엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템

요약

이 작품은 이론, 개념 및 수식의 시각화, 3차원(3차원) 가상 테스트 리그로 실험 프로세스 시각화, 차트 및 카메라와 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링 시스템을 시각화하는 등 시각화된 실험을 제공하는 온라인 실험 시스템을 설명합니다.

초록

실험은 엔지니어링 교육에서 매우 중요합니다. 이 작품은 교육 및 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 시각화 된 실험을 탐구합니다. 이론 유도 알고리즘 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원(3차원) 가상 테스트 리그를 포함한 대화형 및 시각화 기능에 대해 설명합니다. 제안된 실험실의 기능과 기능을 설명하기 위해 전기 요소가 있는 회로 기반 시스템을 이용한 1차 시스템 탐색, 가상 및 원격 실험을 위한 웹 기반 제어 알고리즘 설계 등 세 가지 예가 제공됩니다. 사용자가 설계한 제어 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 설계된 제어 알고리즘을 실행 가능한 제어 알고리즘으로 컴파일한 후에는 실시간 실험을 수행할 수도 있습니다. 또한 제안된 온라인 실험실에서는 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스를 제공하며, 사용자는 텍스트 박스, 차트, 3D 및 카메라 위젯과 같은 제공된 위젯을 사용하여 사용자 인터페이스를 사용자 지정할 수 있습니다. 교사는 교실에서 온라인 데모를 위해 시스템을 사용할 수 있습니다, 수업 후 실험을위한 학생, 제어 전략을 확인하기 위해 연구원.

서문

실험실은 연구 와 교육을위한 중요한 인프라입니다. 종래의 실험실이 다른 원인으로 인해 이용 가능하지 않거나 접근할 수 없는 경우, 예를 들어, 저렴한 구매 및 유지 보수 비용, 안전 고려 사항 및 코로나바이러스 질환 2019(COVID-19) 전염병과 같은 위기, 온라인 실험실은 대안을 제공할 수 있다^1,2,3. 기존의 실험실과 마찬가지로, 대화형 기능⁴ 및 사용자 지정 실험⁵와 같은 상당한 진전이 온라인 실험실에서 달성되었습니다. COVID-19 전염병 이전과 동안, 온라인 실험실은 전 세계 사용자에게 실험 서비스를 제공하고 있습니다^6,7.

온라인 실험실 중 원격 실험실은 실제 테스트 리그 및 카메라⁸을 지원하는 실습 실험과 유사한 경험을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 인터넷, 통신, 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 기술의 발전과 함께 가상 실험실은 기존 실험실¹에 대한 대안을 제공합니다. 연구 및 교육을 지원하는 원격 및 가상 실험실의 효과는 관련 문학^1,9,10에서 검증되었습니다.

온라인 실험실에서는 시각화된 실험을 제공하는 것이 중요하며 온라인 실험의 시각화가 트렌드가 되었습니다. 다양한 시각화 기술은 온라인 실험실에서 달성되며, 예를 들어 곡선 차트, 2차원(2차원) 테스트 리그 및 3차원(3차원) 테스트 리그¹¹을 달성한다. 제어 교육에서 수많은 이론, 개념 및 수식은 이해하기 가 모호합니다. 따라서, 시각화 된 실험은 교육, 학생 학습 및 연구를 향상시키는 데 필수적입니다. 관련 시각화는 다음과 같은 세 가지 범주로 결론을 내릴 수 있습니다: (1) 시뮬레이션 및 실험을 수행할 수 있는 웹 기반 알고리즘 설계 및 구현을 통해 이론, 개념 및 수식을 시각화하는 단계; (2) 3D 가상 테스트 리그로 실험 프로세스를 시각화하는 행위; (3) 차트 및 카메라 위젯과 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링을 시각화합니다.

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프로토콜

이 작품에서는 네트워킹 제어 시스템 연구소(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react)를 통해 액세스할 수 있는 교육 및 학습 및 연구를 향상시키기 위해 세 가지 가시화 예제가 제공됩니다.

1. 예 1: 회로 기반 실험 프로토콜을 사용하는 1차 시스템

1. NCSLab 시스템에 액세스합니다.
   1. 주류 웹 브라우저를 열고 URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.
   2. 메인 페이지 왼쪽의 실험 시작 버튼을 클릭하여 시스템에 로그인합니다. 사용자 이름: whutest; 암호 : whutest.
      참고: 이 단계는 다른 두 예제(예 2 및 예제 3)에도 적합합니다.
   3. 왼쪽 하위 실험실 목록에 WHULab 을 입력하고 실험을 위한 WHUtypicalLinks 를 선택합니다.
      참고: 시뮬레이션 및 실시간 실험을 지원하기 위해 6개의 하위 인터페이스가 다양한 목적으로 설계 및 구현됩니다.
   4. 알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다.
      참고: 사용자는 다른 권한이 있는 사용자가 설계하고 공유하거나 새 모델을 만들 수 있습니다.
   5. 새 모델 만들기 단추를 선택하고 클릭하고 웹 기반 알고리즘 인터페이스를 입력합니다. 그림 1에 표시된 대로 제공된 블록을 사용하여 회로 다이어그램을 빌드합니다.
      참고: 또 다른 작동 증폭기(op-amp) ( 그림 1의 Op-amp2)는 180° 위상 시프트를 취소하는 데 사용됩니다. 입력, 저항기 및 커패시터가 튜닝할 수 있도록 하기 위해 전기 요소 라이브러리의 변수 커패시터 1개와 변수 저항기 2개, 소스 라이브러리의 4개의 상수 블록이 왼쪽 블록 라이브러리 패널에서 선택됩니다.
   6. 해당 블록을 두 번 클릭하여 표 1에 나열된 매개 변수를 설정합니다. 차트의 X축 범위를 8s로 설정합니다.
      참고: 블록에 대한 두 번 클릭한 후 팝업 창이 트리거되며, 여기에는 블록에 대한 설명이 포함되며 매개 변수를 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 저항기(R3)의 예는 도 1에 설명되어 있다.
   7. 시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 그림 1에 포함된 대로 시뮬레이션 결과가 인터페이스에 제공됩니다.
      참고: 이 단계는 다른 테스트 리그의 두 가지 다른 예제에도 적합합니다. 시뮬레이션 결과는 사용자가 잘못된 회로를 피하기 위해 설계된 회로 기반 시스템을 다시 검사할 수 있는 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나 결함이 있는 회로는 사용자 나 시스템에 해를 끼치지 않으므로 사용자는 결과에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
   8. 시작 편집 버튼을 클릭합니다. 설계된 블록 다이어그램이 테스트 리그 측에 배포된 원격 컨트롤러에 다운로드하여 실행할 수 있는 실행 가능한 제어 알고리즘으로 생성되어 제어 알고리즘을 구현할 때까지 기다립니다.
      참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다.
   9. 생성된 제어 알고리즘을 사용하여 실시간 실험을 수행합니다. 회로 시스템의 제어를 신청하려면 요청 제어 버튼을 클릭합니다.
      참고: "요청 제어"는 시스템의 일정 메커니즘입니다. 사용자가 제어 권한이 부여되면 사용자는 해당 테스트 리그로 실험을 수행할 수 있습니다. 물리적 테스트 리그에 대해 한 번에 하나의 사용자만 테스트 리그를 차지할 수 있으며, 첫 번째 제공 규칙¹¹을 기반으로 다른 잠재적 사용자를 예약하기 위해 큐 스케줄링 메커니즘이 구현되었습니다. 가상 테스트 리그의 경우 많은 사용자를 동시에 지원할 수 있습니다. 500개의 동시 사용자 실험이 효과적으로 테스트되었습니다. 회로 기반 시스템의 경우 50명의 사용자가 한 번에 시스템에 액세스할 수 있습니다.
   10. 알고리즘 디자인 하위 인터페이스로 반환 버튼을 클릭합니다. 개인 알고리즘 모델 패널에서 실행 가능한 제어 알고리즘을 찾습니다.
       참고: 실행 가능한 제어 알고리즘은 제어 알고리즘 하위 인터페이스의 내 알고리즘 패널에서도 찾을 수 있습니다.
   11. 실험 수행 버튼을 클릭하여 설계된 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드합니다.
   12. 구성 하위 인터페이스를 입력하고 그림 2에 표시된 대로 새 모니터 만들기 버튼을 클릭하여 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 매개 변수 튜닝을 위한 4개의 텍스트 상자와 신호 모니터링을 위한 커브 차트 1개가 포함되어 있습니다.
       참고: 그림 2 의 오른쪽 차트는 왼쪽차트와 동일하며 일시 중단 단추를 사용하여 데이터를 보여 주기 위해 추가되었습니다.
   13. 신호 및 매개 변수를 선택한 위젯과 연결합니다.
       참고: 4개의 텍스트상자에 대한 매개변수/입력, 매개 변수/R1 및 매개변수/C , 곡선 차트의 매개변수/입력 및 신호/출력 .
   14. 시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다.
       참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다. 사용자는 나중에 사용할 수 있는 구성을 저장할 수 있습니다.
   15. 입력 전압을 0V로 설정하고 커패시터 C를 5 μF( 도 2에서 0.000005)로 조정한 다음 입력 전압을 1V로 설정합니다. 출력 전압의 동적 공정은 도 2에 도시되어 있습니다.
2. 해당 매개 변수 K 및 T를 계산합니다.
   참고: 출력이 0.63212인 t = T 이후 최종 값 K의 63.2%에 도달하면 시간 상수를 계산할 수 있습니다. 도 2에서, 시간 지속 시간이 1s, 따라서, T = 1, 이는 이론과 일치하는 것을 알 수 있습니다, T = _R1C = 200000 *0.000005 = 1, K = R1 / R0 = 200000 / 2000000 = 1 (최종 값과 ^동일). 따라서 1차 시스템은 다음과 같이 지정할 수 있습니다.

2. 예 2: 대화형 및 시각화된 가상 실험 프로토콜

1. NCSLab 시스템을 사용하여 시뮬레이션 및 실시간 실험을 수행합니다.
   1. NCSLab 시스템에 로그인합니다. ProcessControl 하위 실험실을 입력하고 듀얼탱크 테스트 리그를 선택한 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다.
   2. 실시예 1에 설명된 단계에 따라 NCSLab에서 제공하는 웹 인터페이스를 사용하여 비례 통합 유도체(PID) 제어 알고리즘을 설계한다. 도 3 은 듀얼 탱크 시스템에 대한 알고리즘 예제입니다.
   3. PID 컨트롤러를 두 번 클릭하고 비례(P), 모성(I) 및 파생(D) 용어에 대한 매개 변수를 조정합니다. P = 1.12, I = 0.008 및 D = 6.6을 각각 설정합니다.
      참고: P, I 및 D 용어는 시뮬레이션 결과와 함께 조정되어야 합니다.
   4. 시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 도 3의 오른쪽에 포함된 시뮬레이션 결과가 나타납니다.
      참고: 컨트롤 성능이 좋고 제어 알고리즘이 실시간 실험을 할 준비가 되어 있음을 알 수 있습니다.
   5. 앞에서 언급한 단계에 따라 실행 제어 알고리즘을 생성합니다.
   6. 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드하고 각각 Set_point, P, I 및 D용 4개의 텍스트상자가 있는 모니터링 인터페이스를 구성합니다.
   7. 수위 및 해당 Set_point 모니터링하기 위한 차트를 포함합니다. 실시간 데이터와 연결된 수위 의 테스트 리그 및 애니메이션의 모든 각도를 제공 할 수있는 3D 위젯을 선택합니다.
   8. 시작 버튼을 클릭합니다. 그런 다음, 모니터링 인터페이스는 시각화된 가상 실험을 제공하는 그림 4에 도시된 대로 활성화됩니다.
   9. Set_point 10cm에서 5cm로 설정한 다음 제어 된 탱크의 수위 높이가 5cm에서 안정되면 I = 0.1을 설정합니다. 셋포인트를 5cm에서 15cm로 재설정합니다. 그림 4 에서 오버슈트가 있음을 알 수 있습니다.
   10. 0.1에서 0.01까지 I를 조정하고 세트 포인트를 15cm에서 25cm로 재설정합니다. 오버슈트가 제거되고, 수위가 25cm의 셋포인트 값에서 빠르게 안정화될 수 있음을 알 수 있다.

3. 예 3: 원격 및 가상 실험실 프로토콜을 사용하여 연구

1. NCSLab에서 실시간 실험을 수행합니다.
   1. NCSLab 시스템에 로그인하고 원격 실험실 하위 실험실에서 팬 속도 제어를 선택합니다.
   2. 알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다. 도 5와 같이 블록을 드래그하여 IMC(내부 모델 제어) 제어 알고리즘 다이어그램을 구성합니다.
      참고: F(s) 및 _Gm(s)^-1은 그림 5에 도시된 대로 설계되었으며, NCSLab을 사용하여 설계된 제어 알고리즘은 원격 및 가상 실험실 모드에서 팬 속도 제어 시스템을 제어하는 것으로 나타났습니다.
   3. 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성하고 팬 속도 제어 시스템을 사용하여 설계된 IMC 알고리즘을 확인합니다.
   4. 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 두 개의 텍스트 상자를 튜닝을 위한 Set_point 람다(필터 시간 상수의 λ )와 모니터링을 위한 Set_point 및 속도와 실시간 차트를 연결합니다. 모니터링을 위해 팬의 3D 모델 위젯과 카메라 위젯을 선택합니다.
   5. 시작 버튼을 클릭하여 실시간 실험을 활성화합니다. Set_point 2,000rpm에서 1,500rpm으로 재설정한 다음 1,500rpm에서 2,500rpm으로 재설정하여 그 결과는 그림 6에 표시됩니다.
      참고: λ = 1이 면에 시스템을 단계 참조로 안정화할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

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결과

제안 된 실험실 시스템은 자동화, 전력 및 에너지 공학, 기계 공학 및 허난 농업 대학⁶과 같은 다른 대학과 같은 우한 대학의 여러 다른 제자에서 사용되었습니다.

교사/학생/연구원은 다양한 가상 및/또는 물리적 테스트 리그를 사용하여 시스템을 탐색하고, 제어 알고리즘을 정의하며, 모니터링 인터페이스를 사용자 지정할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공합?...

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토론

제시된 프로토콜은 원격 실험을 위한 물리적 테스트 리그와 가상 실험을 위한 3D 가상 테스트 리그를 통합하는 하이브리드 온라인 실험실 시스템을 설명합니다. 회로 기반 설계를 위한 전기 요소와 같은 알고리즘 설계 프로세스에 대해 여러 가지 블록 라이브러리가 제공됩니다. 제어 배경의 사용자는 프로그래밍 기술 없이 학습에 집중할 수 있습니다. 적절한 테스트 리그에 적용할 수 있는 제어 ?...

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자료

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Fan speed control system	/	/	Made by our team
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