Sanal Laboratuvar Standı (Virtual Laboratory Stand, VLS), öğrencilerin gerçek fiziksel laboratuvar düzeneğine sürekli erişmek zorunda kalmadan mühendislik sistemlerini modelleyebildiği, simüle edebildiği, kontrol algoritmalarını uygulayabildiği ve sistem davranışını etkileşimli olarak gözlemleyebildiği yazılım tabanlı bir eğitim ortamıdır. Bu çalışmada MATLAB–Simulink R2024a ve Simscape Multibody kullanılarak Segway tipi kendi kendini dengeleyen bir mobil robot için VLS geliştirilmiş; sistemin ayrıntılı fizik tabanlı sanal modeli ile Lagrange yaklaşımıyla elde edilen analitik modeli aynı öğretim ortamında birleştirilmiştir.

Laboratuvarın iki temel öğrenme çıktısı vardır: öğrencinin mekatronik bir sistemi matematiksel olarak modelleyip çalışma noktası çevresinde lineerleştirebilmesi ve kendi kendini dengeleyen robotun dik konumunu korumak üzere bir PID kontrolörü tasarlayıp ayarlayarak performansını değerlendirebilmesi. Öğrenci önce dinamik modeli kurmakta, ardından PID kontrolörü geliştirmekte, son aşamada ise tasarımını Simscape sanal robot üzerinde farklı giriş ve bozucular altında doğrulamaktadır.

VLS'nin eğitimsel değerlendirmesi aynı ders kohortundaki 21 üçüncü sınıf mekatronik öğrencisiyle yapılmıştır. Öğrenciler rastgele olarak iki gruba ayrılmıştır. Grup 1'deki 10 öğrenci analitik modele ek olarak Simscape tabanlı VLS'yi kullanmış; Grup 2'deki 11 öğrenci aynı modelleme, lineerleştirme, PID tasarımı ve performans değerlendirme görevlerini yalnız analitik Simulink modeliyle gerçekleştirmiştir.

Kapalı uçlu Q3–Q7 maddelerinin tamamında VLS grubunun ortalama puanı analitik-model grubundan daha yüksek çıkmıştır. Ancak önceden belirlenen \(p<0.05\) ölçütüne göre yalnız üç maddede gruplar arası fark istatistiksel olarak anlamlıdır: modelin eğitim amacı için gerçekçi bulunması Q5.1 (\(p=0.013\)), Simscape modelinin analitik modele ek sistem davranışı bilgisi sunduğunun algılanması Q6.3 (\(p=0.016\)) ve kontrollü süreçlerin simülasyon modelleriyle çalışma konusunda öğrencinin kendisini daha yetkin hissetmesi Q7.2 (\(p=0.049\)).

Çalışmanın eğitimsel sonucu dikkatli yorumlanmalıdır. Ölçülen ana sonuçlar öğrencilerin algıları ve öz-değerlendirmeleridir; objektif öğrenme performansı değildir. Çalışmada ön-test/son-test, sınav başarısı, laboratuvar performansı veya uzun dönem beceri transferi ölçülmemiştir. Bu nedenle araştırma VLS'nin öğrenciler tarafından daha olumlu değerlendirildiğini ve bazı algısal boyutlarda anlamlı farklılık oluşturduğunu göstermektedir; VLS'nin objektif öğrenme başarısını kesin olarak artırdığını kanıtlamamaktadır.

Araştırmanın temel problemi

Mekatronik ve kontrol mühendisliği eğitimi yalnız matematiksel denklemlerin öğrenilmesiyle tamamlanamaz. Öğrencinin teorik bir dinamik modelin gerçek veya gerçeğe yakın bir sistemde nasıl davrandığını, kontrol parametrelerinin mekanik hareketi nasıl değiştirdiğini ve ideal analitik model ile fiziksel sisteme daha yakın bir model arasındaki farkı görmesi gerekir.

Fiziksel laboratuvar düzenekleri bu deneyimi sağlayabilir; ancak cihaz sayısı, satın alma maliyeti, bakım, donanım arızaları, uzaktan eğitim ve aynı anda çok sayıda öğrencinin düzeneğe erişmesi gibi nedenler uygulamayı sınırlandırabilir. Kaynak çalışma fiziksel laboratuvarın gereksiz olduğunu ileri sürmemektedir. Önerilen VLS, fiziksel laboratuvarı tamamlayabilecek veya fiziksel düzeneğe erişimin sınırlı olduğu koşullarda seçili kontrol mühendisliği görevlerinin yürütülmesini sağlayabilecek bir eğitim yaklaşımı olarak geliştirilmiştir.

Simscape Tabanlı Sanal Laboratuvar Standı Nedir?

Bu çalışmadaki Simscape tabanlı Sanal Laboratuvar Standı, Segway tipi kendi kendini dengeleyen robotun ayrıntılı Simscape Multibody modeli ile aynı robotun Lagrange yöntemiyle oluşturulan analitik Simulink modelini, kontrol tasarımı ve sistem davranışı incelemesi amacıyla aynı eğitim ortamında birleştiren etkileşimli bir simülasyon platformudur.

VLS'nin temel mimarisi

VLS, MATLAB–Simulink R2024a içinde iki tamamlayıcı model kullanır. Birinci model, aktüatörler, mekanik parçalar, mafsallar, sensörler ve tekerlek–zemin etkileşimini fizik tabanlı bloklarla temsil eden Simscape Multibody modelidir. İkinci model, robotun elektriksel ve mekanik dinamiğini Lagrange formalizmiyle ifade eden analitik modeldir.

Simscape modeli yalnız matematiksel çıktı üretmez. Mechanics Explorer üzerinden robotun üç boyutlu hareketi görülebilir; Simulink Scope blokları üzerinden referans giriş, sarkaç açısı ve kontrol sinyalleri zaman içinde izlenebilir. Öğrenci böylece kontrolör parametresi ile fiziksel görünümlü sistem davranışı arasında görsel ilişki kurabilir.

Simscape Multibody modeli nasıl oluşturuldu?

Robotun üç boyutlu CAD modeli SolidWorks 2024'te hazırlanmış ve Simscape Multibody'ye aktarılmıştır. CAD montajındaki parça ve mate ilişkileri; frame, transform, joint ve body gibi Simulink/Simscape öğelerine dönüştürülmüştür.

Robot iki ana mekanik bölüm olarak ele alınmıştır: motor rotorlarını içeren tekerlekler ve motor statorlarını taşıyan ana gövde/sarkaç. Ana gövdenin üçgen biçimli ayakları robotun kütle merkezini yukarı taşımaktadır. Kaynak, bu geometrinin sarkacı kontrol etmek için gereken ivmeyi azaltmaya yardımcı olduğunu belirtmektedir.

Tahrik iki adet entegre redüktörlü Digilent IG2200019 DC motorla sağlanmaktadır. Tekerlek ve ana gövde arasında dönel mafsallar vardır; gövde dünya koordinat sistemine sabitlenmiş değildir.

Tekerlek–zemin teması nasıl modellenmiştir?

Robot ile sanal zemin arasındaki etkileşim Sphere-to-Plane Contact Force bloğuyla kurulmuştur. Zemin düz bir yüzey, tekerleklerin zeminle temas eden elemanları ise küresel temas elemanları olarak temsil edilmiştir. Böylece hareket sırasında normal kuvvet ve sürtünme etkilerinin fizik tabanlı Simscape modelinde hesaba katılması amaçlanmıştır.

Analitik model neden ayrıca gerekli?

Simscape modeli öğrencinin ayrıntılı ve görsel sistem davranışını incelemesini sağlarken analitik model, sistemin dinamiklerinin denklemler üzerinden anlaşılmasını ve kontrol tasarımının matematiksel temelde yürütülmesini sağlar. Çalışmanın eğitim yaklaşımı bu iki düzeyi rakip değil tamamlayıcı kabul eder: öğrenci önce sistemi matematiksel olarak kurar, daha sonra daha ayrıntılı fizik tabanlı sanal modelle davranışı karşılaştırabilir.

Analitik modelde yapılan temel sadeleştirme

İki tekerleğin aynı açıda döndüğü, yani birbirine rijit bağlıymış gibi hareket ettiği varsayılmıştır. Böylece sistemin serbestlik derecesi azaltılmış ve öğretim amacıyla daha yönetilebilir bir analitik model oluşturulmuştur.

Genelleştirilmiş koordinatlar neyi temsil ediyor?

Analitik model parametreleri

Kaynak-veri uyarısı: \(J_p\) için yukarıdaki 23,829,313.41 kg·m² değeri kaynakta bu biçimde basılmıştır. Ölçek veya üs bilgisi kaynak tarafından ayrıca açıklanmadığı için burada düzeltilmemiştir.

Lagrange denklemi

Kaynak, elektriksel ve mekanik alt sistemleri tek bir genelleştirilmiş koordinat yapısı içinde ifade etmek için Lagrange formalizmini kullanmaktadır. Kaynakta Denklem (1) şu biçimde basılmıştır:

\[ \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot q_i}\right) - \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial q_i} + \frac{\partial \mathcal{R}}{\partial \dot q_i} = Q_i \tag{1} \]

Burada \(\mathcal{L}=T-V\) Lagrange fonksiyonudur. \(T\) toplam kinetik enerji, \(V\) potansiyel enerji, \(\mathcal{R}\) Rayleigh sönüm fonksiyonu ve \(Q_i\) genelleştirilmiş etkidir. Kaynak Denklem (1)'de ilk türev teriminde \(\partial T\), ikinci terimde \(\partial\mathcal{L}\) kullanmaktadır. Verianla bu kaynak dizgisini standart formüle sessizce dönüştürmemektedir.

Sarkacın bileşik hızı

Sarkacın kütle merkezi hem tekerlek hareketi nedeniyle x doğrultusunda ilerler hem de sarkaç dönmesi nedeniyle dairesel bileşene sahiptir. Kaynak:

\[ V_x=r\dot q_2 \]

ve

\[ V_t=l\dot q_3 \]

tanımlarını kullanır. İki hız vektörü arasındaki açı \(q_3\) ile ilişkilendirildiğinde toplam hız büyüklüğünün karesi:

\[ V^2=V_x^2+V_t^2+2V_xV_t\cos(q_3) \tag{2} \]

biçimindedir. Bu ifade kinetik enerjide tekerlek doğrusal hareketi ile sarkaç dönmesinin birbirine bağlanmasını sağlar.

Toplam kinetik enerji

Kaynak toplam kinetik enerjiyi önce bileşenlerine ayırır:

\[ T= T_{\mathrm{inductor1}}+ T_{\mathrm{inductor2}}+ T_{\mathrm{rotor1}}+ T_{\mathrm{rotor2}}+ T_{\mathrm{wheel1}}+ T_{\mathrm{wheel2}}+ T_{\mathrm{pendulum}} \tag{3} \]

Bu ayrım iki motorun elektriksel endüktif enerjisini, rotorların dönme enerjisini, iki tekerleğin hareketini ve ana gövde/sarkacın kinetik enerjisini birlikte temsil etmeyi amaçlamaktadır.

Kaynakta Denklem (4) aşağıdaki dizgiyle verilmektedir:

\[ \begin{aligned} T={}& \frac{1}{2}L\dot q_1+ \frac{1}{2}L\dot q_1+ \frac{1}{2}J_r(i\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}J_r(i\dot q_2)^2 \\ &+ \frac{1}{2}M_w(r\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}M_w(r\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}J_w\dot q_2+ \frac{1}{2}J_w\dot q_2+ \frac{1}{2}J_p\dot q_3 \\ &+ \frac{1}{2}M_p \left( r^2\dot q_2^2+ l^2\dot q_3^2+ rl\dot q_2\dot q_3\cos(q_3) \right) \end{aligned} \tag{4} \]

Dizgi uyarısı: Kinetik enerji terimlerinin standart fiziksel boyutunda hız veya açısal hızların karesi beklenir; kaynak Denklem (4)'te bazı \(\dot q_1\), \(\dot q_2\) ve \(\dot q_3\) terimlerini karesiz basmıştır. Kaynak bir düzeltme vermediğinden Verianla bu ifadeyi sessizce değiştirmemektedir.

Potansiyel enerji

Kaynak potansiyel enerjiyi:

\[ V=M_p g\frac{l}{2}\left(1-\cos(q_3)\right) \tag{5} \]

olarak verir. \(\cos(q_3)\) terimi sarkacın yüksekliğinin açıyla doğrusal değil trigonometrik biçimde değiştiğini gösterir. Kaynak Tablo 1'de \(l\)'yi dönme ekseninden kütle merkezine uzaklık olarak tanımlamasına rağmen Denklem (5)'te \(l/2\) kullanmaktadır; bu fark kaynakta ayrıca açıklanmamıştır.

Rayleigh sönüm fonksiyonu

\[ \mathcal{R} = \frac{1}{2}R\dot q_1^2\cdot2 + \frac{1}{2}bi^2\dot q_2^2\cdot2 \tag{6} \]

Birinci terim iki motor devresindeki elektriksel direnç kaybını, ikinci terim ise rotor sönümüyle ilişkili mekanik kaybı temsil etmek üzere kullanılmıştır. Sonundaki 2 çarpanları sistemde iki özdeş motor bulunmasıyla ilişkilidir.

Genelleştirilmiş etkiler

Kaynak genelleştirilmiş etkileri:

\[ Q_1=2V_a-2k_m i\dot q_2 \tag{7} \]

\[ Q_2=2k_m i\dot q_1 \tag{8} \]

\[ Q_3=0 \tag{9} \]

olarak verir. \(Q_1\) elektrik devresinde uygulanan gerilim ile motorun dönüşünden kaynaklanan karşı elektromotor etkiyi; \(Q_2\) elektrik akımının mekanik torka dönüşümünü temsil eden bağlaşımı ifade eder. \(Q_3=0\) seçimi, sarkaç koordinatına doğrudan bağımsız bir genelleştirilmiş aktüasyon uygulanmadığı model yapısını gösterir.

Doğrusal olmayan hareket denklemleri

Diferansiyel işlemlerden sonra kaynak üç bağlı dinamik denklem verir.

\[ L\ddot q_1+R\dot q_1+k_m i\dot q_2=V_a \tag{10} \]

Denklem (10), elektriksel alt sistemin gerilim–akım–motor hızı ilişkisini verir. Endüktans akımın değişim hızını, direnç akım kaybını ve \(k_m i\dot q_2\) terimi motor dönüşüyle ilişkili elektromekanik bağlaşımı temsil eder.

\[ \begin{aligned} &\ddot q_2 \left[ 2J_r i^2+2M_w r^2+2J_w+M_p r^2 \right] + M_p r l\cos(q_3)\ddot q_3 \\ &- M_p r l\sin(q_3)\dot q_3^2 + 2bi^2\dot q_2 - 2k_m i\dot q_1 =0 \end{aligned} \tag{11} \]

Denklem (11), tekerlek/robot doğrusal hareketinin eşdeğer dönel dinamiğini; rotor ve tekerlek ataletlerini, gövde kütlesini, sarkaç hareketiyle bağlaşımı, sönümü ve motor torkunu aynı denklemde toplar.

\[ \begin{aligned} &\ddot q_3 \left[J_p+M_p l^2\right] + M_p r l \left( \ddot q_2\cos(q_3) - \dot q_2\dot q_3\sin(q_3) \right) \\ &+ M_p r l\dot q_2\dot q_3\sin(q_3) + M_p g\frac{l}{2}\sin(q_3) =0 \end{aligned} \tag{12} \]

Denklem (12), sarkacın dönme dinamiğini temsil eder. \(\sin(q_3)\) ve \(\cos(q_3)\) içermesi sistemin doğrusal olmadığını açık biçimde gösterir.

Yardımcı sabitler

Denklemleri kısaltmak için kaynak şu tanımları yapmıştır:

\[ c_1=2J_r i^2+2M_w r^2+2J_w+M_p r^2 \tag{13} \]

\[ c_2=M_p r l \tag{14} \]

\[ c_4=J_p+M_p l^2 \tag{15} \]

\[ c_5= \frac{M_p g(l/2)}{c_4} \tag{16} \]

\(c_1\), tekerlek yönündeki eşdeğer atalet bileşenlerini; \(c_2\), gövde–tekerlek hareketinin bağlaşımını; \(c_4\), sarkacın eşdeğer dönme ataletini; \(c_5\) ise yerçekimi etkisinin sarkaç ataletine göre ölçeklenmiş biçimini toplu olarak ifade eder.

Segway Robotunun Doğrusal Olmayan Modeli Neden Lineerleştirildi?

Kaynakta kullanılacak kontrol yöntemleri doğrusal sistem modeli gerektirdiği için \(\sin(q_3)\) ve \(\cos(q_3)\) içeren doğrusal olmayan hareket denklemleri, robotun dik-yukarı denge konumunun yalnız küçük bir çevresinde geçerli olacak biçimde lineerleştirilmiştir; bu lineer model büyük açılı hareketlerin tüm dinamiğini temsil etmez.

Çalışma noktası ve küçük-sapma yaklaşımı

Dik-yukarı denge konumu:

\[ q_3=\pi+\phi \]

olarak yazılmıştır. Burada \(\phi\), dik yukarı konumdan küçük sapmadır. Küçük sapma kabulü altında kaynak:

\[ \sin(q_3)=-\phi,\qquad \cos(q_3)=-1,\qquad \dot q_3^2=0 \tag{17} \]

yaklaşımlarını kullanmaktadır. \(\dot q_3^2\) gibi ikinci mertebeden küçük terimler ihmal edilerek model yerel olarak doğrusal hale getirilir.

Bu nedenle lineerleştirilmiş modelin bilimsel anlamı “robot bütün açılarda doğrusal davranır” değildir. Model yalnız seçilen dik denge çalışma noktasının küçük çevresi için kontrol tasarımını kolaylaştıran yaklaşımdır.

Lineerleştirilmiş denklemler

\[ \ddot q_1= \frac{V_a}{L} - \frac{R}{L}\dot q_1 - \frac{k_m i}{L}\dot q_2 \tag{18} \]

Elektriksel dinamiğin lineer biçimidir. Uygulanan gerilim akım değişimini artırırken direnç ve motor dönüşüne bağlı karşı etki akım değişimini sınırlar.

\[ \ddot q_2= \frac{c_2}{c_1}\ddot\phi - \frac{2bi^2}{c_1}\dot q_2 + \frac{2k_m i}{c_1}\dot q_1 \tag{19} \]

Tekerlek ivmesi; sarkaç ivmesiyle bağlaşım, mekanik sönüm ve motor akımının oluşturduğu tork etkileriyle ilişkilidir.

\[ \ddot\phi= \frac{c_2}{c_1}\ddot q_2 + c_5\phi \tag{20} \]

Bu denklem küçük sarkaç sapmasının tekerlek ivmesi ve yerçekimiyle ilişkisini gösterir. Dik-yukarı durum ters sarkaç karakterinde olduğundan kontrolör olmadan kararlı bir doğal denge olarak değerlendirilmemelidir; laboratuvarın PID tasarım görevi bu dik konumu aktif kontrol altında tutmaya yöneliktir.

PID kontrolörü laboratuvarda ne yapıyor?

Kaynak final \(K_p\), \(K_i\) ve \(K_d\) sayısal değerlerini vermemektedir. PID kontrolörü Simulink Continuous Library içindeki PID bloğu ve PID Tuner arayüzü kullanılarak, belirlenen geçici rejim ve sağlamlık hedeflerine göre öğrenci tarafından ayarlanmaktadır.

Öğretici standart PID denklemi: Aşağıdaki denklem makalenin yeni bir sonucu değildir; çalışmada kullanılan PID kontrolünün standart matematiksel açıklamasıdır.

\[ u(t)= K_p e(t) + K_i\int_0^t e(\tau)\,d\tau + K_d\frac{de(t)}{dt} \]

\(e(t)=r(t)-y(t)\) referans ile gerçek sistem cevabı arasındaki hatadır. \(K_p\) anlık hataya, \(K_i\) birikmiş hataya, \(K_d\) ise hatanın değişim hızına tepki verir.

• \(K_p\) — oransal kazanç: Hata büyüdükçe daha güçlü kontrol tepkisi üretir.
• \(K_i\) — integral kazanç: Zaman boyunca kalan hatayı biriktirerek kalıcı durum hatasının azaltılmasına yardımcı olur.
• \(K_d\) — türev kazanç: Hatanın hızlı değişimine tepki vererek geçici rejimin şekillendirilmesine katkı sağlar.

Bu açıklama “kazanç arttıkça sistem mutlaka iyileşir” anlamına gelmez. PID terimleri birbirleriyle etkileşir; aşırı kazanç salınım, büyük aşım veya kararsızlık oluşturabilir. Laboratuvarın amacı öğrencinin bu etkileri simülasyon üzerinden görerek kontrol tasarımını yinelemeli biçimde iyileştirmesidir.

Performans kriterleri

Kaynak öğrencilerin PID kontrolörünü değerlendirirken dört temel ölçüte odaklanmasını ister:

• Overshoot — aşım: Sistem cevabının hedef değeri geçtikten sonra ulaştığı fazlalık.
• Settling time — yerleşme süresi: Cevabın hedefin çevresindeki kabul edilebilir bölgeye girip orada kaldığı süre.
• Steady-state error — kalıcı durum hatası: Geçici rejim sona erdikten sonra referans ile çıktı arasında kalan hata.
• Stability — kararlılık: Sistemin bozucu veya başlangıç sapmasından sonra sınırlı ve kontrol edilebilir bir davranış gösterip göstermemesi.

Kaynak bu kriterler için zorunlu sayısal eşikler, son PID kazançları, solver tipi, integrasyon adımı, kesin simülasyon süresi veya saturation limitlerinin sayısal değerlerini raporlamamaktadır.

Üç aşamalı laboratuvar akışı

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Eğitimsel değerlendirme tasarımı

Örneklem büyüklüğü ayrı bir güç analizinden değil, çalışma döneminde derse kayıtlı öğrenci sayısından belirlenmiştir. Bu nedenle \(n=21\) tek ders kohortunun tamamını temsil etmekte, daha geniş öğrenci nüfusunu temsil eden büyük bir örneklem oluşturmamaktadır.

Anket yapısı

Yazarlar bu çalışma için özel bir anket geliştirmiştir. Q1 ve Q2 demografik/model kullanım bilgilerini toplar. Q3–Q7 beş tematik kapalı uçlu soru grubundan oluşur ve Likert tipi değerlendirme kullanır. Q8 ve Q9 açık uçlu öğrenci geribildirimleridir.

Kapalı uçlu maddelerin iç tutarlılığı Cronbach alfa ile değerlendirilmiştir. Grup 1 için \(\alpha=0.835\), Grup 2 için \(\alpha=0.874\) raporlanmış ve her ikisi de kaynakta kullanılan 0.70 referansının üzerinde bulunmuştur.

Öğretici standart Cronbach alfa formülü:

\[ \alpha= \frac{k}{k-1} \left( 1-\frac{\sum_{i=1}^{k}\sigma_i^2}{\sigma_T^2} \right) \]

\(k\) madde sayısı, \(\sigma_i^2\) her bir maddenin varyansı ve \(\sigma_T^2\) toplam ölçek puanının varyansıdır. Alfa, maddelerin cevap bakımından ne kadar birlikte hareket ettiğini özetler; yüksek alfa tek başına anketin bütün yönleriyle geçerli olduğunu veya öğrencilerin objektif becerisini doğru ölçtüğünü kanıtlamaz.

Mann–Whitney U Testi Neden Kullanıldı?

Mann–Whitney U testi, bu çalışmada iki küçük ve birbirinden bağımsız öğrenci grubunun Likert tipi anket cevaplarını karşılaştırmak için kullanılmış parametrik olmayan bir sıra testidir; test gruplar arasındaki cevap dağılımlarının sistematik biçimde farklı olup olmadığına bakar ve kaynak \(p<0.05\) değerini anlamlılık sınırı olarak kullanmıştır.

Standart öğretici gösterimde, birinci grubun sıra toplamı \(R_1\) ise:

\[ U_1= n_1n_2+ \frac{n_1(n_1+1)}{2} - R_1 \]

ve:

\[ U_2=n_1n_2-U_1 \]

biçiminde hesaplanabilir. Bu formüller kaynak çalışmanın yeni denklemleri değildir; kullanılan Mann–Whitney yönteminin matematiksel mantığını açıklamak içindir.

U testi ortalamalar arasında klasik t-testi yapmaz. Bütün gözlemleri birlikte sıralayıp bir grubun gözlemlerinin diğer gruba göre daha yüksek veya düşük sıralarda yoğunlaşıp yoğunlaşmadığını değerlendirir. Kaynak sonuç tablosu yine de okuyucunun cevap düzeylerini anlayabilmesi için her grup için ortalama ve standart sapmayı ayrıca vermektedir.

Tüm nicel anket sonuçları

Q5.1: Algılanan gerçekçilik

En belirgin sonuçlardan biri Q5.1'dir. VLS grubunun ortalaması 4.50, yalnız analitik model grubunun ortalaması 3.73'tür. \(U=87.5\) ve \(p=0.013\) olduğundan kaynakta kullanılan \(0.05\) sınırında fark anlamlıdır. Bu sonuç öğrencilerin Simscape içeren modeli eğitim amacı açısından daha gerçekçi algıladığını gösterir.

Bu bulgu modelin fiziksel bir robotla deneysel olarak aynı doğruluğa sahip olduğunu kanıtlamaz. Ölçülen şey öğrenci tarafından algılanan eğitimsel gerçekçiliktir.

Q6.3: Analitik modele ek sistem davranışı bilgisi

Q6.3'te VLS grubu 3.60, analitik-model grubu 2.37 ortalama vermiştir. \(U=88.5\), \(p=0.016\)'dır. Çalışmanın yorumuna göre Simscape, öğrencilerin sadeleştirilmiş analitik model ile daha ayrıntılı fizik tabanlı temsil arasındaki davranış farklarını görmesine yardımcı olmuştur.

Bu, VLS'nin bütün kontrol kavramlarında üstün olduğunu göstermez. Aynı Q6 grubundaki PID uygulamasının sezgiselliği ve PID parametre etkilerinin açıklığı maddelerinde grup farkları anlamlı değildir.

Q7.2: Simülasyon modelleriyle çalışma konusunda algılanan yetkinlik

Q7.2'de VLS grubu 3.80, analitik grup 2.73 ortalama vermiştir. \(U=81.5\), \(p=0.049\)'dur. Öğrenciler VLS kullanımından sonra kontrollü süreçlerin simülasyon modelleriyle çalışma konusunda kendilerini daha yetkin hissettiklerini bildirmiştir.

Bu p değeri kullanılan 0.05 sınırına çok yakındır. Kaynak 13 ayrı kapalı uçlu madde için karşılaştırma yapmakta ancak çoklu karşılaştırma düzeltmesi raporlamamaktadır. Verianla bu nedenle Q7.2'yi kaynakta olduğu gibi anlamlı olarak aktarır fakat p=0.049 sonucunu çok güçlü veya tek başına belirleyici bir kanıt gibi sunmaz.

Anlamlı olmayan sonuçlar neden önemlidir?

VLS grubunun her maddede daha yüksek ortalamaya sahip olması, bütün maddelerde istatistiksel fark olduğu anlamına gelmez. Örneğin Q4.2'de ortalamalar 4.20 ve 3.45 olmasına rağmen \(p=0.058\)'dir. Kaynak bunu anlamlılığa yaklaşan bir sonuç olarak tartışsa da önceden belirlenmiş \(p<0.05\) sınırına göre istatistiksel olarak anlamlı değildir.

Benzer biçimde teori–pratik bağlantısı Q5.2, kritik düşünme Q5.3, PID uygulama kolaylığı Q6.1, PID parametre etkisini analiz etme Q6.2, matematiksel model yetkinliği Q7.1 ve ideal/gerçekçi koşullarda kontrol performansı değerlendirme Q7.3 için VLS grubunun ortalamaları daha yüksek olmakla birlikte grup farkları anlamlı bulunmamıştır.

Açık uçlu öğrenci geribildirimleri

VLS grubundaki öğrencilerin geribildirimleri görsel model, robot simülasyonu, kontrolör değişikliğinin sistem cevabına doğrudan yansımasını görebilme ve Simscape bölümünün ayrıntısı üzerinde yoğunlaşmıştır. Analitik-model grubundaki öğrenciler ise \(K_p\), \(K_i\) ve \(K_d\) değerlerinin değiştirilmesinden kaynaklanan davranış farklarını ve sistem modelinin matematiksel karmaşıklığını olumlu yönler arasında belirtmiştir.

İyileştirme önerilerinde VLS grubu daha fazla uygulamalı çalışma ve CAD parçalarının modele nasıl entegre edildiği konusunda daha fazla ayrıntı istemiştir. Analitik-model grubundaki bazı öğrenciler ise fiziksel modellerin veya Simscape benzeri doğrudan görselleştirmenin laboratuvara eklenmesini önermiştir.

Bu Çalışma VLS'nin Objektif Öğrenme Başarısını Artırdığını Kanıtlıyor mu?

Hayır. Çalışma VLS kullanan öğrencilerin laboratuvar deneyimini, model gerçekçiliğini ve bazı algılanan yetkinlikleri daha olumlu değerlendirdiğini göstermektedir; fakat objektif öğrenme başarısı için ön-test/son-test, sınav puanı, laboratuvar performansı veya başka performans temelli ölçüm kullanılmadığından VLS'nin öğrenme başarısını nedensel olarak artırdığı sonucuna ulaşılamaz.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Simscape Multibody ile analitik Lagrange modeli aynı VLS içinde birleştirilebilmiştir.
• Robotun üç boyutlu sanal hareketi ve kontrol sinyalleri eğitim amacıyla birlikte izlenebilmektedir.
• Üç aşamalı laboratuvar süreci modelleme, PID tasarımı ve sanal model üzerinde doğrulamayı birbirine bağlamaktadır.
• VLS grubunun bütün kapalı uçlu anket maddelerinde ortalaması kontrol grubundan yüksektir.
• Q5.1, Q6.3 ve Q7.2 maddelerinde gruplar arasında \(p<0.05\) fark vardır.
• Nitel geribildirim VLS kullanan öğrencilerin görsel ve etkileşimli özelliklere değer verdiğini göstermektedir.
• VLS fiziksel laboratuvar erişiminin kısıtlı olduğu durumlarda tamamlayıcı eğitim ortamı olarak kullanılabilir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• VLS'nin objektif sınav veya öğrenme puanlarını yükselttiği gösterilmemiştir.
• Simscape modelinin gerçek fiziksel robotla ölçümsel doğruluğu bu eğitim çalışmasında nicel olarak doğrulanmamıştır.
• VLS'nin fiziksel laboratuvarın her durumda yerini alabileceği gösterilmemiştir.
• 21 öğrencilik tek ders kohortunun sonucu bütün mekatronik öğrencilerine genellenemez.
• Her anket maddesinde istatistiksel üstünlük gösterilmemiştir.
• Kaynak final PID kazançlarının, solver ayarlarının veya tam simülasyon koşullarının genel olarak en iyi olduğunu göstermemektedir.

Temel sınırlılıklar

Küçük örneklem: Toplam 21 öğrenci vardır. Grup büyüklükleri 10 ve 11'dir.

Tek ders ve tek kurum: Değerlendirme Technical University of Cluj-Napoca'daki tek bir ders kohortunda yapılmıştır.

Algı temelli sonuçlar: Ana eğitimsel sonuçlar öğrencilerin kendi değerlendirmeleridir. Objektif başarı ölçümü bulunmamaktadır.

Ön-test/son-test yoktur: Öğrencinin laboratuvar öncesi ve sonrası gerçek bilgi veya beceri değişimi ölçülmemiştir.

Çoklu karşılaştırma: Kaynak Q3–Q7 altında 13 ayrı grup testi raporlamaktadır; çoklu test düzeltmesi belirtilmemiştir.

Model doğruluğu: Simscape modeli “yüksek sadakatli” olarak tasarlanmıştır; ancak bu çalışmanın eğitimsel değerlendirmesi fiziksel robotla ayrıntılı nicel model-validasyon deneyi değildir.

Yeniden üretilebilirlik ayrıntıları: Kaynak final \(K_p\), \(K_i\), \(K_d\) değerlerini, uygulanan \(V_a\)'nın kesin sayısal değerini, Simulink solver tipini, zaman adımını, bütün başlangıç koşullarını, saturation sınırlarını ve kesin simülasyon süresini raporlamamaktadır.

Gelecek çalışmalar

Yazarlar daha büyük öğrenci kohortlarında sonuçların yeniden sınanmasını ve algı temelli değerlendirmenin ön-test/son-test, laboratuvar değerlendirmeleri, sınav sonuçları veya performans temelli ölçümlerle tamamlanmasını önermektedir.

VLS'nin sonraki sürümleri için daha karmaşık işletim senaryoları, durum-uzayı kontrolü ve Linear Quadratic Regulator (LQR) gibi ileri kontrol yöntemlerinin eklenmesi planlanmaktadır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık: Development of a Virtual Laboratory Stand Using Simscape for Mechatronic Engineering Education

Yazarlar: Ioan Pintilie, David Glodean, Ciprian Lapusan.

Yazar sırası: Kaynaktaki sıra aynen korunmuştur.

Eş katkı: Kaynakta eş birinci yazarlık veya eş katkı bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Ciprian Lapusan.

Kurum: Department of Mechatronics and Machine Dynamics, Faculty of Automotive, Mechatronics and Mechanical Engineering, Technical University of Cluj-Napoca, 400114 Cluj-Napoca, Romania.

Dergi: Education Sciences.

Yayıncı: MDPI.

Cilt / sayı / makale numarası: 16(9), 1460.

DOI: 10.3390/educsci16091460.

Resmî DOI bağlantısı: https://doi.org/10.3390/educsci16091460

Gönderim: 15 Haziran 2026.

Revizyon: 31 Ağustos 2026.

Kabul: 31 Ağustos 2026.

Yayın: 7 Eylül 2026.

Kaynak türü: Hakemli araştırma makalesi. Mühendislik modelleme/simülasyon geliştirme ile sınıf içi karşılaştırmalı eğitim değerlendirmesini birleştirmektedir.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY). Kaynak PDF'de lisans türü CC BY olarak belirtilmiştir.

Finansman: Araştırma dış finansman almamıştır. Yazarlar ayrıca Technical University of Cluj-Napoca ile Intelligent Mechatronic Systems Laboratory'nin teknik ve finansal desteğine teşekkür etmektedir.

Etik kurul: Kaynak, araştırmanın insan/animal deneyi veya hassas kişisel veri içermediği ve etkinliklerin normal Advanced Control Systems dersinin laboratuvar çalışmasının parçası olduğu gerekçesiyle etik inceleme/onayın feragat edildiğini belirtmektedir.

Bilgilendirilmiş onam: Çalışmaya katılan tüm katılımcılardan bilgilendirilmiş onam alınmıştır.

Veri erişilebilirliği: Çalışmada sunulan özgün katkıların makale içinde bulunduğu; ek soruların sorumlu yazara yöneltilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bildirmemiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma C.L. ve I.P.; yöntem C.L.; yazılım I.P.; doğrulama I.P., D.G. ve C.L.; biçimsel analiz I.P.; araştırma I.P. ve D.G.; kaynaklar I.P. ve C.L.; ilk taslak I.P., D.G. ve C.L.; gözden geçirme ve düzenleme I.P., D.G. ve C.L.; görselleştirme I.P. ve C.L.; danışmanlık C.L.; proje yönetimi C.L.; finansman edinimi I.P. ve C.L.

Kullanılan başlıca yazılım ve araçlar: MATLAB–Simulink R2024a, Simscape Multibody, Mechanics Explorer, SolidWorks 2024, Simulink Continuous Library PID bloğu ve PID Tuner.

Kaynak içi matematiksel dizgi notu 1: Denklem (1), zaman türevi içindeki kısmi türevde \(T\), ikinci kısmi türevde \(\mathcal{L}\) kullanmaktadır. Verianla standart Lagrange formülünü kaynak formülünün yerine koymamıştır.

Kaynak içi matematiksel dizgi notu 2: Denklem (4)'te bazı endüktif/dönel kinetik enerji terimleri karesiz basılmış görünmektedir. Boyutsal olarak dikkat gerektiren bu durum kaynakta düzeltilmediği için Verianla formülü sessizce değiştirmemiştir.

Kaynak içi parametre notu: Tablo 1 \(J_p\) değerini 23,829,313.41 kg·m² olarak raporlamaktadır. Kaynak herhangi bir ek üs veya ölçek düzeltmesi vermediğinden değer aynen korunmuştur.

Kaynak içi sembol tanımı notu: Tablo 1 \(l\)'yi dönme ekseninden sarkaç kütle merkezine uzaklık olarak tanımlarken Denklem (5) ve \(c_5\) tanımı \(l/2\) kullanmaktadır. Kaynak bu ilişkiyi ayrıca açıklamamaktadır.

Ders adı notu: Kaynağın yöntem bölümünün erken kısmı laboratuvarı “Advanced Control Methods” dersi bağlamında adlandırırken sonuç ve etik bölümleri “Advanced Control Systems” ifadesini kullanmaktadır. Verianla bu iki özgün ifadeyi sessizce tek bir ad altında düzeltmemektedir.

Yaklaşık %15 ifadesi: Sonuç bölümünde yazarlar VLS grubunun belirli algısal alanlarda yaklaşık %15 daha yüksek değerlendirme bildirdiğini özetlemektedir. Kaynak bunu ayrı bir etki büyüklüğü hesabı olarak sunmadığından Verianla bu ifadeyi yeni bir istatistik gibi genişletmemektedir.

İstatistiksel yorum sınırı: \(p<0.05\) sınırında 13 kapalı uçlu karşılaştırmadan üçü anlamlıdır. Kaynak çoklu karşılaştırma düzeltmesi raporlamamaktadır.

Eğitimsel yorum sınırı: Çalışma esas olarak öğrenci algılarını ölçmektedir. Objektif öğrenme kazanımı, sınav performansı veya uzun dönem transfer sonucu ölçülmemiştir.