Interaktivt och visualiserat onlineexperimentsystem för teknisk utbildning och forskning
Summary
Det här arbetet beskriver ett onlineexperimentsystem som tillhandahåller visualiserade experiment, inklusive visualisering av teorier, begrepp och formler, visualisering av den experimentella processen med tredimensionella (3D) virtuella testriggar och visualisering av kontroll- och övervakningssystemet med hjälp av widgets som diagram och kameror.
Abstract
Experiment är avgörande för ingenjörsutbildningen. Detta arbete utforskar visualiserade experiment i onlinelaboratorier för undervisning och lärande och även forskning. Interaktiva och visualiserande funktioner, inklusive teoristyrd algoritmimplementering, webbaserad algoritmdesign, anpassningsbart övervakningsgränssnitt och tredimensionella (3D) virtuella testriggar diskuteras. För att illustrera funktionerna och funktionerna i de föreslagna laboratorierna ges tre exempel, inklusive första ordningens systemutforskning med hjälp av ett kretsbaserat system med elektriska element, webbaserad kontrollalgoritmdesign för virtuella experiment och fjärrexperiment. Med hjälp av användardesignade kontrollalgoritmer kan simuleringar inte bara utföras, utan realtidsexperiment kan också utföras när de utformade kontrollalgoritmerna har sammanställts i körbara kontrollalgoritmer. Det föreslagna onlinelaboratoriet ger också ett anpassningsbart övervakningsgränssnitt, med vilket användare kan anpassa sitt användargränssnitt med hjälp av medföljande widgets som textlåda, diagram, 3D och kamerawidget. Lärare kan använda systemet för onlinedemonstration i klassrummet, elever för experiment efter klassen och forskare för att verifiera kontrollstrategier.
Introduction
Laboratorier är viktig infrastruktur för forskning och utbildning. När konventionella laboratorier inte är tillgängliga och/eller tillgängliga på grund av olika orsaker, till exempel oöverkomliga inköp och underhållskostnader, säkerhetsöverväganden och kriser som coronasjukdomen 2019 (COVID-19) pandemin, kan onlinelaboratorier erbjuda alternativ1,2,3. Liksom konventionella laboratorier har betydande framsteg som interaktiva funktioner4 och anpassningsbara experiment5 uppnåtts i onlinelaboratorierna. Före och under COVID-19-pandemin tillhandahåller onlinelaboratorier experimentella tjänster till användare över hela världen6,7.
Bland onlinelaboratorier kan fjärrlaboratorier ge användarna en upplevelse som liknar praktiska experiment med stöd av fysiska testriggar och kameror8. Med utvecklingen av Internet, kommunikation, datorgrafik och renderingsteknik ger virtuella laboratorier också alternativ till konventionella laboratorier1. Effektiviteten hos fjärrlaboratorier och virtuella laboratorier för att stödja forskning och utbildning har validerats i relaterad litteratur1,9,10.
Att tillhandahålla visualiserade experiment är avgörande för onlinelaboratorier, och visualisering i onlineexperiment har blivit en trend. Olika visualiseringstekniker uppnås i onlinelaboratorier, till exempel kurvdiagram, tvådimensionella (2D) testriggar och tredimensionella (3D) testriggar11. I kontrollutbildning är många teorier, begrepp och formler dunkla att förstå; Således är visualiserade experiment avgörande för att förbättra undervisning, studentinlärning och forskning. Den involverade visualiseringen kan avslutas i följande tre kategorier: (1) Visualisera teorier, begrepp och formler med webbaserad algoritmdesign och implementering, med vilken simulering och experiment kan utföras; (2) Visualisera den experimentella processen med virtuella 3D-testriggar. (3) Visualisera kontroll och övervakning med widgetar som ett diagram och en kamerawidget.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det presenterade protokollet beskriver ett hybridlaboratoriumsystem online som integrerar fysiska testriggar för fjärrexperiment och 3D-virtuella testriggar för virtuella experiment. Flera olika blockbibliotek tillhandahålls för algoritmdesignprocessen, till exempel de elektriska elementen för kretsbaserad design. Användare från kontrollbakgrunder kan fokusera på lärande utan programmeringskunskaper. Korrekt design av en kontrollalgoritm som kan tillämpas på en lämplig testrigg bör övervägas. Det är ocks…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 och Grant 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).
