Summary
Diese Arbeit beschreibt ein Online-Experimentiersystem, das visualisierte Experimente bereitstellt, einschließlich der Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln, der Visualisierung des experimentellen Prozesses mit dreidimensionalen (3D) virtuellen Prüfständen und der Visualisierung des Steuerungs- und Überwachungssystems mit Widgets wie Diagrammen und Kameras.
Abstract
Experimentieren ist in der Ingenieurausbildung von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit untersucht visualisierte Experimente in Online-Laboren für das Lehren und Lernen und auch für die Forschung. Interaktive und visualisierende Funktionen, einschließlich theoriegeführter Algorithmusimplementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, anpassbare Überwachungsschnittstelle und dreidimensionale (3D) virtuelle Prüfstände werden diskutiert. Um die Merkmale und Funktionalitäten der vorgeschlagenen Labore zu veranschaulichen, werden drei Beispiele bereitgestellt, darunter die Systemerkundung erster Ordnung unter Verwendung eines schaltungsbasierten Systems mit elektrischen Elementen sowie das webbasierte Steuerungsalgorithmusdesign für virtuelle und Fernexperimente. Mit benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen können nicht nur Simulationen durchgeführt werden, sondern auch Echtzeitexperimente durchgeführt werden, sobald die entworfenen Steuerungsalgorithmen zu ausführbaren Steuerungsalgorithmen kompiliert wurden. Das vorgeschlagene Online-Labor bietet auch eine anpassbare Überwachungsoberfläche, mit der Benutzer ihre Benutzeroberfläche mithilfe der bereitgestellten Widgets wie Textfeld, Diagramm, 3D und Kamera-Widget anpassen können. Lehrer können das System für Online-Demonstrationen im Klassenzimmer verwenden, Schüler für Experimente nach dem Unterricht und Forscher, um Kontrollstrategien zu überprüfen.
Introduction
Labore sind eine wichtige Infrastruktur für Forschung und Lehre. Wenn herkömmliche Labore aus verschiedenen Gründen nicht verfügbar und/oder zugänglich sind, z. B. unerschwingliche Anschaffungs- und Wartungskosten, Sicherheitsüberlegungen und Krisen wie die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), können Online-Labore Alternativen anbieten1,2,3. Wie in herkömmlichen Laboren wurden auch in den Online-Laboren erhebliche Fortschritte wie interaktive Funktionen4 und anpassbare Experimente5 erzielt. Vor und während der COVID-19-Pandemie bieten Online-Labore experimentelle Dienste für Nutzer auf der ganzen Welt an6,7.
Unter den Online-Labors können Remote-Labore den Benutzern eine ähnliche Erfahrung wie praktische Experimente mit Unterstützung von physischen Prüfständen und Kameras bieten8. Mit der Weiterentwicklung des Internets, der Kommunikation, der Computergrafik und der Rendering-Technologien bieten virtuelle Labore auch Alternativen zu herkömmlichen Labors1. Die Wirksamkeit von Remote- und virtuellen Labors zur Unterstützung von Forschung und Bildung wurde in einschlägiger Literatur bestätigt1,9,10.
Die Bereitstellung von visualisierten Experimenten ist für Online-Labore von entscheidender Bedeutung, und die Visualisierung im Online-Experiment ist zu einem Trend geworden. In Online-Laboren werden unterschiedliche Visualisierungstechniken durchgeführt, z. B. Kurvendiagramme, zweidimensionale (2-D) Prüfstände und dreidimensionale (3-D) Prüfstände11. In der Kontrollerziehung sind zahlreiche Theorien, Konzepte und Formeln unklar zu verstehen; Daher sind visualisierte Experimente von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Unterrichts, des Lernens und der Forschung der Schüler. Die damit verbundene Visualisierung kann in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden: (1) Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln mit webbasiertem Algorithmusdesign und -implementierung, mit dem Simulation und Experimente durchgeführt werden können; (2) Visualisierung des experimentellen Prozesses mit virtuellen 3D-Prüfständen; (3) Visualisierung der Steuerung und Überwachung mit Widgets wie einem Diagramm und einem Kamera-Widget.
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Protocol
In dieser Arbeit werden drei separate visualisierte Beispiele zur Verbesserung von Lehre und Lernen und Forschung bereitgestellt, auf die über das Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react zugegriffen werden kann.
1. Beispiel 1: System erster Ordnung mit schaltungsbasiertem Experimentierprotokoll
- Greifen Sie auf das NCSLab-System zu.
- Öffnen Sie einen gängigen Webbrowser und geben Sie die URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react ein.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten auf der linken Seite der Hauptseite, um sich beim System anzumelden. Benutzername: whutest; Passwort: whutest.
HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für zwei andere Beispiele (Beispiel 2 und Beispiel 3). - Geben Sie das WHULab in die linke Unterlaborliste ein und wählen Sie WHUtypicalLinks für Experimente.
HINWEIS: Sechs Unterschnittstellen sind für verschiedene Zwecke konzipiert und implementiert, um Simulation und Echtzeitexperimente zu unterstützen. - Geben Sie die Unterschnittstelle Algorithm Design ein.
HINWEIS: Der Benutzer kann ein öffentliches Algorithmusmodell auswählen, das von anderen autorisierten Benutzern entworfen und freigegeben wurde, oder ein neues Modell erstellen. - Wählen und klicken Sie auf die Schaltfläche Neues Modell erstellen und rufen Sie die webbasierte Algorithmusoberfläche auf. Erstellen Sie einen Schaltplan mit den bereitgestellten Blöcken, wie in Abbildung 1 dargestellt.
HINWEIS: Ein weiterer Operationsverstärker (Operationsverstärker) (Op-Amp2 in Abbildung 1) wird verwendet, um die 180°-Phasenverschiebung aufzuheben. Um sicherzustellen, dass der Eingang, die Widerstände und der Kondensator abstimmbar sind, werden ein variabler Kondensator und zwei variable Widerstände in der ELECTRIC ELEMENTS-Bibliothek und vier konstante Blöcke aus der SOURCES-Bibliothek im linken Blockbibliotheksbereich ausgewählt. - Doppelklicken Sie auf die entsprechenden Blöcke, um die in Tabelle 1 aufgeführten Parameter festzulegen. Legen Sie den X-Achsenbereich des Diagramms auf 8 s fest.
HINWEIS: Nach einem Doppelklick auf den Baustein wird ein Popup-Fenster ausgelöst, das die Beschreibungen des Bausteins enthält und zum Setzen des Parameters verwendet werden kann. Ein Beispiel für den Widerstand (R3) ist in Abbildung 1 dargestellt. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten ; Das Simulationsergebnis wird in der Benutzeroberfläche bereitgestellt, wie in Abbildung 1 dargestellt.
HINWEIS: Dieser Schritt passt auch zu den beiden anderen Beispielen mit anderen Prüfständen. Die Simulationsergebnisse können den Benutzern Informationen liefern, um das entworfene schaltungsbasierte System erneut zu überprüfen, um eine falsche Schaltung zu vermeiden. Eine fehlerhafte Schaltung richtet jedoch keinen Schaden für die Benutzer oder das System an, so dass sich die Benutzer keine Gedanken über die Folgen machen müssen. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Kompilierung starten . Warten Sie, bis das entworfene Blockdiagramm in einen ausführbaren Steuerungsalgorithmus generiert wird, der heruntergeladen und in die Auf der Prüfstandsseite eingesetzte Fernbedienung ausgeführt werden kann, um Steuerungsalgorithmen zu implementieren.
HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für die folgenden Experimente mit anderen Prüfständen. - Führen Sie Echtzeitexperimente mit dem generierten Steuerungsalgorithmus durch. Klicken Sie auf die Schaltfläche Request Control , um die Steuerung des Schaltungssystems zu beantragen.
HINWEIS: "Request Control" ist der Scheduling-Mechanismus für das System. Sobald einem Benutzer die Steuerungsberechtigung erteilt wurde, kann der Benutzer Experimente mit dem entsprechenden Prüfstand durchführen. Für physische Prüfstände kann jeweils nur ein Benutzer den Prüfstand belegen, und der Warteschlangenplanungsmechanismus wurde implementiert, um andere potenzielle Benutzer basierend auf der First Come First Served-Regel11 zu planen. Für virtuelle Prüfstände kann eine große Anzahl von Benutzern gleichzeitig unterstützt werden. 500 gleichzeitige Benutzerexperimente wurden effektiv getestet. Für das schaltungsbasierte System können 50 Benutzer gleichzeitig auf das System zugreifen. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Zurück zur Unterschnittstelle Algorithm Design . Suchen Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus im Bedienfeld "Modelle privater Algorithmen ".
HINWEIS: Der ausführbare Steuerungsalgorithmus befindet sich auch im Bedienfeld "Mein Algorithmus " in der Unterschnittstelle "Steuerungsalgorithmus ". - Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment durchführen , um den entworfenen Steueralgorithmus auf eine Fernbedienung herunterzuladen.
- Rufen Sie die Unterschnittstelle Konfiguration auf, und klicken Sie auf die Schaltfläche Neuen Monitor erstellen , um eine Überwachungsschnittstelle zu konfigurieren, wie in Abbildung 2 dargestellt. Vier Textfelder für die Parameterabstimmung und ein Kurvendiagramm für die Signalüberwachung sind enthalten.
HINWEIS: Das Diagramm auf der rechten Seite in Abbildung 2 ist das gleiche Diagramm wie das Diagramm auf der linken Seite, das hinzugefügt wurde, um die Daten mit der Schaltfläche Anhalten zu veranschaulichen . - Verknüpfen Sie die Signale und Parameter mit den ausgewählten Widgets.
HINWEIS: Parameter/ Input, Parameter/ R0, Parameter/ R1 und Parameter/ C für jeweils vier Textfelder und Parameter/ Input und Signal/ Output für das Kurvendiagramm. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Start , um den Test zu starten.
HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für die folgenden Experimente mit anderen Prüfständen. Benutzer können die Konfiguration für die zukünftige Verwendung speichern. - Stellen Sie die Eingangsspannung auf 0 V ein, stellen Sie den Kondensator C auf 5 μF ein (0,000005 in Abbildung 2), und stellen Sie dann die Eingangsspannung auf 1 V ein. Der dynamische Prozess der Ausgangsspannung ist in Abbildung 2 dargestellt.
- Berechnen Sie die entsprechenden Parameter K und T.
HINWEIS: Die Zeitkonstante kann berechnet werden, wenn die Ausgabe 63,2% des Endwerts K nach t = T erreicht, was 0,63212 entspricht. Aus Abbildung 2 kann man sehen, dass die Zeitdauer 1 s beträgt, also T = 1, was mit der Theorie übereinstimmt, in der T = R1C = 200000* 0,000005 = 1 und K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (was dem Endwert entspricht) 12 übereinstimmt. Somit kann das System erster Ordnung wie folgt angegeben werden:
.
.2. Beispiel 2: Interaktives und visualisiertes virtuelles Experimentierprotokoll
- Verwenden Sie das NCSLab-System, um Simulationen und Echtzeitexperimente durchzuführen.
- Melden Sie sich beim NCSLab-System an. Rufen Sie das ProcessControl-Teillabor auf, wählen Sie den DualTank-Prüfstand und dann die Unterschnittstelle Algorithm Design ein.
- Entwerfen Sie einen PID-Regelalgorithmus (Proportional-Integral-Derivative) unter Verwendung der von NCSLab bereitgestellten Webschnittstelle gemäß den in Beispiel 1 beschriebenen Schritten. Abbildung 3 ist ein Algorithmusbeispiel für das Dual-Tank-System.
- Doppelklicken Sie auf den PID-Regler und stimmen Sie die Parameter für proportionale (P), integrale (I) und abgeleitete (D) Terme ab. Set P = 1,12, I = 0,008 bzw. D = 6,6.
HINWEIS: Die Terme P, I und D sollten in Kombination mit dem Simulationsergebnis abgestimmt werden. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten ; Das Simulationsergebnis wird angezeigt, das auf der rechten Seite von Abbildung 3 enthalten ist.
HINWEIS: Es ist zu erkennen, dass die Steuerungsleistung gut ist und der Steuerungsalgorithmus für Echtzeitexperimente bereit ist. - Generieren Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus nach den zuvor genannten Schritten.
- Laden Sie den Steuerungsalgorithmus auf die Fernbedienung herunter und konfigurieren Sie eine Überwachungsschnittstelle mit vier Textfeldern für Set_point, P, I bzw. D.
- Fügen Sie eine Tabelle zur Überwachung des Wasserstands und der entsprechenden Set_point bei. Wählen Sie ein 3D-Widget, das alle Winkel der Prüfstände und Animationen des Wasserstands in Verbindung mit den Echtzeitdaten bereitstellen kann.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Start ; Anschließend wird die Überwachungsschnittstelle aktiviert, wie in Abbildung 4 dargestellt, die ein visualisiertes virtuelles Experiment bereitstellt.
- Stellen Sie die Set_point von 10 cm auf 5 cm und stellen Sie dann I = 0,1 ein, wenn die Höhe des Wasserstands im kontrollierten Tank 5 cm erreicht und sich stabilisiert. Setzen Sie den Sollwert von 5 cm auf 15 cm zurück; Aus Abbildung 4 geht hervor, dass es ein Überschießen gibt.
- Stellen Sie I von 0,1 auf 0,01 ein und stellen Sie den Sollwert von 15 cm auf 25 cm zurück. Es ist zu erkennen, dass das Überschwingen beseitigt ist und sich der Wasserstand schnell auf dem Sollwert von 25 cm stabilisieren kann.
3. Beispiel 3: Forschung mit Remote- und Virtual-Labs-Protokoll
- Führen Sie ein Echtzeitexperiment in NCSLab durch.
- Melden Sie sich beim NCSLab-System an und wählen Sie im Unterlabor Remote Laboratory die Option Fan Speed Control.
- Geben Sie die Unterschnittstelle Algorithm Design ein. Ziehen Sie die Blöcke, um das Diagramm des IMC-Steuerungsalgorithmus (Internal Model Control, interne Modellsteuerung) zu erstellen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
HINWEIS: Die F(s) und Gm(s)-1 sind wie in Abbildung 5 dargestellt aufgebaut, in der der mit NCSLab entworfene Steuerungsalgorithmus veranschaulicht wird, um ein Lüftergeschwindigkeitssteuerungssystem in einem entfernten und virtuellen Labormodus zu steuern. - Generieren Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus und verwenden Sie das Lüfterdrehzahlsteuerungssystem, um den entworfenen IMC-Algorithmus zu überprüfen.
- Konfigurieren Sie eine Überwachungsschnittstelle. Verknüpfen Sie zwei Textfelder mit zwei Parametern, nämlich dem Set_point und Lambda (für λ , das die Filterzeitkonstante ist) für die Abstimmung und einem Echtzeitdiagramm mit den Set_point und Geschwindigkeit für die Überwachung. Wählen Sie das 3D-Modell-Widget des Lüfters und das Kamera-Widget für die Überwachung aus.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Start , um das Experimentieren in Echtzeit zu aktivieren. Setzen Sie den Set_point von 2.000 U/min auf 1.500 U/min und dann von 1.500 U/min auf 2.500 U/min zurück, dessen Ergebnis in Abbildung 6 dargestellt ist.
ANMERKUNG: Es kann gefolgert werden, dass bei λ = 1 das System zu einer Stufenreferenz stabilisiert werden kann.
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Representative Results
Das vorgeschlagene Laborsystem wurde von verschiedenen Schülern an der Wuhan University verwendet, wie der Automatisierungs-, Energie- und Energietechnik, dem Maschinenbau und anderen Universitäten wie der Henan Agricultural University6.
Lehrer/Studenten/Forscher haben große Flexibilität, um das System mit verschiedenen virtuellen und/oder physischen Prüfständen zu erkunden, ihre Steuerungsalgorithmen zu definieren und ihre Überwachungsschnittstelle anzupassen. So können Nutzer auf verschiedenen Ebenen von dem vorgeschlagenen System profitieren. Die visualisierten Experimente, die durch den vorgeschlagenen Ansatz bereitgestellt werden, können möglicherweise das Verständnis von Theorien, Konzepten und Formeln verbessern.
Das vorgeschlagene System kann für verschiedene Arten von Algorithmusdesign (Abbildung 1 und Abbildung 3 sind zwei Beispiele) und für mehrere Zwecke wie Lehre, Lernen und Forschung (drei Protokolle können als drei Anwendungsbeispiele betrachtet werden) verwendet werden. Das System erster Ordnung ist ein Beispiel dafür, dass das System mit hilfe von schaltkreisbasierten Schaltplänen auf die typische Systemanalyse angewendet werden kann.
Abbildung 3 und Abbildung 5 zeigen, dass das vorgeschlagene Online-Labor einfache und komplexe Steuerungsalgorithmen unter Verwendung der entworfenen Blöcke entwerfen kann, die durch Simulation und Echtzeitexperimente mit virtuellen bzw. physischen 3D-Prüfständen verifiziert wurden, wie in Abbildung 4 und Abbildung 6 dargestellt.
Die drei Beispiele zeigen, dass das vorgeschlagene interaktive und visualisierte Labor die folgende Visualisierung wie oben beschrieben erreichen kann. (1) Theorie, Formeln und schematische Diagramme können durch webbasiertes Algorithmusdesign und -implementierung visualisiert werden, mit dem Simulation und Experimente durchgeführt werden können. (2) Mit Unterstützung der virtuellen 3D-Prüfstände können experimentelle Prozesse ohne physische Prüfstände und Kameras, die auf dem Prüfstandsgelände eingesetzt werden, visualisiert werden. Auch in entfernten Laboren kann die Integration von 3D-Prüfständen den Anwendern zugute kommen, so dass anwender die Details der Prüfstände aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachten können. Die Kombination von virtuellen 3D-Prüfständen mit physischen Prüfständen auf der Remote-Seite kann die Benutzerfreundlichkeit potenziell verbessern. (3) Mit entwickelten Widgets wie einem Diagramm, einem Kamera-Widget und einer Textbox kann die Überwachung und Steuerung während des experimentellen Prozesses visualisiert werden.
Abbildung 1: Aufbau des Systems erster Ordnung mit Bausteinen aus der Electrical ELEMENTS-Bibliothek in NCSLab. Der Benutzer kann einen beliebigen Block aus dem linken Blockbibliotheksbereich ziehen und ein System erstellen, indem er die ausgewählten Blöcke ordnungsgemäß verknüpft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Echtzeitexperiment des Systems erster Ordnung mit dem entworfenen Regelalgorithmus. Die Parameter sind abstimmbar und die Signale können mit den bereitgestellten Widgets überwacht werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Design und Implementierung des webbasierten PID-Regelalgorithmus für das Dual-Tank-System. Das Simulationsergebnis ist enthalten, das zeigt, dass der Wasserstand des zweiten Tanks bis zum Sollwert von 10 cm gesteuert werden kann .
Abbildung 4: Echtzeit-Experimente mit dem Dual-Tank-System. Nach der Abstimmung des Integralterms von 0,1 auf 0,01 wird der Sollwert von 15 cm auf 25 cm zurückgesetzt. Es ist zu sehen, dass das Overshoot beseitigt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: IMC-Steuerung des Lüfterdrehzahlregelsystems. Das inverse Modell des identifizierten Lüftermodells ist eine falsche Übertragungsfunktion (für eine korrekte Übertragungsfunktion muss die Reihenfolge des Übertragungsfunktionszählers kleiner oder gleich der Reihenfolge des Nenners sein), die mit allgemeinen Blöcken basierend auf dem identifizierten Modell konstruiert wird. Um einen abstimmbaren Filter zu ermöglichen, ist der Filter auch mit Blöcken gebaut. Das Lambda in der Abbildung stellt den Kehrwert des λ in Gleichung 6 dar und kann leicht abgestimmt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Echtzeitsteuerung und Überwachung der Lüfterdrehzahl über das Remote-Labor zur Lüfterdrehzahlregelung in Kombination mit einem virtuellen 3D-Lüftersystem. Das physische Lüftersystem befindet sich an der Wuhan University und bietet Remote-Labordienstleistungen für Benutzer weltweit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Schematische Darstellung des Systems erster Ordnung. Der Schaltungsentwurf erster Ordnung und die Implementierung in NCSLab basieren auf diesem Diagramm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Virtuelles 3D-Dual-Tank-System in NCSLab. Der Zweck der Steuerung besteht darin, den Wasserstand im zweiten Tank auf den Sollwert zu regeln. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Schematische Darstellung der internen Modellsteuerungsarchitektur. Gm(s) ist das Modell der realen Anlage G(s), Gm(s)-1 ist das inverse Modell von Gm(s), F(s) und ist der Filter. Die F(s), Gm(s)-1 und Gm(s) bilden den IMC-Controller. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Parameter | Wert |
| R0 | 200 kΩ |
| R1 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 kΩ |
| R3 | 200 kΩ |
| Eingabe | 1 V |
Tabelle 1: Parameterkonfigurationen für das Schaltungssystem erster Ordnung. R2 und R3 werden verwendet, um die Phasenverschiebung in Kombination mit dem Operationsverstärker aufzuheben.
Ergänzende Abbildung 1: Simulationswarnschnittstelle, wenn ein Benutzer einen Stromkreis nicht erden kann. Das Ergebnis warnt die Benutzer, was ihnen helfen kann, die entworfene Schaltung erneut zu überprüfen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: Kompilierungswarnschnittstelle, wenn ein Benutzer einen Stromkreis nicht erden kann. Das Ergebnis warnt die Benutzer, was ihnen helfen kann, die entworfene Schaltung erneut zu überprüfen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 3: Simulationsergebnis, wenn ein Benutzer die Polarität des Kondensators umkehrt. Zur Veranschaulichung dieses Beispiels wurde ein normaler Kondensator anstelle des variablen Kondensators ausgewählt. Es wird keine Warnmeldung angezeigt, und das Ergebnis ähnelt der ergänzenden Abbildung 4. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 4: Simulationsergebnis bei korrekter Polarität des Kondensators. Zur Veranschaulichung dieses Beispiels wurde ein normaler Kondensator anstelle des variablen Kondensators ausgewählt. Das Simulationsergebnis wird angezeigt, um den Benutzern zu helfen, die Schaltung zu überprüfen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein hybrides Online-Laborsystem, das physische Prüfstände für Fernexperimente und virtuelle 3D-Prüfstände für virtuelle Experimente integriert. Für den Algorithmusentwurfsprozess stehen mehrere verschiedene Blockbibliotheken zur Verfügung, z. B. die elektrischen Elemente für den schaltungsbasierten Entwurf. Benutzer mit Kontrollhintergründen können sich auf das Lernen ohne Programmierkenntnisse konzentrieren. Das richtige Design eines Regelalgorithmus, der auf einen geeigneten Prüfstand angewendet werden kann, sollte berücksichtigt werden. Es ist auch eine Herausforderung, einen Controller so zu entwerfen, dass er eine gute Steuerungsleistung (unter Berücksichtigung des Steuerungsleistungsindex, einschließlich Überschwingen, Einschwingzeit und stetigem Fehler) garantiert, bevor er auf den kontrollierten Prüfstand angewendet wird. Vor der Zusammenstellung eines Steuerungsalgorithmus, der für Echtzeitexperimente verwendet werden kann, sollte eine Simulation durchgeführt werden, um potenzielle Probleme zu beheben. Regelalgorithmen können mit dem System auf andere verschiedene Prüfstände angewendet werden, sobald sie in das vorgeschlagene System integriert sind.
Der Hintergrund und das theoretische Wissen zu den drei Beispielen sind wie folgt.
Für das System erster Ordnung kann das Prinzip des Systems erster Ordnung unter Verwendung der Schaltungstheorie mit der bereitgestellten Schaltung in Abbildung 7 analysiert werden. Gemäß der Schaltungstheorie12 können die folgenden zwei Gleichungen erhalten werden. Aus der eingangsseitigen Ansicht des Operationsverstärkers ist der Strom
(1)
Aus der ausgangsseitigen Ansicht des Operationsverstärkers ergibt sich Gleichung 2
(2)
wobei 
die Impedanz der RC-Parallelschaltung ist.
Durch die Kombination von Gleichung 1 und 2 kann die Übertragungsfunktion des Systems berechnet werden als
(3)
wobei das Minuszeichen (-) eine 180°-Phasenverschiebung der Ausgangsspannung anzeigt, die bei der Analyse in den folgenden Schritten vernachlässigt wird.
Bezeichnen Sie K = R1/R0, T = R1C, und dann kann die Übertragungsfunktion des Systems als
(4)
Für das Dual-Tank-System ist das ausgelegte 3D-Wassertanksystem in Abbildung 8 dargestellt. Das Design und die Implementierung einer früheren Version mit Flash wurden in der Arbeit von W. Hu et al. im Jahr 201413 untersucht. Der Steuerungszweck dieses Prüfstandes besteht darin, den Wasserstand im zweiten Tank auf den Wert des Sollwertes zu regeln. Ein PID-Regler wurde verwendet, um den Doppeltank zu steuern. Theoretisch kann die PID wie folgt ausgedrückt werden: 14
(5)
wobei Kp, Ki, Kd die Koeffizienten für P-, I- bzw. D-Terme sind.
IMC ist einfach mit einer guten Sollwertverfolgungsleistung abzustimmen und wurde häufig zur Steuerung realer Anwendungen eingesetzt15. Die Steuerungsarchitektur von IMC ist in Abbildung 9 dargestellt, in der G(s) die reale Anlage und Gm(s) das Modell der Anlage ist. Gm(s) wird in der Regel durch Systemidentifikation erhalten. Gm(s)-1 ist das inverse Modell von Gm(s), und F(s) ist der Filter. R(s), Y(s) und E(s) sind die Referenz, der Ausgang bzw. der Fehler. Die F(s), Gm(s)-1 und Gm(s) bilden den IMC-Controller. Ein Standardstandardfilter F(s)16 wird in dieser Arbeit als Gleichung 6 verwendet.
, (6)
wobei λ die Filterzeitkonstante ist und die Ordnung n gewählt wird, um einen richtigen oder semi-richtigen IMC-Kompensator (F(s)*Gm(s)-1) zu gewährleisten.
Der IMC-Steuerungsalgorithmus wurde entwickelt und angewendet, um das physische Lüfterdrehzahlsystem durch Berechnung, Analyse und ordnungsgemäßes Design zu steuern. In dieser Arbeit stellt G(s) ein physisches Lüfterdrehzahlregelungssystem dar, dessen Modell Gm(s) als System zweiter Ordnung identifiziert wird
. (7)
Die Reihenfolge n des Filters F(s) wird auf 1 gesetzt. Zu Abstimmungszwecken stellt das Lambda in Abbildung 5 den Kehrwert des λ in Gleichung 6 dar und kann leicht abgestimmt werden. Der Filter ist wie folgt festgelegt:
. (8)
Webbasiertes Algorithmus-Design ermöglicht es Benutzern auf fortgeschrittenem Niveau, komplexere Algorithmen mit Unterstützung der S-Funktion zu entwerfen. Für die weitere Aufrüstung des vorgeschlagenen Laborsystems werden jedoch fortschrittlichere Kontrollstrategien für Forschung und Lehre, wie z. B. Kontrollstrategien für Multiagentensysteme oder vernetzte Kontrollstrategien mit Zeitdruck, in Betracht gezogen.
Das schaltungsbasierte System basiert auf Simulation. Einer der Vorteile der Simulation besteht darin, dass die Benutzer ihre Operationen frei ausführen können. Sie müssen sich keine Sorgen um die Folgen machen, da ihre Fehlbedienung sich selbst und dem System und den Prüfständen, insbesondere in einem Online-Experimentiersystem, keinen Schaden zufügt.
Nachdem ein schaltungsbasiertes System entworfen wurde, soll der Benutzer eine Simulation ausführen. In einigen Fällen, z. B. wenn die Schaltung nicht geerdet wird, warnen die Simulations- und Kompilierungsergebnisse die Benutzer, was ihnen helfen kann, die entworfene Schaltung erneut zu überprüfen (ergänzende Abbildung 1 und ergänzende Abbildung 2). In anderen Fällen, z. B. bei umkehrung der Polarität des Kondensators (ergänzende Abbildung 3), wird keine Warnmeldung angezeigt, wenn ein Benutzer versucht, eine Simulation oder Kompilierung durchzuführen, deren Ergebnis dem einer korrekten Schaltung ähnelt, wie in ergänzender Abbildung 4 dargestellt.
Derzeit besteht die Haupteinschränkung des Online-Experimentiersystems darin, dass es in erster Linie für Benutzer mit einem Kontrollhintergrund verwendet werden kann. Das schaltungsbasierte System kann nur für die Simulation ohne Hardware-Setups verwendet werden. Um vielfältige Engineering-Bereiche abzudecken, kann Hardware für Schaltungssysteme integriert werden, die in der Elektro- und Elektroniktechnik eingesetzt werden können. Auch mehr Prüfstände für andere Bereiche sollten in Betracht gezogen werden.
Im Vergleich zu MATLAB/Simulink ist unter Verwendung der vorgeschlagenen Methodik kein eigenständiger MATLAB/Simulink für jeden Benutzer erforderlich. Darüber hinaus ist das Echtzeit-Experimentieren mit virtuellen 3D-Prüfständen und physikalischen Prüfständen mehr als eine reine Simulation im vorgeschlagenen Labor. Im Vergleich zu dem von I. Santana et al.9 vorgestellten MATLAB/Simulink-basierten Remote-Labor kann das vorgeschlagene Labor verwendet werden, um Steuerungen und das gesamte Steuerungssystem mit dem schaltungsbasierten System, virtuellen 3D-Prüfständen und physischen Prüfständen zu entwerfen. Die Experimentierumgebung (EE) bietet praktische Controller-Entwurfsmethoden mit Blockly-basiertem visuellem Design für einfache Experimente und einem JavaScript-basierten Textdesign für komplexe Experimente5. Wenn man bedenkt, dass die Studierenden mit MATLAB/Simulink besser vertraut sind, kann eine blockbasierte Algorithmus-Design-Schnittstelle ähnlich MATLAB/Simulink eine gute Option für die Gestaltung des Steuerungssystems sein.
Das vorgeschlagene System kann für Lehre, Lernen und Forschung für Lehrer, Studenten und Forscher verwendet werden. Aktuell wird das System vor allem in regelungstechnischen Disziplinen eingesetzt. Das System kann potenziell in der Elektro- und Elektroniktechnik, der Industrieelektronik und der industriellen Steuerung eingesetzt werden.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 und Grant 61773144 unterstützt.
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
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