发布日期：2022-12-23
皇后大学虚拟控制系统实验室初运行
皇后大学
虚拟控制系统实验室初运行
作为Quanser数字平台转型计划（Quanser Digital Transformation - QDT）的创始成员之一，皇后大学（Queen's University）希望能为学生提供一次体验非传统实验教学的机会，将动态、逼真的虚拟实验室技术带给工科学生。而我们的QDT最不可或缺的就是我们的Quanser Interactive Labs （QLabs），它是一个可扩展的平台，通过与虚拟硬件的交互提供可靠的、学术上适用的高度保真实验室体验。
正是源于此次机会，皇后大学电子和计算机工程专业的Majid Pahlevani教授和Shane Forbrigger博士在当前北美新冠大流行下决定用虚拟实验室实践线性控制系统课程的实验室部分，该课程检测线性系统的建模并使用反馈来改善其性能。今天我们的应用工程师Michel Lévis就与Shane Forbrigger博士远程连线，聊一聊他的QLabs初体验。
Shane Forbrigger博士正在使用QLabs Virtual Ball and Bean
Michel Lévis (ML)：作为线性控制这门课的助教，也是第一位在皇后大学负责实行虚拟控制系统实验室的负责人，您起初的想法是什么？
Shane Forbrigger (SF)：在学期开始的前两个月，在暑假的时候我就知道了这个计划，当时我还有些担心如何进行课程实验，我们已经决定了不去学校进行教学，因此我知道在无法去到学校的情况下，向学生提供相同质量和等同内容的课程实验将会面临诸多挑战。所以我尝试用Quanser虚拟实验室来开展工作，效果非常好。
我很惊喜地看到Quanser对硬件的虚拟三维渲染，以及对硬件本身非线性和非理想传感器行为进行的很好的建模。因此，我们非常欣慰，学生们能够得到像在真正的实验室中近乎同样的体验。这是我最初为学生们实施虚拟实验室的想法。
ML：能不能分享一些您帮助学生设置QLabs的过程和经验？
SF：设置过程非常简单，尤其是对于Windows用户。安装过程很直接明了，Quanser的学习门户网站非常易于使用，获取学生的电子邮箱列表并上传，让他们添加QLabs许可证并不复杂，所以整个过程很快、很简单。
对于用Mac的学生而言会略有挑战性，因为没有适合的软件，我们研究了几种不同的解决方案来帮助他们进行实验室研究。最后，在学校实验室中设置了远程服务器，运行学生们需要访问的必要软件。总的来说，除了一开始的一些小障碍，之后的表现都非常稳定。而且在大多数学生已经在计算机上安装了MATLAB® 和 Simulink® ，要让他们安装另一个软件来运行实验室并不困难。
ML：非常好的反馈！非常有趣！这里我想提一点，我们其实有一款用于Mac OS的软件，它是名叫QLabs Controls和QLabs Control Classic。当然，在MATLAB/Simulink的替代方案中，我们知道有些学校也成功使用了远程Windows登录替代方案，感谢您的分享。
ML：您是如何安装实验室的？学生们在家中使用笔记本电脑还是远程访问？
SF：我们的初衷是想让学生们在自己的笔记本或电脑上运行，并且最后大多数学生们也是这么做的，并非常有效。只有极少数学生的电脑非常老旧，或者是运行Mac的用户遇到了麻烦。老旧硬件的话，我不得不说Quanser的软件本身非常轻巧，这点我印象非常深刻，运行起来非常容易，恰恰是MATLAB本身，需要更多技巧，因此那些无法在自己的硬件上运行MATLAB的学生来说，这是个棘手问题。对于那些能够远程访问的学生来说，他们不必依赖于本地硬件。总的来说，大多数学生都能轻易地在自己的电脑上运行。
ML：您将Quanser硬件当前的实验室手册修改为虚拟系统实验室手册，在这过程中有遇到困难吗？
SF：并不困难。指令端从物理硬件转换到虚拟硬件的过程非常容易，只是替换而已，比如“打开电源”，转换成“打开应用程序”，因此非常容易纳入我们的指导说明中。
反而需要我们付出更多工作的地方是，我们预先有了先生成的解决方案，而Quanser的虚拟实验室非常逼真，他完全仿真了非系统的线性度，却比实际系统的噪声小很多。所以我们不得不调整我们的解决方案，以便让他看起来更像学生在虚拟实验室看到的东西，而非最初设置好的解决方案，除此之外，都非常简单。
ML：学生的反馈如何呢？您认为这个虚拟实验室帮助他们获得更多实操经验了吗？
SF：今年我们都无法去学校上课，我认为Quanser的虚拟实验室是一种非常好的方式，无论是对于学生或者老师。三位真实还原硬件在视觉方面对于学生非常重要，在我的课程中，正如我认为大多数控制课程所需要关注的，我们着重于在实验室中将理论翻译成在真实世界的应用，并让他们知道一旦他们离开了课堂，真实世界可以有多不可预测。他们必须学习处理系统的真实性，必须学习处理非完美的系统表现。因此，我认为拥有视觉组件以及真正类似于结构良好的系统模型的系统对于学生们的学习非常重要。如果没有这套系统，或是我们尝试自己建立模型，会非常困难，我们可能最后无法完成。
我们可能无法制作出如此高保真的系统，也无法让学生看到他们的控制器在活动。我认为学生在虚拟实验室了解更多他们手上在实践的，而不是仅仅对着屏幕观察物体的移动。我尤其喜欢的是球杆实验，对学生来说，能够看到光束的运动并将其与实验情况下的运动学、物理学联系起来。特别是由于模拟或特定的实验，我们试图让他们深入了解该系统的潜在复杂性以及我们尝试进行的简化，这是线性控制的课程，所以我们将所有内容线性化。因此，让学生了解从更复杂、更线性的系统转向线性化模型的精妙之处，以及在哪里分解、如何分解，对他们来说非常重要，Quanser的虚拟实验室很好地完成了这一点。
我唯一需要提醒学生的是，提醒他们观看三维模型的动态，因为归根结底学生们提供给我的解决方案/答案是以示意图形式出现的，所有他们很容易集中精力取得漂亮的情节图示。因此，提醒他们观察在虚拟实验室中硬件发生的变化，也是在提醒他们什么才是真正重要的东西。在真正的实验室中，我们不可能忽略硬件发生的变化，因为我们就坐在它旁边，且他们随时发生噪音。因此对于虚拟实验室中的硬件，更重要的是提醒学生说，“嘿，看看它发生了什么，它是如何移动的？”。
ML：由Hashtrudi-Zaad教授执教的ELEC 448机器人入门课程将会使用Quanser Rotary Flexible Link以及QArm Virtual Plants, 我了解到您也是这门课的助教，您是否希望使用这些不同的虚拟系统呢？
SF：我非常期待。对于该课程的学生来说，能够看到正在运行的机器人并置身于与以往传统实验室不同的实验环境，这对他们来说非常有帮助。由于我们没有足够的时间来调整整个课程的内容，Hashtrudi-Zaad教授也有他自己喜欢运行实验室的方式，因此我期待使用Quanser更多的虚拟硬件模型来教学并弥补无法进入学习实验室面对面教学的缺陷。
ML：好的，非常感谢，我也非常期待您和您的学生应用我们更多Quanser的虚拟实验室的产品，您的反馈对我们非常重要，对即将或正在用我们QLabs的用户也非常重要，我们期待与您继续沟通获得您的反馈。
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