在COVID-19大流行之后，全球各地的大学都面临着一项艰巨的任务，如何向学生提供有意义的实践实验。麦克马斯特大学是位于加拿大安大略省汉密尔顿市的一所杰出的公立研究型大学，尤其受到疫情的影响。麦克马斯特大学的Walter G. Booth工程实践学院拥有1500多名学生，他们提供了一系列以学生为中心的体验式学习课程。这场疫情的大流行打乱了学校以实践教学为核心的大部分实验室活动，这其中就包括Mostafa Soliman博士，他不得不寻找另一种方法为他的控制理论课提供实践经验。除了Soliman博士，世界各地的许多教授都向Quanser寻求远程授课方面的帮助。Quanser研发团队立即开始利用我们的软件IP，基于受欢迎的硬件平台，着手开发对应的数字孪生系统，为我们的教育合作伙伴（包括Soliman博士）提供足够真实的虚拟实验体验。

面临的挑战

一门包含实践的理论密集型课程

控制理论涵盖经典控制理论主题，如闭环控制系统的分析和设计，包括系统特性和性能、稳定性分析、系统类型、性能改进、补偿、 滤波和运动系统优化。控制器编程和硬件实现是本课程的组成部分，自然也是学习成果之一。该课程包括三节理论课和一节3小时的实验课。

疫情前的实验

在疫情爆发之前，该课程的实验部分使用了标准模拟电机控制套件，包括有刷直流电机、测量位置和速度的传感器以及使用运算放大器的模拟PID控制器。学生将使用示波器观察系统的响应，并使用光标测量以估计系统参数，如时间常数、超调量等。

                                                                                                              新冠疫情前的实验室设备

疫情期间的实验

由于疫情迫使所有大学停止运作，Soliman教授决定将课程调整为在线授课。根据Soliman博士的说法，“对于控制系统课程来说，做实验是极其重要的，因为一旦你在现实生活中看到大多数理论和数学上抽象的概念，你就可以很容易地理解它们。” 这使得Soliman博士和他的同事们面临同样的挑战，他们要寻找一种实用的虚拟解决方案。在Soliman的案例中，一个数字孪生系统精确地复制了真实伺服系统的动力学，并让学生在家就能感受到真实的工程体验。

解决方案

确定合适的数字孪生系统

在2020年夏季，Soliman博士将Quanser互动实验室（QLabs），特别是QLabs Virtual QUBE-Servo 2确定为一个潜在的数字孪生系统，以替换他计划在2020年秋季学期向学生提供的让他们带回家的低成本套件。QLabs Virtual QUBE-Servo 2是经典QUBE-Servo 2系统的完全仪器化、动态精确的数字孪生系统。它的工作方式与物理硬件相同，可以使用MATLAB/Simulink和其他开发环境进行测量和控制。

根据Soliman的说法，“通过测试该产品，我们发现Quanser在开发一个非常可信且尽可能接近现实的数字孪生模型方面做得非常出色，它捕捉到了电机动态和其他非线性特性，如死区、放大器饱和以及许多其他真实硬件的方方面面。”

据Soliman介绍，Quanser解决方案的一个主要优点是QLabs是建立在一个强大的3D游戏引擎——虚拟引擎4上的。渲染和图形的质量令人印象深刻，以至于“让你觉得马达就在你面前”，这对学生来说是一个非常有吸引力的互动体验。

协作实验体验

Soliman博士开发了十个实验，包括两个入门级MATLAB/Simulink实验、五个基于QLabs Virtual QUBE-Servo 2的实验，以及三个基于提供给学生的低成本直流电机套件的实验。根据Soliman的说法，虽然整个实验序列都可以使用Quanser的虚拟解决方案完成，但他仍然希望学生体验真正的硬件，即使这只是整个实验序列的一小部分。

                                                                                                        实验序列包括虚拟和真实硬件探索

这些实验每周进行一次，使用Zoom视频会议软件，每次实验最多20名学生，设有多个临时休息室。休息室是实验体验的重要组成部分，因为Soliman博士希望培养学生之间的协作意识。虽然鼓励学生合作，互相检验他们的实验结果，但Soliman博士仍然期望每个学生都必须独立完成工作。根据Soliman的说法，使用虚拟实验室的主要优势之一是每个学生都能够在自己的个人电脑上独立进行实验练习。

结果

在2020年秋季课程结束并进行反思和阅读学生评估后，Soliman博士总结道，“QLabs Virtual QUBE-Servo 2是在线执行控制理论实验的优秀解决方案。” 通过访问虚拟系统，学生们能够探索不同的算法并进行“无烟”测试，在这种情况下，他们可以使系统不稳定的运行，并看到相关现象，而不会损坏任何设备或造成安全问题。由于Virtual QUBE-Servo 2是同一工厂硬件版本的数字孪生，讲师可以使用Quanser现有的实验工作手册来执行相同的实验。在得到源文件之后，Soliman博士能够根据自己的实验需要修改工作手册，从而节省了大量时间来开发新材料。

学生的反馈也非常积极，如“实验遵循课堂上教授的内容，甚至有助于理解课堂内容”，“这些方面非常有价值，例如如何使用MATLAB和Simulink”，以及“实验本身令人兴奋，引人入胜。”

Soliman博士认为，虽然真实硬件在工程实验中始终发挥着关键作用——学生可以体验到真实机电系统带来的兴奋和处理不确定性——但将真实和虚拟实验结合起来可以增强学习体验。Soliman博士计划将QLabs纳入到疫情后的课程中。