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Engineering

इंजीनियरिंग शिक्षा और अनुसंधान के लिए इंटरैक्टिव और विज़ुअलाइज़्ड ऑनलाइन प्रयोग प्रणाली

Published: November 24, 2021 doi: 10.3791/63342
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

Summary

यह काम एक ऑनलाइन प्रयोग प्रणाली का वर्णन करता है जो सिद्धांतों, अवधारणाओं और सूत्रों के विज़ुअलाइज़ेशन सहित विज़ुअलाइज़ किए गए प्रयोगों को प्रदान करता है, तीन-आयामी (3-डी) आभासी परीक्षण रिग्स के साथ प्रयोगात्मक प्रक्रिया को विज़ुअलाइज़ करता है, और चार्ट और कैमरों जैसे विजेट का उपयोग करके नियंत्रण और निगरानी प्रणाली को विज़ुअलाइज़ करता है।

Abstract

इंजीनियरिंग शिक्षा में प्रयोग महत्वपूर्ण है। यह काम शिक्षण और सीखने और अनुसंधान के लिए ऑनलाइन प्रयोगशालाओं में विज़ुअलाइज़ किए गए प्रयोगों की पड़ताल करता है। सिद्धांत-निर्देशित एल्गोरिथ्म कार्यान्वयन, वेब-आधारित एल्गोरिथ्म डिजाइन, अनुकूलन योग्य निगरानी इंटरफ़ेस, और तीन-आयामी (3-डी) आभासी परीक्षण रिग्स सहित इंटरैक्टिव और विज़ुअलाइज़िंग सुविधाओं पर चर्चा की जाती है। प्रस्तावित प्रयोगशालाओं की विशेषताओं और कार्यक्षमताओं को स्पष्ट करने के लिए, विद्युत तत्वों के साथ एक सर्किट-आधारित प्रणाली का उपयोग करके प्रथम-क्रम प्रणाली अन्वेषण, आभासी और दूरस्थ प्रयोग के लिए वेब-आधारित नियंत्रण एल्गोरिथ्म डिजाइन सहित तीन उदाहरण प्रदान किए गए हैं। उपयोगकर्ता-डिज़ाइन किए गए नियंत्रण एल्गोरिदम का उपयोग करके, न केवल सिमुलेशन आयोजित किए जा सकते हैं, बल्कि वास्तविक समय के प्रयोगों को भी एक बार डिज़ाइन किए गए नियंत्रण एल्गोरिदम को निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिदम में संकलित किया जा सकता है। प्रस्तावित ऑनलाइन प्रयोगशाला एक अनुकूलन योग्य निगरानी इंटरफ़ेस भी प्रदान करती है, जिसके साथ उपयोगकर्ता टेक्स्टबॉक्स, चार्ट, 3-डी और कैमरा विजेट जैसे प्रदान किए गए विजेट का उपयोग करके अपने उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस को अनुकूलित कर सकते हैं। शिक्षक कक्षा में ऑनलाइन प्रदर्शन के लिए प्रणाली का उपयोग कर सकते हैं, कक्षा के बाद के प्रयोग के लिए छात्रों और नियंत्रण रणनीतियों को सत्यापित करने के लिए शोधकर्ता।

Introduction

प्रयोगशालाएं अनुसंधान और शिक्षा के लिए महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचा हैं। जब पारंपरिक प्रयोगशालाएं विभिन्न कारणों से उपलब्ध नहीं होती हैं और / या सुलभ नहीं होती हैं, उदाहरण के लिए, असहनीय खरीद और रखरखाव लागत, सुरक्षा विचार, और कोरोनोवायरस रोग 2019 (कोविड -19) महामारी जैसे संकट, ऑनलाइन प्रयोगशालाएं विकल्प 1,2,3 प्रदान कर सकती हैं। पारंपरिक प्रयोगशालाओं की तरह, ऑनलाइन प्रयोगशालाओं में इंटरैक्टिव विशेषताएं 4 और अनुकूलन योग्य प्रयोग5 जैसी महत्वपूर्ण प्रगति हासिल की गई है। कोविड-19 महामारी से पहले और उसके दौरान, ऑनलाइन प्रयोगशालाएं दुनिया भर में उपयोगकर्ताओं को प्रयोगात्मक सेवाएं प्रदान कर रही हैं6,7।

ऑनलाइन प्रयोगशालाओं के बीच, दूरस्थ प्रयोगशालाएं उपयोगकर्ताओं को शारीरिक परीक्षण रिग्स और कैमरा 8 के समर्थन के साथ हाथों पर प्रयोगों के समान अनुभव प्रदान कर सकती हैं। इंटरनेट, संचार, कंप्यूटर ग्राफिक्स, और प्रतिपादन प्रौद्योगिकियों की प्रगति के साथ, आभासी प्रयोगशालाएं भी पारंपरिक प्रयोगशालाओं के विकल्प प्रदान करती हैं। अनुसंधान और शिक्षा का समर्थन करने के लिए दूरस्थ और आभासी प्रयोगशालाओं की प्रभावशीलता को संबंधित साहित्य 1,9,10 में मान्य किया गया है।

ऑनलाइन प्रयोगशालाओं के लिए विज़ुअलाइज़ किए गए प्रयोगप्रदान करना महत्वपूर्ण है, और ऑनलाइन प्रयोग में विज़ुअलाइज़ेशन एक प्रवृत्ति बन गई है। ऑनलाइन प्रयोगशालाओं में विभिन्न विज़ुअलाइज़ेशन तकनीकों को प्राप्त किया जाता है, उदाहरण के लिए, वक्र चार्ट, दो आयामी (2-डी) परीक्षण रिग्स, और तीन-आयामी (3-डी) परीक्षण रिग्स 11। नियंत्रण शिक्षा में, कई सिद्धांतों, अवधारणाओं और सूत्रों को समझने के लिए अस्पष्ट हैं; इस प्रकार, विज़ुअलाइज़ किए गए प्रयोग शिक्षण, छात्र सीखने और अनुसंधान को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण हैं। शामिल विज़ुअलाइज़िंग को निम्नलिखित तीन श्रेणियों में निष्कर्ष निकाला जा सकता है: (1) वेब-आधारित एल्गोरिथ्म डिजाइन और कार्यान्वयन के साथ सिद्धांतों, अवधारणाओं और सूत्रों को विज़ुअलाइज़ करना, जिसके साथ सिमुलेशन और प्रयोग किया जा सकता है; (2) 3-डी आभासी परीक्षण रिग्स के साथ प्रयोगात्मक प्रक्रिया visualizing; (3) इस तरह के एक चार्ट और एक कैमरा विजेट के रूप में widgets का उपयोग कर नियंत्रण और निगरानी visualizing.

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Protocol

इस काम में, शिक्षण और सीखने और अनुसंधान को बढ़ाने के लिए तीन अलग-अलग विज़ुअलाइज़ किए गए उदाहरण प्रदान किए जाते हैं, जिन्हें नेटवर्क कंट्रोल सिस्टम लैबोरेटरी (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react) के माध्यम से एक्सेस किया जा सकता है।

1. उदाहरण 1: सर्किट-आधारित प्रयोग प्रोटोकॉल का उपयोग करके प्रथम-क्रम प्रणाली

  1. NCSLab सिस्टम तक पहुँचें.
    1. एक मुख्यधारा का वेब ब्राउज़र खोलें और https://www.powersim.whu.edu.cn/react URL दर्ज करें।
    2. सिस्टम में लॉग इन करने के लिए मुख्य पृष्ठ के बाईं ओर प्रारंभ प्रयोग बटन पर क्लिक करें। उपयोगकर्ता नाम: whutest; पासवर्ड: whutest.
      नोट:: यह चरण भी अन्य दो उदाहरणों (उदाहरण 2 और उदाहरण 3) के लिए उपयुक्त है।
    3. बाईं ओर उप-प्रयोगशाला सूची में WHULab दर्ज करें और प्रयोग के लिए WHUtypicalLinks चुनें।
      नोट: छह उप-इंटरफेस सिमुलेशन और वास्तविक समय प्रयोग का समर्थन करने के लिए विभिन्न उद्देश्यों के लिए डिज़ाइन और कार्यान्वित किए गए हैं।
    4. एल्गोरिथ्म डिज़ाइन उप-इंटरफ़ेस दर्ज करें।
      नोट:: उपयोगकर्ता अन्य अधिकृत उपयोगकर्ताओं द्वारा डिज़ाइन और साझा किया गया सार्वजनिक एल्गोरिथ्म मॉडल चुन सकते हैं या एक नया मॉडल बना सकते हैं।
    5. चुनें और नया मॉडल बनाएँ बटन पर क्लिक करें और वेब आधारित एल्गोरिथ्म इंटरफ़ेस दर्ज करें। प्रदान किए गए ब्लॉकों का उपयोग करके एक सर्किट आरेख बनाएँ, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।
      नोट: एक अन्य परिचालन एम्पलीफायर (op-amp) ( चित्रा 1 में Op-Amp2) 180 ° चरण शिफ्ट को रद्द करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि इनपुट, प्रतिरोध, और संधारित्र ट्यूनेबल हैं, एक चर संधारित्र और इलेक्ट्रिक एलिमेंट्स लाइब्रेरी में दो चर प्रतिरोध और स्रोत लाइब्रेरी से चार निरंतर ब्लॉक ों को बाईं ओर ब्लॉक लाइब्रेरी पैनल से चुना जाता है।
    6. तालिका 1 में सूचीबद्ध के रूप में पैरामीटर सेट करने के लिए संगत ब्लॉक्स को डबल क्लिक करें। चार्ट की X-अक्ष श्रेणी को 8 s पर सेट करें.
      नोट:: एक पॉपअप विंडो ब्लॉक के लिए एक डबल क्लिक करने के बाद ट्रिगर किया जाएगा, जिसमें ब्लॉक का विवरण शामिल है और पैरामीटर सेट करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। प्रतिरोधक (R3) का एक उदाहरण चित्र 1 में दर्शाया गया है।
    7. स्टार्ट सिमुलेशन बटन पर क्लिक करें; सिमुलेशन परिणाम इंटरफ़ेस में प्रदान किया जाएगा, जैसा कि चित्रा 1 में शामिल है।
      नोट:: यह चरण भी अन्य परीक्षण रिग्स के साथ दो अन्य उदाहरण सूट करता है। सिमुलेशन परिणाम उपयोगकर्ताओं को गलत सर्किट से बचने के लिए डिज़ाइन किए गए सर्किट-आधारित सिस्टम को फिर से जांचने के लिए जानकारी प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, एक दोषपूर्ण सर्किट उपयोगकर्ताओं या सिस्टम को कोई नुकसान नहीं पहुंचाएगा, इसलिए उपयोगकर्ताओं को परिणामों के बारे में चिंता करने की आवश्यकता नहीं है।
    8. संकलन प्रारंभ करें बटन पर क्लिक करें। तब तक प्रतीक्षा करें जब तक कि डिज़ाइन किए गए ब्लॉक आरेख को एक निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिथ्म में उत्पन्न नहीं किया जाता है जिसे नियंत्रण एल्गोरिदम को लागू करने के लिए परीक्षण रिग पक्ष में तैनात दूरस्थ नियंत्रक में डाउनलोड और निष्पादित किया जा सकता है।
      नोट:: यह चरण भी अन्य परीक्षण रिग्स के साथ निम्न प्रयोगों के अनुरूप है।
    9. उत्पन्न नियंत्रण एल्गोरिथ्म का उपयोग करके वास्तविक समय प्रयोगों का संचालन करें। सर्किट सिस्टम के नियंत्रण के लिए आवेदन करने के लिए अनुरोध नियंत्रण बटन पर क्लिक करें।
      नोट:: "अनुरोध नियंत्रण" सिस्टम के लिए शेड्यूलिंग तंत्र है। एक बार जब उपयोगकर्ता को नियंत्रण विशेषाधिकार प्रदान किया जाता है, तो उपयोगकर्ता संबंधित परीक्षण रिग के साथ प्रयोग कर सकता है। केवल एक उपयोगकर्ता शारीरिक परीक्षण रिग के लिए एक समय में परीक्षण रिग पर कब्जा कर सकता है, और पहले आओ पहले पाओ नियम 11 के आधार पर अन्य संभावित उपयोगकर्ताओं को शेड्यूल करने के लिए कतार शेड्यूलिंग तंत्र लागू किया गया है। वर्चुअल टेस्ट रिग्स के लिए, उपयोगकर्ताओं की एक बड़ी संख्या को समवर्ती रूप से समर्थित किया जा सकता है। 500 समवर्ती प्रयोक्ता प्रयोग प्रभावी ढंग से परीक्षण किया गया है। सर्किट-आधारित प्रणाली के लिए, 50 उपयोगकर्ता एक समय में सिस्टम का उपयोग कर सकते हैं।
    10. एल्गोरिथ्म डिज़ाइन उप-इंटरफ़ेस पर वापसी बटन पर क्लिक करें। निजी एल्गोरिथ्म मॉडल पैनल के अंतर्गत निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिथ्म ढूँढें।
      नोट:: निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिथ्म भी नियंत्रण एल्गोरिथ्म उप-इंटरफ़ेस में मेरा एल्गोरिथ्म कक्ष में पाया जा सकता है।
    11. किसी दूरस्थ नियंत्रक के लिए डिज़ाइन किए गए नियंत्रण एल्गोरिथ्म को डाउनलोड करने के लिए एक प्रयोग करें का संचालन करें बटन पर क्लिक करें।
    12. कॉन्फ़िगरेशन उप-इंटरफ़ेस दर्ज करें और एक निगरानी इंटरफ़ेस को कॉन्फ़िगर करने के लिए नया मॉनिटर बनाएँ बटन पर क्लिक करें, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। पैरामीटर ट्यूनिंग के लिए चार टेक्स्टबॉक्स और सिग्नल मॉनिटरिंग के लिए एक वक्र चार्ट शामिल हैं।
      नोट:: चित्र 2 में दाईं ओर चार्ट बाईं ओर एक के रूप में एक ही चार्ट है, जो निलंबित करें बटन का उपयोग कर डेटा को प्रदर्शित करने के लिए जोड़ा गया था।
    13. चयनित विजेट के साथ संकेतों और मापदंडों को लिंक करें।
      नोट:: पैरामीटर / इनपुट, पैरामीटर / R0, पैरामीटर / R1, और पैरामीटर / सी चार टेक्स्टबॉक्स के लिए क्रमशः, और पैरामीटर / इनपुट और सिग्नल / आउटपुट वक्र चार्ट के लिए।
    14. प्रयोग शुरू करने के लिए प्रारंभ बटन पर क्लिक करें।
      नोट:: यह चरण भी अन्य परीक्षण रिग्स के साथ निम्न प्रयोगों के अनुरूप है। उपयोगकर्ता भविष्य के उपयोग के लिए कॉन्फ़िगरेशन सहेज सकते हैं।
    15. इनपुट वोल्टेज को 0 V पर सेट करें, संधारित्र C को 5 μF ( चित्र 2 में 0.000005) पर ट्यून करें, और फिर इनपुट वोल्टेज को 1 V पर सेट करें; आउटपुट वोल्टेज की गतिशील प्रक्रिया को चित्र 2 में दर्शाया गया है।
  2. संगत पैरामीटर K और T की गणना करें।
    नोट:: समय स्थिरांक की गणना तब की जा सकती है जब आउटपुट t = T के बाद अंतिम मान K के 63.2% तक पहुँच जाता है, जो 0.63212 है। चित्र 2 से, यह देखा जा सकता है कि समय अवधि 1 s है, इस प्रकार, T = 1, जो उस सिद्धांत के अनुरूप है जिसमें, T = R1C = 200000*0.0000005 = 1, और K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (जो अंतिम मान के बराबर है)12। इस प्रकार, प्रथम-क्रम प्रणाली को इस रूप में निर्दिष्ट किया जा सकता है: Equation 1।

2. उदाहरण 2: इंटरैक्टिव और visualized आभासी प्रयोग प्रोटोकॉल

  1. सिमुलेशन और वास्तविक समय प्रयोग करने के लिए NCSLab प्रणाली का उपयोग करें।
    1. NCSLab सिस्टम में लॉग इन करें। ProcessControl उप-प्रयोगशाला दर्ज करें और dualTank परीक्षण रिग चुनें, और उसके बाद एल्गोरिथ्म डिज़ाइन उप-इंटरफ़ेस दर्ज करें।
    2. उदाहरण 1 में वर्णित चरणों का पालन करते हुए NCSLab द्वारा प्रदान किए गए वेब इंटरफ़ेस का उपयोग करके एक आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (PID) नियंत्रण एल्गोरिथ्म डिज़ाइन करें. चित्रा 3 दोहरी टैंक प्रणाली के लिए एक एल्गोरिथ्म उदाहरण है।
    3. PID नियंत्रक पर डबल क्लिक करें, और आनुपातिक (पी), इंटीग्रल (I) और व्युत्पन्न (डी) शब्दों के लिए पैरामीटर ट्यून करें। सेट P = 1.12, I = 0.008 और D = 6.6, क्रमशः।
      नोट:: P, I, और D शर्तों सिमुलेशन परिणाम के साथ संयुक्त ट्यून किया जाना चाहिए।
    4. स्टार्ट सिमुलेशन बटन पर क्लिक करें; सिमुलेशन परिणाम पॉप अप होगा, जो चित्रा 3 के दाईं ओर शामिल है।
      नोट:: यह देखा जा सकता है कि नियंत्रण प्रदर्शन अच्छा है, और नियंत्रण एल्गोरिथ्म वास्तविक समय प्रयोग के लिए तैयार है।
    5. पहले उल्लेखित चरणों के बाद निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिथ्म जनरेट करें।
    6. दूरस्थ नियंत्रक के लिए नियंत्रण एल्गोरिथ्म डाउनलोड करें और क्रमशः Set_point, P, I, और D के लिए चार textboxes के साथ एक निगरानी इंटरफ़ेस कॉन्फ़िगर करें।
    7. जल स्तर और संबंधित Set_point की निगरानी के लिए एक चार्ट शामिल करें। एक 3-डी विजेट चुनें, जो वास्तविक समय डेटा से जुड़े पानी के स्तर के परीक्षण रिग और एनिमेशन के सभी कोण प्रदान कर सकता है।
    8. प्रारंभ बटन पर क्लिक करें; फिर, निगरानी इंटरफ़ेस को सक्रिय किया जाएगा जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है, जो एक विज़ुअलाइज़्ड वर्चुअल प्रयोग प्रदान करता है।
    9. Set_point को 10 सेमी से 5 सेमी तक सेट करें, और फिर I = 0.1 सेट करें जब नियंत्रित टैंक में पानी के स्तर की ऊंचाई 5 सेमी तक पहुंचती है और स्थिर हो जाती है। सेट-पॉइंट को 5 सेमी से 15 सेमी तक रीसेट करें; यह चित्रा 4 से देखा जा सकता है कि वहाँ एक overshoot है.
    10. ट्यून मैं 0.1 से 0.01 करने के लिए और सेट-बिंदु 15 सेमी से 25 सेमी करने के लिए रीसेट करें। यह देखा जा सकता है कि ओवरशूट को समाप्त कर दिया गया है, और पानी का स्तर जल्दी से 25 सेमी के सेट-पॉइंट मूल्य पर स्थिर हो सकता है।

3. उदाहरण 3: दूरस्थ और आभासी प्रयोगशालाओं प्रोटोकॉल के साथ अनुसंधान

  1. NCSLab में एक वास्तविक समय प्रयोग का संचालन करें।
    1. NCSLab प्रणाली में लॉग इन करें और दूरस्थ प्रयोगशाला उप-प्रयोगशाला में फैन स्पीड कंट्रोल चुनें।
    2. एल्गोरिथ्म डिज़ाइन उप-इंटरफ़ेस दर्ज करें। आंतरिक मॉडल नियंत्रण (IMC) नियंत्रण एल्गोरिथ्म आरेख बनाने के लिए ब्लॉक खींचें, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।
      नोट: F(s) और Gm(s)-1 को चित्र 5 में दिखाए गए अनुसार डिज़ाइन किया गया है, जिसमें NCSLab का उपयोग करके डिज़ाइन किए गए नियंत्रण एल्गोरिथ्म को दूरस्थ और आभासी प्रयोगशाला मोड में एक प्रशंसक गति नियंत्रण प्रणाली को नियंत्रित करने के लिए सचित्र किया गया है।
    3. निष्पादन योग्य नियंत्रण एल्गोरिथ्म उत्पन्न करें और डिज़ाइन किए गए आईएमसी एल्गोरिथ्म को सत्यापित करने के लिए प्रशंसक गति नियंत्रण प्रणाली को नियोजित करें।
    4. कोई निगरानी इंटरफ़ेस कॉन्फ़िगर करें. ट्यूनिंग के लिए दो मापदंडों के साथ दो टेक्स्टबॉक्स को लिंक करें, अर्थात्, ट्यूनिंग के लिए Set_point और लैम्ब्डा (π के लिए जो फ़िल्टर समय स्थिरांक है), और निगरानी के लिए Set_point और गति के साथ एक वास्तविक समय चार्ट। प्रशंसक और निगरानी के लिए कैमरा विजेट के 3 डी मॉडल विजेट का चयन करें।
    5. वास्तविक समय प्रयोग को सक्रिय करने के लिए प्रारंभ बटन पर क्लिक करें। Set_point को 2,000 rpm से 1,500 rpm पर रीसेट करें, और फिर इसे 1,500 rpm से 2,500 rpm पर रीसेट करें, जिसका परिणाम चित्र6 में दिखाया गया है।
      नोट: यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि जब π = 1 सिस्टम को एक चरण संदर्भ में स्थिर किया जा सकता है।

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Representative Results

प्रस्तावित प्रयोगशाला प्रणाली का उपयोग वुहान विश्वविद्यालय में कई अलग-अलग शिष्यों में किया गया है, जैसे कि स्वचालन, पावर एंड एनर्जी इंजीनियरिंग, मैकेनिकल इंजीनियरिंग, और अन्य विश्वविद्यालय, जैसे हेनान कृषि विश्वविद्यालय 6।

शिक्षकों / छात्रों / शोधकर्ताओं को विभिन्न आभासी और / या शारीरिक परीक्षण रिग्स का उपयोग करके सिस्टम का पता लगाने, उनके नियंत्रण एल्गोरिदम को परिभाषित करने और उनके निगरानी इंटरफ़ेस को अनुकूलित करने के लिए महान लचीलापन प्रदान किया जाता है; इस प्रकार, विभिन्न स्तरों पर उपयोगकर्ता प्रस्तावित प्रणाली से लाभ उठा सकते हैं। प्रस्तावित दृष्टिकोण द्वारा प्रदान किए गए विज़ुअलाइज़ किए गए प्रयोग संभावित रूप से समझने वाले सिद्धांतों, अवधारणाओं और सूत्रों को बढ़ा सकते हैं।

प्रस्तावित प्रणाली का उपयोग विभिन्न प्रकार के एल्गोरिथ्म डिजाइन के लिए किया जा सकता है (चित्रा 1 और चित्रा 3 दो उदाहरण हैं) और शिक्षण, सीखने और अनुसंधान जैसे बहु-उद्देश्यों (तीन प्रोटोकॉल को तीन अनुप्रयोग उदाहरणों के रूप में माना जा सकता है)। प्रथम-क्रम प्रणाली एक उदाहरण है कि सिस्टम को सर्किट-आधारित आरेखों का उपयोग करके विशिष्ट सिस्टम विश्लेषण पर लागू किया जा सकता है।

चित्रा 3 और चित्रा 5 प्रदर्शित करते हैं कि प्रस्तावित ऑनलाइन प्रयोगशाला डिज़ाइन किए गए ब्लॉकों का उपयोग करके सरल और जटिल नियंत्रण एल्गोरिदम डिजाइन कर सकती है, जो क्रमशः 3-डी वर्चुअल और भौतिक परीक्षण रिग्स के साथ सिमुलेशन और वास्तविक समय प्रयोग के माध्यम से सत्यापित की जाती है, जैसा कि चित्रा 4 और चित्रा 6 में दिखाया गया है।

तीन उदाहरणों से पता चलता है कि प्रस्तावित इंटरैक्टिव और विज़ुअलाइज़्ड प्रयोगशाला उपरोक्त के रूप में निम्नलिखित विज़ुअलाइज़ेशन प्राप्त कर सकती है। (1) सिद्धांत, सूत्र, और योजनाबद्ध आरेखों को वेब-आधारित एल्गोरिथ्म डिजाइन और कार्यान्वयन के माध्यम से कल्पना की जा सकती है, जिसके साथ सिमुलेशन और प्रयोग किया जा सकता है। (2) 3-डी आभासी परीक्षण रिग्स के समर्थन के साथ, प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं को परीक्षण रिग साइट पर तैनात भौतिक परीक्षण रिग और कैमरों की अनुपस्थिति में कल्पना की जा सकती है। दूरस्थ प्रयोगशालाओं में, 3-डी परीक्षण रिग्स का एकीकरण भी उपयोगकर्ताओं को लाभ पहुंचा सकता है, जिससे उपयोगकर्ता विभिन्न कोणों से परीक्षण रिग्स का विवरण देख सकते हैं। दूरस्थ पक्ष में शारीरिक परीक्षण रिग्स के साथ 3-डी आभासी परीक्षण रिग्स का संयोजन संभावित रूप से उपयोगकर्ता अनुभव को बढ़ा सकता है। (3) एक चार्ट, एक कैमरा विजेट, और एक टेक्स्टबॉक्स जैसे विकसित विजेट का उपयोग करना, प्रयोगात्मक प्रक्रिया के दौरान निगरानी और नियंत्रण की कल्पना की जा सकती है।

Figure 1
चित्रा 1: NCSLab में इलेक्ट्रिकल तत्वों पुस्तकालय से ब्लॉक के साथ पहले क्रम प्रणाली का निर्माण। उपयोगकर्ता बाईं ओर ब्लॉक लाइब्रेरी पैनल से किसी भी ब्लॉक को खींच सकता है और चयनित ब्लॉकों को ठीक से जोड़कर एक सिस्टम का निर्माण कर सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: डिज़ाइन किए गए नियंत्रण एल्गोरिथ्म के साथ पहले-क्रम प्रणाली का वास्तविक समय प्रयोग। पैरामीटर tunable हैं, और संकेतों प्रदान की widgets के साथ निगरानी की जा सकती है. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: वेब आधारित पीआईडी नियंत्रण एल्गोरिथ्म डिजाइन और दोहरी टैंक प्रणाली के लिए कार्यान्वयन। सिमुलेशन परिणाम शामिल है, जो दिखाता है कि दूसरे टैंक के पानी के स्तर को 10 सेमी के सेट-पॉइंट मान तक नियंत्रित किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: दोहरी टैंक प्रणाली के साथ वास्तविक समय प्रयोग। 0.1 से 0.01 तक अभिन्न शब्द को ट्यून करने के बाद, सेट-पॉइंट को 15 सेमी से 25 सेमी तक रीसेट किया जाता है। यह देखा जा सकता है कि ओवरशूट को हटा दिया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: प्रशंसक गति नियंत्रण प्रणाली के आईएमसी नियंत्रण. पहचाने गए प्रशंसक मॉडल का व्युत्क्रम मॉडल एक अनुचित हस्तांतरण फ़ंक्शन है (एक उचित हस्तांतरण फ़ंक्शन के लिए, स्थानांतरण फ़ंक्शन अंश का क्रम हर के क्रम से कम या बराबर होना चाहिए), जिसे पहचाने गए मॉडल के आधार पर सामान्य ब्लॉकों के साथ बनाया जाता है। एक tunable फ़िल्टर को सक्षम करने के लिए, फ़िल्टर भी ब्लॉक के साथ बनाया गया है। आकृति में लैम्ब्डा समीकरण 6 में π के व्युत्क्रम का प्रतिनिधित्व करता है और इसे आसानी से ट्यून किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: एक 3 डी आभासी प्रशंसक प्रणाली के साथ संयुक्त प्रशंसक गति नियंत्रण दूरस्थ प्रयोगशाला का उपयोग कर वास्तविक समय नियंत्रण और प्रशंसक गति की निगरानी. भौतिक प्रशंसक प्रणाली वुहान विश्वविद्यालय में स्थित है और दुनिया भर में उपयोगकर्ताओं को दूरस्थ प्रयोगशाला सेवाएं प्रदान करती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: प्रथम-क्रम प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख. NCSLab में प्रथम-क्रम सर्किट डिज़ाइन और कार्यान्वयन इस आरेख पर आधारित हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्रा 8: NCSLab में 3-डी आभासी दोहरी टैंक प्रणाली. नियंत्रण का उद्देश्य सेट-पॉइंट मूल्य के लिए दूसरे टैंक में पानी के स्तर को नियंत्रित करना है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्र 9: आंतरिक मॉडल नियंत्रण वास्तुकला की योजनाबद्ध। Gm(s) वास्तविक संयंत्र G(s) का मॉडल है, Gm(s)-1 Gm(s), F(s) का व्युत्क्रम मॉडल है और फ़िल्टर है। F(s), Gm(s)-1, और Gm(s) IMC नियंत्रक का गठन करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

प्राचल मूल्य
R0 200 kΩ
R1 200 kΩ
C 1 μF
R2 200 kΩ
R3 200 kΩ
निवेश 1 वोल्ट

तालिका 1: प्रथम-क्रम सर्किट सिस्टम के लिए पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन। R2 और R3 का उपयोग ऑप-amp के साथ संयुक्त चरण शिफ्ट को रद्द करने के लिए किया जाता है।

अनुपूरक चित्रा 1: सिमुलेशन चेतावनी इंटरफ़ेस जब कोई उपयोगकर्ता एक सर्किट को ग्राउंड करने में विफल रहता है। परिणाम उपयोगकर्ताओं को चेतावनी देगा, जो उन्हें डिज़ाइन किए गए सर्किट को फिर से जांचने में मदद कर सकता है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 2: संकलन चेतावनी इंटरफ़ेस जब कोई उपयोगकर्ता किसी सर्किट को ग्राउंड करने में विफल रहता है। परिणाम उपयोगकर्ताओं को चेतावनी देगा, जो उन्हें डिज़ाइन किए गए सर्किट को फिर से जांचने में मदद कर सकता है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 3: सिमुलेशन परिणाम जब कोई उपयोगकर्ता संधारित्र की ध्रुवीयता को उलट देता है। इस उदाहरण को स्पष्ट करने के लिए चर संधारित्र के बजाय एक नियमित संधारित्र का चयन किया गया है। कोई चेतावनी संदेश नहीं दिखाया गया है, और परिणाम अनुपूरक चित्र 4 के समान है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 4: सिमुलेशन परिणाम जब संधारित्र की ध्रुवीयता सही है। इस उदाहरण को स्पष्ट करने के लिए चर संधारित्र के बजाय एक नियमित संधारित्र का चयन किया गया है। सिमुलेशन परिणाम उपयोगकर्ताओं को सर्किट की जांच करने में मदद करने के लिए पॉप अप करेगा। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

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Discussion

प्रस्तुत प्रोटोकॉल एक हाइब्रिड ऑनलाइन प्रयोगशाला प्रणाली का वर्णन करता है जो दूरस्थ प्रयोग के लिए भौतिक परीक्षण रिग्स और आभासी प्रयोग के लिए 3-डी आभासी परीक्षण रिग्स को एकीकृत करता है। एल्गोरिथ्म डिजाइन प्रक्रिया के लिए कई अलग-अलग ब्लॉक पुस्तकालय प्रदान किए जाते हैं, जैसे कि सर्किट-आधारित डिजाइन के लिए विद्युत तत्व। नियंत्रण पृष्ठभूमि के उपयोगकर्ता प्रोग्रामिंग कौशल के बिना सीखने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। एक नियंत्रण एल्गोरिथ्म का उचित डिजाइन जिसे एक उपयुक्त परीक्षण रिग पर लागू किया जा सकता है, पर विचार किया जाना चाहिए। नियंत्रित परीक्षण रिग पर इसे लागू करने से पहले एक अच्छे नियंत्रण प्रदर्शन की गारंटी देने के लिए एक नियंत्रक को डिजाइन करना भी चुनौतीपूर्ण है (नियंत्रण प्रदर्शन सूचकांक पर विचार करना, जिसमें ओवरशूट, निपटान समय और स्थिर त्रुटि शामिल है)। एक नियंत्रण एल्गोरिथ्म संकलित करने से पहले जिसका उपयोग वास्तविक समय के प्रयोग के लिए किया जा सकता है, संभावित मुद्दों को संबोधित करने के लिए सिमुलेशन आयोजित किया जाना चाहिए। नियंत्रण एल्गोरिदम को प्रस्तावित प्रणाली में एकीकृत होने के बाद सिस्टम का उपयोग करके अन्य अलग-अलग परीक्षण रिग्स पर लागू किया जा सकता है।

तीन उदाहरणों के बारे में पृष्ठभूमि और सैद्धांतिक ज्ञान इस प्रकार हैं।

प्रथम-क्रम प्रणाली के लिए, प्रथम-क्रम प्रणाली के सिद्धांत का विश्लेषण चित्र 7 में प्रदान किए गए सर्किट के साथ सर्किट सिद्धांत का उपयोग करके किया जा सकता है। परिपथ सिद्धांत 12 के अनुसार, निम्नलिखित दो समीकरण प्राप्त किए जा सकते हैं। ऑप-amp के इनपुट साइड व्यू से, वर्तमान है

Equation 2 (1)

ऑप-amp के आउटपुट साइड व्यू से, समीकरण 2 प्राप्त किया जा सकता है

Equation 3 (2)

RC समानांतर परिपथ की प्रतिबाधा कहाँ Equation 4 है।

समीकरण 1 और 2 के संयोजन से, सिस्टम के स्थानांतरण फ़ंक्शन की गणना इस प्रकार की जा सकती है

Equation 5 (3)

जिसमें माइनस चिह्न (-) आउटपुट वोल्टेज के 180° चरण शिफ्ट को इंगित करता है, जिसे निम्नलिखित चरणों में विश्लेषण में उपेक्षित किया जाता है।

K = R1/R0, T = R1C को निरूपित करें, और फिर सिस्टम के स्थानांतरण फ़ंक्शन को किस प्रकार दर्शाया जा सकता है?

Equation 6 (4)

दोहरी टैंक प्रणाली के लिए, डिज़ाइन किए गए 3-डी पानी के टैंक सिस्टम को चित्र 8 में चित्रित किया गया है। फ्लैश का उपयोग करके पिछले संस्करण के डिजाइन और कार्यान्वयन को 201413 में डब्ल्यू हू एट अल के काम में खोजा गया है। इस परीक्षण रिग का नियंत्रण उद्देश्य सेट बिंदु के मूल्य के लिए दूसरे टैंक में पानी के स्तर को नियंत्रित करना है। दोहरी टैंक को नियंत्रित करने के लिए एक पीआईडी नियंत्रक का उपयोग किया गया है। सैद्धांतिक रूप से, पीआईडी को 14 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

Equation 7 (5)

जहां Kp, Ki, Kd क्रमशः P, I और D शब्दों के लिए गुणांक हैं।

आईएमसी अच्छे सेट-पॉइंट ट्रैकिंग प्रदर्शन के साथ ट्यून करने के लिए सरल है और वास्तविक जीवन अनुप्रयोगों को नियंत्रित करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। आईएमसी की नियंत्रण वास्तुकला को चित्र 9 में दिखाया गया है, जिसमें जी (एस) वास्तविक संयंत्र है और जीएम (एस) पौधे का मॉडल है। जीएम (एस) आमतौर पर सिस्टम पहचान के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। Gm(s)-1 Gm(s) का व्युत्क्रम मॉडल है, और F(s) फ़िल्टर है। R(s), Y(s), और E(s) क्रमशः संदर्भ, आउटपुट और त्रुटि हैं। F(s), Gm(s)-1, और Gm(s) IMC नियंत्रक का गठन करते हैं। एक मानक डिफ़ॉल्ट फ़िल्टर F(s)16 समीकरण 6 के रूप में इस कार्य में उपयोग किया जाता है

Equation 8 , (6)

जहां π फ़िल्टर समय स्थिरांक है, और आदेश n को एक उचित या अर्ध-उचित IMC प्रतिपूरक (F(s)*Gm(s)-1) सुनिश्चित करने के लिए चुना जाता है।

आईएमसी नियंत्रण एल्गोरिथ्म को गणना, विश्लेषण और उचित डिजाइन के माध्यम से भौतिक प्रशंसक गति प्रणाली को नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन और लागू किया गया है। इस काम में, जी (एस) एक भौतिक प्रशंसक गति नियंत्रण प्रणाली का प्रतिनिधित्व करता है, जिसका मॉडल जीएम (एस) को दूसरे क्रम की प्रणाली के रूप में पहचाना जाता है

Equation 9. (7)

फ़िल्टर F(s) का क्रम n 1 पर सेट है. ट्यूनिंग उद्देश्यों के लिए, चित्र 5 में लैम्ब्डा समीकरण 6 में π के पारस्परिक का प्रतिनिधित्व करता है और इसे आसानी से ट्यून किया जा सकता है। फ़िल्टर निम्न होने के लिए सेट किया गया है

Equation 10. (8)

वेब-आधारित एल्गोरिथ्म डिज़ाइन उपयोगकर्ताओं को उन्नत स्तर पर एस-फ़ंक्शन के समर्थन के साथ अधिक जटिल एल्गोरिदम डिजाइन करने की अनुमति देता है। हालांकि, अनुसंधान और शिक्षा के लिए अधिक उन्नत नियंत्रण रणनीतियां, जैसे कि बहु-एजेंट प्रणालियों के लिए नियंत्रण रणनीतियां या समय की कमी के साथ नेटवर्क नियंत्रण रणनीतियां, प्रस्तावित प्रयोगशाला प्रणाली को और अधिक उन्नत करने के लिए विचाराधीन हैं।

सर्किट-आधारित प्रणाली सिमुलेशन पर आधारित है। सिमुलेशन के फायदों में से एक यह है कि उपयोगकर्ता अपने संचालन को स्वतंत्र रूप से संचालित कर सकते हैं। उन्हें परिणामों के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं है क्योंकि उनके गलत संचालन से खुद को और सिस्टम और टेस्ट रिग्स को कोई नुकसान नहीं होगा, खासकर एक ऑनलाइन प्रयोग प्रणाली में।

एक सर्किट-आधारित प्रणाली को डिज़ाइन करने के बाद, उपयोगकर्ता को एक सिमुलेशन चलाने के लिए माना जाता है। कुछ मामलों के लिए, जैसे कि सर्किट को जमीन पर रखने में विफल रहने के लिए, सिमुलेशन और संकलन परिणाम उपयोगकर्ताओं को चेतावनी देंगे, जो उन्हें डिज़ाइन किए गए सर्किट (पूरक चित्रा 1 और पूरक चित्रा 2) को फिर से जांचने में मदद कर सकते हैं। अन्य मामलों के लिए, उदाहरण के लिए, संधारित्र की ध्रुवीयता (अनुपूरक चित्र3) को उलटते हुए, कोई चेतावनी संदेश नहीं दिखाया जाएगा जब कोई उपयोगकर्ता सिमुलेशन या संकलन का संचालन करने का प्रयास करता है, जिसका परिणाम पूरक चित्र 4 में दिखाए गए अनुसार एक सही सर्किट के समान होता है।

वर्तमान में, ऑनलाइन प्रयोग प्रणाली की मुख्य सीमा यह है कि इसका उपयोग मुख्य रूप से नियंत्रण पृष्ठभूमि वाले उपयोगकर्ताओं के लिए किया जा सकता है। सर्किट-आधारित प्रणाली का उपयोग केवल बिना किसी हार्डवेयर सेटअप के सिमुलेशन के लिए किया जा सकता है। विविध इंजीनियरिंग क्षेत्रों को कवर करने के लिए, सर्किट सिस्टम के लिए हार्डवेयर जिसे इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरिंग पर लागू किया जा सकता है, को एकीकृत किया जा सकता है। अन्य क्षेत्रों के लिए अधिक परीक्षण रिग्स पर भी विचार किया जाना चाहिए।

MATLAB / Simulink के साथ तुलना में, प्रत्येक उपयोगकर्ता के लिए एक स्टैंडअलोन MATLAB / Simulink प्रस्तावित पद्धति का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है। इसके अलावा, 3-डी आभासी परीक्षण रिग्स और शारीरिक परीक्षण रिग्स के साथ वास्तविक समय का प्रयोग प्रस्तावित प्रयोगशाला में शुद्ध सिमुलेशन से अधिक है। MATLAB / Simulink-आधारित दूरस्थ प्रयोगशाला I. Santana et al.9 द्वारा प्रस्तुत की तुलना में, प्रस्तावित प्रयोगशाला का उपयोग सर्किट-आधारित प्रणाली, 3-डी आभासी और भौतिक परीक्षण रिग्स के साथ नियंत्रकों और संपूर्ण नियंत्रण प्रणाली को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है। प्रयोग पर्यावरण (ईई) सरल प्रयोगों के लिए ब्लॉकली-आधारित दृश्य डिजाइन और जटिल प्रयोगों के लिए जावास्क्रिप्ट-आधारित पाठ्य डिजाइन के साथ व्यावहारिक नियंत्रक डिजाइन विधियां प्रदान करता है5। यह देखते हुए कि छात्र MATLAB / Simulink से अधिक परिचित हैं, MATLAB / Simulink के समान एक ब्लॉक-आधारित एल्गोरिथ्म डिज़ाइन इंटरफ़ेस नियंत्रण प्रणाली को डिजाइन करने के लिए एक अच्छा विकल्प हो सकता है।

प्रस्तावित प्रणाली का उपयोग शिक्षकों, छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए शिक्षण, सीखने और अनुसंधान के लिए किया जा सकता है। वर्तमान में, सिस्टम का उपयोग मुख्य रूप से नियंत्रण इंजीनियरिंग से संबंधित विषयों में किया गया है। सिस्टम को संभावित रूप से इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरिंग, औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स और औद्योगिक नियंत्रण पर लागू किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को अनुदान 62103308, अनुदान 62173255, अनुदान 62073247 और अनुदान 61773144 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।

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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References

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इंजीनियरिंग अंक 177
इंजीनियरिंग शिक्षा और अनुसंधान के लिए इंटरैक्टिव और विज़ुअलाइज़्ड ऑनलाइन प्रयोग प्रणाली
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Lei, Z., Zhou, H., Ye, S., Hu, W.,… More

Lei, Z., Zhou, H., Ye, S., Hu, W., Liu, G. P., Wei, Z. Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research. J. Vis. Exp. (177), e63342, doi:10.3791/63342 (2021).

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