本研究介绍了一种在线实验系统，该系统提供可视化实验，包括对理论、概念和公式的可视化，通过三维（3-D）虚拟试验装置对实验过程进行可视化，并利用图表和摄像头等控件对控制系统和监控系统进行可视化。
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摘要
摘要
实验在工程教育中至关重要。本研究探讨了在线实验室中用于教学、学习以及科研的可视化实验。文中讨论了若干交互式与可视化功能，包括基于理论指导的算法实现、基于网页的算法设计、可定制的监控界面以及三维（3-D）虚拟实验装置。为展示所提出实验室的功能与特性，提供了三个示例，包括利用含电气元件的电路系统进行一阶系统探究，以及面向虚拟与远程实验的基于网页的控制算法设计。通过用户自主设计的控制算法，不仅可开展仿真，还可将设计完成的控制算法编译为可执行代码后进行实时实验。所提出的在线实验室还提供可定制的监控界面，用户可通过提供的组件（如文本框、图表、三维显示和摄像头组件）自定义其用户界面。教师可在课堂上利用该系统进行在线演示，学生可用于课后实验，研究人员则可用于验证控制策略。
引言
实验室是科研与教育的重要基础设施。当传统实验室因各种原因无法获得和/或无法使用时，例如由于采购和维护成本过高、安全考虑，或诸如2019冠状病毒病（COVID-19）大流行等危机，线上实验室可提供替代方案1,2,3。与传统实验室类似，线上实验室在交互功能4和可定制实验5等方面也取得了显著进展。在COVID-19大流行期间及之前，线上实验室已为全球用户提供实验服务6,7。
在在线实验室中，远程实验室借助物理实验装置和摄像头，可为用户提供类似于亲自动手操作的实验体验8。随着互联网、通信、计算机图形学和渲染技术的进步，虚拟实验室也为传统实验室提供了替代方案1。相关文献已验证了远程实验室和虚拟实验室在支持科研与教学方面的有效性1,9,10。
提供可视化的实验对于在线实验室至关重要，而在线实验中的可视化已成为一种趋势。在线实验室中实现了多种可视化技术，例如曲线图、二维（2-D）实验装置和三维（3-D）实验装置11。在控制工程教学中，大量理论、概念和公式难以理解，因此可视化实验对于提升教学效果、学生学习以及科研工作具有重要意义。相关的可视化方法可归纳为以下三类：（1）通过基于网页的算法设计与实现来可视化理论、概念和公式，从而支持仿真与实验的开展；（2）利用三维虚拟实验装置对实验过程进行可视化；（3）使用图表控件、摄像头控件等小部件实现控制与监控的可视化。
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方案
在本研究中，提供了三个独立的可视化示例，以促进教学、学习与科研，这些示例可被访问 通过 网络化控制系统实验室（NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react）
1. 示例1：基于电路实验方案的一阶系统
- 进入 NCSLab 系统。
- 打开主流网页浏览器，输入网址 https://www.powersim.whu.edu.cn/react。
- 点击 开始实验 单击主页面左侧的按钮以登录系统。用户名：whutest；密码：whutest。
注意：此步骤也适用于另外两个示例（示例 2 和示例 3）。 - 输入 WHULab 在左侧子实验室列表中选择 WHU典型链接 用于实验。
注意：设计并实现了六个子界面，用于支持仿真和实时实验的不同需求。 - 输入 算法设计 子接口
注意：用户可以选择其他授权用户设计并共享的公开算法模型，或创建一个新模型。 - 选择并点击 创建新模型 按钮并进入基于网页的算法界面。使用提供的模块构建电路图，如图所示。 图1.
注意：另一个运算放大器（运放）（Op-Amp2 在 图1）用于取消 180° 相移。为了确保输入、电阻和电容可调，从左侧模块库面板的“电路元件”库中选择一个可变电容器和两个可变电阻器，以及从“信号源”库中选择四个常量模块。 - 双击相应的模块以设置如下所列的参数 表1. 设置 X轴范围 图表的上方 8 s.
注意：双击该模块后将弹出一个窗口，其中包含该模块的描述信息，并可用于设置参数。图中以电阻（R3）为例进行了说明 图1. - 点击 开始模拟 按钮；模拟结果将显示在界面中，如所包含的 图1.
注意：此步骤同样适用于使用其他测试装置的另外两个示例。仿真结果可为用户提供信息，以重新检查所设计的基于电路的系统，避免出现错误电路。然而，即使电路存在故障，也不会对用户或系统造成任何危害，因此用户无需担心其后果。 - 点击 开始编译 按钮。等待设计好的框图生成可执行的控制算法，该算法可下载并载入测试台侧部署的远程控制器中，以实现控制算法。
注意：此步骤也适用于使用其他测试装置的以下实验。 - 使用生成的控制算法进行实时实验。单击 请求控制 用于控制电路系统的按钮
注意：“请求控制”是该系统的调度机制。一旦用户获得控制权限，便可使用相应的试验装置进行实验。对于物理试验装置，同一时间仅允许一名用户使用，系统已采用先到先得的队列调度机制来安排其他潜在用户。11对于虚拟测试平台，可同时支持大量用户。已成功测试支持500个并发用户的实验。对于基于电路的系统，可同时支持50个用户访问。 - 点击 返回 按钮到 算法设计 子接口。在可执行控制算法下查找 私有算法模型 面板
注意：可执行的控制算法也可在以下位置找到 我的算法 面板中的 控制算法 子接口 - 点击 进行一项实验 下载设计好的控制算法至远程控制器的按钮。
- 输入 配置 子界面并点击 创建新监控器 按钮以配置监控界面，如图所示 图2包含四个用于参数调节的文本框和一个用于信号监测的曲线图。
注意：右侧的图表 图2 与左侧图表相同，添加此图是为了展示使用数据 悬浮 按钮 - 将信号和参数与所选控件进行连接。
注意： 参数/输入，参数/R0，参数/R1，以及 参数/C 分别对应四个文本框， 参数/输入 和 信号/输出 用于曲线图。 - 点击 开始 开始实验的按钮。
注意：此步骤也适用于使用其他测试装置的以下实验。用户可保存配置以供将来使用。 - 将输入电压设为 0 V，调节电容 C 至 5 µF (0.000005 英寸 图2），然后将输入电压设为 1 V；输出电压的动态过程如图所示 图2.
- 计算相应的参数 K 和 T.
注意：当输出达到最终值的63.2%时，可计算时间常数 K 之后 t = T，即 0.63212从 图2可以看出，持续时间为1 s，因此， T = 1，这与该理论一致，即 T = R1C = 200000 × 0.000005 = 1，且 K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1（等于最终值）12因此，一阶系统可表示为：
.
2. 示例2：交互式与可视化虚拟实验方案
- 使用 NCSLab 系统进行仿真和实时实验。
- 登录 NCSLab 系统，进入 ProcessControl 子实验室，选择 dualTank 实验装置，然后进入 Algorithm Design 子界面。
- 利用 NCSLab 提供的网页界面，按照示例 1 中描述的步骤设计比例-积分-微分（PID）控制算法。图 3 为双水箱系统的算法示例。
- 双击 PID 控制器，调节比例（P）、积分（I）和微分（D）项的参数，分别设置 P = 1.12，I = 0.008，D = 6.6。
注意：P、I 和 D 参数的调节应结合仿真结果进行。 - 点击 Start Simulation 按钮，仿真结果将弹出，如 图 3 右侧所示。
注意：可以看出控制性能良好，控制算法已准备好进行实时实验。 - 按照前述步骤生成可执行的控制算法。
- 将控制算法下载至远程控制器，并配置一个监控界面，包含四个文本框，分别用于显示设定值（Set_point）、P、I 和 D。
- 添加一个用于监控水位及其对应设定值的图表。选择一个三维控件，该控件可提供实验装置的多角度视图，并结合实时数据展示水位变化的动画。
- 点击 Start 按钮，监控界面将被激活，如 图 4 所示，实现可视化虚拟实验。
- 将设定值从 10 cm 调整为 5 cm，当受控水箱中的水位达到并稳定在 5 cm 时，将 I 设置为 0.1。再将设定值从 5 cm 重置为 15 cm；从 图 4 可以看出，系统出现了超调。
- 将 I 从 0.1 调整为 0.01，并将设定值从 15 cm 重置为 25 cm。可以看出，超调现象已被消除，水位能够快速稳定在 25 cm 的设定值。
3. 示例3：远程与虚拟实验室研究方案
- 在 NCSLab 中进行实时实验。
- 登录 NCSLab 系统，并在远程实验室子实验室中选择风扇转速控制。
- 进入算法设计子界面。拖动模块构建内模控制（IMC）控制算法框图，如图5所示。
注意：F(s) 和 Gm(s)-1 的设计如图5所示，其中展示了利用 NCSLab 设计的控制算法，用于在远程与虚拟实验室模式下控制风扇转速控制系统。 - 生成可执行的控制算法，并应用于风扇转速控制系统以验证所设计的 IMC 算法。
- 配置监控界面。将两个文本框分别连接至两个可调参数，即设定值（Set_point）和 lambda（λ，滤波器时间常数），并添加一个实时曲线图以监控设定值和转速（Speed）。同时选择风扇的 3D 模型控件和摄像头控件用于监控。
- 点击启动按钮以开始实时实验。将设定值从 2,000 rpm 重置为 1,500 rpm，然后再从 1,500 rpm 重置为 2,500 rpm，结果如图6所示。
注意：可以得出结论，当 λ = 1 时，系统能够稳定跟踪阶跃参考输入。
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结果
该实验室系统已在武汉大学的多个不同学科中使用，例如自动化、能源与动力工程、机械工程，以及其他高校，如河南农业大学6。
教师、学生和研究人员可充分利用该系统，通过不同的虚拟和/或物理实验装置探索其功能，定义自身的控制算法，并定制监控界面；因此，不同层次的用户均可从该系统中受益。该方法提供的可视化实验有望加深对理论、概念和公式的理解。
该系统可用于不同类型的算法设计（图1 和 图3 为两个示例）以及多种用途，如教学、学习和科研（三个实验方案可视为三个应用示例）。一阶系统是一个示例，表明该系统可应用于基于电路图的典型系统分析。
图3 和 图5 表明，所提出的在线实验室能够利用设计的模块来构建简单...
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讨论
本方案描述了一种混合式在线实验系统，该系统集成了用于远程实验的物理实验平台和用于虚拟实验的三维虚拟实验平台。系统提供了多种不同的模块库以支持算法设计过程，例如基于电路设计所需的电气元件库。具有控制背景的用户无需编程技能即可专注于学习。在设计可应用于特定实验平台的控制算法时，应充分考虑其适用性。在将控制器应用于受控实验平台之前，设计出能够保证良好控制性能（需考虑包括超调量、调节时间和稳态误差在内的控制性能指标）的控制器也具有挑战性。在编译可用于实时实验的控制算法之前，应先进行仿真以发现并解决潜在问题。一旦其他不同类型的实验平台被集成到该系统中，所设计的控制算法即可应用于这些平台。
关于这三个示例的背景知识和理论基础如下。
对于一阶系统，可以通过电路理论分析其原理，所用电路如图7所示。根据电路理论12，可得到以下两个方程。从运算放大器的输入端来看，电流为
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（项目编号62103308、62173255、62073247和61773144）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 风扇转速控制系统 | / | / | 由我们团队研制 |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | 由我们团队研制 |
参考文献
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