Summary
这项工作描述了一个在线实验系统，该系统提供可视化实验，包括理论，概念和公式的可视化，使用三维（3-D）虚拟测试台可视化实验过程，以及使用图表和相机等小部件可视化控制和监控系统。
Abstract
实验在工程教育中至关重要。这项工作探索了在线实验室中的可视化实验，用于教学和学习以及研究。讨论了交互式和可视化功能，包括理论指导的算法实现，基于Web的算法设计，可定制的监控界面和三维（3-D）虚拟测试台。为了说明所提出实验室的特点和功能，提供了三个示例，包括使用带有电气元件的基于电路的系统进行一阶系统探索，基于Web的虚拟和远程实验控制算法设计。使用用户设计的控制算法，不仅可以进行仿真，而且一旦将设计的控制算法编译成可执行的控制算法，还可以进行实时实验。拟议的在线实验室还提供了一个可定制的监控界面，用户可以使用提供的小部件（如文本框，图表，3D和相机小部件）自定义其用户界面。教师可以使用该系统在课堂上进行在线演示，学生可以在课后进行实验，研究人员可以使用该系统来验证控制策略。
Introduction
实验室是研究和教育的重要基础设施。当传统实验室由于不同的原因而无法使用和/或访问时，例如，无法负担的购买和维护成本，安全考虑以及2019年新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行等危机，在线实验室可以提供替代方案1，2，3。与传统实验室一样，在线实验室也取得了互动功能4 和可定制实验5 等重大进展。在 COVID-19 大流行之前和期间，在线实验室正在为世界各地的用户提供实验性服务6，7。
在在线实验室中，远程实验室可以在物理测试台和相机的支持下为用户提供类似于动手实验的体验8。随着互联网、通信、计算机图形学和渲染技术的进步，虚拟实验室也为传统实验室提供了替代方案1。远程和虚拟实验室支持研究和教育的有效性已在相关文献中得到验证1，9，10。
提供可视化实验对于在线实验室至关重要，在线实验中的可视化已成为一种趋势。在线实验室中可实现不同的可视化技术，例如曲线图、二维（2-D）试验台和三维（3-D）试验台11。在控制教育中，许多理论，概念和公式难以理解;因此，可视化实验对于加强教学，学生学习和研究至关重要。所涉及的可视化可以分为以下三类：（1）可视化理论，概念和公式与基于Web的算法设计和实现，可以进行模拟和实验;（2）用3D虚拟试验台可视化实验过程;（3）使用图表和相机小部件等小部件可视化控制和监视。
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Protocol
在这项工作中，提供了三个独立的可视化示例，以增强教学，学习和研究，可以通过网络控制系统实验室（NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react）访问。
1. 示例1：使用基于电路的实验协议的一阶系统
- 访问 NCSLab 系统。
- 打开主流网络浏览器，输入URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react。
- 单击主页左侧的 "开始实验" 按钮以登录到系统。用户名： whutest;密码：whutest。
注意：此步骤也适用于其他两个示例（示例 2 和示例 3）。 - 在左侧的子实验室列表中输入 WHULab ，然后选择 WHUtypicalLinks 进行实验。
注：六个子接口针对不同目的进行设计和实现，以支持仿真和实时实验。 - 进入 算法设计 子界面。
注意：用户可以选择由其他授权用户设计和共享的公共算法模型，也可以创建新模型。 - 选择并单击" 创建新模型 "按钮，然后进入基于 Web 的算法界面。使用提供的模块构建电路图， 如图1所示。
注：另一个运算放大器（运算放大器）（ 图1中的运算放大器2）用于消除180°相移。为确保输入、电阻和电容器可调谐，从左侧模块库面板中选择ELECTRIC ELEMENTS库中的一个可变电容器和两个可变电阻器，从SOURCES库中选择四个恒定块。 - 双击相应的块以设置参数，如 表 1 所示。将图表的 X 轴范围 设置为 8 s。
注意：双击块后将触发一个弹出窗口，其中包括块的描述，可用于设置参数。电阻器（R3）的示例如图 1所示。 - 点击 开始模拟 按钮;仿真结果将在界面中提供，如图 1所示。
注意：此步骤也适用于其他测试台的另外两个示例。仿真结果可以为用户提供信息，以重新检查设计的基于电路的系统，以避免错误的电路。但是，电路故障不会对用户或系统造成伤害，因此用户不必担心后果。 - 单击" 开始编译" 按钮。等到设计的框图生成到可执行的控制算法中，该算法可以下载并执行到部署在测试台端的遥控器中，以实现控制算法。
注意：此步骤也适用于其他测试台的以下实验。 - 使用生成的控制算法进行实时实验。单击 "请求控制 "按钮以申请电路系统的控制。
注："请求控制"是系统的调度机制。一旦用户被授予控制权限，用户就可以使用相应的测试台进行试验。对于物理测试台，一次只能有一个用户占用测试台，并且已实施队列调度机制，以根据先到先得规则11调度其他潜在用户。对于虚拟测试台，可以同时支持大量用户。500 个并发用户实验已过有效测试。对于基于电路的系统，一次可以有 50 个用户访问该系统。 - 单击" 返回 "按钮，进入 "算法设计" 子界面。在"私有算法模型"面板下找到可执行控制 算法 。
注意：也可以在"控制算法"子界面的 "我的算法 "面板中找到可执行 控制算法 。 - 单击" 进行实验 "按钮，将设计的控制算法下载到遥控器。
- 进入 配置 子界面，单击 新建监控器 按钮配置监控界面， 如图2所示。包括四个用于参数调谐的文本框和一个用于信号监控的曲线图。
注意： 图 2 中右侧的图表与左侧的图表相同，添加该图表是为了使用 "挂起" 按钮演示数据。 - 将信号和参数与所选小部件链接。
注： 参数/输入、参数/R0、参数/R1和 参数/C 分别用于四个文本框， 参数/输入 和 信号/输出 分别用于曲线图。 - 单击" 开始" 按钮开始实验。
注意：此步骤也适用于其他测试台的以下实验。用户可以保存配置以供将来使用。 - 将输入电压设置为0 V，将电容C调谐至5 μF（ 图2为0.000005），然后将输入电压设置为1 V;输出电压的动态过程如图 2所示。
- 计算相应的参数 K 和 T。
注意：当输出达到 t = T 后最终值 K 的 63.2%（即 0.63212）时，可以计算时间常数。从图2可以看出，持续时间为1 s，因此，T = 1，这与其中T = R1C = 200000 * 0.000005 = 1，K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1（等于最终值）12的理论一致。因此，一阶系统可以指定为：
。
。2. 示例2：交互式可视化虚拟实验协议
- 使用 NCSLab 系统进行模拟和实时实验。
- 登录到 NCSLab 系统。进入 过程控制 子实验室，选择 双坦克 试验台，然后进入 算法设计 子界面。
- 按照示例 1 中描述的步骤，使用 NCSLab 提供的 Web 界面设计比例-积分-微分 （PID） 控制算法。 图3 是双罐系统的算法示例。
- 双击 PID 控制器，然后调整比例 （P）、积分 （I） 和导数 （D） 项的参数。分别设置 P = 1.12、I = 0.008 和 D = 6.6。
注意：P、I 和 D 项应与仿真结果一起进行调整。 - 点击 开始模拟 按钮;将弹出仿真结果，该结果包含在 图3的右侧。
注：可以看出，控制性能良好，控制算法已准备好进行实时实验。 - 按照前面提到的步骤生成可执行控制算法。
- 将控制算法下载到遥控器，并配置一个监控界面，分别带有四个文本框，分别用于Set_point、P、I和D。
- 包括用于监测水位和相应Set_point的图表。选择一个3D小部件，它可以提供测试台的所有角度以及与实时数据连接的水位动画。
- 点击 开始 按钮;然后，监控界面将被激活，如图 4所示，它提供了一个可视化的虚拟实验。
- 将Set_point从10 cm设置为5 cm，然后当受控水箱中的水位高度达到并稳定在5 cm时，设置I = 0.1。将设定点从5厘米重置为15厘米;从 图 4 可以看出存在过冲。
- 将 I 从 0.1 调谐到 0.01，并将设定点从 15 cm 重置为 25 cm。可以看出，超调已被消除，水位可以迅速稳定在25cm的设定点值。
3. 示例3：使用远程和虚拟实验室协议进行研究
- 在NCSLab中进行实时实验。
- 登录NCSLab系统，在远程实验室子实验室中选择风扇速度控制。
- 进入 算法设计 子界面。拖动块以构建内部模型控制 （IMC） 控制算法图，如图 5 所示。
注：F（s） 和 Gm（s）-1 的设计如图 5 所示，其中图示了使用 NCSLab 设计的控制算法，用于在远程和虚拟实验室模式下控制风扇速度控制系统。 - 生成可执行控制算法，并采用风扇速度控制系统来验证设计的IMC算法。
- 配置监控接口。链接两个具有两个参数的文本框，即用于优化的Set_point和 lambda（对于 λ ，这是过滤器时间常数），以及一个带有用于监视的Set_point和速度的实时图表。选择风扇的 3-D 模型小部件和用于监控的摄像机小部件。
- 单击" 开始" 按钮以激活实时试验。将Set_point从 2，000 rpm 重置为 1，500 rpm，然后将其从 1，500 rpm 重置为 2，500 rpm，其结果如图 6 所示。
注：可以得出结论，当λ = 1时，系统可以稳定到阶跃参考。
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Representative Results
所提出的实验室系统已在武汉大学的几门弟子中使用，如自动化、动力与能源工程、机械工程等其他大学，如河南农业大学6。
教师/学生/研究人员具有极大的灵活性，可以使用不同的虚拟和/或物理测试台探索系统，定义他们的控制算法，并定制他们的监控界面;因此，不同级别的用户都可以从拟议的系统中受益。所提出的方法提供的可视化实验可以潜在地增强对理论，概念和公式的理解。
所提出的系统可用于不同类型的算法设计（图1 和 图3 为两个示例）和教学、学习和研究等多用途（三个协议可以视为三个应用实例）。一阶系统是一个例子，该系统可以使用基于电路的图表应用于典型的系统分析。
图3 和 图5 表明，所提出的在线实验室可以使用设计的模块设计简单和复杂的控制算法，并分别通过仿真和实时实验验证三维虚拟和物理测试台，如图 4 和 图6所示。
这3个例子表明，所提出的交互式可视化实验室可以实现上述的可视化。（1）理论、公式、原理图可以通过基于Web的算法设计和实现进行可视化，并进行仿真和实验。（2）在3-D虚拟试验台的支持下，在没有物理测试台和摄像机的情况下，可以在测试台现场部署实验过程。在远程实验室中，3D测试台的集成也可以使用户受益，允许用户从不同的角度查看测试台的详细信息。将 3-D 虚拟 测试 台 与 远程 端 的 物理 测试 台 结合 可以 潜在 地 增强 用户 体验。（3）使用图表、相机小部件、文本框等开发的小部件，可视化实验过程中的监控和控制。
图 1：使用 NCSLab 中电气元件库中的块构建一阶系统。 用户可以从左侧的块库面板拖动任何块，并通过正确链接所选块来构造系统。 请点击此处查看此图的放大版本。
图2：采用设计控制算法的一阶系统实时实验。 参数是可调的，信号可以使用提供的小部件进行监控。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 3：双罐系统的基于 Web 的 PID 控制算法设计和实现。 包括模拟结果，其中显示第二个水箱的水位可以控制到10厘米的设定值 。
图 4：双罐系统的实时实验。 将积分项从 0.1 调整到 0.01 后，设定点从 15 cm 重置为 25 cm。可以看出，超调已被消除。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 5：风扇速度控制系统的 IMC 控制。 已识别的扇形模型的反模型是不正确的传递函数（对于正确的传递函数，传递函数分子的阶数必须小于或等于分母的阶数），它是用基于已识别模型的一般块构造的。为了启用可调谐滤波器，滤波器还构建了块。图中的λ表示等式6中λ 的倒数，可以很容易地调谐。 请点击此处查看此图的放大版本。
图6：使用风扇速度控制远程实验室结合3D虚拟风扇系统的实时控制和风扇速度监控。 物理风扇系统位于武汉大学，为全球用户提供远程实验室服务。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 7：一阶系统的原理图。 NCSLab中的一阶电路设计和实现基于此图。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 8：NCSLab 中的 3-D 虚拟双罐系统。 控制的目的是将第二个水箱中的水位控制到设定点值。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 9：内部模型控制架构示意图。Gm（s） 是真实工厂 G（s） 的模型，Gm（s）-1 是 Gm（s）、F（s） 的反模型，是滤波器。F（s）、Gm（s）-1 和 Gm（s） 构成 IMC 控制器。请点击此处查看此图的放大版本。
| 参数 | 价值 |
| R0 型 | 200 kΩ |
| R1型 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2型 | 200 kΩ |
| R3型 | 200 kΩ |
| 输入 | 1 V |
表1：一阶电路系统的参数配置。R2和R3用于抵消与运算放大器相结合的相移。
补充图1：当用户电路接地失败时的仿真警告界面。 结果将警告用户，这可以帮助他们重新检查设计的电路。 请点击此处下载此文件。
补充图2：用户无法接地电路时的编译警告界面。 结果将警告用户，这可以帮助他们重新检查设计的电路。 请点击此处下载此文件。
补充图3：用户反转电容器极性时的仿真结果。 选择了常规电容器代替可变电容器来说明此示例。未显示警告消息，结果类似于 补充图 4。 请点击此处下载此文件。
补充图4：电容器极性正确时的仿真结果。 选择了常规电容器代替可变电容器来说明此示例。仿真结果将弹出，帮助用户检查电路。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
所提出的协议描述了一个混合在线实验室系统，该系统集成了用于远程实验的物理测试台和用于虚拟实验的3D虚拟测试台。为算法设计过程提供了几个不同的模块库，例如用于基于电路的设计的电气元件。来自控件背景的用户可以专注于学习，而无需编程技能。应考虑正确设计可应用于合适测试台的控制算法。在将控制器应用于受控试验台之前，设计控制器以保证良好的控制性能（考虑控制性能指标，包括过冲、建立时间和稳定误差）也具有挑战性。在编译可用于实时实验的控制算法之前，应进行仿真以解决潜在问题。控制算法一旦集成到所提出的系统中，就可以应用于使用该系统的其他不同测试台。
关于这三个例子的背景和理论知识如下。
对于一阶系统，可以使用电路理论和 图7中提供的电路来分析一阶系统的原理。根据电路理论12，可以得到以下两个方程。从运算放大器的输入侧视图看，电流为
(1)
从运算放大器的输出侧视图，可以得到公式2
(2)
其中 
是 RC 并联电路的阻抗。
通过组合等式1和2，系统的传递函数可以计算为：
(3)
其中减号（-）表示输出电压的180°相移，这在以下步骤的分析中被忽略。
表示 K = R1/R0，T = R1C，则系统的传递函数可以表示为
(4)
对于双水箱系统，设计的3D水箱系统如图 8所示。使用Flash的先前版本的设计和实现已经在W. Hu等人在2014年的工作中进行了探索13。该试验台的控制目的是将第二个水箱中的水位控制到设定点的值。PID控制器已用于控制双油箱。理论上，PID可以表示为14
(5)
其中 Kp、Ki、Kd 分别是 P、I 和 D 项的系数。
IMC 易于调谐，具有良好的设定点跟踪性能，并已广泛用于控制实际应用15。IMC 的控制架构如图 9 所示，其中 G（s） 是实际工厂，Gm（s） 是工厂的模型。Gm（s）通常通过系统识别获得。Gm（s）-1 是 Gm（s） 的反模型，F（s） 是滤波器。R（s）、Y（s） 和 E（s） 分别是参考、输出和误差。F（s）、Gm（s）-1 和 Gm（s） 构成 IMC 控制器。本工作使用标准默认滤波器F（s）16作为等式6
, (6)
其中 λ 是滤波器时间常数，选择 n 阶以确保正确或半正确的 IMC 补偿器 （F（s）*Gm（s）-1）。
IMC 控制算法经过设计并应用于通过计算、分析和适当设计来控制物理风扇速度系统。在这项工作中，G（s）表示物理风扇速度控制系统，其模型Gm（s）被标识为二阶系统
.(7)
滤波器 F（s） 的阶数 n 设置为 1。出于调谐目的，图5中的λ表示公式6中λ的倒数，可以很容易地调谐。筛选器设置为以下内容
.(8)
基于Web的算法设计允许高级用户在S-function的支持下设计更复杂的算法。然而，正在考虑更先进的研究和教育控制策略，例如多智能体系统的控制策略或时间限制的网络控制策略，以进一步升级拟议的实验室系统。
基于电路的系统基于仿真。仿真的优点之一是用户可以自由地进行操作。他们不必担心后果，因为他们的误操作不会对自己以及系统和测试台造成伤害，特别是在在线实验系统中。
在设计出基于电路的系统后，用户应该运行仿真。对于某些情况，例如电路接地失败，仿真和编译结果将警告用户，这可以帮助他们重新检查设计的电路（补充图1 和 补充图2）。对于其他情况，例如，反转电容器的极性（补充图3），当用户尝试进行仿真或编译时，不会显示警告消息，其结果类似于正确电路的结果，如 补充图4所示。
目前，在线实验系统的主要局限性在于，它主要可以用于具有控制背景的用户。基于电路的系统只能用于仿真，无需硬件设置。为了涵盖不同的工程领域，可以集成可用于电气和电子工程的电路系统硬件。还应考虑为其他领域提供更多的试验台。
与 MATLAB/Simulink 相比，使用所提出的方法，不需要为每个用户配备一个独立的 MATLAB/Simulink。此外，在所提出的实验室中，使用3D虚拟测试台和物理测试台进行实时实验不仅仅是纯粹的仿真。与I. Santana等人提出的基于MATLAB/Simulink的远程实验室相比，所提出的实验室可用于设计控制器和整个控制系统，包括基于电路的系统，3-D虚拟和物理测试台。实验环境 （EE） 提供实用的控制器设计方法，其中基于 Blockly 的可视化设计适用于简单实验，基于 JavaScript 的文本设计适用于复杂的实验5。考虑到学生对MATLAB/Simulink更加熟悉，类似于MATLAB/Simulink的基于块的算法设计界面可以成为设计控制系统的不错选择。
所提出的系统可用于教师，学生和研究人员的教学，学习和研究。目前，该系统主要用于控制工程相关学科。该系统可潜在地应用于电气和电子工程、工业电子和工业控制。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金62103308、62173255、62073247和61773144资助。
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 |
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