Integrated PBL and HIL practices for real-time simulations applied in technical and engineering teaching using embedded systems

• Autorzy: Rosa Arthur Hermano Rezende , Ferreira Reginaldo Vagner , Pereira Cláudio Alves

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.01.08

Warianty tytułu

PL

Zintegrowane praktyki PBL i HIL do symulacji w czasie rzeczywistym stosowane w nauczaniu technicznym i inżynieryjnym z wykorzystaniem systemów wbudowanych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Many educational institutions do not have sufficient resources to acquire expensive devices to make the dialoged and practical classes more attractive, both for students and for teachers. In view of these concerns, it is proposed a procedure that integrates PBL (Problem based Learning) and HIL (Hardware in The Loop) methods to test different dynamic systems, verify stability of the implemented control equations, or even validate useful algorithms in many areas, from basic disciplines of Exact Sciences to Technical and Engineering courses. The conception approach is presented here to justify the best possible cost-effectiveness benefits to simulate real-time systems, with financial and time reductions. The project consists of developing three prototypes (heat exchanger, electronic converter and “Beam and Ball” experiment) by means of a mathematical modeling using the Matlab / Simulink software, to embedded this model in a HIL hardware in order to simulate / diagnose the performance of such systems. These examples can be used in both practical and theoretical classes, in order to encourage students to deal with real problems in search of their solutions.

PL

Wiele instytucji edukacyjnych nie ma wystarczających srodków na zakup drogich urządzeń które uczynią prowadzone z dialogiem i zajęcia praktyczne bardziej atrakcyjnymi zarówno dla uczniów, jak i nauczycieli. W związku z powyzszym proponuje się procedurę integrującą metody PBL (Problem based Learning) i HIL (Hardware in The Loop) w celu testowania róznych układów dynamicznych, weryfikacji stabilności zaimplementowanych równan sterowania, a nawet walidacji użytecznych algorytmów w wielu obszarach, od z podstawowych dyscyplin nauk ścisłych po kursy techniczne i inżynierskie. Przedstawione jest tutaj podejście koncepcyjne w celu uzasadnienia możliwie najlepszych korzyści w zakresie efektywnosci kosztowej symulacji systemów w czasie rzeczywistym, przy jednoczesnym ograniczeniu finansowym i czasowym. Projekt polega na opracowaniu trzech prototypów (wymiennik ciepła, przetwornik elektroniczny i eksperyment „Belka i kula”) za pomocą modelowania matematycznego z wykorzystaniem oprogramowania Matlab / Simulink, w celu osadzenia tego modelu w sprzęcie HIL w celu symulacji / zdiagnozowania działania takiego systemy. Przykłady te mozna wykorzystać zarówno na zajęciach praktycznych, jak i teoretycznych, aby zachęcic uczniów do rozwiązywania rzeczywistych problemów w poszukiwaniu ich rozwiązania.

Słowa kluczowe

EN

PBL; HIL; SFL; teaching; SEPIC; ball; beam; heat exchanger

PL

PBL; HIL; SFL; nauczanie; SEPIC; belka kulowa; wymiennik ciepła

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 1
• Strony: 46--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rosa Arthur Hermano Rezende

• Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Betim, Graduate Program in Teaching - Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Arcos, Brasil

autor

Ferreira Reginaldo Vagner

• Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Betim, Graduate Program in Teaching - Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Arcos, Brasil

autor

Pereira Cláudio Alves

• Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Betim, Graduate Program in Teaching - Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Arcos, Brasil

Bibliografia

• [1] Taewoo Nam. Technology usage, expected job sustainability, and perceived job insecurity. Technological Forecasting and Social Change, 138:155–165, 2019.
• [2] Nikolai Siniak, Sergey Shavrov, Ninoslav Marina, and Karol Krajco. Examining the feasibility of industry 4.0 for the real estate sector with a lens of value and job creation. 2019.
• [3] Jos Moust, Peter Bouhuijs, and Hans Schmidt. Introduction to problem-based learning. Routledge, 2019.
• [4] David Moises Barreto dos Santos and Carlos Alberto dos Santos da Silva. Problem-based learning in a computer engineering program: Quantitative evaluation of the students’ perspective. IEEE Latin America Transactions, 16(7):2061–2068, 2018.
• [5] M. Shoushtari and N. Dutt. Sam: Software-assisted memory hierarchy for scalable manycore embedded systems. IEEE Embedded Systems Letters, 9(4):109–112, 2017.
• [6] S.S. Noureen, N. Shamim, V. Roy, and S.B. Bayne. Real-time digital simulators: A comprehensive study on system overview, application, and importance. International Journal of Research and Engineering, 4(11):266–277, 2017.
• [7] L.A. Grégoire, M. Cousineau, S.I. Seleme jr, and P. Ladoux. Real-time simulation of interleaved converters with decentralized control. In ICREPQ 2016.International Conference on Renewable Energies and Power Quality, pages 1–6, 2016.
• [8] Y. Li, X. Xu, X. Sun, H. Xue, H. Jiang, and Y. Qu. Theoretical and experimental analytical study of powertrain system by hardware-in-the-loop test bench for electric vehicles. International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing, 12(1- 2):44–71, 2017.
• [9] A. Fernández-Álvarez, M. Portela-García, M. García-Valderas, J. López, and M. Sanz. Hw/sw co-simulation system for enhancing hardware-in-the-loop of power converter digital controllers. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 5(4):1779–1786, 2017.
• [10] Ricardo Arias, Alecir Pedro da Cunha, and Alejandro Rafael Garcia Ramirez. Teaching of mechanical vibration concepts using the computational simulation. IEEE Latin America Transactions, 18(4):659–667, 2020.
• [11] Rajita Dak, Suchitra Khoje, and Prajakta J Pardeshi. A review on cost-efficient virtual laboratory: A teaching aid. In 2017 International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC), pages 663–667. IEEE, 2017.
• [12] Paweł Kielan, Damian Mazur, and Adrian Szklarz. Bldc motor control in hil configuration with the use of matlab/simulink software and plc. Przegla˛d Elektrotechniczny, 93, 2017.
• [13] Leon Adams and Strategic Marketing. Choosing the right architecture for real-time signal processing designs. Texas Instruments, Document Number SPRA879, 2002.
• [14] Nicolas Frick. Advantages of fpga based robot control compared to cpu and mcu based control methods. 2020.
• [15] Michael Klug. Construção e controle de uma plataforma experimental ball and beam. Revista Técnico Científica do IFSC, (6):65, 2018.
• [16] Arthur HR Rosa, Matheus BE Silva, Marcos FC Campos, Renato AS Santana, Welbert A Rodrigues, Lenin MF Morais, et al. Shil and dhil simulations of nonlinear control methods applied for power converters using embedded systems. Electronics, 7(10):241, 2018.
• [17] Khurshid Aliev, Francesco Rugiano, and Eros Pasero. Smartphone and bluetooth smart sensor usage in iot applications. Sensors & Transducers, 201(6):27–34, 2016.
• [18] Sadik Kakac, Hongtan Liu, and Anchasa Pramuanjaroenkij. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. CRC press, 2020.
• [19] Ahmad Fakheri. Heat exchanger efficiency. 2007.
• [20] Ramon Ferreiro Garcia. Improving heat exchanger supervision using neural networks and rule based techniques. Expert Systems with Applications, 39(3):3012–3021, 2012.
• [21] Zoubir Belgroun, Mustapha Hatti, and Salah Hanini. Power interface efficiency evaluation for photovoltaic system used in hydrogen production. Przegla˛d Elektrotechniczny, ISSN, pages 0033–2097, 2019.
• [22] H. Y. Kanaan and K. Al-Haddad. A novel averaged-modelbased control of a sepic power factor corrector using the input/ output feedback linearization technique. In Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC’05. IEEE 36th, pages 565–571. IEEE, 2005.
• [23] Hasan Komurcugil, Samet Biricik, and Naki Guler. Indirect sliding mode control for dc-dc sepic converters. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019.
• [24] Arthur HR Rosa, Thiago M De Souza, Lenin MF Morais, and Seleme I Seleme. Adaptive and nonlinear control techniques applied to sepic converter in dc-dc, pfc, ccm and dcm modes using hil simulation. Energies, 11(3):602, 2018.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).