Интерактивная и визуализированная онлайн-система экспериментов для инженерного образования и исследований
Summary
Эта работа описывает онлайн-систему экспериментов, которая обеспечивает визуализированные эксперименты, включая визуализацию теорий, концепций и формул, визуализацию экспериментального процесса с помощью трехмерных (3-D) виртуальных испытательных стендов и визуализацию системы управления и мониторинга с использованием виджетов, таких как диаграммы и камеры.
Abstract
Экспериментирование имеет решающее значение в инженерном образовании. Эта работа исследует визуализированные эксперименты в онлайн-лабораториях для преподавания и обучения, а также исследования. Обсуждаются интерактивные и визуализирующие функции, включая реализацию алгоритма с теоретическим руководством, веб-дизайн алгоритма, настраиваемый интерфейс мониторинга и трехмерные (3D) виртуальные испытательные стенды. Для иллюстрации особенностей и функциональных возможностей предлагаемых лабораторий приведены три примера, в том числе исследование системы первого порядка с использованием схемотехнической системы с электрическими элементами, веб-проектирование алгоритма управления для виртуальных и удаленных экспериментов. Используя разработанные пользователем алгоритмы управления, можно не только проводить моделирование, но и эксперименты в режиме реального времени после того, как разработанные алгоритмы управления были скомпилированы в исполняемые алгоритмы управления. Предлагаемая онлайн-лаборатория также предоставляет настраиваемый интерфейс мониторинга, с помощью которого пользователи могут настраивать свой пользовательский интерфейс, используя предоставленные виджеты, такие как текстовое поле, диаграмма, 3D и виджет камеры. Учителя могут использовать систему для онлайн-демонстрации в классе, студенты для экспериментов после занятий, а исследователи для проверки стратегий контроля.
Introduction
Лаборатории являются жизненно важной инфраструктурой для исследований и образования. Когда обычные лаборатории недоступны и /или недоступны по разным причинам, например, недоступные закупки и стоимость обслуживания, соображения безопасности и кризисы, такие как пандемия коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19), онлайн-лаборатории могут предложить альтернативы1,2,3. Как и в обычных лабораториях, в онлайн-лабораториях был достигнут значительный прогресс, такой как интерактивные функции4 и настраиваемые эксперименты5. До и во время пандемии COVID-19 онлайн-лаборатории предоставляют экспериментальные услуги пользователям по всему миру6,7.
Среди онлайн-лабораторий удаленные лаборатории могут предоставить пользователям опыт, аналогичный практическим экспериментам, при поддержке физических испытательных стендов и камер8. С развитием Интернета, связи, компьютерной графики и технологий рендеринга виртуальные лаборатории также предоставляют альтернативы обычным лабораториям1. Эффективность удаленных и виртуальных лабораторий для поддержки исследований и образования была подтверждена в соответствующей литературе1,9,10.
Предоставление визуализированных экспериментов имеет решающее значение для онлайн-лабораторий, и визуализация в онлайн-экспериментах стала тенденцией. Различные методы визуализации достигаются в онлайн-лабораториях, например, кривые диаграммы, двумерные (2-D) испытательные стенды и трехмерные (3-D) испытательные стенды11. В контрольном образовании многочисленные теории, концепции и формулы неясны для понимания; таким образом, визуализированные эксперименты имеют жизненно важное значение для улучшения преподавания, обучения студентов и исследований. Вовлеченную визуализацию можно разделить на следующие три категории: (1) визуализация теорий, концепций и формул с помощью веб-алгоритма проектирования и реализации, с помощью которых можно проводить моделирование и эксперименты; (2) Визуализация экспериментального процесса с помощью 3-D виртуальных испытательных стендов; (3) Визуализация управления и мониторинга с помощью виджетов, таких как диаграмма и виджет камеры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленный протокол описывает гибридную онлайн-лабораторную систему, которая объединяет физические испытательные стенды для удаленных экспериментов и 3-D виртуальные испытательные стенды для виртуальных экспериментов. Для процесса проектирования алгоритма предусмотрено неско?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках грантового 62103308, грантового 62173255, грантового 62073247 и грантового 61773144.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
References
- De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
- Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699 (2019).
- Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. Virtual and remote labs in control education: A survey. Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).
- Lei, Z., et al. 3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education. IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).
- Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum. IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -. P. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).
- Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).
- Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
- Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).
- Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories. IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).
- Lei, Z., et al. Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).
- Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
- Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework. International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).
- Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
- De Keyser, R., Muresan, C. I. Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system. 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).
- Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. Improved filter design in internal model control. Industrial & Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).
