Mühendislik Eğitimi ve Araştırması için İnteraktif ve Görselleştirilmiş Online Deney Sistemi

Özet

Bu çalışma, teorilerin, kavramların ve formüllerin görselleştirilmesi, deneysel sürecin üç boyutlu (3-B) sanal test donanımlarıyla görselleştirilmesi ve grafikler ve kameralar gibi widget'lar kullanılarak kontrol ve izleme sisteminin görselleştirilmesi de dahil olmak üzere görselleştirilmiş deneyler sağlayan çevrimiçi bir deney sistemini açıklar.

Özet

Mühendislik eğitiminde deneyler çok önemlidir. Bu çalışma, öğretim ve öğrenme ve aynı zamanda araştırma için çevrimiçi laboratuvarlarda görselleştirilmiş deneyleri araştırmaktadır. Teori destekli algoritma uygulaması, web tabanlı algoritma tasarımı, özelleştirilebilir izleme arayüzü ve üç boyutlu (3-B) sanal test donanımları dahil olmak üzere etkileşimli ve görselleştirme özellikleri tartışılmaktadır. Önerilen laboratuvarların özelliklerini ve işlevlerini göstermek için, elektrik elemanları ile devre tabanlı bir sistem kullanılarak birinci sınıf sistem keşfi, sanal ve uzaktan denemeler için web tabanlı kontrol algoritması tasarımı dahil olmak üzere üç örnek verilmiştir. Kullanıcı tarafından tasarlanan kontrol algoritmaları kullanılarak, yalnızca simülasyonlar gerçekleştirilemez, aynı zamanda tasarlanan kontrol algoritmaları yürütülebilir kontrol algoritmalarına derlendikten sonra gerçek zamanlı deneyler de yapılabilir. Önerilen çevrimiçi laboratuvar ayrıca, kullanıcıların metin kutusu, grafik, 3-B ve kamera widget'ı gibi sağlanan widget'ları kullanarak kullanıcı arayüzlerini özelleştirebilecekleri özelleştirilebilir bir izleme arayüzü sağlar. Öğretmenler sistemi sınıfta çevrimiçi gösterim için, öğrenciler sınıf sonrası deneyler için ve araştırmacılar kontrol stratejilerini doğrulamak için kullanabilir.

Giriş

Laboratuvarlar araştırma ve eğitim için hayati altyapıdır. Konvansiyonel laboratuvarlar, örneğin uygun olmayan satın almalar ve bakım maliyeti, güvenlik konuları ve koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) pandemisi gibi krizler gibi farklı nedenlerle mevcut olmadığında ve/veya erişilebilir olmadığında, çevrimiçi laboratuvarlar alternatifler sunabilir1,2,3. Geleneksel laboratuvarlar gibi, çevrimiçi laboratuvarlarda etkileşimli ^özellikler4 ve özelleştirilebilir ^deneyler5 gibi önemli ilerlemeler sağlanmıştır. COVID-19 salgını öncesinde ve sırasında, çevrimiçi laboratuvarlar dünya çapında kullanıcılara deneysel hizmetler ^{sunmaktadır6,7}.

Çevrimiçi laboratuvarlar arasında, uzak laboratuvarlar, fiziksel test makineleri ve kameralar desteğiyle kullanıcılara uygulamalı deneylere benzer bir deneyim ^sunabilir8. İnternet, iletişim, bilgisayar grafikleri ve render teknolojilerinin ilerlemesiyle sanal laboratuvarlar geleneksel laboratuvarlara da alternatifler ^sunar1. Uzaktan ve sanal laboratuvarların araştırma ve eğitimi destekleme etkinliği ilgili literatürde doğrulanmıştır1,9,10.

Görselleştirilmiş deneyler sağlamak çevrimiçi laboratuvarlar için çok önemlidir ve çevrimiçi deneylerde görselleştirme bir trend haline gelmiştir. Çevrimiçi laboratuvarlarda eğri grafikleri, iki boyutlu (2-B) test makineleri ve üç boyutlu (3-B) test ^makineleri11 gibi farklı görselleştirme teknikleri elde edilir. Kontrol eğitiminde, çok sayıda teori, kavram ve formül anlaşılması belirsizdir; bu nedenle, görselleştirilmiş deneyler öğretimi, öğrenci öğrenimi ve araştırmayı geliştirmek için hayati öneme sahiptir. İlgili görselleştirme aşağıdaki üç kategoride sonuçlanabilir: (1) Simülasyon ve denemelerin gerçekleştirilebileceği web tabanlı algoritma tasarımı ve uygulaması ile teorileri, kavramları ve formülleri görselleştirmek; (2) Deneysel süreci 3-B sanal test makineleri ile görselleştirmek; (3) Grafik ve kamera widget'ı gibi widget'ları kullanarak kontrolü ve izlemeyi görselleştirme.

Protokol

Bu çalışmada, Ağlı Kontrol Sistemi Laboratuvarı (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react) aracılığıyla erişilebilen öğretim ve öğrenme ve araştırmayı geliştirmek için üç ayrı görselleştirilmiş örnek verilmiştir.

1. Örnek 1: Devre tabanlı deneme protokolü kullanan birinci sınıf sistem

1. NCSLab sistemine erişin.
   1. Genel bir web tarayıcısı açın ve URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react girin.
   2. Sisteme giriş yapmak için ana sayfanın sol tarafındaki Denemeyi Başlat düğmesine tıklayın. Kullanıcı adı: whutest; şifre: whutest.
      NOT: Bu adım diğer iki örnek için de uygundur (Örnek 2 ve Örnek 3).
   3. WhuLab'ı sol taraftaki alt laboratuvar listesine girin ve deneme için WHUtypicalLinks'i seçin.
      NOT: Simülasyon ve gerçek zamanlı denemeleri desteklemek için altı alt arabirim farklı amaçlar için tasarlanmış ve uygulanmıştır.
   4. Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin.
      NOT: Kullanıcı, diğer yetkili kullanıcılar tarafından tasarlanan ve paylaşılan bir genel algoritma modeli seçebilir veya yeni bir model oluşturabilir.
   5. Yeni Model Oluştur düğmesini seçip tıklayın ve web tabanlı algoritma arabirimini girin. Şekil 1'de gösterildiği gibi, sağlanan blokları kullanarak bir devre diyagramı oluşturun.
      NOT: 180° faz değişimini iptal etmek için başka bir operasyonel amplifikatör (op-amp) ( Şekil 1'deki Op-Amp2) kullanılır. Girişin, dirençlerin ve kondansatörün ayarlanabilir olmasını sağlamak için, ELEKTRİk ELEMANLARI kitaplığındaki bir değişken kapasitör ve iki değişken direnç ve SOURCES kitaplığından dört sabit blok sol taraftaki blok kitaplığı panelinden seçilir.
   6. Tablo 1'de listelenen parametreleri ayarlamak için karşılık gelen blokları çift tıklatın. Grafiğin X ekseni aralığını 8 s olarak ayarlayın.
      NOT: Bloğun açıklamalarını içeren ve parametreyi ayarlamak için kullanılabilecek bloğa çift tıklatılan bir açılır pencere tetiklenir. Direnç (R3) örneği Şekil 1'de gösterilmiştir.
   7. Simülasyon başlat düğmesine tıklayın; simülasyon sonucu Şekil 1'de yer aldığı gibi arayüzde sağlanacaktır.
      NOT: Bu adım, diğer test donanımları ile diğer iki örneğe de uygundur. Simülasyon sonuçları, kullanıcıların yanlış bir devreyi önlemek için tasarlanmış devre tabanlı sistemi yeniden kontrol etmelerine yönelik bilgiler sağlayabilir. Bununla birlikte, hatalı bir devre kullanıcılara veya sisteme zarar vermez, bu nedenle kullanıcıların sonuçları hakkında endişelenmesine gerek yoktur.
   8. Derlemeyi Başlat düğmesine tıklayın. Tasarlanan blok diyagramı, denetim algoritmalarını uygulamak için test donanımı tarafında dağıtılan uzaktan kumandaya indirilebilen ve yürütülebilen yürütülebilir bir denetim algoritmasına oluşturulana kadar bekleyin.
      NOT: Bu adım, diğer test donanımlarıyla aşağıdaki denemelere de uygundur.
   9. Oluşturulan kontrol algoritmasını kullanarak gerçek zamanlı denemeler yapın. Devre sisteminin kontrolüne başvurmak için Kontrol İste düğmesine tıklayın.
      NOT: "İstek denetimi" sistemin zamanlama mekanizmasıdır. Bir kullanıcıya denetim ayrıcalığı verildikten sonra, kullanıcı ilgili test donanımıyla denemeler yapabilir. Fiziksel test donanımları için aynı anda yalnızca bir kullanıcı test teçhizatını işgal edebilir ve sıra zamanlama mekanizması, diğer potansiyel kullanıcıları İlk Gelen İlk Hizmet ^Kuralı11'e göre zamanlamak için uygulanmıştır. Sanal test donanımları için aynı anda çok sayıda kullanıcı desteklenebilir. 500 eşzamanlı kullanıcı denemesi etkin bir şekilde test edilmiştir. Devre tabanlı sistem için aynı anda 50 kullanıcı sisteme erişebilir.
   10. Algoritma Tasarımı alt arabirimine dön düğmesini tıklatın. Özel Algoritma Modelleri paneli altında yürütülebilir denetim algoritmasını bulun.
       NOT: Yürütülebilir denetim algoritması, Denetim Algoritması alt arabirimindeki Algoritmam panelinde de bulunabilir.
   11. Tasarlanmış kontrol algoritmasını uzaktan kumandaya indirmek için Deneme Yap düğmesine tıklayın.
   12. Yapılandırma alt arabirimini girin ve Şekil 2'de gösterildiği gibi bir izleme arabirimi yapılandırmak için Yeni Monitör Oluştur düğmesini tıklatın. Parametre ayarlama için dört metin kutusu ve sinyal izleme için bir eğri grafiği dahildir.
       NOT: Şekil 2'de sağdaki grafik, Askıya Al düğmesini kullanarak verileri göstermek için eklenen soldaki grafikle aynıdır.
   13. Sinyalleri ve parametreleri seçilen widget'larla bağlayın.
       NOT: Sırasıyla dört metin kutusu için Parametre/ Giriş, Parametre/ R0, Parametre / R1 ve Parametre / C ve eğri grafiği için Parametre / Giriş ve Sinyal / Çıkış .
   14. Denemeyi başlatmak için Başlat düğmesine tıklayın.
       NOT: Bu adım, diğer test donanımlarıyla aşağıdaki denemelere de uygundur. Kullanıcılar yapılandırmayı ileride kullanmak üzere kaydedebilir.
   15. Giriş voltajını 0 V olarak ayarlayın, C kondansatörünü 5 μF'ye ( Şekil 2'de 0,000005) ayarlayın ve ardından giriş voltajını 1 V'a ayarlayın; çıkış geriliminin dinamik süreci Şekil 2'de gösterilmiştir.
2. İlgili K ve T parametrelerini hesaplayın.
   NOT: Çıkış 0,63212 olan t = T'den sonra son K değerinin %63,2'sına ulaştığında zaman sabiti hesaplanabilir. Şekil 2'den itibaren, zaman süresinin 1 s olduğu görülebilir, bu nedenle T = 1, T = _R1C = 200000*0.000005 = 1 ve K = _R1/_R0 = 200000 / 200000 = 1 (son değere eşittir)¹² teorisi ile tutarlıdır. Böylece, ilk sipariş sistemi olarak belirtilebilir: .

2. Örnek 2: Etkileşimli ve görselleştirilmiş sanal deney protokolü

1. Simülasyon ve gerçek zamanlı denemeler yapmak için NCSLab sistemini kullanın.
   1. NCSLab sistemine giriş yapın. ProcessControl alt laboratuvarına girin ve dualTank test teçhizatını seçin ve ardından Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin.
   2. Örnek 1'de açıklanan adımları izleyerek NCSLab tarafından sağlanan web arabirimini kullanarak orantılı integral türev (PID) kontrol algoritması tasarlayın. Şekil 3 , çift tank sistemi için bir algoritma örneğidir.
   3. PID denetleyicisine çift tıklayın ve Orantılı (P), İntegral (I) ve Türev (D) terimleri için parametreleri ayarlayın. Sırasıyla P = 1.12, I = 0.008 ve D = 6.6 olarak ayarlayın.
      NOT: P, I ve D terimleri simülasyon sonucuyla birleştirilmelidir.
   4. Simülasyon başlat düğmesine tıklayın; Şekil 3'ün sağ tarafında bulunan simülasyon sonucu açılır.
      NOT: Kontrol performansının iyi olduğu ve kontrol algoritmasının gerçek zamanlı denemelere hazır olduğu görülebilir.
   5. Daha önce bahsedilen adımları izleyerek yürütülebilir denetim algoritmasını oluşturun.
   6. Denetim algoritmasını uzaktan kumandaya indirin ve sırasıyla Set_point, P, I ve D için dört metin kutusu içeren bir izleme arabirimi yapılandırın.
   7. Su seviyesini ve ilgili Set_point izlemek için bir grafik ekleyin. Test kulelerinin tüm açılarını ve gerçek zamanlı verilerle bağlantılı su seviyesinin animasyonlarını sağlayabilen bir 3-B widget seçin.
   8. Başlat düğmesine tıklayın; daha sonra, izleme arayüzü görselleştirilmiş bir sanal deneme sağlayan Şekil 4'te gösterildiği gibi etkinleştirilir.
   9. Set_point 10 cm'den 5 cm'ye ayarlayın ve ardından kontrollü tanktaki su seviyesinin yüksekliği 5 cm'ye ulaştığında ve dengelendiğinde I = 0,1 olarak ayarlayın. Ayar noktasını 5 cm'den 15 cm'ye sıfırlayın; Şekil 4'ten bir fazla çekim olduğu görülebilir.
   10. I'yi 0,1 ila 0,01 arasında ayarlayın ve ayar noktasını 15 cm'den 25 cm'ye sıfırlayın. Overshoot'un ortadan kaldırdığı ve su seviyesinin 25 cm'lik ayar noktası değerinde hızla stabilize edilebildiği görülebilir.

3. Örnek 3: Uzaktan ve sanal laboratuvarlar protokolü ile araştırma

1. NCSLab'da gerçek zamanlı bir deney yapın.
   1. NCSLab sistemine giriş yapın ve Uzak Laboratuvar alt laboratuvarında Fan Hızı Kontrolü'nü seçin.
   2. Algoritma Tasarımı alt arabirimini girin. Şekil 5'te gösterildiği gibi iç model denetimi (IMC) denetim algoritması diyagramını oluşturmak için blokları sürükleyin.
      NOT: F(ler) ve _Gm(ler)^-1, NCSLab kullanan tasarlanmış kontrol algoritmasının bir fan hız kontrol sistemini uzaktan ve sanal laboratuvar modunda kontrol etmek için gösterildiği Şekil 5'te gösterildiği gibi tasarlanmıştır.
   3. Çalıştırılabilir kontrol algoritmasını oluşturun ve tasarlanan IMC algoritmasını doğrulamak için fan hız kontrol sistemini kullanın.
   4. İzleme arabirimi yapılandırın. ayarlama için Set_point ve lambda (filtre süresi sabiti olan φ için) ve izleme için Set_point ve Hız ile gerçek zamanlı bir grafik olmak üzere iki parametreyle iki metin kutusu bağlayın. İzleme için fanın 3-B model widget'ını ve kamera widget'ını seçin.
   5. Gerçek zamanlı denemeleri etkinleştirmek için Başlat düğmesine tıklayın. Set_point 2.000 rpm'den 1.500 rpm'ye sıfırlayın ve ardından 1.500 rpm'den 2.500 rpm'ye sıfırlayın, bunun sonucu Şekil 6'da gösterilir.
      NOT: φ = 1 olduğunda sistemin bir adım referansı için stabilize edilebileceği sonucuna varılabilir.

Sonuçlar

Önerilen laboratuvar sistemi, Wuhan Üniversitesi'nde Otomasyon, Güç ve Enerji Mühendisliği, Makine Mühendisliği ve Henan Tarım ^{Üniversitesi6} gibi diğer üniversiteler gibi birkaç farklı öğrencide kullanılmıştır.

Öğretmenlere/öğrencilere/araştırmacılara, farklı sanal ve/veya fiziksel test donanımlarını kullanarak sistemi keşfetmeleri, kontrol algoritmalarını tanımlamaları ve izleme arayüzlerini özelleştirmeleri için büyük esneklik...

Tartışmalar

Sunulan protokol, uzaktan deneme için fiziksel test makinelerini ve sanal deneme için 3-B sanal test makinelerini entegre eden hibrit bir çevrimiçi laboratuvar sistemini tanımlamaktadır. Algoritma tasarım süreci için devre tabanlı tasarım için elektrik elemanları gibi birkaç farklı blok kütüphanesi sağlanmaktadır. Kontrol geçmişinden kullanıcılar programlama becerileri olmadan öğrenmeye odaklanabilir. Uygun bir test donanımına uygulanabilecek bir kontrol algoritmasının uygun tasarımı düş?...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fan speed control system	/	/	Made by our team
https://www.powersim.whu.edu.cn/react			Made by our team