Interaktivt og visualiseret online eksperimenteringssystem for ingeniøruddannelse og forskning

Summary

Dette arbejde beskriver et online eksperimenteringssystem, der giver visualiserede eksperimenter, herunder visualisering af teorier, begreber og formler, visualisering af den eksperimentelle proces med tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge og visualisering af kontrol- og overvågningssystemet ved hjælp af widgets som diagrammer og kameraer.

Abstract

Eksperimenter er afgørende for ingeniøruddannelsen. Dette arbejde udforsker visualiserede eksperimenter i online laboratorier til undervisning og læring og også forskning. Interaktive og visualiserende funktioner, herunder teoristyret algoritmeimplementering, webbaseret algoritmedesign, overvågningsgrænseflade, der kan tilpasses, og tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge diskuteres. For at illustrere de foreslåede laboratoriers funktioner og funktionaliteter gives tre eksempler, herunder første ordresystemudforskning ved hjælp af et kredsløbsbaseret system med elektriske elementer, webbaseret styringsalgoritmedesign til virtuelle og fjerneksperimenter. Ved hjælp af brugerdesignede kontrolalgoritmer kan simuleringer ikke kun udføres, men realtidseksperimenter kan også udføres, når de designede kontrolalgoritmer er blevet samlet i eksekverbare kontrolalgoritmer. Det foreslåede online laboratorium giver også en tilpasselig overvågningsgrænseflade, som brugerne kan tilpasse deres brugergrænseflade ved hjælp af medfølgende widgets som tekstboks, diagram, 3D og kamera widget. Lærere kan bruge systemet til online demonstration i klasseværelset, elever til eksperimenter efter klassen og forskere til at verificere kontrolstrategier.

Introduction

Laboratorier er en vigtig infrastruktur for forskning og uddannelse. Når konventionelle laboratorier ikke er tilgængelige og/eller tilgængelige på grund af forskellige årsager, for eksempel uoverkommelige indkøbs- og vedligeholdelsesomkostninger, sikkerhedsmæssige overvejelser og kriser som coronavirussen 2019 (COVID-19) pandemien, kan onlinelaboratorier tilbyde ^{alternativer1,2,3}. Ligesom konventionelle laboratorier er der opnået betydelige fremskridt såsom interaktive ^funktioner4 og eksperimenter, der kan ^tilpasses5, i onlinelaboratorierne. Før og under COVID-19-pandemien leverer onlinelaboratorier eksperimentelle tjenester til brugere over hele ^verden6,7.

Blandt online laboratorier kan fjerntliggende laboratorier give brugerne en oplevelse svarende til praktiske eksperimenter med støtte fra fysiske test rigge og ^kameraer8. Med udviklingen af internettet, kommunikation, computergrafik og renderingsteknologier giver virtuelle laboratorier også alternativer til konventionelle ^{laboratorier1}. Effektiviteten af fjerntliggende og virtuelle laboratorier til støtte for forskning og uddannelse er blevet valideret i relateret litteratur1,9,10.

Forudsat visualiserede eksperimenter er afgørende for online laboratorier, og visualisering i online eksperimenter er blevet en tendens. Forskellige visualiseringsteknikker opnås i onlinelaboratorier, for eksempel kurvediagrammer, todimensionelle (2D) testrigge og tredimensionelle (3D) ^testrigge11. I kontroluddannelse er mange teorier, begreber og formler uklare at forstå; således visualiserede eksperimenter er afgørende for at forbedre undervisning, studerende læring, og forskning. Den involverede visualisering kan afsluttes i følgende tre kategorier: (1) Visualisering af teorier, begreber og formler med webbaseret algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimenter kan udføres; (2) Visualisering af forsøgsprocessen med 3D virtuelle test rigge; (3) Visualisering af kontrol og overvågning ved hjælp af widgets som et diagram og en kamera widget.

Protocol

I dette arbejde gives der tre separate visualiserede eksempler for at forbedre undervisning og læring og forskning, som kan tilgås via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react). 1. Eksempel 1: Første ordresystem ved hjælp af kredsløbsbaseret forsøgsprotokol Få adgang til NCSLab-systemet.Åbn en almindelig webbrowser, og angiv URL-adressen https://www.powersim.whu.edu.cn/react. Klik på knappe…

Representative Results

Det foreslåede laboratoriesystem er blevet brugt i flere forskellige disciple på Wuhan University, såsom Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering og andre universiteter, såsom Henan Agricultural University6. Lærere / studerende / forskere er forsynet med stor fleksibilitet til at udforske systemet ved hjælp af forskellige virtuelle og / eller fysiske test rigge, definere deres kontrol algoritmer, og tilpasse deres overvågning interface; Br…

Discussion

Den præsenterede protokol beskriver en hybrid online laboratorium system, der integrerer fysiske test rigge til fjerneksperimenter og 3-D virtuelle test rigge til virtuelle eksperimenter. Flere forskellige blokbiblioteker er til rådighed for algoritmedesignprocessen, såsom de elektriske elementer til kredsløbsbaseret design. Brugere fra kontrol baggrunde kan fokusere på læring uden programmering færdigheder. Det korrekte design af en kontrolalgoritme, der kan anvendes på en passende testplatform, bør overvejes. …

Materials

Fan speed control system	/	/	Made by our team
https://www.powersim.whu.edu.cn/react			Made by our team