Interactief en gevisualiseerd online experimenteersysteem voor technisch onderwijs en onderzoek
Summary
Dit werk beschrijft een online experimenteersysteem dat gevisualiseerde experimenten biedt, waaronder de visualisatie van theorieën, concepten en formules, het visualiseren van het experimentele proces met driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen en het visualiseren van het besturings- en bewakingssysteem met behulp van widgets zoals kaarten en camera’s.
Abstract
Experimenteren is cruciaal in het technisch onderwijs. Dit werk onderzoekt gevisualiseerde experimenten in online laboratoria voor lesgeven en leren en ook onderzoek. Interactieve en visualiserende functies, waaronder theoriegestuurde algoritme-implementatie, webgebaseerd algoritmeontwerp, aanpasbare monitoringinterface en driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen worden besproken. Om de kenmerken en functionaliteiten van de voorgestelde laboratoria te illustreren, worden drie voorbeelden gegeven, waaronder de eerste-orde systeemverkenning met behulp van een circuitgebaseerd systeem met elektrische elementen, webgebaseerd besturingsalgoritmeontwerp voor virtuele en externe experimenten. Met behulp van door de gebruiker ontworpen besturingsalgoritmen kunnen niet alleen simulaties worden uitgevoerd, maar kunnen ook realtime experimenten worden uitgevoerd zodra de ontworpen besturingsalgoritmen zijn gecompileerd in uitvoerbare besturingsalgoritmen. Het voorgestelde online laboratorium biedt ook een aanpasbare monitoringinterface, waarmee gebruikers hun gebruikersinterface kunnen aanpassen met behulp van de meegeleverde widgets zoals het tekstvak, de grafiek, 3D en de camerawidget. Docenten kunnen het systeem gebruiken voor online demonstratie in de klas, studenten voor experimenten na de les en onderzoekers om controlestrategieën te verifiëren.
Introduction
Laboratoria zijn vitale infrastructuur voor onderzoek en onderwijs. Wanneer conventionele laboratoria niet beschikbaar en/of toegankelijk zijn vanwege verschillende oorzaken, bijvoorbeeld onbetaalbare aankoop- en onderhoudskosten, veiligheidsoverwegingen en crises zoals de coronavirusziekte 2019 (COVID-19) pandemie, kunnen online laboratoria alternatieven bieden1,2,3. Net als conventionele laboratoria is er aanzienlijke vooruitgang geboekt, zoals interactieve functies4 en aanpasbare experimenten5 in de online laboratoria. Voor en tijdens de COVID-19-pandemie bieden online laboratoria experimentele diensten aan gebruikers over de hele wereld6,7.
Onder online laboratoria kunnen externe laboratoria gebruikers een ervaring bieden die vergelijkbaar is met hands-on experimenten met de ondersteuning van fysieke testopstellingen en camera’s8. Met de vooruitgang van internet, communicatie, computergraphics en renderingtechnologieën bieden virtuele laboratoria ook alternatieven voor conventionele laboratoria1. De effectiviteit van externe en virtuele laboratoria ter ondersteuning van onderzoek en onderwijs is gevalideerd in gerelateerde literatuur1,9,10.
Het aanbieden van gevisualiseerde experimenten is cruciaal voor online laboratoria en visualisatie in online experimenten is een trend geworden. Verschillende visualisatietechnieken worden bereikt in online laboratoria, bijvoorbeeld curvekaarten, tweedimensionale (2D) testopstellingen en driedimensionale (3D) testopstellingen11. In het controleonderwijs zijn tal van theorieën, concepten en formules onduidelijk om te begrijpen; gevisualiseerde experimenten zijn dus van vitaal belang voor het verbeteren van het onderwijs, het leren van studenten en onderzoek. Het betrokken visualiseren kan worden onderverdeeld in de volgende drie categorieën: (1) Het visualiseren van theorieën, concepten en formules met webgebaseerd algoritmeontwerp en -implementatie, waarmee simulatie en experimenten kunnen worden uitgevoerd; (2) Visualiseren van het experimentele proces met 3D virtuele testopstellingen; (3) Visualiseren van controle en bewaking met behulp van widgets zoals een grafiek en een camerawidget.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gepresenteerde protocol beschrijft een hybride online laboratoriumsysteem dat fysieke testopstellingen integreert voor experimenten op afstand en 3D virtuele testopstellingen voor virtuele experimenten. Er zijn verschillende blokbibliotheken beschikbaar voor het ontwerpproces van het algoritme, zoals de elektrische elementen voor circuitgebaseerd ontwerp. Gebruikers met een besturingsachtergrond kunnen zich concentreren op leren zonder programmeervaardigheden. Het juiste ontwerp van een besturingsalgoritme dat kan wo…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 en Grant 61773144.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
Referências
- 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).
