מאמר שיטה

מערכת ניסויים מקוונת אינטראקטיבית ומודמית לחינוך ומחקר הנדסי

DOI:

10.3791/63342

⸱

24 בנובמבר 2021

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו מתארת מערכת ניסויים מקוונת המספקת ניסויים חזותיים, כולל הדמיה של תיאוריות, מושגים ונוסחאות, הדמיית התהליך הניסיוני עם אסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות), והדמיה של מערכת הבקרה והניטור באמצעות ווידג'טים כגון תרשימים ומצלמות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ניסויים חיוניים בחינוך הנדסי. עבודה זו בוחנת ניסויים חזותיים במעבדות מקוונות להוראה ולמידה וגם למחקר. תכונות אינטראקטיביות ומדמיות, כולל יישום אלגוריתם מונחה תיאוריה, עיצוב אלגוריתמים מבוסס אינטרנט, ממשק ניטור הניתן להתאמה אישית ואסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) נדונות. כדי להמחיש את התכונות והפונקציונליות של המעבדות המוצעות, מסופקות שלוש דוגמאות, כולל חקר המערכת מסדר ראשון באמצעות מערכת מבוססת מעגלים עם אלמנטים חשמליים, תכנון אלגוריתם בקרה מבוסס אינטרנט לניסויים וירטואליים ומרוחקים. באמצעות אלגוריתמי בקרה שתוכננו על ידי המשתמש, לא רק שניתן לבצע סימולציות, אלא שניתן לערוך ניסויים בזמן אמת גם לאחר שאלגוריתמי הבקרה המעוצבים הידור לאלגוריתמי בקרת הפעלה. המעבדה המקוונת המוצעת מספקת גם ממשק ניטור הניתן להתאמה אישית, שבאמצעותו משתמשים יכולים להתאים אישית את ממשק המשתמש שלהם באמצעות ווידג'טים שסופקו כגון תיבת הטקסט, התרשים, התלת-ממד ווידג'ט של המצלמה. מורים יכולים להשתמש במערכת להדגמה מקוונת בכיתה, לתלמידים לניסויים לאחר השיעור ולחוקרים כדי לאמת אסטרטגיות בקרה.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מעבדות הן תשתית חיונית למחקר וחינוך. כאשר מעבדות קונבנציונליות אינן זמינות ו/או נגישות מסיבות שונות, למשל, רכישות בלתי ניתנות להפרדה ועלות תחזוקה, שיקולי בטיחות ומשברים כגון מגפת הקורונה 2019 (COVID-19), מעבדות מקוונות יכולות להציע חלופות 1,2,3. כמו מעבדות קונבנציונליות, התקדמות משמעותית כגון תכונות אינטראקטיביות4 וניסויים הניתנים להתאמה אישית5 הושגו במעבדות המקוונות. לפני מגפת COVID-19 ובמהלכה, מעבדות מקוונות מספקות שירותים ניסיוניים למשתמשים ברחבי העולם 6,7.

בין מעבדות מקוונות, מעבדות מרוחקות יכולות לספק למשתמשים חוויה דומה לניסויים מעשיים עם תמיכה באסדות בדיקה פיזיות ומצלמות8. עם התקדמות האינטרנט, התקשורת, הגרפיקה הממוחשבת וטכנולוגיות העיבוד, מעבדות וירטואליות מספקות גם חלופות למעבדות קונבנציונליות1. האפקטיביות של מעבדות מרוחקות ווירטואליות לתמיכה במחקר וחינוך אומתה בספרות קשורה1,9,10.

מתן ניסויים חזותיים הוא חיוני למעבדות מקוונות, והדמיה בניסויים מקוונים הפכה למגמה. טכניקות ויזואליזציה שונות מושגות במעבדות מקוונות, לדוגמה, תרשימי עקומות, אסדות בדיקה דו-ממדיות (דו-ממדיות) ואסדות בדיקה תלת-ממדיות (תלת-ממדיות)11. בחינוך השליטה, תיאוריות, מושגים ונוסחאות רבים אינם מובנים להבנה; לפיכך, ניסויים חזותיים חיוניים לשיפור ההוראה, לימוד התלמידים והמחקר. ניתן להסיק את ההדמיה המעורבת לשלוש הקטגוריות הבאות: (1) הדמיית תיאוריות, מושגים ונוסחאות עם תכנון ויישום אלגוריתמים מבוססי אינטרנט, שבאמצעותם ניתן לבצע סימולציה וניסויים; (2) הדמיה של התהליך הניסיוני עם אסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות; (3) הדמיה של שליטה וניטור באמצעות ווידג'טים כגון תרשים ווידג'ט מצלמה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בעבודה זו, שלוש דוגמאות חזותיות נפרדות מסופקות כדי לשפר את ההוראה ואת הלמידה והמחקר, אשר ניתן לגשת באמצעות המעבדה מערכת בקרה ברשת (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. דוגמה 1: מערכת מסדר ראשון באמצעות פרוטוקול ניסויים מבוסס מעגלים

  1. גש למערכת NCSLab.
    1. פתח דפדפן אינטרנט רגיל והזן את כתובת ה- URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
    2. לחץ על לחצן התחל ניסוי בצד הימני של הדף הראשי כדי להיכנס למערכת. שם משתמש: whutest; סיסמה: whutest.
      הערה: שלב זה מתאים גם לשתי דוגמאות אחרות (דוגמה 2 ודוגמה 3).
    3. הזן את WHULab ברשימת תת-המעבדה בצד שמאל ובחר WHUtypicalLinks לניסויים.
      הערה: שישה ממשקי משנה מתוכננים ומיושמים למטרות שונות כדי לתמוך בסימולציה וניסויים בזמן אמת.
    4. הזן את ממשק המשנה של עיצוב האלגוריתם .
      הערה: המשתמש יכול לבחור מודל אלגוריתם ציבורי שתוכנן ומשותף על-ידי משתמשים מורשים אחרים או ליצור מודל חדש.
    5. בחר ולחץ על לחצן צור מודל חדש והזן את ממשק האלגוריתם מבוסס האינטרנט. בנה דיאגרמת מעגלים באמצעות הבלוקים שסופקו, כפי שמוצג באיור 1.
      הערה: מגבר תפעולי אחר (op-amp) (Op-Amp2 באיור 1) משמש לביטול הסטת פאזה של 180°. כדי להבטיח שהקלט, הנגדים והקבל יהיו קרועים, קבל משתנה אחד ושני נגדים משתנים בספריית ELECTRIC ELEMENTS וארבעה בלוקים קבועים מספריית SOURCES נבחרים מלוח ספריית הבלוק בצד שמאל.
    6. לחץ פעמיים על הבלוקים המתאימים כדי להגדיר פרמטרים כמפורט בטבלה 1. הגדר את טווח ציר ה- X של התרשים ל - 8 s.
      הערה: חלון מוקפץ יופעל לאחר לחיצה כפולה על הבלוק, הכולל את תיאורי הבלוק וניתן להשתמש בו להגדרת הפרמטר. דוגמה של הנגד (R3) מודגמת באיור 1.
    7. לחץ על לחצן התחל סימולציה ; תוצאת הסימולציה תינתן בממשק, כפי שהיא כלולה באיור 1.
      הערה: שלב זה מתאים גם לשתי הדוגמאות האחרות עם אסדות בדיקה אחרות. תוצאות הסימולציה יכולות לספק מידע למשתמשים כדי לבדוק מחדש את המערכת מבוססת המעגלים שתוכננה כדי למנוע מעגל שגוי. עם זאת, מעגל פגום לא יגרום נזק למשתמשים או למערכת, ולכן המשתמשים לא צריכים לדאוג לגבי ההשלכות.
    8. לחץ על לחצן התחל הידור . המתן עד שדיאגרמת הבלוק המעוצבת תיווצר לאלגוריתם בקרת הפעלה שניתן להוריד ולבצע בבקר המרוחק הנפרס בצד אסדת הבדיקה כדי ליישם אלגוריתמי בקרה.
      הערה: שלב זה מתאים גם לניסויים הבאים עם אסדות בדיקה אחרות.
    9. ערוך ניסויים בזמן אמת באמצעות אלגוריתם הבקרה שנוצר. לחץ על לחצן בקרת בקשה כדי להגיש בקשה לשליטה במערכת המעגלים.
      הערה: "בקרת בקשה" הוא מנגנון התזמון עבור המערכת. לאחר שהמשתמש מקבל את הרשאת הבקרה, המשתמש יכול לערוך ניסויים עם אסדת הבדיקה המתאימה. רק משתמש אחד יכול לכבוש את אסדת הבדיקה בכל פעם עבור אסדות בדיקה פיזיות, ומנגנון תזמון התור יושם כדי לתזמן משתמשים פוטנציאליים אחרים בהתבסס על הכלל First Come First Served11. עבור אסדות בדיקה וירטואליות, ניתן לתמוך בו-זמנית במספר עצום של משתמשים. 500 ניסויי משתמש בו-זמנית נבדקו ביעילות. עבור מערכת מבוססת מעגלים, 50 משתמשים יכולים לגשת למערכת בכל פעם.
    10. לחץ על לחצן החזרה לממשק המשנה של עיצוב אלגוריתם . מצאו את אלגוריתם בקרת ההפעלה בחלונית ' מודלים של אלגוריתמים פרטיים '.
      הערה: ניתן למצוא את אלגוריתם בקרת ההפעלה גם בחלונית 'האלגוריתם שלי ' בממשק המשנה של אלגוריתם הבקרה .
    11. לחץ על לחצן ערוך ניסוי כדי להוריד את אלגוריתם הבקרה המעוצב לבקר מרוחק.
    12. הזן את ממשק המשנה של התצורה ולחץ על לחצן צור צג חדש כדי לקבוע תצורה של ממשק פיקוח, כפי שמוצג באיור 2. ארבע תיבות טקסט לכוונון פרמטרים ותרשים עקומה אחד לניטור אותות כלולים.
      הערה: התרשים מימין באיור 2 הוא אותו תרשים כמו התרשים שבשמאל, שנוסף כדי להדגים את הנתונים באמצעות לחצן 'השהה '.
    13. קשרו את האותות והפרמטרים עם הווידג'טים שנבחרו.
      הערה: פרמטר / קלט, פרמטר / R0, פרמטר / R1, ופרמטר / C עבור ארבע תיבות טקסט, בהתאמה, ופרמטר / קלט ואות / פלט עבור תרשים העקומה.
    14. לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל את הניסוי.
      הערה: שלב זה מתאים גם לניסויים הבאים עם אסדות בדיקה אחרות. משתמשים יכולים לשמור את התצורה לשימוש עתידי.
    15. הגדר את מתח הכניסה ל- 0 V, כוון את הקבל C ל- 5 מיקרומטר (0.0000005 באיור 2) ולאחר מכן הגדר את מתח הכניסה ל- 1 V; התהליך הדינמי של מתח היציאה מומחש באיור 2.
  2. חשב את הפרמטרים המתאימים K ו - T.
    הערה: ניתן לחשב את קבוע הזמן כאשר הפלט מגיע ל- 63.2% מהערך הסופי K לאחר t = T, שהוא 0.63212. מאיור 2, ניתן לראות שמשך הזמן הוא 1 s, ולכן, T = 1, אשר עולה בקנה אחד עם התיאוריה שבה, T = R1C = 200000*0.000005 = 1, ו- K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (השווה לערך הסופי)12. לכן, ניתן לציין את מערכת ההזמנה הראשונה כ: figure-protocol-1.

2. דוגמה 2: פרוטוקול ניסוי וירטואלי אינטראקטיבי ומדומה

  1. השתמש במערכת NCSLab כדי לבצע סימולציה וניסויים בזמן אמת.
    1. היכנס למערכת NCSLab. הזן את מעבדת המשנה ProcessControl ובחר את אסדת הבדיקה dualTank ולאחר מכן הזן את ממשק המשנה של עיצוב האלגוריתם .
    2. עצב אלגוריתם בקרה פרופורציונלי-אינטגרלי נגזר (PID) באמצעות ממשק האינטרנט המסופק על-ידי NCSLab בהתאם לשלבים המתוארים בדוגמה 1. איור 3 הוא דוגמה לאלגוריתם של מערכת הטנקים הכפולים.
    3. לחץ פעמיים על בקר PID, וכוון את הפרמטרים למונחים פרופורציונליים (P), אינטגרל (I) ונגזרת (D). Set P = 1.12, I = 0.008 ו- D = 6.6, בהתאמה.
      הערה: יש לכוונן את המונחים P, I ו- D בשילוב עם תוצאת הסימולציה.
    4. לחץ על לחצן התחל סימולציה ; תוצאת הסימולציה תופיע, הכלולה בצד ימין של איור 3.
      הערה: ניתן לראות כי ביצועי הבקרה טובים, ואלגוריתם הבקרה מוכן לניסויים בזמן אמת.
    5. צור את אלגוריתם בקרת ההפעלה לאחר השלבים שהוזכרו קודם לכן.
    6. הורד את אלגוריתם הבקרה לבקר המרוחק והגדר ממשק ניטור עם ארבע תיבות טקסט עבור Set_point, P, I ו- D, בהתאמה.
    7. כלול תרשים לניטור מפלס המים Set_point המתאימים. בחר ווידג'ט תלת-ממדי, שיכול לספק את כל הזוויות של אסדות הבדיקה וההנפשות של מפלס המים המחוברות לנתונים בזמן אמת.
    8. לחץ על לחצן התחל ; לאחר מכן, ממשק הניטור יופעל כפי שמוצג באיור 4, המספק ניסוי וירטואלי חזותי.
    9. הגדר את Set_point מ 10 ס"מ ל 5 ס"מ, ולאחר מכן להגדיר I = 0.1 כאשר הגובה של מפלס המים במיכל מבוקר מגיע ומתייצב על 5 ס"מ. אפס את נקודת הסט מ-5 ס"מ ל-15 ס"מ; מאיור 4 ניתן לראות כי יש הוצאה להורג.
    10. כוונן I מ- 0.1 עד 0.01 ואיפס את נקודת הסט מ- 15 ס"מ ל- 25 ס"מ. ניתן לראות כי overshoot בוטל, ואת מפלס המים יכול להתייצב במהירות על ערך נקודה קבועה של 25 ס"מ.

3. דוגמה 3: מחקר עם פרוטוקול מעבדות מרוחקות ווירטואליות

  1. לערוך ניסוי בזמן אמת בNCSLab.
    1. היכנס למערכת NCSLab ובחר בקרת מהירות מאווררים במעבדה המשנית של המעבדה המרוחקת.
    2. הזן את ממשק המשנה של עיצוב האלגוריתם . גררו את הבלוקים כדי לבנות את דיאגרמת אלגוריתם הבקרה של בקרת המודל הפנימי (IMC), כפי שמוצג באיור 5.
      הערה: ה-F(ים) וה-GM(ים)-1 מתוכננים כפי שמוצג באיור 5, שבו אלגוריתם הבקרה המעוצב באמצעות NCSLab מומחש לשליטה במערכת בקרת מהירות של מאווררים במצב מעבדה מרוחק ווירטואלי.
    3. צור את אלגוריתם בקרת בקרת ההפעלה והשתמש במערכת בקרת מהירות המאווררים כדי לאמת את אלגוריתם IMC שתוכנן.
    4. קביעת תצורה של ממשק פיקוח. קשר שתי תיבות טקסט עם שני פרמטרים, כלומר, Set_point ולמבדה (עבור λ שהוא קבוע זמן הסינון) לכוונון, ותרשים בזמן אמת עם Set_point ומהירות לניטור. בחרו בווידג'ט הדגם התלת-ממדי של המאוורר ובווידג'ט המצלמה לניטור.
    5. לחץ על לחצן התחל כדי להפעיל ניסויים בזמן אמת. אפסו את Set_point מ-2,000 סל"ד ל-1,500 סל"ד, ולאחר מכן אפסו אותה מ-1,500 סל"ד ל-2,500 סל"ד, שתוצאותיה מוצגות באיור 6.
      הערה: ניתן להסיק כי כאשר λ = 1 ניתן לייצב את המערכת להפניה צעד.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת המעבדה המוצעת שימשה במספר תלמידים שונים באוניברסיטת ווהאן, כגון אוטומציה, הנדסת חשמל ואנרגיה, הנדסת מכונות ואוניברסיטאות אחרות, כגון האוניברסיטה החקלאית הנאן6.

מורים/תלמידים/חוקרים מקבלים גמישות רבה לחקור את המערכת באמצעות אסדות בדיקה וירטואליות ו/או פיזיות שונות, להגדיר את אלגוריתמי הבקרה שלהם ולהתאים אישית את ממשק הניטור שלהם; לכן, משתמשים ברמות שונות יכולים להפיק תועלת מהמערכת המוצעת. הניסויים החזותיים שמספקת הגישה המוצעת יכולים לשפר באופן פוטנציאלי את הבנת התי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפרוטוקול המוצג מתאר מערכת מעבדה מקוונת היברידית המשלבת אסדות בדיקה פיזיות לניסויים מרחוק ואסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות לניסויים וירטואליים. מספר ספריות בלוקים שונות מסופקות עבור תהליך תכנון האלגוריתם, כגון האלמנטים החשמליים לעיצוב מבוסס מעגלים. משתמשים מרקע שליטה יכולים להתמקד בלמידה ללא כישורי תכנות. יש לשקול את התכנון הנכון של אלגוריתם בקרה שניתן להחיל על אסדת בדיקה מתאימה. כמו כן, מאתגר לתכנן בקר שיבטיח ביצועי שליטה טובים (בהתחשב במדד ביצועי הבקרה, כולל הוצאה מופרזת, זמן יישוב ושגיאה קבועה) לפני החלתו על אסדת הב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת גרנט 62103308, גרנט 62173255, גרנט 62073247 וגרנט 61773144.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מערכת בקרת מהירות מאוורר//תוצרת הצוות שלנו
https://www.powersim.whu.edu.cn/reactתוצרת הצוות שלנו

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
  2. Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699(2019).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
  13. 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).
  14. Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
  15. 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).
  16. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Online LaboratoryVisualized ExperimentationRemote ExperimentationWeb Based Algorithm DesignControl Algorithm ImplementationCustomizable Monitoring InterfaceThree Dimensional Virtual LabReal Time ExperimentationPID Control Algorithm

מאמרים קשורים