Summary
Questo lavoro descrive un sistema di sperimentazione online che fornisce esperimenti visualizzati, tra cui la visualizzazione di teorie, concetti e formule, la visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali tridimensionali (3D) e la visualizzazione del sistema di controllo e monitoraggio utilizzando widget come grafici e telecamere.
Abstract
La sperimentazione è fondamentale nella formazione ingegneristica. Questo lavoro esplora esperimenti visualizzati in laboratori online per l'insegnamento e l'apprendimento e anche la ricerca. Vengono discusse le funzionalità interattive e di visualizzazione, tra cui l'implementazione di algoritmi guidati dalla teoria, la progettazione di algoritmi basati sul Web, l'interfaccia di monitoraggio personalizzabile e i banchi di test virtuali tridimensionali (3D). Per illustrare le caratteristiche e le funzionalità dei laboratori proposti, vengono forniti tre esempi, tra cui l'esplorazione del sistema di primo ordine utilizzando un sistema basato su circuito con elementi elettrici, la progettazione di algoritmi di controllo basati sul web per la sperimentazione virtuale e remota. Utilizzando algoritmi di controllo progettati dall'utente, non solo è possibile condurre simulazioni, ma anche esperimenti in tempo reale una volta che gli algoritmi di controllo progettati sono stati compilati in algoritmi di controllo eseguibili. Il laboratorio online proposto fornisce anche un'interfaccia di monitoraggio personalizzabile, con la quale gli utenti possono personalizzare la propria interfaccia utente utilizzando widget forniti come la casella di testo, il grafico, il 3D e il widget della fotocamera. Gli insegnanti possono utilizzare il sistema per la dimostrazione online in classe, gli studenti per la sperimentazione dopo le lezioni e i ricercatori per verificare le strategie di controllo.
Introduction
I laboratori sono un'infrastruttura vitale per la ricerca e l'istruzione. Quando i laboratori convenzionali non sono disponibili e/o accessibili a causa di cause diverse, ad esempio acquisti inaccessibili e costi di manutenzione, considerazioni sulla sicurezza e crisi come la pandemia di coronavirus 2019 (COVID-19), i laboratori online possono offrire alternative1,2,3. Come i laboratori convenzionali, nei laboratori online sono stati compiuti progressi significativi come le funzionalità interattive4 e gli esperimenti personalizzabili5. Prima e durante la pandemia di COVID-19, i laboratori online forniscono servizi sperimentali agli utenti di tutto il mondo6,7.
Tra i laboratori online, i laboratori remoti possono fornire agli utenti un'esperienza simile agli esperimenti pratici con il supporto di banchi di prova fisici e telecamere8. Con il progresso di Internet, della comunicazione, della computer grafica e delle tecnologie di rendering, i laboratori virtuali offrono anche alternative ai laboratori convenzionali1. L'efficacia dei laboratori remoti e virtuali a supporto della ricerca e dell'istruzione è stata convalidata nella letteratura correlata1,9,10.
Fornire esperimenti visualizzati è fondamentale per i laboratori online e la visualizzazione nella sperimentazione online è diventata una tendenza. Nei laboratori online si ottengono diverse tecniche di visualizzazione, ad esempio grafici di curve, banchi di prova bidimensionali (2D) e banchi di prova tridimensionali (3D)11. Nell'educazione al controllo, numerose teorie, concetti e formule sono oscuri da comprendere; pertanto, gli esperimenti visualizzati sono vitali per migliorare l'insegnamento, l'apprendimento degli studenti e la ricerca. La visualizzazione coinvolta può essere conclusa nelle seguenti tre categorie: (1) Visualizzare teorie, concetti e formule con progettazione e implementazione di algoritmi basati sul web, con cui è possibile condurre simulazione e sperimentazione; (2) Visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali 3D; (3) Visualizzazione del controllo e del monitoraggio utilizzando widget come un grafico e un widget della fotocamera.
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Protocol
In questo lavoro, vengono forniti tre esempi visualizzati separati per migliorare l'insegnamento, l'apprendimento e la ricerca, a cui è possibile accedere tramite il Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Esempio 1: sistema di primo ordine che utilizza il protocollo di sperimentazione basato su circuito
- Accedere al sistema NCSLab.
- Apri un browser Web tradizionale e inserisci l'URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- Fai clic sul pulsante Avvia esperimento sul lato sinistro della pagina principale per accedere al sistema. Nome utente: whutest; password: whutest.
NOTA: questo passaggio è adatto anche per altri due esempi (esempio 2 ed esempio 3). - Inserisci il WHULab nell'elenco dei sottolaboratori sul lato sinistro e scegli WHUtypicalLinks per la sperimentazione.
NOTA: sei sotto-interfacce sono progettate e implementate per scopi diversi per supportare la simulazione e la sperimentazione in tempo reale. - Accedere alla sottointerfaccia Algorithm Design .
NOTA: l'utente può scegliere un modello di algoritmo pubblico progettato e condiviso da altri utenti autorizzati o creare un nuovo modello. - Scegli e fai clic sul pulsante Crea nuovo modello e accedi all'interfaccia dell'algoritmo basato sul Web. Creare uno schema elettrico utilizzando i blocchi forniti, come illustrato nella Figura 1.
NOTA: un altro amplificatore operazionale (op-amp) (Op-Amp2 nella Figura 1) viene utilizzato per annullare lo sfasamento di 180°. Per garantire che l'ingresso, i resistori e il condensatore siano sintonizzabili, un condensatore variabile e due resistori variabili nella libreria ELECTRIC ELEMENTS e quattro blocchi costanti dalla libreria SOURCES sono selezionati dal pannello della libreria di blocchi sul lato sinistro. - Fare doppio clic sui blocchi corrispondenti per impostare i parametri elencati nella Tabella 1. Impostare l'intervallo dell'asse X del grafico su 8 s.
NOTA: una finestra popup verrà attivata dopo un doppio clic sul blocco, che include le descrizioni del blocco e può essere utilizzata per impostare il parametro. Un esempio del resistore (R3) è illustrato nella Figura 1. - Fare clic sul pulsante Avvia simulazione ; il risultato della simulazione sarà fornito nell'interfaccia, come incluso nella Figura 1.
NOTA: questo passaggio si adatta anche agli altri due esempi con altri banchi di prova. I risultati della simulazione possono fornire informazioni agli utenti per ricontrollare il sistema basato su circuito progettato per evitare un circuito sbagliato. Tuttavia, un circuito difettoso non causerà alcun danno agli utenti o al sistema, quindi gli utenti non devono preoccuparsi delle conseguenze. - Fare clic sul pulsante Avvia compilazione . Attendere che il diagramma a blocchi progettato venga generato in un algoritmo di controllo eseguibile che può essere scaricato ed eseguito nel telecomando distribuito sul lato del banco di prova per implementare gli algoritmi di controllo.
NOTA: questo passaggio si adatta anche ai seguenti esperimenti con altri banchi di prova. - Condurre esperimenti in tempo reale utilizzando l'algoritmo di controllo generato. Fare clic sul pulsante Richiedi controllo per richiedere il controllo del sistema di circuiti.
NOTA: "Controllo delle richieste" è il meccanismo di pianificazione per il sistema. Una volta concesso a un utente il privilegio di controllo, l'utente può condurre esperimenti con il rig di test corrispondente. Solo un utente può occupare il banco di test alla volta per i banchi di test fisici ed è stato implementato il meccanismo di pianificazione delle code per pianificare altri potenziali utenti in base alla regola "Primo arrivato, primo servito11". Per i banchi di test virtuali, è possibile supportare contemporaneamente un numero enorme di utenti. 500 sperimentazioni simultanee con gli utenti sono state testate in modo efficace. Per il sistema basato su circuito, 50 utenti possono accedere al sistema alla volta. - Fare clic sul pulsante Ritorna alla sottointerfaccia Algorithm Design . Individuare l'algoritmo di controllo eseguibile nel pannello Modelli algoritmo privati .
NOTA: l'algoritmo di controllo eseguibile si trova anche nel pannello Algoritmo personale nella sottointerfaccia Algoritmo di controllo . - Fare clic sul pulsante Esegui un esperimento per scaricare l'algoritmo di controllo progettato su un telecomando.
- Accedere alla sottointerfaccia Configurazione e fare clic sul pulsante Crea nuovo monitor per configurare un'interfaccia di monitoraggio, come illustrato nella Figura 2. Sono incluse quattro caselle di testo per la regolazione dei parametri e un grafico a curva per il monitoraggio del segnale.
NOTA: il grafico a destra nella Figura 2 è lo stesso grafico di quello a sinistra, che è stato aggiunto per illustrare i dati utilizzando il pulsante Sospendi . - Collegare i segnali e i parametri con i widget selezionati.
NOTA: Parametro/ Ingresso, Parametro / R0, Parametro / R1 e Parametro / C per quattro caselle di testo, rispettivamente, e Parametro / Ingresso e Segnale / Uscita per il grafico della curva. - Fai clic sul pulsante Start per avviare l'esperimento.
NOTA: questo passaggio si adatta anche ai seguenti esperimenti con altri banchi di prova. Gli utenti possono salvare la configurazione per un uso futuro. - Impostare la tensione di ingresso su 0 V, sintonizzare il condensatore C su 5 μF (0,000005 nella Figura 2), quindi impostare la tensione di ingresso su 1 V; il processo dinamico della tensione di uscita è illustrato nella Figura 2.
- Calcola i parametri corrispondenti K e T.
NOTA: la costante di tempo può essere calcolata quando l'output raggiunge il 63,2% del valore finale K dopo t = T, che è 0,63212. Dalla Figura 2, si può vedere che la durata del tempo è 1 s, quindi, T = 1, che è coerente con la teoria in cui, T = R1C = 200000 * 0,000005 = 1, e K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (che equivale al valore finale) 12. Pertanto, il sistema del primo ordine può essere specificato come:
.
.2. Esempio 2: protocollo di sperimentazione virtuale interattivo e visualizzato
- Utilizza il sistema NCSLab per condurre simulazioni e sperimentazioni in tempo reale.
- Accedere al sistema NCSLab. Accedere al sottolaboratorio ProcessControl e scegliere il banco di prova dualTank , quindi immettere la sottointerfaccia Algorithm Design .
- Progettare un algoritmo di controllo PID (Proportional-Integral-Derivative) utilizzando l'interfaccia Web fornita da NCSLab seguendo i passaggi descritti nell'esempio 1. La Figura 3 è un esempio di algoritmo per il sistema a doppio serbatoio.
- Fare doppio clic sul controller PID e regolare i parametri per i termini Proporzionale (P), Integrale (I) e Derivata (D). Impostare P = 1,12, I = 0,008 e D = 6,6, rispettivamente.
NOTA: i termini P, I e D devono essere sintonizzati in combinazione con il risultato della simulazione. - Fare clic sul pulsante Avvia simulazione ; verrà visualizzato il risultato della simulazione, incluso sul lato destro della Figura 3.
NOTA: si può vedere che le prestazioni di controllo sono buone e l'algoritmo di controllo è pronto per la sperimentazione in tempo reale. - Generare l'algoritmo di controllo eseguibile seguendo i passaggi precedentemente menzionati.
- Scaricare l'algoritmo di controllo sul telecomando e configurare un'interfaccia di monitoraggio con quattro caselle di testo per Set_point, P, I e D, rispettivamente.
- Includi un grafico per il monitoraggio del livello dell'acqua e il corrispondente Set_point. Scegli un widget 3D, che può fornire tutti gli angoli dei banchi di prova e animazioni del livello dell'acqua collegati ai dati in tempo reale.
- Fare clic sul pulsante Start ; quindi, l'interfaccia di monitoraggio verrà attivata come mostrato nella Figura 4, che fornisce un esperimento virtuale visualizzato.
- Impostare il Set_point da 10 cm a 5 cm, quindi impostare I = 0,1 quando l'altezza del livello dell'acqua nel serbatoio controllato raggiunge e si stabilizza a 5 cm. Ripristinare il set-point da 5 cm a 15 cm; si può vedere dalla Figura 4 che c'è un overshoot.
- Sintonizzare I da 0,1 a 0,01 e resettare il set-point da 15 cm a 25 cm. Si può vedere che l'overshoot è stato eliminato e il livello dell'acqua può stabilizzarsi rapidamente al valore del set-point di 25 cm.
3. Esempio 3: Protocollo di ricerca con laboratori remoti e virtuali
- Conduci un esperimento in tempo reale in NCSLab.
- Accedi al sistema NCSLab e scegli Controllo della velocità della ventola nel sottolaboratorio Laboratorio remoto.
- Accedere alla sottointerfaccia Algorithm Design . Trascinare i blocchi per costruire il diagramma dell'algoritmo di controllo IMC (Internal Model Control), come illustrato nella Figura 5.
NOTA: F(s) e Gm(s)-1 sono progettati come mostrato nella Figura 5, in cui l'algoritmo di controllo progettato utilizzando NCSLab è illustrato per controllare un sistema di controllo della velocità della ventola in modalità laboratorio remoto e virtuale. - Generare l'algoritmo di controllo eseguibile e utilizzare il sistema di controllo della velocità della ventola per verificare l'algoritmo IMC progettato.
- Configurare un'interfaccia di monitoraggio. Collega due caselle di testo con due parametri, vale a dire, il Set_point e lambda (per λ che è la costante del tempo del filtro) per la messa a punto e un grafico in tempo reale con il Set_point e velocità per il monitoraggio. Selezionare il widget del modello 3D della ventola e il widget della fotocamera per il monitoraggio.
- Fare clic sul pulsante Start per attivare la sperimentazione in tempo reale. Reimpostare il Set_point da 2.000 rpm a 1.500 rpm, quindi reimpostarlo da 1.500 rpm a 2.500 rpm, il cui risultato è mostrato nella Figura 6.
NOTA: Si può concludere che quando λ = 1 il sistema può essere stabilizzato a un riferimento di passo.
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Representative Results
Il sistema di laboratorio proposto è stato utilizzato in diversi discepoli dell'Università di Wuhan, come l'automazione, l'ingegneria energetica ed energetica, l'ingegneria meccanica e altre università, come l'Università agraria di Henan6.
Agli insegnanti / studenti / ricercatori viene fornita una grande flessibilità per esplorare il sistema utilizzando diversi banchi di test virtuali e / o fisici, definire i loro algoritmi di controllo e personalizzare la loro interfaccia di monitoraggio; pertanto, gli utenti a diversi livelli possono beneficiare del sistema proposto. Gli esperimenti visualizzati forniti dall'approccio proposto possono potenzialmente migliorare la comprensione di teorie, concetti e formule.
Il sistema proposto può essere utilizzato per diversi tipi di progettazione di algoritmi (figura 1 e figura 3 sono due esempi) e multi-scopo come l'insegnamento, l'apprendimento e la ricerca (tre protocolli possono essere considerati come tre esempi di applicazione). Il sistema del primo ordine è un esempio che il sistema può essere applicato all'analisi tipica del sistema utilizzando schemi basati su circuiti.
La Figura 3 e la Figura 5 dimostrano che il laboratorio online proposto può progettare algoritmi di controllo semplici e complessi utilizzando i blocchi progettati, verificati attraverso la simulazione e la sperimentazione in tempo reale con banchi di prova virtuali e fisici 3D, rispettivamente, come mostrato in Figura 4 e Figura 6.
I tre esempi dimostrano che il laboratorio interattivo e visualizzato proposto può ottenere la seguente visualizzazione come sopra menzionato. (1) Teoria, formule e diagrammi schematici possono essere visualizzati attraverso la progettazione e l'implementazione di algoritmi basati sul web, con i quali è possibile condurre simulazione e sperimentazione. (2) Con il supporto dei banchi di prova virtuali 3D, i processi sperimentali possono essere visualizzati in assenza di banchi di prova fisici e telecamere installate nel sito del banco di prova. Nei laboratori remoti, l'integrazione di banchi di prova 3D può anche avvantaggiare gli utenti, consentendo agli utenti di visualizzare i dettagli dei banchi di prova da diverse angolazioni. La combinazione di banchi di prova virtuali 3D con banchi di test fisici sul lato remoto può potenzialmente migliorare l'esperienza dell'utente. (3) Utilizzando widget sviluppati come un grafico, un widget della fotocamera e una casella di testo, è possibile visualizzare il monitoraggio e il controllo durante il processo sperimentale.
Figura 1: Costruzione del sistema di primo ordine con blocchi della libreria ELECTRICAL ELEMENTS in NCSLab. L'utente può trascinare qualsiasi blocco dal pannello della libreria di blocchi sul lato sinistro e costruire un sistema collegando correttamente i blocchi selezionati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Esperimento in tempo reale del sistema di primo ordine con l'algoritmo di controllo progettato. I parametri sono sintonizzabili e i segnali possono essere monitorati con i widget forniti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Progettazione e implementazione di algoritmi di controllo PID basati sul Web per il sistema a doppio serbatoio. Il risultato della simulazione è incluso, che mostra che il livello dell'acqua del secondo serbatoio può essere controllato fino al valore di set-point di 10 cm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Sperimentazione in tempo reale con il sistema a doppio serbatoio. Dopo aver regolato il termine integrale da 0,1 a 0,01, il set-point viene ripristinato da 15 cm a 25 cm. Si può vedere che l'overshoot è stato eliminato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Controllo IMC del sistema di controllo della velocità della ventola. Il modello inverso del modello di ventilatore identificato è una funzione di trasferimento impropria (per una corretta funzione di trasferimento, l'ordine del numeratore della funzione di trasferimento deve essere minore o uguale all'ordine del denominatore), che è costruito con blocchi generali basati sul modello identificato. Per abilitare un filtro sintonizzabile, il filtro è anche costruito con blocchi. Il lambda nella figura rappresenta il reciproco della λ nell'equazione 6 e può essere sintonizzato facilmente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Controllo in tempo reale e monitoraggio della velocità della ventola utilizzando il laboratorio remoto di controllo della velocità della ventola combinato con un sistema di ventole virtuali 3D. Il sistema di ventilazione fisica si trova presso l'Università di Wuhan e fornisce servizi di laboratorio remoto agli utenti di tutto il mondo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Diagramma schematico del sistema del primo ordine. La progettazione e l'implementazione del circuito di primo ordine in NCSLab si basano su questo schema. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Sistema virtuale a doppio serbatoio 3D in NCSLab. Lo scopo del controllo è quello di controllare il livello dell'acqua nel secondo serbatoio al valore del set-point. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Schema dell'architettura di controllo del modello interno. Gm(s) è il modello dell'impianto reale G(s), Gm(s)-1 è il modello inverso di Gm(s), F(s) ed è il filtro. F(s), Gm(s)-1 e Gm(s) costituiscono il controller IMC. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Parametro | Valore |
| R0 · | 200 Kb |
| R1 · | 200 Kb |
| C | 1 μF |
| R2 · | 200 Kb |
| R3 · | 200 Kb |
| Immissione | 1 V |
Tabella 1: Configurazioni dei parametri per il sistema di circuiti di primo ordine. R2 e R3 vengono utilizzati per annullare lo sfasamento combinato con l'amplificatore operazionale.
Figura 1 supplementare: Interfaccia di avviso di simulazione quando un utente non riesce a mettere a terra un circuito. Il risultato avviserà gli utenti, il che può aiutarli a ricontrollare il circuito progettato. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura 2 supplementare: Interfaccia di avviso di compilazione quando un utente non riesce a mettere a terra un circuito. Il risultato avviserà gli utenti, il che può aiutarli a ricontrollare il circuito progettato. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura 3 supplementare: Risultato della simulazione quando un utente inverte la polarità del condensatore. Per illustrare questo esempio è stato selezionato un condensatore normale al posto del condensatore variabile. Non viene visualizzato alcun messaggio di avviso e il risultato è simile alla Figura supplementare 4. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare 4: Risultato della simulazione quando la polarità del condensatore è corretta. Per illustrare questo esempio è stato selezionato un condensatore normale al posto del condensatore variabile. Il risultato della simulazione apparirà per aiutare gli utenti a controllare il circuito. Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Il protocollo presentato descrive un sistema di laboratorio online ibrido che integra banchi di prova fisici per la sperimentazione remota e banchi di prova virtuali 3D per la sperimentazione virtuale. Per il processo di progettazione dell'algoritmo sono disponibili diverse librerie di blocchi, come gli elementi elettrici per la progettazione basata su circuiti. Gli utenti provenienti da ambienti di controllo possono concentrarsi sull'apprendimento senza competenze di programmazione. Dovrebbe essere presa in considerazione la corretta progettazione di un algoritmo di controllo che può essere applicato a un banco di prova adatto. È anche difficile progettare un controller per garantire una buona prestazione di controllo (considerando l'indice delle prestazioni del controllo, tra cui overshoot, tempo di assestamento ed errore costante) prima di applicarlo al banco di prova controllato. Prima di compilare un algoritmo di controllo che può essere utilizzato per la sperimentazione in tempo reale, è necessario condurre una simulazione per risolvere potenziali problemi. Gli algoritmi di controllo possono essere applicati ad altri diversi banchi di prova utilizzando il sistema una volta integrati nel sistema proposto.
Il background e le conoscenze teoriche relative ai tre esempi sono i seguenti.
Per il sistema del primo ordine, il principio del sistema del primo ordine può essere analizzato utilizzando la teoria dei circuiti con il circuito fornito nella Figura 7. Secondo la teoria dei circuiti12, si possono ottenere le seguenti due equazioni. Dalla vista laterale di ingresso dell'amplificatore operazionale, la corrente è
(1)
Dalla vista laterale di uscita dell'amplificatore operazionale, è possibile ottenere l'equazione 2
(2)
dove 
è l'impedenza del circuito parallelo RC.
Combinando le equazioni 1 e 2, la funzione di trasferimento del sistema può essere calcolata come
(3)
in cui il segno meno (-) indica uno sfasamento di 180° della tensione di uscita, che viene trascurato nell'analisi nei passaggi successivi.
Denotare K = R1/R0, T = R1C, quindi la funzione di trasferimento del sistema può essere rappresentata come
(4)
Per il sistema a doppio serbatoio, il sistema di serbatoio dell'acqua 3D progettato è illustrato nella Figura 8. La progettazione e l'implementazione di una versione precedente utilizzando Flash sono state esplorate nel lavoro di W. Hu et al. nel 201413. Lo scopo di controllo di questo banco di prova è quello di controllare il livello dell'acqua nel secondo serbatoio al valore del set point. Un controller PID è stato utilizzato per controllare il doppio serbatoio. Teoricamente, il PID può essere espresso come14
(5)
dove Kp, Ki, Kd sono i coefficienti per i termini P, I e D, rispettivamente.
IMC è semplice da ottimizzare con buone prestazioni di tracciamento del set-point ed è stato ampiamente utilizzato per controllare applicazioni reali15. L'architettura di controllo di IMC è mostrata nella Figura 9, in cui G(s) è l'impianto reale e Gm(s) è il modello dell'impianto. Gm(s) è di solito ottenuto attraverso l'identificazione del sistema. Gm(s)-1 è il modello inverso di Gm(s), e F(s) è il filtro. R(s), Y(s) ed E(s) sono rispettivamente il riferimento, l'output e l'errore. F(s), Gm(s)-1 e Gm(s) costituiscono il controller IMC. Un filtro predefinito standard F(s)16 viene utilizzato in questo lavoro come Equazione 6
, (6)
dove λ è la costante di tempo del filtro e l'ordine n è selezionato per garantire un compensatore IMC corretto o semi-corretto (F(s)*Gm(s)-1).
L'algoritmo di controllo IMC è stato progettato e applicato per controllare il sistema di velocità fisica della ventola attraverso il calcolo, l'analisi e la corretta progettazione. In questo lavoro, G(s) rappresenta un sistema fisico di controllo della velocità della ventola, il cui modello Gm(s) è identificato come un sistema di secondo ordine
. (7)
L'ordine n del filtro F(s) è impostato su 1. Ai fini dell'accordatura, il lambda nella Figura 5 rappresenta il reciproco della λ nell'equazione 6 e può essere facilmente sintonizzato. Il filtro è impostato come segue
. (8)
La progettazione di algoritmi basati sul Web consente agli utenti a livello avanzato di progettare algoritmi più complessi con il supporto della funzione S. Tuttavia, strategie di controllo più avanzate per la ricerca e l'istruzione, come strategie di controllo per sistemi multi-agente o strategie di controllo in rete con vincoli di tempo, sono allo studio per un ulteriore aggiornamento del sistema di laboratorio proposto.
Il sistema basato su circuito si basa sulla simulazione. Uno dei vantaggi della simulazione è che gli utenti possono condurre le loro operazioni liberamente. Non devono preoccuparsi delle conseguenze poiché il loro malfunzionamento non causerà alcun danno a se stessi e al sistema e ai banchi di prova, specialmente in un sistema di sperimentazione online.
Dopo aver progettato un sistema basato su circuito, l'utente dovrebbe eseguire una simulazione. Per alcuni casi, come la mancata messa a terra del circuito, i risultati della simulazione e della compilazione avviseranno gli utenti, il che può aiutarli a ricontrollare il circuito progettato (Figura supplementare 1 e Figura supplementare 2). Per altri casi, ad esempio invertendo la polarità del condensatore (Figura supplementare 3), non verrà visualizzato alcun messaggio di avviso quando un utente tenta di condurre una simulazione o una compilazione, il cui risultato è simile a quello di un circuito corretto come mostrato nella Figura supplementare 4.
Attualmente, il principale limite del sistema di sperimentazione online è che può essere utilizzato principalmente per gli utenti con uno sfondo di controllo. Il sistema basato su circuito può essere utilizzato solo per la simulazione senza configurazioni hardware. Per coprire diversi campi dell'ingegneria, è possibile integrare l'hardware per i sistemi di circuiti che possono essere applicati all'ingegneria elettrica ed elettronica. Dovrebbero essere presi in considerazione anche più banchi di prova per altre aree.
Rispetto a MATLAB/Simulink, non è richiesto un MATLAB/Simulink standalone per ogni utente utilizzando la metodologia proposta. Inoltre, la sperimentazione in tempo reale con banchi di prova virtuali 3D e banchi di prova fisici è più di una pura simulazione nel laboratorio proposto. Rispetto al laboratorio remoto basato su MATLAB / Simulink presentato da I. Santana et al.9, il laboratorio proposto può essere utilizzato per progettare controller e l'intero sistema di controllo con il sistema basato su circuito, 3D virtuale e banchi di prova fisici. L'ambiente di sperimentazione (EE) offre metodi pratici di progettazione del controller con progettazione visiva basata su Blockly per esperimenti semplici e una progettazione testuale basata su JavaScript per esperimenti complessi5. Considerando che gli studenti hanno più familiarità con MATLAB / Simulink, un'interfaccia di progettazione di algoritmi basata su blocchi simile a MATLAB / Simulink può essere una buona opzione per la progettazione del sistema di controllo.
Il sistema proposto può essere utilizzato per l'insegnamento, l'apprendimento e la ricerca per insegnanti, studenti e ricercatori. Attualmente, il sistema è stato utilizzato principalmente in discipline relative all'ingegneria di controllo. Il sistema può potenzialmente essere applicato all'ingegneria elettrica ed elettronica, all'elettronica industriale e al controllo industriale.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China nell'ambito di Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 e 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 |
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