatie kan bereiken zoals eerder vermeld. (1) Theorie, formules en schematische diagrammen kunnen worden gevisualiseerd door middel van webgebaseerd algoritmeontwerp en -implementatie, waarmee simulatie en experimenten kunnen worden uitgevoerd. (2) Met de ondersteuning van de virtuele 3D-testopstellingen kunnen experimentele processen worden gevisualiseerd bij afwezigheid van fysieke testopstellingen en camera's die op de testopstelling worden ingezet. In afgelegen laboratoria kan de integratie van 3D-testopstellingen ook gebruikers ten goede komen, waardoor gebruikers de details van de testopstellingen vanuit verschillende hoeken kunnen bekijken. Het combineren van virtuele 3D-testopstellingen met fysieke testopstellingen aan de externe kant kan de gebruikerservaring mogelijk verbeteren. (3) Met behulp van ontwikkelde widgets zoals een grafiek, een camerawidget en een tekstvak kunnen de monitoring en controle tijdens het experimentele proces worden gevisualiseerd.
Figuur 1: Bouw van het eerste-orde systeem met blokken uit de ELECTRICAL ELEMENTS bibliotheek in NCSLab. De gebruiker kan elk blok uit het linkerblokbibliotheekpaneel slepen en een systeem samenstellen door de geselecteerde blokken correct te koppelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Real-time experiment van het eerste-orde systeem met het ontworpen besturingsalgoritme. De parameters zijn afstembaar en de signalen kunnen worden bewaakt met de meegeleverde widgets. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Web-based PID control algorithm design and implementation for the dual tank system. Het simulatieresultaat is inbegrepen, waaruit blijkt dat het waterniveau van de tweede tank kan worden geregeld tot de instelpuntwaarde van 10 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Real-time experimenteren met het dual tank systeem. Na het afstemmen van de integrale term van 0,1 tot 0,01, wordt het instelpunt gereset van 15 cm naar 25 cm. Het is te zien dat de overshoot is geëlimineerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: IMC-regeling van het ventilatorsnelheidsregelingssysteem. Het inverse model van het geïdentificeerde ventilatormodel is een onjuiste overdrachtsfunctie (voor een goede overdrachtsfunctie moet de volgorde van de overdrachtsfunctieteller kleiner zijn dan of gelijk zijn aan de orde van de noemer), die is geconstrueerd met algemene blokken op basis van het geïdentificeerde model. Om een afstembaar filter mogelijk te maken, is het filter ook gebouwd met blokken. De lambda in de figuur vertegenwoordigt de reciproke van de λ in vergelijking 6 en kan gemakkelijk worden afgestemd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Real-time controle en ventilatorsnelheidsbewaking met behulp van het ventilatorsnelheidsregeling laboratorium op afstand in combinatie met een 3D virtueel ventilatorsysteem. Het fysieke ventilatorsysteem bevindt zich aan de Universiteit van Wuhan en biedt externe laboratoriumdiensten aan gebruikers over de hele wereld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Schematisch diagram van het eerste-ordesysteem. Het eerste-orde circuitontwerp en de implementatie in NCSLab zijn gebaseerd op dit diagram. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: 3D virtueel dubbel tanksysteem in NCSLab. Het doel van de regeling is om het waterniveau in de tweede tank te regelen tot de instelpuntwaarde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Schema van de interne modelbesturingsarchitectuur. Gm(s) is het model van de reële plant G(s), Gm(s)-1 is het omgekeerde model van Gm(s), F(s) en is het filter. De F('s), Gm(s)-1 en Gm(s) vormen de IMC-controller. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Parameter | Waarde |
| R0 | 200 KΩ |
| R1 | 200 KΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 KΩ |
| R3 | 200 KΩ |
| Invoer | 1 V |
Tabel 1: Parameterconfiguraties voor het circuitsysteem van de eerste orde. R2 en R3 worden gebruikt om de faseverschuiving in combinatie met de op-amp te annuleren.
Aanvullende figuur 1: Simulatiewaarschuwingsinterface wanneer een gebruiker een circuit niet kan aarden. Het resultaat waarschuwt de gebruikers, wat hen kan helpen om het ontworpen circuit opnieuw te controleren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 2: Compilatiewaarschuwingsinterface wanneer een gebruiker een circuit niet kan aarden. Het resultaat waarschuwt de gebruikers, wat hen kan helpen om het ontworpen circuit opnieuw te controleren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 3: Simulatieresultaat wanneer een gebruiker de polariteit van de condensator omkeert. Om dit voorbeeld te illustreren is gekozen voor een gewone condensator in plaats van de variabele condensator. Er wordt geen waarschuwingsbericht weergegeven en het resultaat is vergelijkbaar met aanvullende figuur 4. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 4: Simulatieresultaat wanneer de polariteit van de condensator correct is. Om dit voorbeeld te illustreren is gekozen voor een gewone condensator in plaats van de variabele condensator. Het simulatieresultaat verschijnt om de gebruikers te helpen het circuit te controleren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het gepresenteerde protocol beschrijft een hybride online laboratoriumsysteem dat fysieke testopstellingen integreert voor experimenten op afstand en 3D virtuele testopstellingen voor virtuele experimenten. Er zijn verschillende blokbibliotheken beschikbaar voor het ontwerpproces van het algoritme, zoals de elektrische elementen voor circuitgebaseerd ontwerp. Gebruikers met een besturingsachtergrond kunnen zich concentreren op leren zonder programmeervaardigheden. Het juiste ontwerp van een besturingsalgoritme dat kan worden toegepast op een geschikte testopstelling moet worden overwogen. Het is ook een uitdaging om een controller te ontwerpen om een goede controleprestatie te garanderen (rekening houdend met de controleprestatie-index, inclusief overschrijding, bezinkingstijd en constante fout) voordat deze op de gecontroleerde testopstelling wordt toegepast. Voordat een besturingsalgoritme wordt samengesteld dat kan worden gebruikt voor realtime experimenten, moet simulatie worden uitgevoerd om mogelijke problemen aan te pakken. Besturingsalgoritmen kunnen worden toegepast op andere verschillende testopstellingen met behulp van het systeem zodra ze in het voorgestelde systeem zijn geïntegreerd.
De achtergrond en theoretische kennis met betrekking tot de drie voorbeelden zijn als volgt.
Voor het eerste-ordesysteem kan het principe van het eerste-ordesysteem worden geanalyseerd met behulp van de circuittheorie met de meegeleverde schakeling in figuur 7. Volgens de circuittheorie12 kunnen de volgende twee vergelijkingen worden verkregen. Vanuit het ingangszijaanzicht van de op-amp is de stroom
(1)
Vanuit het zijaanzicht van de uitgang van de op-amp kan vergelijking 2 worden verkregen
(2)
waar 
is de impedantie van de RC parallelle schakeling.
Door vergelijking 1 en 2 te combineren, kan de overdrachtsfunctie van het systeem worden berekend als
(3)
waarin het minteken (-) een 180° faseverschuiving van de uitgangsspanning aangeeft, die in de analyse in de volgende stappen wordt verwaarloosd.
Geef K = R1/R0, T = R1C aan en vervolgens kan de overdrachtsfunctie van het systeem worden weergegeven als
(4)
Voor het dubbele tanksysteem wordt het ontworpen 3D-watertanksysteem geïllustreerd in figuur 8. Het ontwerp en de implementatie van een eerdere versie met Behulp van Flash zijn onderzocht in het werk van W. Hu et al. in 201413. Het controledoel van deze testopstelling is om het waterniveau in de tweede tank te regelen tot de waarde van het instelpunt. Een PID-controller is gebruikt om de dubbele tank te besturen. Theoretisch kan de PID worden uitgedrukt als14
(5)
waarbij Kp, Ki, Kd de coëfficiënten zijn voor respectievelijk P-, I- en D-termen.
IMC is eenvoudig af te stemmen met goede set-point tracking prestaties en is veel gebruikt om real-life toepassingen te besturen15. De besturingsarchitectuur van IMC is weergegeven in figuur 9, waarin G('s) de echte plant is en Gm('s) het model van de plant. Gm(s) wordt meestal verkregen door middel van systeemidentificatie. Gm(s)-1 is het omgekeerde model van Gm(s) en F(s) is het filter. R('s), Y('s) en E('s) zijn respectievelijk de referentie, uitvoer en fout. De F('s), Gm(s)-1 en Gm(s) vormen de IMC-controller. Een standaard standaardfilter F(s)16 wordt in dit werk gebruikt als vergelijking 6
, (6)
waarbij λ de filtertijdconstante is en volgorde n wordt gekozen om te zorgen voor een juiste of semi-juiste IMC-compensator (F('s)*Gm(s)-1).
Het IMC-besturingsalgoritme is ontworpen en toegepast om het fysieke ventilatorsnelheidssysteem te regelen door middel van berekening, analyse en het juiste ontwerp. In dit werk vertegenwoordigen G('s) een fysiek ventilatorsnelheidscontrolesysteem, waarvan het model Gm('s) wordt geïdentificeerd als een tweede-ordesysteem
. (7)
De volgorde n van het filter F(s) is ingesteld op 1. Voor stemmingsdoeleinden vertegenwoordigt de lambda in figuur 5 de reciproke van de λ in vergelijking 6 en kan deze eenvoudig worden afgestemd. Het filter is ingesteld als volgt
. (8)
Webgebaseerd algoritmeontwerp stelt gebruikers op een geavanceerd niveau in staat om complexere algoritmen te ontwerpen met de ondersteuning van S-functie. Meer geavanceerde controlestrategieën voor onderzoek en onderwijs, zoals controlestrategieën voor systemen met meerdere agentia of genetwerkte controlestrategieën met tijdsbeperkingen, worden echter overwogen voor verdere upgrade van het voorgestelde laboratoriumsysteem.
Het circuitgebaseerde systeem is gebaseerd op simulatie. Een van de voordelen van simulatie is dat de gebruikers hun activiteiten vrij kunnen uitvoeren. Ze hoeven zich geen zorgen te maken over de gevolgen, omdat hun verkeerde werking zichzelf en het systeem en de testopstellingen geen schade zal berokkenen, vooral in een online experimenteersysteem.
Nadat een circuitgebaseerd systeem is ontworpen, wordt de gebruiker verondersteld een simulatie uit te voeren. In sommige gevallen, zoals het niet aarden van het circuit, zullen de simulatie- en compilatieresultaten de gebruikers waarschuwen, wat hen kan helpen het ontworpen circuit opnieuw te controleren (aanvullende figuur 1 en aanvullende figuur 2). Voor andere gevallen, bijvoorbeeld het omkeren van de polariteit van de condensator (aanvullende figuur 3), wordt geen waarschuwingsbericht weergegeven wanneer een gebruiker een simulatie of compilatie probeert uit te voeren, waarvan het resultaat vergelijkbaar is met dat van een correct circuit zoals weergegeven in aanvullende figuur 4.
Momenteel is de belangrijkste beperking van het online experimenteersysteem dat het voornamelijk kan worden gebruikt voor gebruikers met een besturingsachtergrond. Het circuitgebaseerde systeem kan alleen worden gebruikt voor simulatie zonder hardware-instellingen. Om diverse technische gebieden te bestrijken, kan hardware voor circuitsystemen die kunnen worden toegepast op elektrische en elektronische engineering worden geïntegreerd. Meer testopstellingen voor andere gebieden moeten ook worden overwogen.
In vergelijking met MATLAB/Simulink is een standalone MATLAB/Simulink voor elke gebruiker niet vereist met behulp van de voorgestelde methodologie. Bovendien is real-time experimenteren met 3D virtuele testopstellingen en fysieke testopstellingen meer dan pure simulatie in het voorgestelde laboratorium. Vergeleken met het matlab/simulink-gebaseerde laboratorium op afstand gepresenteerd door I. Santana et al.9, kan het voorgestelde laboratorium worden gebruikt om controllers en het hele besturingssysteem te ontwerpen met het circuitgebaseerde systeem, 3D virtuele en fysieke testopstellingen. Experimentation environment (EE) biedt praktische controllerontwerpmethoden met blockly-gebaseerd visueel ontwerp voor eenvoudige experimenten en een op JavaScript gebaseerd tekstueel ontwerp voor complexe experimenten5. Aangezien studenten meer bekend zijn met MATLAB / Simulink, kan een blokgebaseerde algoritme-ontwerpinterface vergelijkbaar met MATLAB / Simulink een goede optie zijn voor het ontwerpen van het besturingssysteem.
Het voorgestelde systeem kan worden gebruikt voor onderwijs, leren en onderzoek voor docenten, studenten en onderzoekers. Momenteel wordt het systeem vooral gebruikt in besturingstechnische disciplines. Het systeem kan mogelijk worden toegepast op elektrische en elektronische engineering, industriële elektronica en industriële besturing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 en Grant 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).
