Summary
Dette arbeidet beskriver et online eksperimenteringssystem som gir visualiserte eksperimenter, inkludert visualisering av teorier, konsepter og formler, visualisering av eksperimentell prosess med tredimensjonale (3D) virtuelle testrigger, og visualisering av kontroll- og overvåkingssystemet ved hjelp av widgets som diagrammer og kameraer.
Abstract
Eksperimentering er avgjørende i ingeniørutdanningen. Dette arbeidet utforsker visualiserte eksperimenter i online laboratorier for undervisning og læring og også forskning. Interaktive og visualiserende funksjoner, inkludert teoristyrt algoritmeimplementering, nettbasert algoritmedesign, tilpassbart overvåkingsgrensesnitt og tredimensjonale (3D) virtuelle testrigger diskuteres. For å illustrere funksjonene og funksjonaliteten til de foreslåtte laboratoriene, leveres tre eksempler, inkludert førsteordens systemutforskning ved hjelp av et kretsbasert system med elektriske elementer, nettbasert kontrollalgoritmedesign for virtuell og ekstern eksperimentering. Ved hjelp av brukerdesignede kontrollalgoritmer kan ikke bare simuleringer utføres, men sanntidseksperimenter kan også utføres når de designede kontrollalgoritmene er kompilert til kjørbare kontrollalgoritmer. Det foreslåtte online laboratoriet gir også et tilpassbart overvåkingsgrensesnitt, som brukere kan tilpasse brukergrensesnittet sitt ved hjelp av gitte widgets som tekstboks, diagram, 3D og kamerawidget. Lærere kan bruke systemet til online demonstrasjon i klasserommet, studenter for eksperimentering etter leksjonen og forskere for å verifisere kontrollstrategier.
Introduction
Laboratorier er viktig infrastruktur for forskning og utdanning. Når konvensjonelle laboratorier ikke er tilgjengelige og/eller tilgjengelige på grunn av ulike årsaker, for eksempel uoverkommelige kjøps- og vedlikeholdskostnader, sikkerhetshensyn og kriser som koronavirussykdommen 2019 (COVID-19), kan nettlaboratorier tilby alternativer1,2,3. I likhet med konvensjonelle laboratorier har betydelig fremgang som interaktive funksjoner4 og tilpassbare eksperimenter5 blitt oppnådd i de elektroniske laboratoriene. Før og under COVID-19-pandemien tilbyr online laboratorier eksperimentelle tjenester til brukere over hele verden6,7.
Blant online laboratorier kan eksterne laboratorier gi brukerne en opplevelse som ligner på praktiske eksperimenter med støtte fra fysiske testrigger og kameraer8. Med utviklingen av Internett, kommunikasjon, datagrafikk og gjengivelsesteknologier, gir virtuelle laboratorier også alternativer til konvensjonelle laboratorier1. Effektiviteten av eksterne og virtuelle laboratorier for å støtte forskning og utdanning har blitt validert i relatert litteratur1,9,10.
Å tilby visualiserte eksperimenter er avgjørende for online laboratorier, og visualisering i online eksperimentering har blitt en trend. Ulike visualiseringsteknikker oppnås i nettbaserte laboratorier, for eksempel kurvediagrammer, todimensjonale (2D) testrigger og tredimensjonale (3D) testrigger11. I kontrollutdanning er mange teorier, konsepter og formler uklare å forstå; Visualiserte eksperimenter er derfor avgjørende for å forbedre undervisning, studentlæring og forskning. Den involverte visualiseringen kan avsluttes i følgende tre kategorier: (1) Visualisere teorier, konsepter og formler med nettbasert algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimentering kan gjennomføres; (2) Visualisere den eksperimentelle prosessen med 3D virtuelle testrigger; (3) Visualisere kontroll og overvåking ved hjelp av widgets som et diagram og en kamera widget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I dette arbeidet gis tre separate visualiserte eksempler for å forbedre undervisning og læring og forskning, som du kan få tilgang til via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Eksempel 1: Førsteordenssystem ved hjelp av kretsbasert eksperimenteringsprotokoll
- Få tilgang til NCSLab-systemet.
- Åpne en vanlig nettleser og skriv inn URL-https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- Klikk på Start eksperiment-knappen på venstre side av hovedsiden for å logge på systemet. Brukernavn: whutest; passord: whutest.
MERK: Dette trinnet passer også for andre to eksempler (eksempel 2 og eksempel 3). - Skriv inn WHULab i underlaboratoriumslisten til venstre og velg WHUtypicalLinks for eksperimentering.
MERK: Seks undergrensesnitt er designet og implementert for ulike formål for å støtte simulering og sanntidseksperimentering. - Angi undergrensesnittet for algoritmeutforming .
MERK: Brukeren kan velge en offentlig algoritmemodell designet og delt av andre autoriserte brukere eller opprette en ny modell. - Velg og klikk på Opprett ny modell-knappen og skriv inn det nettbaserte algoritmegrensesnittet. Bygg et kretsdiagram ved hjelp av de medfølgende blokkene, som vist i figur 1.
MERK: En annen driftsforsterker (op-amp) (Op-Amp2 i figur 1) brukes til å avbryte faseskiftet på 180°. For å sikre at inngangen, motstandene og kondensatoren er justerbare, velges en variabel kondensator og to variable motstander i ELECTRIC ELEMENTS-biblioteket og fire konstante blokker fra SOURCES-biblioteket fra panelet for blokkbibliotek på venstre side. - Dobbeltklikk de tilsvarende blokkene for å angi parametere som er oppført i tabell 1. Sett X-akseområdet for diagrammet til 8 s.
MERK: Et popup-vindu utløses etter et dobbeltklikk på blokken, som inkluderer beskrivelsene av blokken og kan brukes til å angi parameteren. Et eksempel på motstanden (R3) er illustrert i figur 1. - Klikk på Start simulering-knappen ; simuleringsresultatet vil bli gitt i grensesnittet, som inkludert i figur 1.
MERK: Dette trinnet passer også til de to andre eksemplene med andre testrigger. Simuleringsresultatene kan gi informasjon for brukere å kontrollere det designede kretsbaserte systemet på nytt for å unngå feil krets. En defekt krets vil imidlertid ikke forårsake skade på brukerne eller systemet, slik at brukerne ikke trenger å bekymre seg for konsekvensene. - Klikk på Start kompilering-knappen . Vent til det utformede blokkdiagrammet genereres til en kjørbar kontrollalgoritme som kan lastes ned og kjøres inn i fjernkontrollen som distribueres på testriggsiden for å implementere kontrollalgoritmer.
MERK: Dette trinnet passer også til følgende eksperimenter med andre testrigger. - Utfør sanntidseksperimenter ved hjelp av den genererte kontrollalgoritmen. Klikk på Be om kontroll-knappen for å søke om kontroll over kretssystemet.
MERK: "Forespørselskontroll" er planleggingsmekanismen for systemet. Når en bruker har fått kontrollprivilegiet, kan brukeren utføre eksperimenter med den tilsvarende testriggen. Bare én bruker kan oppta testriggen om gangen for fysiske testrigger, og køplanleggingsmekanismen er implementert for å planlegge andre potensielle brukere basert på first come first served-regelen11. For virtuelle testrigger kan et enormt antall brukere støttes samtidig. 500 samtidig brukereksperimentering er testet effektivt. For det kretsbaserte systemet kan 50 brukere få tilgang til systemet om gangen. - Klikk på Retur-knappen til undergrensesnittet for algoritmedesign . Finn den kjørbare kontrollalgoritmen under panelet Private Algoritmemodeller .
MERK: Den kjørbare kontrollalgoritmen finner du også i My Algorithm-panelet i undergrensesnittet for kontrollalgoritmen . - Klikk på Utfør et eksperiment-knappen for å laste ned den designede kontrollalgoritmen til en fjernkontroll.
- Gå inn i undergrensesnittet Konfigurasjon og klikk på Opprett ny skjerm-knappen for å konfigurere et overvåkingsgrensesnitt, som vist i figur 2. Fire tekstbokser for parameterjustering og ett kurvediagram for signalovervåking er inkludert.
MERK: Diagrammet til høyre i figur 2 er det samme diagrammet som det til venstre, som ble lagt til for å demonstrere dataene ved hjelp av Hvilemodus-knappen . - Koble signalene og parameterne til de valgte widgetene.
MERK: Parameter/ inndata, parameter/ R0, parameter / R1 og parameter / C for henholdsvis fire tekstbokser, og parameter / inngang og signal / utgang for kurvediagrammet. - Klikk på Start-knappen for å starte eksperimentet.
MERK: Dette trinnet passer også til følgende eksperimenter med andre testrigger. Brukere kan lagre konfigurasjonen for fremtidig bruk. - Sett inngangsspenningen til 0 V, still inn kondensatoren C til 5 μF (0,000005 i figur 2), og sett deretter inngangsspenningen til 1 V; den dynamiske prosessen med utgangsspenningen er illustrert i figur 2.
- Beregn de tilsvarende parameterne K og T.
MERK: Tidskonstanten kan beregnes når utdataene når 63,2 % av den endelige verdien K etter t = T, som er 0,63212. Fra figur 2 kan man se at varigheten er 1 s, og dermed T = 1, som er i samsvar med teorien der T = R1C = 2000000*0,000005 = 1, og K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (som er lik sluttverdien)12. Dermed kan førsteordenssystemet angis som:
.
.2. Eksempel 2: Interaktiv og visualisert virtuell eksperimenteringsprotokoll
- Bruk NCSLab-systemet til å utføre simulering og sanntidseksperimentering.
- Logg inn på NCSLab-systemet. Gå inn i underlaboratoriet ProcessControl og velg dualTank-testriggen , og angi deretter undergrensesnittet Algoritmedesign .
- Design en proporsjonal-integral-derivat (PID) kontrollalgoritme ved hjelp av webgrensesnittet levert av NCSLab ved å følge trinnene som er beskrevet i eksempel 1. Figur 3 er et algoritmeeksempel for det doble tanksystemet.
- Dobbeltklikk på PID-kontrolleren, og juster parametrene for termene Proportional (P), Integral (I) og Derivative (D). Sett P = 1,12, I = henholdsvis 0,008 og D = 6,6.
MERK: Vilkårene for P, I og D bør justeres kombinert med simuleringsresultatet. - Klikk på Start simulering-knappen ; simuleringsresultatet vil dukke opp, som er inkludert på høyre side av figur 3.
MERK: Det kan ses at kontrollytelsen er god, og kontrollalgoritmen er klar for eksperimentering i sanntid. - Generer den kjørbare kontrollalgoritmen ved å følge de tidligere nevnte trinnene.
- Last ned kontrollalgoritmen til fjernkontrollen og konfigurer et overvåkingsgrensesnitt med fire tekstbokser for henholdsvis Set_point, P, I og D.
- Ta med et diagram for overvåking av vannstanden og tilsvarende Set_point. Velg en 3D-widget, som kan gi alle vinkler på testriggene og animasjonene av vannstand koblet til sanntidsdataene.
- Klikk på Start-knappen ; Deretter aktiveres overvåkingsgrensesnittet som vist i figur 4, som gir et visualisert virtuelt eksperiment.
- Sett Set_point fra 10 cm til 5 cm, og sett deretter I = 0,1 når vannstandens høyde i den kontrollerte tanken når og stabiliserer seg ved 5 cm. Tilbakestill settpunktet fra 5 cm til 15 cm; Det kan ses fra figur 4 at det er en overshoot.
- Still inn I fra 0,1 til 0,01 og tilbakestill settpunktet fra 15 cm til 25 cm. Det kan ses at overshoot er eliminert, og vannstanden kan raskt stabilisere seg ved set-point-verdien på 25 cm.
3. Eksempel 3: Forskning med protokoll for eksterne og virtuelle laboratorier
- Utfør et sanntidseksperiment i NCSLab.
- Logg inn på NCSLab-systemet og velg Viftehastighetskontroll i fjernlaboratoriet.
- Angi undergrensesnittet for algoritmeutforming . Dra blokkene for å konstruere IMC-kontrollalgoritmediagrammet (Internal Model Control), som vist i figur 5.
MERK: F(er) og Gm(er)-1 er utformet som vist i figur 5, der den utformede kontrollalgoritmen ved hjelp av NCSLab er illustrert for å kontrollere et viftehastighetskontrollsystem i en ekstern og virtuell laboratoriemodus. - Generer den kjørbare kontrollalgoritmen og bruk viftehastighetskontrollsystemet for å bekrefte den designede IMC-algoritmen.
- Konfigurer et overvåkingsgrensesnitt. Koble to tekstbokser med to parametere, nemlig Set_point og lambda (for λ som er filtertidskonstanten) for justering, og et sanntidsdiagram med Set_point og Hastighet for overvåking. Velg 3D-modellwidgeten til viften og kamerawidgeten for overvåking.
- Klikk på Start-knappen for å aktivere eksperimentering i sanntid. Tilbakestill Set_point fra 2000 o/min til 1500 o/min, og tilbakestill den deretter fra 1500 o/min til 2500 o/min, hvis resultat er vist i figur 6.
MERK: Det kan konkluderes med at når λ = 1 systemet kan stabiliseres til en trinnreferanse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det foreslåtte laboratoriesystemet har blitt brukt i flere forskjellige disipler ved Wuhan University, for eksempel automatisering, kraft- og energiteknikk, maskinteknikk og andre universiteter, for eksempel Henan Agricultural University6.
Lærere/studenter/forskere får stor fleksibilitet til å utforske systemet ved hjelp av ulike virtuelle og/eller fysiske testrigger, definere sine kontrollalgoritmer og tilpasse overvåkingsgrensesnittet; Dermed kan brukere på forskjellige nivåer dra nytte av det foreslåtte systemet. De visualiserte eksperimentene fra den foreslåtte tilnærmingen kan potensielt forbedre forståelsen av teorier, konsepter og formler.
Det foreslåtte systemet kan brukes til ulike typer algoritmedesign (figur 1 og figur 3 er to eksempler) og flerbruksformål som undervisning, læring og forskning (tre protokoller kan betraktes som tre søknadseksempler). Førsteordenssystemet er et eksempel på at systemet kan brukes på vanlig systemanalyse ved hjelp av kretsbaserte diagrammer.
Figur 3 og figur 5 viser at det foreslåtte nettlaboratoriet kan designe enkle og komplekse kontrollalgoritmer ved hjelp av de utformede blokkene, verifisert gjennom simulering og sanntidseksperimentering med henholdsvis 3D virtuelle og fysiske testrigger, som vist i figur 4 og figur 6.
De tre eksemplene viser at det foreslåtte interaktive og visualiserte laboratoriet kan oppnå følgende visualisering som nevnte. (1) Teori, formler og skjematiske diagrammer kan visualiseres gjennom nettbasert algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimentering kan gjennomføres. (2) Med støtte fra de virtuelle 3D-testriggene kan eksperimentelle prosesser visualiseres i fravær av fysiske testrigger og kameraer utplassert på testriggstedet. I eksterne laboratorier kan integreringen av 3D-testrigger også være til nytte for brukerne, slik at brukerne kan se detaljene for testriggene fra forskjellige vinkler. Ved å kombinere virtuelle 3D-testrigger med fysiske testrigger på den eksterne siden, kan det potensielt forbedre brukeropplevelsen. (3) Bruk av utviklede widgets som et diagram, en kamerawidget og en tekstboks, overvåking og kontroll under den eksperimentelle prosessen kan visualiseres.
Figur 1: Bygging av førsteordenssystemet med blokker fra det elektriske elementbiblioteket på NCSLab. Brukeren kan dra en hvilken som helst blokk fra panelet for blokkbibliotek på venstre side og konstruere et system ved å koble de valgte blokkene riktig. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Sanntidseksperiment av førsteordenssystemet med den utformede kontrollalgoritmen. Parametrene er justerbare, og signalene kan overvåkes med de medfølgende widgetene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Nettbasert design og implementering av PID-kontrollalgoritmer for det doble tanksystemet. Simuleringsresultatet er inkludert, som viser at vannstanden til den andre tanken kan styres til set-point-verdien på 10 cm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Eksperimentering i sanntid med det doble tanksystemet. Etter å ha stilt inn integralbegrepet fra 0,1 til 0,01, tilbakestilles settpunktet fra 15 cm til 25 cm. Det kan ses at overshoot har blitt eliminert. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: IMC-kontroll av viftehastighetskontrollsystemet. Den inverse modellen til den identifiserte viftemodellen er en feil overføringsfunksjon (for en riktig overføringsfunksjon må rekkefølgen på overføringsfunksjonstallatoren være mindre enn eller lik nevnerens rekkefølge), som er konstruert med generelle blokker basert på den identifiserte modellen. Filteret er også bygget med blokker for å aktivere et justerbart filter. Lambdaen i figuren representerer λens gjensidige resiprokal i formel 6 og kan enkelt stilles inn. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Sanntidskontroll og viftehastighetsovervåking ved hjelp av fjernlaboratoriet for viftehastighetskontroll kombinert med et 3D virtuelt viftesystem. Det fysiske viftesystemet ligger ved Wuhan University og tilbyr eksterne laboratorietjenester til brukere over hele verden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Skjematisk diagram over førsteordenssystemet. Førsteordens kretsdesign og implementering i NCSLab er basert på dette diagrammet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: 3D virtuelt dobbelttanksystem i NCSLab. Formålet med kontrollen er å kontrollere vannstanden i den andre tanken til settpunktverdien. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Skjematisk for den interne modellkontrollarkitekturen. Gm(er) er modellen til den virkelige planten G(er), Gm(er)-1 er den motsatte modellen av Gm(er), F(er) og er filteret. F(er), Gm(er)-1 og Gm(er) utgjør IMC-kontrolleren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Parameter | Verdi |
| R0 | 200 kΩ |
| R1 | 200 kΩ |
| C | 1 μF |
| R2 | 200 kΩ |
| R3 | 200 kΩ |
| Innspill | 1 V |
Tabell 1: Parameterkonfigurasjoner for førsteordenskretssystemet. R2 og R3 brukes til å avbryte faseskiftet kombinert med op-amp.
Supplerende figur 1: Simuleringsadvarselsgrensesnitt når en bruker ikke jorder en krets. Resultatet vil advare brukerne, noe som kan hjelpe dem med å sjekke den designede kretsen på nytt. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 2: Kompileringsadvarselsgrensesnitt når en bruker ikke jorder en krets. Resultatet vil advare brukerne, noe som kan hjelpe dem med å sjekke den designede kretsen på nytt. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 3: Simuleringsresultat når en bruker reverserer kondensatorens polaritet. En vanlig kondensator i stedet for variabelkondensator er valgt for å illustrere dette eksemplet. Ingen advarsel vises, og resultatet ligner på tilleggs figur 4. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 4: Simuleringsresultat når kondensatorens polaritet er riktig. En vanlig kondensator i stedet for variabelkondensator er valgt for å illustrere dette eksemplet. Simuleringsresultatet vil dukke opp for å hjelpe brukerne med å sjekke kretsen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den presenterte protokollen beskriver et hybrid online laboratoriesystem som integrerer fysiske testrigger for fjerneksperimentering og 3D virtuelle testrigger for virtuell eksperimentering. Flere forskjellige blokkbiblioteker er gitt for algoritmedesignprosessen, for eksempel de elektriske elementene for kretsbasert design. Brukere med kontrollbakgrunn kan fokusere på læring uten programmeringsferdigheter. Riktig utforming av en kontrollalgoritme som kan brukes på en passende testrigg, bør vurderes. Det er også utfordrende å utforme en kontroller for å garantere god kontrollytelse (med tanke på kontrollytelsesindeks, inkludert overshoot, oppgjørstid og jevn feil) før du bruker den på den kontrollerte testriggen. Før du kompilerer en kontrollalgoritme som kan brukes til sanntidseksperimentering, bør simulering utføres for å løse potensielle problemer. Kontrollalgoritmer kan brukes på andre forskjellige testrigger ved hjelp av systemet når de er integrert i det foreslåtte systemet.
Bakgrunnen og teoretisk kunnskap om de tre eksemplene er som følger.
For førsteordenssystemet kan prinsippet om førsteordenssystemet analyseres ved hjelp av kretsteori med den medfølgende kretsen i figur 7. Ifølge kretsteori12 kan følgende to ligninger oppnås. Fra inngangssidevisningen av op-amp er strømmen
(1)
Fra utgangssidevisningen av op-amp kan ligning 2 oppnås
(2)
hvor 
er impedansen til RC parallellkretsen.
Ved å kombinere Formel 1 og 2 kan overføringsfunksjonen til systemet beregnes som
(3)
der minustegnet (-) indikerer et 180° faseskift av utgangsspenningen, som forsømmes i analysen i følgende trinn.
Angi K = R1/R0, T = R1C, og deretter kan overføringsfunksjonen til systemet representeres som
(4)
For det doble tanksystemet er det designede 3D-vanntanksystemet illustrert i figur 8. Utformingen og implementeringen av en tidligere versjon ved hjelp av Flash har blitt utforsket i arbeidet til W. Hu et al. i 201413. Kontrollformålet med denne testriggen er å kontrollere vannstanden i den andre tanken til verdien av det innstilte punktet. En PID-kontroller har blitt brukt til å kontrollere den doble tanken. Teoretisk sett kan PID uttrykkes som14
(5)
der Kp, Ki, Kd er koeffisientene for henholdsvis P-, I- og D-termer.
IMC er enkel å justere med god set-point sporingsytelse og har blitt mye brukt til å kontrollere virkelige applikasjoner15. Kontrollarkitekturen til IMC er vist i figur 9, der G(er) er den virkelige planten og Gm(er) er plantens modell. Gm(er) oppnås vanligvis gjennom systemidentifikasjon. Gm(er)-1 er den motsatte modellen av Gm(er), og F(er) er filteret. R(er), Y(er) og E(er) er henholdsvis referanse, utdata og feil. F(er), Gm(er)-1 og Gm(er) utgjør IMC-kontrolleren. Et standardfilter F(er)16 brukes i dette arbeidet som Formel 6
, (6)
der λ er filtertidskonstanten, og rekkefølge n er valgt for å sikre en riktig eller semi-riktig IMC-kompensator (F(er)*Gm(er)-1).
IMC-kontrollalgoritmen er designet og brukt til å kontrollere det fysiske viftehastighetssystemet gjennom beregning, analyse og riktig design. I dette arbeidet representerer G(er) et fysisk viftehastighetskontrollsystem, hvis modell Gm(er) er identifisert som et andreordenssystem
. (7)
Rekkefølgen n for filteret F(er) er satt til 1. For tuningformål representerer lambda i figur 5 gjensidigheten til λ i formel 6 og kan enkelt justeres. Filteret er satt til å være følgende
. (8)
Nettbasert algoritmedesign gjør det mulig for brukere på et avansert nivå å designe mer komplekse algoritmer med støtte fra S-funksjon. Imidlertid vurderes mer avanserte kontrollstrategier for forskning og utdanning, for eksempel kontrollstrategier for multiagentsystemer eller nettverkskontrollstrategier med tidsbegrensninger, for videre oppgradering av det foreslåtte laboratoriesystemet.
Det kretsbaserte systemet er basert på simulering. En av fordelene med simulering er at brukerne kan utføre sine operasjoner fritt. De trenger ikke å bekymre seg for konsekvensene siden deres feiloperering ikke vil skade seg selv og systemet og testriggene, spesielt i et online eksperimenteringssystem.
Etter at et kretsbasert system er designet, skal brukeren kjøre en simulering. I noen tilfeller, for eksempel unnlatelse av å jorde kretsen, vil simulerings- og kompileringsresultatene advare brukerne, noe som kan hjelpe dem med å kontrollere den designede kretsen på nytt (Tilleggs figur 1 og Supplerende figur 2). I andre tilfeller vil for eksempel reversering av kondensatorens polaritet (tilleggsfigur 3) ikke vises noen advarsel når en bruker prøver å gjennomføre en simulering eller kompilering, hvis resultat ligner på en riktig krets som vist i supplerende figur 4.
For tiden er hovedbegrensningen i det elektroniske eksperimenteringssystemet at det først og fremst kan brukes til brukere med kontrollbakgrunn. Det kretsbaserte systemet kan bare brukes til simulering uten maskinvareoppsett. For å dekke ulike tekniske felt kan maskinvare for kretssystemer som kan brukes på elektro- og elektronikkteknikk integreres. Det bør også vurderes flere testrigger for andre områder.
Sammenlignet med MATLAB/Simulink er det ikke nødvendig med en frittstående MATLAB/Simulink for hver bruker ved hjelp av den foreslåtte metodikken. Videre er sanntidseksperimentering med 3D virtuelle testrigger og fysiske testrigger mer enn ren simulering i det foreslåtte laboratoriet. Sammenlignet med det MATLAB/Simulink-baserte fjernlaboratoriet presentert av I. Santana et al.9, kan det foreslåtte laboratoriet brukes til å designe kontrollere og hele kontrollsystemet med kretsbasert system, 3D virtuelle og fysiske testrigger. Eksperimenteringsmiljø (EE) tilbyr praktiske kontrollerdesignmetoder med Blockly-basert visuell design for enkle eksperimenter og en JavaScript-basert tekstdesign for komplekse eksperimenter5. Med tanke på at studentene er mer kjent med MATLAB/Simulink, kan et blokkbasert algoritmedesigngrensesnitt som ligner på MATLAB/Simulink være et godt alternativ for å designe kontrollsystemet.
Det foreslåtte systemet kan brukes til undervisning, læring og forskning for lærere, studenter og forskere. For tiden har systemet hovedsakelig blitt brukt i kontrolltekniske disipliner. Systemet kan potensielt brukes på elektro- og elektronikkteknikk, industriell elektronikk og industriell kontroll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av 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).
