Mühendislik Eğitimi ve Araştırması için İnteraktif ve Görselleştirilmiş Online Deney Sistemi
Summary
Bu çalışma, teorilerin, kavramların ve formüllerin görselleştirilmesi, deneysel sürecin üç boyutlu (3-B) sanal test donanımlarıyla görselleştirilmesi ve grafikler ve kameralar gibi widget’lar kullanılarak kontrol ve izleme sisteminin görselleştirilmesi de dahil olmak üzere görselleştirilmiş deneyler sağlayan çevrimiçi bir deney sistemini açıklar.
Abstract
Mühendislik eğitiminde deneyler çok önemlidir. Bu çalışma, öğretim ve öğrenme ve aynı zamanda araştırma için çevrimiçi laboratuvarlarda görselleştirilmiş deneyleri araştırmaktadır. Teori destekli algoritma uygulaması, web tabanlı algoritma tasarımı, özelleştirilebilir izleme arayüzü ve üç boyutlu (3-B) sanal test donanımları dahil olmak üzere etkileşimli ve görselleştirme özellikleri tartışılmaktadır. Önerilen laboratuvarların özelliklerini ve işlevlerini göstermek için, elektrik elemanları ile devre tabanlı bir sistem kullanılarak birinci sınıf sistem keşfi, sanal ve uzaktan denemeler için web tabanlı kontrol algoritması tasarımı dahil olmak üzere üç örnek verilmiştir. Kullanıcı tarafından tasarlanan kontrol algoritmaları kullanılarak, yalnızca simülasyonlar gerçekleştirilemez, aynı zamanda tasarlanan kontrol algoritmaları yürütülebilir kontrol algoritmalarına derlendikten sonra gerçek zamanlı deneyler de yapılabilir. Önerilen çevrimiçi laboratuvar ayrıca, kullanıcıların metin kutusu, grafik, 3-B ve kamera widget’ı gibi sağlanan widget’ları kullanarak kullanıcı arayüzlerini özelleştirebilecekleri özelleştirilebilir bir izleme arayüzü sağlar. Öğretmenler sistemi sınıfta çevrimiçi gösterim için, öğrenciler sınıf sonrası deneyler için ve araştırmacılar kontrol stratejilerini doğrulamak için kullanabilir.
Introduction
Laboratuvarlar araştırma ve eğitim için hayati altyapıdır. Konvansiyonel laboratuvarlar, örneğin uygun olmayan satın almalar ve bakım maliyeti, güvenlik konuları ve koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) pandemisi gibi krizler gibi farklı nedenlerle mevcut olmadığında ve/veya erişilebilir olmadığında, çevrimiçi laboratuvarlar alternatifler sunabilir1,2,3. Geleneksel laboratuvarlar gibi, çevrimiçi laboratuvarlarda etkileşimli özellikler4 ve özelleştirilebilir deneyler5 gibi önemli ilerlemeler sağlanmıştır. COVID-19 salgını öncesinde ve sırasında, çevrimiçi laboratuvarlar dünya çapında kullanıcılara deneysel hizmetler sunmaktadır6,7.
Çevrimiçi laboratuvarlar arasında, uzak laboratuvarlar, fiziksel test makineleri ve kameralar desteğiyle kullanıcılara uygulamalı deneylere benzer bir deneyim sunabilir8. İnternet, iletişim, bilgisayar grafikleri ve render teknolojilerinin ilerlemesiyle sanal laboratuvarlar geleneksel laboratuvarlara da alternatifler sunar1. Uzaktan ve sanal laboratuvarların araştırma ve eğitimi destekleme etkinliği ilgili literatürde doğrulanmıştır1,9,10.
Görselleştirilmiş deneyler sağlamak çevrimiçi laboratuvarlar için çok önemlidir ve çevrimiçi deneylerde görselleştirme bir trend haline gelmiştir. Çevrimiçi laboratuvarlarda eğri grafikleri, iki boyutlu (2-B) test makineleri ve üç boyutlu (3-B) test makineleri11 gibi farklı görselleştirme teknikleri elde edilir. Kontrol eğitiminde, çok sayıda teori, kavram ve formül anlaşılması belirsizdir; bu nedenle, görselleştirilmiş deneyler öğretimi, öğrenci öğrenimi ve araştırmayı geliştirmek için hayati öneme sahiptir. İlgili görselleştirme aşağıdaki üç kategoride sonuçlanabilir: (1) Simülasyon ve denemelerin gerçekleştirilebileceği web tabanlı algoritma tasarımı ve uygulaması ile teorileri, kavramları ve formülleri görselleştirmek; (2) Deneysel süreci 3-B sanal test makineleri ile görselleştirmek; (3) Grafik ve kamera widget’ı gibi widget’ları kullanarak kontrolü ve izlemeyi görselleştirme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol, uzaktan deneme için fiziksel test makinelerini ve sanal deneme için 3-B sanal test makinelerini entegre eden hibrit bir çevrimiçi laboratuvar sistemini tanımlamaktadır. Algoritma tasarım süreci için devre tabanlı tasarım için elektrik elemanları gibi birkaç farklı blok kütüphanesi sağlanmaktadır. Kontrol geçmişinden kullanıcılar programlama becerileri olmadan öğrenmeye odaklanabilir. Uygun bir test donanımına uygulanabilecek bir kontrol algoritmasının uygun tasarımı düş?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 ve Grant 61773144 altında Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklendi.
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).
