Summary
Dette arbejde beskriver et online eksperimenteringssystem, der giver visualiserede eksperimenter, herunder visualisering af teorier, begreber og formler, visualisering af den eksperimentelle proces med tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge og visualisering af kontrol- og overvågningssystemet ved hjælp af widgets som diagrammer og kameraer.
Abstract
Eksperimenter er afgørende for ingeniøruddannelsen. Dette arbejde udforsker visualiserede eksperimenter i online laboratorier til undervisning og læring og også forskning. Interaktive og visualiserende funktioner, herunder teoristyret algoritmeimplementering, webbaseret algoritmedesign, overvågningsgrænseflade, der kan tilpasses, og tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge diskuteres. For at illustrere de foreslåede laboratoriers funktioner og funktionaliteter gives tre eksempler, herunder første ordresystemudforskning ved hjælp af et kredsløbsbaseret system med elektriske elementer, webbaseret styringsalgoritmedesign til virtuelle og fjerneksperimenter. Ved hjælp af brugerdesignede kontrolalgoritmer kan simuleringer ikke kun udføres, men realtidseksperimenter kan også udføres, når de designede kontrolalgoritmer er blevet samlet i eksekverbare kontrolalgoritmer. Det foreslåede online laboratorium giver også en tilpasselig overvågningsgrænseflade, som brugerne kan tilpasse deres brugergrænseflade ved hjælp af medfølgende widgets som tekstboks, diagram, 3D og kamera widget. Lærere kan bruge systemet til online demonstration i klasseværelset, elever til eksperimenter efter klassen og forskere til at verificere kontrolstrategier.
Introduction
Laboratorier er en vigtig infrastruktur for forskning og uddannelse. Når konventionelle laboratorier ikke er tilgængelige og/eller tilgængelige på grund af forskellige årsager, for eksempel uoverkommelige indkøbs- og vedligeholdelsesomkostninger, sikkerhedsmæssige overvejelser og kriser som coronavirussen 2019 (COVID-19) pandemien, kan onlinelaboratorier tilbyde alternativer1,2,3. Ligesom konventionelle laboratorier er der opnået betydelige fremskridt såsom interaktive funktioner4 og eksperimenter, der kan tilpasses5, i onlinelaboratorierne. Før og under COVID-19-pandemien leverer onlinelaboratorier eksperimentelle tjenester til brugere over hele verden6,7.
Blandt online laboratorier kan fjerntliggende laboratorier give brugerne en oplevelse svarende til praktiske eksperimenter med støtte fra fysiske test rigge og kameraer8. Med udviklingen af internettet, kommunikation, computergrafik og renderingsteknologier giver virtuelle laboratorier også alternativer til konventionelle laboratorier1. Effektiviteten af fjerntliggende og virtuelle laboratorier til støtte for forskning og uddannelse er blevet valideret i relateret litteratur1,9,10.
Forudsat visualiserede eksperimenter er afgørende for online laboratorier, og visualisering i online eksperimenter er blevet en tendens. Forskellige visualiseringsteknikker opnås i onlinelaboratorier, for eksempel kurvediagrammer, todimensionelle (2D) testrigge og tredimensionelle (3D) testrigge11. I kontroluddannelse er mange teorier, begreber og formler uklare at forstå; således visualiserede eksperimenter er afgørende for at forbedre undervisning, studerende læring, og forskning. Den involverede visualisering kan afsluttes i følgende tre kategorier: (1) Visualisering af teorier, begreber og formler med webbaseret algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimenter kan udføres; (2) Visualisering af forsøgsprocessen med 3D virtuelle test rigge; (3) Visualisering af kontrol og overvågning ved hjælp af widgets som et diagram og en kamera widget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I dette arbejde gives der tre separate visualiserede eksempler for at forbedre undervisning og læring og forskning, som kan tilgås via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Eksempel 1: Første ordresystem ved hjælp af kredsløbsbaseret forsøgsprotokol
- Få adgang til NCSLab-systemet.
- Åbn en almindelig webbrowser, og angiv URL-adressen https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- Klik på knappen Start eksperiment i venstre side af hovedsiden for at logge ind på systemet. Brugernavn: whutest; adgangskode: whutest.
BEMÆRK: Dette trin passer også til to andre eksempler (eksempel 2 og eksempel 3). - Indtast WHULab i venstre side sub-laboratorium liste og vælg WHUtypicalLinks til eksperimenter.
BEMÆRK: Seks undergrænseflader er designet og implementeret til forskellige formål for at understøtte simulering og eksperimenter i realtid. - Angiv undergrænsefladen Algoritmedesign .
BEMÆRK: Brugeren kan vælge en offentlig algoritmemodel, der er designet og delt af andre autoriserede brugere, eller oprette en ny model. - Vælg og klik på knappen Opret ny model , og angiv den webbaserede algoritmegrænseflade. Byg et kredsløbsdiagram ved hjælp af de medfølgende blokke, som vist i figur 1.
BEMÆRK: En anden driftsforstærker (op-amp) (Op-Amp2 i figur 1) bruges til at annullere 180° faseskiftet. For at sikre, at input, modstande og kondensator kan tunable, vælges en variabel kondensator og to variable modstande i ELECTRIC ELEMENTS-biblioteket og fire konstante blokke fra SOURCES-biblioteket fra biblioteket til venstre blok. - Dobbeltklik på de tilsvarende blokke for at angive parametre som angivet i tabel 1. Indstil diagrammets X-akseområde til 8 s.
BEMÆRK: Et popup-vindue udløses efter et dobbeltklik på blokken, som indeholder beskrivelserne af blokken og kan bruges til at indstille parameteren. Et eksempel på modstanden (R3) er illustreret i figur 1. - Klik på knappen Start simulering . simuleringsresultatet vil blive leveret i grænsefladen, som det er inkluderet i figur 1.
BEMÆRK: Dette trin passer også til de to andre eksempler med andre test rigge. Simuleringsresultaterne kan give brugerne oplysninger til at kontrollere det designede kredsløbsbaserede system igen for at undgå et forkert kredsløb. Et defekt kredsløb vil dog ikke skade brugerne eller systemet, så brugerne ikke behøver at bekymre sig om konsekvenserne. - Klik på knappen Start kompilering . Vent, indtil det designede blokdiagram er genereret til en eksekverbar kontrolalgoritme, der kan downloades og udføres i den fjernbetjening, der er installeret på testplatformsiden for at implementere kontrolalgoritmer.
BEMÆRK: Dette trin passer også til følgende eksperimenter med andre test rigge. - Udfør eksperimenter i realtid ved hjælp af den genererede kontrolalgoritme. Klik på knappen Anmod om kontrol for at ansøge om kontrol over kredsløbssystemet.
BEMÆRK: "Anmodningskontrol" er systemets planlægningsmekanisme. Når en bruger har fået kontrolprivilegiet, kan brugeren udføre eksperimenter med den tilsvarende testplatform. Kun én bruger kan besætte testplatformen ad gangen for fysiske test rigge, og køplanlægningsmekanismen er blevet implementeret for at planlægge andre potentielle brugere baseret på først til mølle-reglen11. For virtuelle test rigge, et massivt antal brugere kan samtidig understøttes. 500 samtidige brugereksperimenter er blevet testet effektivt. For det kredsløbsbaserede system kan 50 brugere få adgang til systemet ad gangen. - Klik på knappen Returner til undergrænsefladen Algoritmedesign . Find den eksekverbare kontrolalgoritme under panelet Private algoritmemodeller .
BEMÆRK: Den eksekverbare kontrolalgoritme kan også findes i panelet Min algoritme i undergrænsefladen Kontrolelementer . - Klik på knappen Udfør et eksperiment for at downloade den designede kontrolalgoritme til en fjernbetjening.
- Angiv undergrænsefladen Konfiguration , og klik på knappen Opret ny skærm for at konfigurere en overvågningsgrænseflade som vist i figur 2. Der medfølger fire tekstbokse til parameterjustering og ét kurvediagram til signalovervågning.
BEMÆRK: Diagrammet til højre i figur 2 er det samme diagram som det i venstre diagram, som blev tilføjet for at demonstrere dataene ved hjælp af knappen Afbryd . - Sammenkæd signalerne og parametrene med de valgte widgets.
BEMÆRK: Parameter/ Input, Parameter/ R0, Parameter/ R1 og Parameter/ C for henholdsvis fire tekstbokse og Parameter/ Input og Signal/ Output for kurvediagrammet. - Klik på knappen Start for at starte eksperimentet.
BEMÆRK: Dette trin passer også til følgende eksperimenter med andre test rigge. Brugerne kan gemme konfigurationen til senere brug. - Indstil indgangsspændingen til 0 V, stil kondensatoren C til 5 μF (0,000005 i figur 2), og indstil derefter indgangsspændingen til 1 V; den dynamiske proces af udgangsspændingen er illustreret i figur 2.
- Beregn de tilsvarende parametre K og T.
BEMÆRK: Tidskonstanten kan beregnes, når outputtet når 63,2% af den endelige værdi K efter t = T, hvilket er 0,63212. Fra figur 2 kan det ses, at tidsvarigheden er 1 s, således T = 1, hvilket er i overensstemmelse med teorien, hvor T = R1C = 200000 * 0,000005 = 1 og K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (hvilket er lig med den endelige værdi)12. Således kan første ordresystemet angives som:
.
.2. Eksempel 2: Interaktiv og visualiseret virtuel forsøgsprotokol
- Brug NCSLab-systemet til at udføre simulering og eksperimenter i realtid.
- Log på NCSLab-systemet. Angiv underlaboratoriet ProcessControl , og vælg dualTank-testplatformen , og angiv derefter undergrænsefladen Algorithm Design .
- Design en proportional-integral-derivat (PID) kontrolalgoritme ved hjælp af webgrænsefladen fra NCSLab efter de trin, der er beskrevet i eksempel 1. Figur 3 er et algoritmeeksempel for dobbelttanksystemet.
- Dobbeltklik på PID-controlleren, og tune parametrene for Proportional (P), Integral (I) og Afledt (D) vilkår. Sæt P = 1,12, I = henholdsvis 0,008 og D = 6,6.
BEMÆRK: P-, I- og D-termerne skal indstilles kombineret med simuleringsresultatet. - Klik på knappen Start simulering . simuleringsresultatet popper op, som er inkluderet i højre side af figur 3.
BEMÆRK: Det kan ses, at kontrolydelsen er god, og kontrolalgoritmen er klar til eksperimenter i realtid. - Generer den eksekverbare kontrolalgoritme efter de tidligere nævnte trin.
- Hent kontrolalgoritmen til fjernbetjeningen, og konfigurer en overvågningsgrænseflade med fire tekstbokse til henholdsvis Set_point, P, I og D.
- Medtag et diagram til overvågning af vandstanden og den tilsvarende Set_point. Vælg en 3D-widget, som kan give alle vinkler på testriggene og animationer af vandstand, der er forbundet med realtidsdata.
- Klik på knappen Start . Derefter aktiveres overvågningsgrænsefladen som vist i figur 4, som giver et visualiseret virtuelt eksperiment.
- Indstil Set_point fra 10 cm til 5 cm, og sæt derefter I = 0,1, når vandstandens højde i den kontrollerede tank når og stabiliserer sig ved 5 cm. Nulstil set-punktet fra 5 cm til 15 cm. det fremgår af figur 4 , at der er en overskridelse.
- Tune I fra 0,1 til 0,01 og nulstille set-point fra 15 cm til 25 cm. Det kan ses, at overskridelse er blevet elimineret, og vandstanden kan hurtigt stabilisere sig ved set-point værdi på 25 cm.
3. Eksempel 3: Forskning med fjern- og virtuelle laboratorier protokol
- Udfør et realtidseksperiment i NCSLab.
- Log ind i NCSLab-systemet, og vælg Fan Speed Control i fjernlaboratoriet.
- Angiv undergrænsefladen Algoritmedesign . Træk blokkene for at konstruere det interne modelkontroldiagram (IMC) som vist i figur 5.
BEMÆRK: F(er) og Gm(s)-1 er designet som vist i figur 5, hvor den designede kontrolalgoritme ved hjælp af NCSLab er illustreret til at styre et blæserhastighedskontrolsystem i en fjern- og virtuel laboratorietilstand. - Generer den eksekverbare kontrolalgoritme, og anvend ventilatorhastighedskontrolsystemet til at kontrollere den designede IMC-algoritme.
- Konfigurer en overvågningsgrænseflade. Link to tekstbokse med to parametre, nemlig Set_point og lambda (for λ som er filtertidskonstanten) til tuning og et realtidsdiagram med Set_point og Hastighed til overvågning. Vælg ventilatorens og kameraets widgets 3D-modeld widget til overvågning.
- Klik på knappen Start for at aktivere eksperimenter i realtid. Nulstil Set_point fra 2.000 omdr./min. til 1.500 omdr./min., og nulstil den derefter fra 1.500 omdr./min. til 2.500 omdr./min., hvis resultat vises i figur 6.
BEMÆRK: Det kan konkluderes, at når λ = 1 systemet kan stabiliseres til en trinreference.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det foreslåede laboratoriesystem er blevet brugt i flere forskellige disciple på Wuhan University, såsom Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering og andre universiteter, såsom Henan Agricultural University6.
Lærere / studerende / forskere er forsynet med stor fleksibilitet til at udforske systemet ved hjælp af forskellige virtuelle og / eller fysiske test rigge, definere deres kontrol algoritmer, og tilpasse deres overvågning interface; Brugere på forskellige niveauer kan således drage fordel af det foreslåede system. De visualiserede eksperimenter, der leveres af den foreslåede tilgang, kan potentielt forbedre forståelsen af teorier, begreber og formler.
Det foreslåede system kan bruges til forskellige typer algoritmedesign (figur 1 og figur 3 er to eksempler) og multiformål såsom undervisning, læring og forskning (tre protokoller kan betragtes som tre anvendelseseksempler). Første ordresystemet er et eksempel på, at systemet kan anvendes på typisk systemanalyse ved hjælp af kredsløbsbaserede diagrammer.
Figur 3 og figur 5 viser, at det foreslåede onlinelaboratorium kan designe enkle og komplekse kontrolalgoritmer ved hjælp af de designede blokke, verificeret gennem simulering og realtidseksperimenter med henholdsvis 3D virtuelle og fysiske testrigge, som vist i figur 4 og figur 6.
De tre eksempler viser, at det foreslåede interaktive og visualiserede laboratorium kan opnå følgende visualisering som nævnt. (1) Teori, formler og skematiske diagrammer kan visualiseres gennem webbaseret algoritmedesign og -implementering, som simulering og eksperimenter kan udføres med. (2) Med støtte fra de virtuelle 3D-testrigge kan eksperimentelle processer visualiseres i mangel af fysiske testrigge og kameraer, der anvendes på testplatformstedet. I fjerntliggende laboratorier kan integrationen af 3D-testrigge også gavne brugerne, så brugerne kan se detaljerne i testriggene fra forskellige vinkler. Ved at kombinere 3D virtuelle test rigge med fysiske test rigge på den fjerne side kan potentielt forbedre brugeroplevelsen. (3) Ved hjælp af udviklede widgets som et diagram, en kamera widget, og en tekstboks, overvågning og kontrol under den eksperimentelle proces kan visualiseres.
Figur 1: Opførelse af første ordresystemet med blokke fra biblioteket ELEKTRISKE ELEMENTER i NCSLab. Brugeren kan trække en hvilken som helst blok fra biblioteket i venstre blok og oprette et system ved at sammenkæde de markerede blokke korrekt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Realtidseksperiment af første ordresystemet med den designede kontrolalgoritme. Parametrene kan indstilles, og signalerne kan overvåges med de medfølgende widgets. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Webbaseret PID-styringsalgoritmedesign og -implementering til dobbelttanksystemet. Simuleringsresultatet er inkluderet, hvilket viser, at vandstanden i den anden tank kan styres til set-point-værdien på 10 cm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Eksperimenter i realtid med dobbelttanksystemet. Efter tuning af den integrerede sigt fra 0,1 til 0,01 nulstilles set-pointet fra 15 cm til 25 cm. Det kan ses, at overskridelse er blevet elimineret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: IMC-styring af ventilatorens hastighedskontrolsystem. Den inverse model af den identificerede ventilatormodel er en forkert overførselsfunktion (for en korrekt overførselsfunktion skal rækkefølgen af overførselsfunktions tælleren være mindre end eller lig med nævnerens rækkefølge), som er konstrueret med generelle blokke baseret på den identificerede model. For at aktivere et tunable filter er filteret også bygget med blokke. Lambda i figuren repræsenterer den gensidige af λ i ligning 6 og kan indstilles nemt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Realtidskontrol og overvågning af blæserhastighed ved hjælp af ventilatorhastighedskontrol-fjernbetjeningen kombineret med et 3D virtuelt blæsersystem. Det fysiske ventilatorsystem er placeret på Wuhan University og leverer fjernlaboratorietjenester til brugere over hele verden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Skemadiagram over første ordresystemet. Første ordre kredsløb design og implementering i NCSLab er baseret på dette diagram. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: 3D virtuelt dobbelt tanksystem i NCSLab. Formålet med styringen er at kontrollere vandstanden i den anden tank til set-point-værdien. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Skematisk for den interne modelstyringsarkitektur. Gm(er) er modellen for den virkelige plante G(s), Gm(s)-1 er den inverse model af Gm(s), F(er) og er filteret. F(erne), Gm(erne)-1 og Gm(erne) udgør IMC-controlleren. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Parameter | Værdi |
| R0 | 200 kΩ |
| R1 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 kΩ |
| R3 | 200 kΩ |
| Indgang | 1 V |
Tabel 1: Parameterkonfigurationer for første ordrekredsløbssystemet. R2 og R3 bruges til at annullere faseskiftet kombineret med op-ampen.
Supplerende figur 1: Simulationsadvarselsgrænseflade, når en bruger ikke kan jorde et kredsløb. Resultatet vil advare brugerne, hvilket kan hjælpe dem med at kontrollere det designede kredsløb igen. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 2: Kompilering advarsel interface, når en bruger undlader at jorden et kredsløb. Resultatet vil advare brugerne, hvilket kan hjælpe dem med at kontrollere det designede kredsløb igen. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 3: Simuleringsresultat, når en bruger vender kondensatorens polaritet. En almindelig kondensator i stedet for den variable kondensator er blevet valgt for at illustrere dette eksempel. Der vises ingen advarselsmeddelelse, og resultatet svarer til supplerende figur 4. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 4: Simuleringsresultat, når kondensatorens polaritet er korrekt. En almindelig kondensator i stedet for den variable kondensator er blevet valgt for at illustrere dette eksempel. Simuleringsresultatet dukker op for at hjælpe brugerne med at kontrollere kredsløbet. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den præsenterede protokol beskriver en hybrid online laboratorium system, der integrerer fysiske test rigge til fjerneksperimenter og 3-D virtuelle test rigge til virtuelle eksperimenter. Flere forskellige blokbiblioteker er til rådighed for algoritmedesignprocessen, såsom de elektriske elementer til kredsløbsbaseret design. Brugere fra kontrol baggrunde kan fokusere på læring uden programmering færdigheder. Det korrekte design af en kontrolalgoritme, der kan anvendes på en passende testplatform, bør overvejes. Det er også udfordrende at designe en controller for at garantere en god kontrolydelse (i betragtning af kontrolydelsesindekset, herunder overskridelse, afregningstid og stabil fejl), før du anvender den på den kontrollerede testplatform. Før du udarbejder en kontrolalgoritme, der kan bruges til eksperimenter i realtid, skal simulering udføres for at løse potentielle problemer. Kontrolalgoritmer kan anvendes på andre forskellige test rigge ved hjælp af systemet, når de er integreret i det foreslåede system.
Baggrunden og den teoretiske viden om de tre eksempler er som følger.
For første ordenssystemet kan princippet om første ordenssystemet analyseres ved hjælp af kredsløbsteori med det medfølgende kredsløb i figur 7. Ifølge kredsløbsteori12 kan følgende to ligninger opnås. Fra inputsiden af op-ampen er strømmen
(1)
Fra outputsiden af op-amp, ligning 2 kan opnås
(2)
hvor 
er impedansen af RC's parallelle kredsløb.
Ved at kombinere ligning 1 og 2 kan systemets overførselsfunktion beregnes som
(3)
hvor minustegnet (-) angiver et 180° faseskift af udgangsspændingen, som overses i analysen i de følgende trin.
Betegner K = R1/R0, T = R1C, og derefter kan systemets overførselsfunktion repræsenteres som
(4)
For dobbelttanksystemet er det designede 3D-vandtanksystem illustreret i figur 8. Design og implementering af en tidligere version ved hjælp af Flash er blevet udforsket i W. Hu et al. arbejde i 201413. Kontrolformålet med denne testrig er at styre vandstanden i den anden tank til værdien af det indstillede punkt. En PID-controller er blevet brugt til at styre den dobbelte tank. Teoretisk set kan PID udtrykkes som 14
(5)
hvor Kp, Ki, Kd er koefficienterne for henholdsvis P, I og D.
IMC er enkel at tune med god set-point tracking ydeevne og har været meget brugt til at kontrollere det virkelige liv applikationer15. Kontrolarkitekturen i IMC er vist i figur 9, hvor G(s) er den virkelige plante, og Gm(s) er plantens model. Gm(er) opnås normalt gennem systemidentifikation. Gm(s)-1 er den inverse model af Gm(er), og F(er) er filteret. R(er), Y(er) og E(er) er henholdsvis reference, output og fejl. F(erne), Gm(erne)-1 og Gm(erne) udgør IMC-controlleren. Der bruges et standardfilter F(er)16 i dette arbejde som ligning 6
, (6)
hvor λ er filtertidskonstanten, og rækkefølge n er valgt for at sikre en korrekt eller halv korrekt IMC-kompensator (F(s)*Gm(s)-1).
IMC-kontrolalgoritmen er designet og anvendt til at styre det fysiske blæserhastighedssystem gennem beregning, analyse og korrekt design. I dette arbejde repræsenterer G(er) et fysisk fanhastighedskontrolsystem, hvis model-Gm(er) er identificeret som et andenrangssystem
. (7)
Rækkefølgen n af filter F(erne) er angivet til 1. Til tuning formål, lambda i figur 5 repræsenterer den gensidige af λ i ligning 6 og kan let tunet. Filteret er indstillet til at være følgende
. (8)
Webbaseret algoritmedesign giver brugere på et avanceret niveau mulighed for at designe mere komplekse algoritmer med understøttelse af S-funktion. Der overvejes imidlertid mere avancerede kontrolstrategier for forskning og uddannelse, såsom kontrolstrategier for multiagentsystemer eller netværksstrategier med tidsbegrænsninger, for yderligere opgradering af det foreslåede laboratoriesystem.
Det kredsløbsbaserede system er baseret på simulering. En af fordelene ved simulering er, at brugerne kan udføre deres operationer frit. De behøver ikke at bekymre sig om konsekvenserne, da deres fejloperation ikke vil skade sig selv og systemet og test rigge, især i et online eksperimenteringssystem.
Når et kredsløbsbaseret system er designet, skal brugeren køre en simulering. I nogle tilfælde, såsom ikke at jorde kredsløbet, vil simulerings- og kompileringsresultaterne advare brugerne, hvilket kan hjælpe dem med at kontrollere det designede kredsløb igen (supplerende figur 1 og supplerende figur 2). I andre tilfælde, f.eks. hvis kondensatorens polaritet (supplerende figur 3) vendes, vises der ingen advarselsmeddelelse, når en bruger forsøger at foretage en simulering eller kompilering, hvis resultat svarer til resultatet af et korrekt kredsløb som vist i supplerende figur 4.
I øjeblikket er den største begrænsning af online-eksperimentationssystemet, at det primært kan bruges til brugere med en kontrolbaggrund. Det kredsløbsbaserede system kan kun bruges til simulering uden hardwareopsætninger. For at dække forskellige tekniske områder kan hardware til kredsløbssystemer, der kan anvendes på elektro- og elektronikteknik, integreres. Flere test rigge til andre områder bør også overvejes.
Sammenlignet med MATLAB/Simulink kræves der ikke et selvstændigt MATLAB/Simulink for hver bruger ved hjælp af den foreslåede metode. Desuden er eksperimenter i realtid med 3D virtuelle test rigge og fysiske test rigge mere end ren simulering i det foreslåede laboratorium. Sammenlignet med matlab/simulink-baserede fjernlaboratorium præsenteret af I. Santana et al.9, kan det foreslåede laboratorium bruges til at designe controllere og hele kontrolsystemet med det kredsløbsbaserede system, 3D virtuelle og fysiske testrigge. Eksperimenteringsmiljø (EE) tilbyder praktiske controllerdesignmetoder med Blockly-baseret visuelt design til enkle eksperimenter og et JavaScript-baseret tekstdesign til komplekse eksperimenter5. I betragtning af at eleverne er mere fortrolige med MATLAB / Simulink, kan en blokbaseret algoritmedesigngrænseflade svarende til MATLAB / Simulink være en god mulighed for at designe styresystemet.
Det foreslåede system kan bruges til undervisning, læring og forskning for lærere, studerende og forskere. I øjeblikket er systemet hovedsageligt blevet brugt i kontrol engineering-relaterede discipliner. Systemet kan potentielt anvendes til elektro- og elektronikteknik, industriel elektronik og industriel styring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China under Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 og 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).
