皇后大學
虛擬控制系統實驗室初運行

  作為Quanser數字平臺轉型計劃（Quanser Digital Transformation - QDT）的創始成員之一，皇后大學（Queen's University）希望能為學生提供一次體驗非傳統實驗教學的機會，將動態、逼真的虛擬實驗室技術帶給工科學生。而我們的QDT最不可或缺的就是我們的Quanser Interactive Labs （QLabs），它是一個可擴展的平臺，通過與虛擬硬件的交互提供可靠的、學術上適用的高度保真實驗室體驗。
  正是源于此次機會，皇后大學電子和計算機工程專業的Majid Pahlevani教授和Shane Forbrigger博士在當前北美新冠大流行下決定用虛擬實驗室實踐線性控制系統課程的實驗室部分，該課程檢測線性系統的建模并使用反饋來改善其性能。今天我們的應用工程師Michel Lévis就與Shane Forbrigger博士遠程連線，聊一聊他的QLabs初體驗。
shane-home-office-3-533x400
Shane Forbrigger博士正在使用QLabs Virtual Ball and Bean

Michel Lévis (ML)：作為線性控制這門課的助教，也是第一位在皇后大學負責實行虛擬控制系統實驗室的負責人，您起初的想法是什么？

Shane Forbrigger (SF)：在學期開始的前兩個月，在暑假的時候我就知道了這個計劃，當時我還有些擔心如何進行課程實驗，我們已經決定了不去學校進行教學，因此我知道在無法去到學校的情況下，向學生提供相同質量和等同內容的課程實驗將會面臨諸多挑戰。所以我嘗試用Quanser虛擬實驗室來開展工作，效果非常好。
我很驚喜地看到Quanser對硬件的虛擬三維渲染，以及對硬件本身非線性和非理想傳感器行為進行的很好的建模。因此，我們非常欣慰，學生們能夠得到像在真正的實驗室中近乎同樣的體驗。這是我最初為學生們實施虛擬實驗室的想法。

ML：能不能分享一些您幫助學生設置QLabs的過程和經驗？

SF：設置過程非常簡單，尤其是對于Windows用戶。安裝過程很直接明了，Quanser的學習門戶網站非常易于使用，獲取學生的電子郵箱列表并上傳，讓他們添加QLabs許可證并不復雜，所以整個過程很快、很簡單。
  對于用Mac的學生而言會略有挑戰性，因為沒有適合的軟件，我們研究了幾種不同的解決方案來幫助他們進行實驗室研究。最后，在學校實驗室中設置了遠程服務器，運行學生們需要訪問的必要軟件?？偟膩碚f，除了一開始的一些小障礙，之后的表現都非常穩定。而且在大多數學生已經在計算機上安裝了MATLAB? 和 Simulink? ，要讓他們安裝另一個軟件來運行實驗室并不困難。
ML：非常好的反饋！非常有趣！這里我想提一點，我們其實有一款用于Mac OS的軟件，它是名叫QLabs Controls和QLabs Control Classic。當然，在MATLAB/Simulink的替代方案中，我們知道有些學校也成功使用了遠程Windows登錄替代方案，感謝您的分享。
ML：您是如何安裝實驗室的？學生們在家中使用筆記本電腦還是遠程訪問？

SF：我們的初衷是想讓學生們在自己的筆記本或電腦上運行，并且最后大多數學生們也是這么做的，并非常有效。只有極少數學生的電腦非常老舊，或者是運行Mac的用戶遇到了麻煩。老舊硬件的話，我不得不說Quanser的軟件本身非常輕巧，這點我印象非常深刻，運行起來非常容易，恰恰是MATLAB本身，需要更多技巧，因此那些無法在自己的硬件上運行MATLAB的學生來說，這是個棘手問題。對于那些能夠遠程訪問的學生來說，他們不必依賴于本地硬件?？偟膩碚f，大多數學生都能輕易地在自己的電腦上運行。

ML：您將Quanser硬件當前的實驗室手冊修改為虛擬系統實驗室手冊，在這過程中有遇到困難嗎？

SF：并不困難。指令端從物理硬件轉換到虛擬硬件的過程非常容易，只是替換而已，比如“打開電源”，轉換成“打開應用程序”，因此非常容易納入我們的指導說明中。
反而需要我們付出更多工作的地方是，我們預先有了先生成的解決方案，而Quanser的虛擬實驗室非常逼真，他完全仿真了非系統的線性度，卻比實際系統的噪聲小很多。所以我們不得不調整我們的解決方案，以便讓他看起來更像學生在虛擬實驗室看到的東西，而非最初設置好的解決方案，除此之外，都非常簡單。

ML：學生的反饋如何呢？您認為這個虛擬實驗室幫助他們獲得更多實操經驗了嗎？

SF：今年我們都無法去學校上課，我認為Quanser的虛擬實驗室是一種非常好的方式，無論是對于學生或者老師。三位真實還原硬件在視覺方面對于學生非常重要，在我的課程中，正如我認為大多數控制課程所需要關注的，我們著重于在實驗室中將理論翻譯成在真實世界的應用，并讓他們知道一旦他們離開了課堂，真實世界可以有多不可預測。他們必須學習處理系統的真實性，必須學習處理非完美的系統表現。因此，我認為擁有視覺組件以及真正類似于結構良好的系統模型的系統對于學生們的學習非常重要。如果沒有這套系統，或是我們嘗試自己建立模型，會非常困難，我們可能最后無法完成。

  我們可能無法制作出如此高保真的系統，也無法讓學生看到他們的控制器在活動。我認為學生在虛擬實驗室了解更多他們手上在實踐的，而不是僅僅對著屏幕觀察物體的移動。我尤其喜歡的是球桿實驗，對學生來說，能夠看到光束的運動并將其與實驗情況下的運動學、物理學聯系起來。特別是由于模擬或特定的實驗，我們試圖讓他們深入了解該系統的潛在復雜性以及我們嘗試進行的簡化，這是線性控制的課程，所以我們將所有內容線性化。因此，讓學生了解從更復雜、更線性的系統轉向線性化模型的精妙之處，以及在哪里分解、如何分解，對他們來說非常重要，Quanser的虛擬實驗室很好地完成了這一點。
  我唯一需要提醒學生的是，提醒他們觀看三維模型的動態，因為歸根結底學生們提供給我的解決方案/答案是以示意圖形式出現的，所有他們很容易集中精力取得漂亮的情節圖示。因此，提醒他們觀察在虛擬實驗室中硬件發生的變化，也是在提醒他們什么才是真正重要的東西。在真正的實驗室中，我們不可能忽略硬件發生的變化，因為我們就坐在它旁邊，且他們隨時發生噪音。因此對于虛擬實驗室中的硬件，更重要的是提醒學生說，“嘿，看看它發生了什么，它是如何移動的？”。
ML：由Hashtrudi-Zaad教授執教的ELEC 448機器人入門課程將會使用Quanser Rotary Flexible Link以及QArm Virtual Plants, 我了解到您也是這門課的助教，您是否希望使用這些不同的虛擬系統呢？
SF：我非常期待。對于該課程的學生來說，能夠看到正在運行的機器人并置身于與以往傳統實驗室不同的實驗環境，這對他們來說非常有幫助。由于我們沒有足夠的時間來調整整個課程的內容，Hashtrudi-Zaad教授也有他自己喜歡運行實驗室的方式，因此我期待使用Quanser更多的虛擬硬件模型來教學并彌補無法進入學習實驗室面對面教學的缺陷。

ML：好的，非常感謝，我也非常期待您和您的學生應用我們更多Quanser的虛擬實驗室的產品，您的反饋對我們非常重要，對即將或正在用我們QLabs的用戶也非常重要，我們期待與您繼續溝通獲得您的反饋。
分享到：