Summary
Bu çalışma, teorilerin, kavramların ve formüllerin görselleştirilmesi, deneysel sürecin üç boyutlu (3-B) sanal test donanımlarıyla görselleştirilmesi ve grafikler ve kameralar gibi widget'lar kullanılarak kontrol ve izleme sisteminin görselleştirilmesi de dahil olmak üzere görselleştirilmiş deneyler sağlayan çevrimiçi bir deney sistemini açıklar.
Abstract
Mühendislik eğitiminde deneyler çok önemlidir. Bu çalışma, öğretim ve öğrenme ve aynı zamanda araştırma için çevrimiçi laboratuvarlarda görselleştirilmiş deneyleri araştırmaktadır. Teori destekli algoritma uygulaması, web tabanlı algoritma tasarımı, özelleştirilebilir izleme arayüzü ve üç boyutlu (3-B) sanal test donanımları dahil olmak üzere etkileşimli ve görselleştirme özellikleri tartışılmaktadır. Önerilen laboratuvarların özelliklerini ve işlevlerini göstermek için, elektrik elemanları ile devre tabanlı bir sistem kullanılarak birinci sınıf sistem keşfi, sanal ve uzaktan denemeler için web tabanlı kontrol algoritması tasarımı dahil olmak üzere üç örnek verilmiştir. Kullanıcı tarafından tasarlanan kontrol algoritmaları kullanılarak, yalnızca simülasyonlar gerçekleştirilemez, aynı zamanda tasarlanan kontrol algoritmaları yürütülebilir kontrol algoritmalarına derlendikten sonra gerçek zamanlı deneyler de yapılabilir. Önerilen çevrimiçi laboratuvar ayrıca, kullanıcıların metin kutusu, grafik, 3-B ve kamera widget'ı gibi sağlanan widget'ları kullanarak kullanıcı arayüzlerini özelleştirebilecekleri özelleştirilebilir bir izleme arayüzü sağlar. Öğretmenler sistemi sınıfta çevrimiçi gösterim için, öğrenciler sınıf sonrası deneyler için ve araştırmacılar kontrol stratejilerini doğrulamak için kullanabilir.
Introduction
Laboratuvarlar araştırma ve eğitim için hayati altyapıdır. Konvansiyonel laboratuvarlar, örneğin uygun olmayan satın almalar ve bakım maliyeti, güvenlik konuları ve koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) pandemisi gibi krizler gibi farklı nedenlerle mevcut olmadığında ve/veya erişilebilir olmadığında, çevrimiçi laboratuvarlar alternatifler sunabilir1,2,3. Geleneksel laboratuvarlar gibi, çevrimiçi laboratuvarlarda etkileşimli özellikler4 ve özelleştirilebilir deneyler5 gibi önemli ilerlemeler sağlanmıştır. COVID-19 salgını öncesinde ve sırasında, çevrimiçi laboratuvarlar dünya çapında kullanıcılara deneysel hizmetler sunmaktadır6,7.
Çevrimiçi laboratuvarlar arasında, uzak laboratuvarlar, fiziksel test makineleri ve kameralar desteğiyle kullanıcılara uygulamalı deneylere benzer bir deneyim sunabilir8. İnternet, iletişim, bilgisayar grafikleri ve render teknolojilerinin ilerlemesiyle sanal laboratuvarlar geleneksel laboratuvarlara da alternatifler sunar1. Uzaktan ve sanal laboratuvarların araştırma ve eğitimi destekleme etkinliği ilgili literatürde doğrulanmıştır1,9,10.
Görselleştirilmiş deneyler sağlamak çevrimiçi laboratuvarlar için çok önemlidir ve çevrimiçi deneylerde görselleştirme bir trend haline gelmiştir. Çevrimiçi laboratuvarlarda eğri grafikleri, iki boyutlu (2-B) test makineleri ve üç boyutlu (3-B) test makineleri11 gibi farklı görselleştirme teknikleri elde edilir. Kontrol eğitiminde, çok sayıda teori, kavram ve formül anlaşılması belirsizdir; bu nedenle, görselleştirilmiş deneyler öğretimi, öğrenci öğrenimi ve araştırmayı geliştirmek için hayati öneme sahiptir. İlgili görselleştirme aşağıdaki üç kategoride sonuçlanabilir: (1) Simülasyon ve denemelerin gerçekleştirilebileceği web tabanlı algoritma tasarımı ve uygulaması ile teorileri, kavramları ve formülleri görselleştirmek; (2) Deneysel süreci 3-B sanal test makineleri ile görselleştirmek; (3) Grafik ve kamera widget'ı gibi widget'ları kullanarak kontrolü ve izlemeyi görselleştirme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu çalışmada, Ağlı Kontrol Sistemi Laboratuvarı (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react) aracılığıyla erişilebilen öğretim ve öğrenme ve araştırmayı geliştirmek için üç ayrı görselleştirilmiş örnek verilmiştir.
1. Örnek 1: Devre tabanlı deneme protokolü kullanan birinci sınıf sistem
- NCSLab sistemine erişin.
- Genel bir web tarayıcısı açın ve URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react girin.
- Sisteme giriş yapmak için ana sayfanın sol tarafındaki Denemeyi Başlat düğmesine tıklayın. Kullanıcı adı: whutest; şifre: whutest.
NOT: Bu adım diğer iki örnek için de uygundur (Örnek 2 ve Örnek 3). - WhuLab'ı sol taraftaki alt laboratuvar listesine girin ve deneme için WHUtypicalLinks'i seçin.
NOT: Simülasyon ve gerçek zamanlı denemeleri desteklemek için altı alt arabirim farklı amaçlar için tasarlanmış ve uygulanmıştır. - Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin.
NOT: Kullanıcı, diğer yetkili kullanıcılar tarafından tasarlanan ve paylaşılan bir genel algoritma modeli seçebilir veya yeni bir model oluşturabilir. - Yeni Model Oluştur düğmesini seçip tıklayın ve web tabanlı algoritma arabirimini girin. Şekil 1'de gösterildiği gibi, sağlanan blokları kullanarak bir devre diyagramı oluşturun.
NOT: 180° faz değişimini iptal etmek için başka bir operasyonel amplifikatör (op-amp) ( Şekil 1'deki Op-Amp2) kullanılır. Girişin, dirençlerin ve kondansatörün ayarlanabilir olmasını sağlamak için, ELEKTRİk ELEMANLARI kitaplığındaki bir değişken kapasitör ve iki değişken direnç ve SOURCES kitaplığından dört sabit blok sol taraftaki blok kitaplığı panelinden seçilir. - Tablo 1'de listelenen parametreleri ayarlamak için karşılık gelen blokları çift tıklatın. Grafiğin X ekseni aralığını 8 s olarak ayarlayın.
NOT: Bloğun açıklamalarını içeren ve parametreyi ayarlamak için kullanılabilecek bloğa çift tıklatılan bir açılır pencere tetiklenir. Direnç (R3) örneği Şekil 1'de gösterilmiştir. - Simülasyon başlat düğmesine tıklayın; simülasyon sonucu Şekil 1'de yer aldığı gibi arayüzde sağlanacaktır.
NOT: Bu adım, diğer test donanımları ile diğer iki örneğe de uygundur. Simülasyon sonuçları, kullanıcıların yanlış bir devreyi önlemek için tasarlanmış devre tabanlı sistemi yeniden kontrol etmelerine yönelik bilgiler sağlayabilir. Bununla birlikte, hatalı bir devre kullanıcılara veya sisteme zarar vermez, bu nedenle kullanıcıların sonuçları hakkında endişelenmesine gerek yoktur. - Derlemeyi Başlat düğmesine tıklayın. Tasarlanan blok diyagramı, denetim algoritmalarını uygulamak için test donanımı tarafında dağıtılan uzaktan kumandaya indirilebilen ve yürütülebilen yürütülebilir bir denetim algoritmasına oluşturulana kadar bekleyin.
NOT: Bu adım, diğer test donanımlarıyla aşağıdaki denemelere de uygundur. - Oluşturulan kontrol algoritmasını kullanarak gerçek zamanlı denemeler yapın. Devre sisteminin kontrolüne başvurmak için Kontrol İste düğmesine tıklayın.
NOT: "İstek denetimi" sistemin zamanlama mekanizmasıdır. Bir kullanıcıya denetim ayrıcalığı verildikten sonra, kullanıcı ilgili test donanımıyla denemeler yapabilir. Fiziksel test donanımları için aynı anda yalnızca bir kullanıcı test teçhizatını işgal edebilir ve sıra zamanlama mekanizması, diğer potansiyel kullanıcıları İlk Gelen İlk Hizmet Kuralı11'e göre zamanlamak için uygulanmıştır. Sanal test donanımları için aynı anda çok sayıda kullanıcı desteklenebilir. 500 eşzamanlı kullanıcı denemesi etkin bir şekilde test edilmiştir. Devre tabanlı sistem için aynı anda 50 kullanıcı sisteme erişebilir. - Algoritma Tasarımı alt arabirimine dön düğmesini tıklatın. Özel Algoritma Modelleri paneli altında yürütülebilir denetim algoritmasını bulun.
NOT: Yürütülebilir denetim algoritması, Denetim Algoritması alt arabirimindeki Algoritmam panelinde de bulunabilir. - Tasarlanmış kontrol algoritmasını uzaktan kumandaya indirmek için Deneme Yap düğmesine tıklayın.
- Yapılandırma alt arabirimini girin ve Şekil 2'de gösterildiği gibi bir izleme arabirimi yapılandırmak için Yeni Monitör Oluştur düğmesini tıklatın. Parametre ayarlama için dört metin kutusu ve sinyal izleme için bir eğri grafiği dahildir.
NOT: Şekil 2'de sağdaki grafik, Askıya Al düğmesini kullanarak verileri göstermek için eklenen soldaki grafikle aynıdır. - Sinyalleri ve parametreleri seçilen widget'larla bağlayın.
NOT: Sırasıyla dört metin kutusu için Parametre/ Giriş, Parametre/ R0, Parametre / R1 ve Parametre / C ve eğri grafiği için Parametre / Giriş ve Sinyal / Çıkış . - Denemeyi başlatmak için Başlat düğmesine tıklayın.
NOT: Bu adım, diğer test donanımlarıyla aşağıdaki denemelere de uygundur. Kullanıcılar yapılandırmayı ileride kullanmak üzere kaydedebilir. - Giriş voltajını 0 V olarak ayarlayın, C kondansatörünü 5 μF'ye ( Şekil 2'de 0,000005) ayarlayın ve ardından giriş voltajını 1 V'a ayarlayın; çıkış geriliminin dinamik süreci Şekil 2'de gösterilmiştir.
- İlgili K ve T parametrelerini hesaplayın.
NOT: Çıkış 0,63212 olan t = T'den sonra son K değerinin %63,2'sına ulaştığında zaman sabiti hesaplanabilir. Şekil 2'den itibaren, zaman süresinin 1 s olduğu görülebilir, bu nedenle T = 1, T = R1C = 200000*0.000005 = 1 ve K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (son değere eşittir)12 teorisi ile tutarlıdır. Böylece, ilk sipariş sistemi olarak belirtilebilir:
.
.2. Örnek 2: Etkileşimli ve görselleştirilmiş sanal deney protokolü
- Simülasyon ve gerçek zamanlı denemeler yapmak için NCSLab sistemini kullanın.
- NCSLab sistemine giriş yapın. ProcessControl alt laboratuvarına girin ve dualTank test teçhizatını seçin ve ardından Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin.
- Örnek 1'de açıklanan adımları izleyerek NCSLab tarafından sağlanan web arabirimini kullanarak orantılı integral türev (PID) kontrol algoritması tasarlayın. Şekil 3 , çift tank sistemi için bir algoritma örneğidir.
- PID denetleyicisine çift tıklayın ve Orantılı (P), İntegral (I) ve Türev (D) terimleri için parametreleri ayarlayın. Sırasıyla P = 1.12, I = 0.008 ve D = 6.6 olarak ayarlayın.
NOT: P, I ve D terimleri simülasyon sonucuyla birleştirilmelidir. - Simülasyon başlat düğmesine tıklayın; Şekil 3'ün sağ tarafında bulunan simülasyon sonucu açılır.
NOT: Kontrol performansının iyi olduğu ve kontrol algoritmasının gerçek zamanlı denemelere hazır olduğu görülebilir. - Daha önce bahsedilen adımları izleyerek yürütülebilir denetim algoritmasını oluşturun.
- Denetim algoritmasını uzaktan kumandaya indirin ve sırasıyla Set_point, P, I ve D için dört metin kutusu içeren bir izleme arabirimi yapılandırın.
- Su seviyesini ve ilgili Set_point izlemek için bir grafik ekleyin. Test kulelerinin tüm açılarını ve gerçek zamanlı verilerle bağlantılı su seviyesinin animasyonlarını sağlayabilen bir 3-B widget seçin.
- Başlat düğmesine tıklayın; daha sonra, izleme arayüzü görselleştirilmiş bir sanal deneme sağlayan Şekil 4'te gösterildiği gibi etkinleştirilir.
- Set_point 10 cm'den 5 cm'ye ayarlayın ve ardından kontrollü tanktaki su seviyesinin yüksekliği 5 cm'ye ulaştığında ve dengelendiğinde I = 0,1 olarak ayarlayın. Ayar noktasını 5 cm'den 15 cm'ye sıfırlayın; Şekil 4'ten bir fazla çekim olduğu görülebilir.
- I'yi 0,1 ila 0,01 arasında ayarlayın ve ayar noktasını 15 cm'den 25 cm'ye sıfırlayın. Overshoot'un ortadan kaldırdığı ve su seviyesinin 25 cm'lik ayar noktası değerinde hızla stabilize edilebildiği görülebilir.
3. Örnek 3: Uzaktan ve sanal laboratuvarlar protokolü ile araştırma
- NCSLab'da gerçek zamanlı bir deney yapın.
- NCSLab sistemine giriş yapın ve Uzak Laboratuvar alt laboratuvarında Fan Hızı Kontrolü'nü seçin.
- Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin. Şekil 5'te gösterildiği gibi iç model denetimi (IMC) denetim algoritması diyagramını oluşturmak için blokları sürükleyin.
NOT: F(ler) ve Gm(ler)-1, NCSLab kullanan tasarlanmış kontrol algoritmasının bir fan hız kontrol sistemini uzaktan ve sanal laboratuvar modunda kontrol etmek için gösterildiği Şekil 5'te gösterildiği gibi tasarlanmıştır. - Çalıştırılabilir kontrol algoritmasını oluşturun ve tasarlanan IMC algoritmasını doğrulamak için fan hız kontrol sistemini kullanın.
- İzleme arabirimi yapılandırın. ayarlama için Set_point ve lambda (filtre süresi sabiti olan φ için) ve izleme için Set_point ve Hız ile gerçek zamanlı bir grafik olmak üzere iki parametreyle iki metin kutusu bağlayın. İzleme için fanın 3-B model widget'ını ve kamera widget'ını seçin.
- Gerçek zamanlı denemeleri etkinleştirmek için Başlat düğmesine tıklayın. Set_point 2.000 rpm'den 1.500 rpm'ye sıfırlayın ve ardından 1.500 rpm'den 2.500 rpm'ye sıfırlayın, bunun sonucu Şekil 6'da gösterilir.
NOT: φ = 1 olduğunda sistemin bir adım referansı için stabilize edilebileceği sonucuna varılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Önerilen laboratuvar sistemi, Wuhan Üniversitesi'nde Otomasyon, Güç ve Enerji Mühendisliği, Makine Mühendisliği ve Henan Tarım Üniversitesi6 gibi diğer üniversiteler gibi birkaç farklı öğrencide kullanılmıştır.
Öğretmenlere/öğrencilere/araştırmacılara, farklı sanal ve/veya fiziksel test donanımlarını kullanarak sistemi keşfetmeleri, kontrol algoritmalarını tanımlamaları ve izleme arayüzlerini özelleştirmeleri için büyük esneklik sağlanır; böylece, farklı seviyelerdeki kullanıcılar önerilen sistemden yararlanabilir. Önerilen yaklaşım tarafından sağlanan görselleştirilmiş deneyler, teorileri, kavramları ve formülleri anlamayı potansiyel olarak geliştirebilir.
Önerilen sistem farklı algoritma tasarımı türleri (Şekil 1 ve Şekil 3 iki örnektir) ve öğretim, öğrenme ve araştırma gibi çok amaçlı (üç protokol üç uygulama örneği olarak kabul edilebilir) için kullanılabilir. Birinci sınıf sistem, sistemin devre tabanlı diyagramlar kullanılarak tipik sistem analizine uygulanabileceğine bir örnektir.
Şekil 3 ve Şekil 5 , önerilen çevrimiçi laboratuvarın, Şekil 4 ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, sırasıyla 3-B sanal ve fiziksel test makineleriyle simülasyon ve gerçek zamanlı denemeler yoluyla doğrulanan, tasarlanmış blokları kullanarak basit ve karmaşık kontrol algoritmaları tasarlayabileceğini göstermektedir.
Üç örnek, önerilen etkileşimli ve görselleştirilmiş laboratuvarın yukarıda belirtildiği gibi aşağıdaki görselleştirmeyi elde edebileceğini göstermektedir. (1) Teori, formüller ve şematik diyagramlar, simülasyon ve denemelerin gerçekleştirilebileceği web tabanlı algoritma tasarımı ve uygulaması ile görselleştirilebilir. (2) 3-B sanal test makinelerinin desteğiyle, test teçhizatı sahasında konuşlandırılan fiziksel test makineleri ve kameraların yokluğunda deneysel süreçler görselleştirilebilir. Uzak laboratuvarlarda, 3-B test makinelerinin entegrasyonu da kullanıcılara fayda sağlayabilir ve kullanıcıların test makinelerinin ayrıntılarını farklı açılardan görüntülemelerini sağlar. 3-B sanal test donanımlarını uzak taraftaki fiziksel test donanımlarıyla birleştirmek, kullanıcı deneyimini potansiyel olarak artırabilir. (3) Grafik, kamera widget'ı ve metin kutusu gibi gelişmiş widget'lar kullanılarak, deneysel işlem sırasında izleme ve kontrol görselleştirilebilir.
Şekil 1: NCSLab'daki ELEKTRİkLİ ELEMANLAR kütüphanesinden bloklarla birinci sınıf sistemin inşası. Kullanıcı, herhangi bir bloğu sol blok kitaplığı panelinden sürükleyebilir ve seçilen blokları düzgün bir şekilde bağlayarak bir sistem oluşturabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: tasarlanan kontrol algoritması ile birinci sınıf sistemin gerçek zamanlı deneyi. Parametreler ayarlanabilir ve sinyaller sağlanan widget'larla izlenebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Çift tank sistemi için web tabanlı PID kontrol algoritması tasarımı ve uygulaması. simülasyon sonucu dahildir, bu da ikinci tankın su seviyesinin 10 cm'lik ayar noktası değerine kadar kontrol edilebileceğini gösterir .
Şekil 4: Çift tank sistemi ile gerçek zamanlı deneme. İntegral terimi 0,1'den 0,01'e ayarladıktan sonra, ayar noktası 15 cm'den 25 cm'ye sıfırlanır. Overshoot'un ortadan kaldırılmış olduğu görülebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Fan hız kontrol sisteminin IMC kontrolü. Tanımlanan fan modelinin ters modeli, yanlış bir aktarım işlevidir (uygun bir aktarım işlevi için, transfer işlevi paydasının sırası, tanımlanan modele dayalı genel bloklarla oluşturulan paydanın sırasından küçük veya eşit olmalıdır). Ayarlanabilir bir filtreyi etkinleştirmek için filtre de bloklarla oluşturulmuş. Şekildeki lambda, Denklem 6'daki φ'nin karşılıklısını temsil eder ve kolayca ayarlanabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Fan hız kontrolü uzak laboratuvarı kullanılarak gerçek zamanlı kontrol ve fan hızı izleme, 3 boyutlu sanal fan sistemi ile birlikte. Fiziksel fan sistemi Wuhan Üniversitesi'nde bulunur ve dünya çapındaki kullanıcılara uzaktan laboratuvar hizmetleri sunar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Birinci sınıf sistemin şematik diyagramı. NCSLab'daki birinci sınıf devre tasarımı ve uygulaması bu diyagramı temel almaktadır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: NCSLab'da 3 boyutlu sanal çift tank sistemi. Kontrolün amacı, ikinci tanktaki su seviyesini ayarlanan nokta değerine kadar kontrol etmektir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: İç model kontrol mimarisinin şeması. Gm(ler) gerçek bitki G(ler) modelidir, Gm(ler)-1 Gm(ler), F(ler) ters modelidir ve filtredir. F(ler), Gm(ler)-1 ve Gm(ler) IMC denetleyicisini oluşturur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Parametre | Değer |
| R0 | 200 kΩ |
| R1 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 kΩ |
| R3 | 200 kΩ |
| Girdi | 1 V |
Tablo 1: Birinci sınıf devre sistemi için parametre konfigürasyonları. R2 ve R3 , op-amp ile birlikte faz değişimini iptal etmek için kullanılır.
Tamamlayıcı Şekil 1: Kullanıcı bir devreyi topraklayamadığında simülasyon uyarı arayüzü. Sonuç, kullanıcıları uyaracak ve bu da tasarlanan devreyi yeniden kontrol etmelerine yardımcı olabilir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Tamamlayıcı Şekil 2: Kullanıcı bir devreyi topraklayamadığında derleme uyarı arabirimi. Sonuç, kullanıcıları uyaracak ve bu da tasarlanan devreyi yeniden kontrol etmelerine yardımcı olabilir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Tamamlayıcı Şekil 3: Bir kullanıcı kondansatörün polaritesini tersine çevirdiğinde simülasyon sonucu. Bu örneği göstermek için değişken kondansatör yerine normal bir kondansatör seçildi. Hiçbir uyarı iletisi gösterilmez ve sonuç Ek Şekil 4'e benzer. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Şekil 4: Kondansatörün polaritesi doğru olduğunda simülasyon sonucu. Bu örneği göstermek için değişken kondansatör yerine normal bir kondansatör seçildi. Simülasyon sonucu, kullanıcıların devreyi kontrol etmelerine yardımcı olmak için açılır. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sunulan protokol, uzaktan deneme için fiziksel test makinelerini ve sanal deneme için 3-B sanal test makinelerini entegre eden hibrit bir çevrimiçi laboratuvar sistemini tanımlamaktadır. Algoritma tasarım süreci için devre tabanlı tasarım için elektrik elemanları gibi birkaç farklı blok kütüphanesi sağlanmaktadır. Kontrol geçmişinden kullanıcılar programlama becerileri olmadan öğrenmeye odaklanabilir. Uygun bir test donanımına uygulanabilecek bir kontrol algoritmasının uygun tasarımı düşünülmelidir. Kontrol edilen test donanımına uygulamadan önce iyi bir kontrol performansını (aşırı çekim, yerleşme süresi ve sabit hata dahil kontrol performans endeksi göz önünde bulundurularak) garanti etmek için bir denetleyici tasarlamak da zordur. Gerçek zamanlı denemeler için kullanılabilecek bir kontrol algoritması derlemeden önce, olası sorunları ele almak için simülasyon yapılmalıdır. Kontrol algoritmaları, önerilen sisteme entegre edildikten sonra sistemi kullanan diğer farklı test makinelerine uygulanabilir.
Üç örnekle ilgili arka plan ve teorik bilgiler aşağıdaki gibidir.
Birinci sıra sistemi için şekil 7'de yer alan sağlanan devre ile devre teorisi kullanılarak birinci sıra sistemi prensibi analiz edilebilir. Devre teorisi12'ye göre aşağıdaki iki denklem elde edilebilir. Op-amp'nin giriş tarafı görünümünden, akım
(1)
Op-amp'nin çıkış tarafı görünümünden Denklem 2 elde edilebilir
(2)
RC paralel devresinin empedansı nerededir 
.
Denklem 1 ve 2 birleştirilerek, sistemin aktarım işlevi
(3)
eksi işaretinin (-) aşağıdaki adımlarda analizde ihmal edilen çıkış geriliminin 180° faz kaydığını gösterdiği.
K = R1/R0, T = R1C'yi belirtir ve ardından sistemin aktarım işlevi
(4)
Çift tank sistemi için, tasarlanan 3-B su deposu sistemi Şekil 8'de gösterilmiştir. Flash kullanarak önceki bir sürümün tasarımı ve uygulanması, 201413'te W. Hu ve ark.'ın çalışmalarında araştırıldı. Bu test teçhizatının kontrol amacı, ikinci tanktaki su seviyesini ayarlanan noktanın değerine kadar kontrol etmektir. Çift tankı kontrol etmek için bir PID denetleyicisi kullanılmıştır. Teorik olarak, PID 14 olarak ifade edilebilir
(5)
burada Kp, Ki, Kd sırasıyla P, I ve D terimlerinin katsayılarıdır.
IMC'nin iyi set noktası izleme performansıyla ayar yapması kolaydır ve gerçek hayattaki uygulamaları kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmıştır15. IMC'nin kontrol mimarisi, G(ler)in gerçek bitki olduğu ve Gm(ler)in bitkinin modeli olduğu Şekil 9'da gösterilmiştir. Gm(ler) genellikle sistem tanımlaması ile elde edilir. Gm(ler)-1, Gm'ler'in ters modelidir ve F(ler) filtredir. R(ler), Y'ler ve E(ler) sırasıyla başvuru, çıktı ve hatadır. F(ler), Gm(ler)-1 ve Gm(ler) IMC denetleyicisini oluşturur. Bu çalışmada Denklem 6 olarak standart varsayılan filtre F(ler)16 kullanılır
, (6)
burada filtre süresi sabitidir ve uygun veya yarı uygun bir IMC kompansatör (F(ler)*Gm(ler)-1 sağlamak için n sırası seçilir.
IMC kontrol algoritması, hesaplama, analiz ve uygun tasarım yoluyla fiziksel fan hız sistemini kontrol etmek için tasarlanmış ve uygulanmıştır. Bu çalışmada G(ler), model Gm'leri ikinci dereceden bir sistem olarak tanımlanan fiziksel bir fan hız kontrol sistemini temsil eder.
. (7)
F(ler) filtresinin n sırası 1 olarak ayarlanır. Ayarlama amacıyla, Şekil 5'teki lambda Denklem 6'daki φ'nin karşılıklısını temsil eder ve kolayca ayarlanabilir. Filtre aşağıdaki gibi ayarlanmıştır
. (8)
Web tabanlı algoritma tasarımı, ileri düzeydeki kullanıcıların S işlevinin desteğiyle daha karmaşık algoritmalar tasarlamalarını sağlar. Bununla birlikte, çok aracılı sistemler için kontrol stratejileri veya zaman kısıtlamalarına sahip ağlı kontrol stratejileri gibi araştırma ve eğitim için daha gelişmiş kontrol stratejileri, önerilen laboratuvar sistemini daha da yükseltmek için göz önünde bulundurulmaktadır.
Devre tabanlı sistem simülasyona dayanmaktadır. Simülasyonun avantajlarından biri, kullanıcıların işlemlerini özgürce yürütebilmesidir. Yanlış çalışmalarının kendilerine ve sisteme ve test makinelerine, özellikle de çevrimiçi bir deney sisteminde zarar vermeyeceğinden, sonuçları hakkında endişelenmelerine gerek yoktur.
Devre tabanlı bir sistem tasarlandıktan sonra, kullanıcının bir simülasyon çalıştırması gerekir. Devrenin topraklanamaması gibi bazı durumlarda, simülasyon ve derleme sonuçları kullanıcıları uyaracaktır, bu da tasarlanan devreyi yeniden kontrol etmelerine yardımcı olabilir (Tamamlayıcı Şekil 1 ve Tamamlayıcı Şekil 2). Diğer durumlarda, örneğin, kondansatörün polaritesini tersine çevirmek (Tamamlayıcı Şekil 3), bir kullanıcı bir simülasyon veya derleme yapmaya çalıştığında hiçbir uyarı mesajı gösterilmez, bunun sonucu Ek Şekil 4'te gösterildiği gibi doğru bir devreninkine benzer.
Şu anda, çevrimiçi deneme sisteminin ana sınırlaması, öncelikle kontrol arka planı olan kullanıcılar için kullanılabilmesidir. Devre tabanlı sistem sadece donanım kurulumu olmadan simülasyon için kullanılabilir. Çeşitli mühendislik alanlarını kapsayacak şekilde, elektrik ve elektronik mühendisliğine uygulanabilecek devre sistemleri için donanım entegre edilebilir. Diğer alanlar için daha fazla test teçhizatı da göz önünde bulundurulmalıdır.
MATLAB/Simulink ile karşılaştırıldığında, önerilen metodoloji kullanılarak her kullanıcı için bağımsız bir MATLAB/Simulink gerekmez. Ayrıca, 3-B sanal test makineleri ve fiziksel test makineleri ile gerçek zamanlı denemeler, önerilen laboratuvarda saf simülasyondan daha fazlasıdır. I. Santana ve ark.9 tarafından sunulan MATLAB/Simulink tabanlı uzak laboratuvar ile karşılaştırıldığında, önerilen laboratuvar devre tabanlı sistem, 3-B sanal ve fiziksel test makineleri ile kontrolörleri ve tüm kontrol sistemini tasarlamak için kullanılabilir. Deneme ortamı (EE), basit deneyler için Blok tabanlı görsel tasarıma ve karmaşık deneyler için JavaScript tabanlı metinsel tasarıma sahip pratik denetleyici tasarım yöntemleri sunar5. Öğrencilerin MATLAB/Simulink'e daha aşina oldukları göz önüne alındığında, MATLAB/Simulink'e benzer blok tabanlı bir algoritma tasarım arayüzü kontrol sistemini tasarlamak için iyi bir seçenek olabilir.
Önerilen sistem öğretmenler, öğrenciler ve araştırmacılar için öğretim, öğrenme ve araştırma için kullanılabilir. Şu anda sistem esas olarak kontrol mühendisliği ile ilgili disiplinlerde kullanılmaktadır. Sistem potansiyel olarak elektrik-elektronik mühendisliği, endüstriyel elektronik ve endüstriyel kontrol için uygulanabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 ve Grant 61773144 altında Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklendi.
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).
