Sistema di sperimentazione online interattivo e visualizzato per l'istruzione e la ricerca ingegneristica

Riepilogo

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.

Introduzione

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.

Protocollo

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

1. Accedere al sistema NCSLab.
   1. Apri un browser Web tradizionale e inserisci l'URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
   2. 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).
   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.
   4. 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.
   5. 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.
   6. 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.
   7. 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.
   8. 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.
   9. 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.
   10. 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 .
   11. Fare clic sul pulsante Esegui un esperimento per scaricare l'algoritmo di controllo progettato su un telecomando.
   12. 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 .
   13. 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.
   14. 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.
   15. 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.
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

1. Utilizza il sistema NCSLab per condurre simulazioni e sperimentazioni in tempo reale.
   1. Accedere al sistema NCSLab. Accedere al sottolaboratorio ProcessControl e scegliere il banco di prova dualTank , quindi immettere la sottointerfaccia Algorithm Design .
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.
   5. Generare l'algoritmo di controllo eseguibile seguendo i passaggi precedentemente menzionati.
   6. 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.
   7. 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.
   8. Fare clic sul pulsante Start ; quindi, l'interfaccia di monitoraggio verrà attivata come mostrato nella Figura 4, che fornisce un esperimento virtuale visualizzato.
   9. 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.
   10. 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

1. Conduci un esperimento in tempo reale in NCSLab.
   1. Accedi al sistema NCSLab e scegli Controllo della velocità della ventola nel sottolaboratorio Laboratorio remoto.
   2. 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.
   3. Generare l'algoritmo di controllo eseguibile e utilizzare il sistema di controllo della velocità della ventola per verificare l'algoritmo IMC progettato.
   4. 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.
   5. 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.

Risultati

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 int...

Discussione

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 considerazio...

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