工程教育研究互动可视化在线实验系统

Summary

这项工作描述了一个在线实验系统，该系统提供可视化实验，包括理论，概念和公式的可视化，使用三维（3-D）虚拟测试台可视化实验过程，以及使用图表和相机等小部件可视化控制和监控系统。

Abstract

实验在工程教育中至关重要。这项工作探索了在线实验室中的可视化实验，用于教学和学习以及研究。讨论了交互式和可视化功能，包括理论指导的算法实现，基于Web的算法设计，可定制的监控界面和三维（3-D）虚拟测试台。为了说明所提出实验室的特点和功能，提供了三个示例，包括使用带有电气元件的基于电路的系统进行一阶系统探索，基于Web的虚拟和远程实验控制算法设计。使用用户设计的控制算法，不仅可以进行仿真，而且一旦将设计的控制算法编译成可执行的控制算法，还可以进行实时实验。拟议的在线实验室还提供了一个可定制的监控界面，用户可以使用提供的小部件（如文本框，图表，3D和相机小部件）自定义其用户界面。教师可以使用该系统在课堂上进行在线演示，学生可以在课后进行实验，研究人员可以使用该系统来验证控制策略。

Introduction

实验室是研究和教育的重要基础设施。当传统实验室由于不同的原因而无法使用和/或访问时，例如，无法负担的购买和维护成本，安全考虑以及2019年新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行等危机，在线实验室可以提供替代方案^1，2，3。与传统实验室一样，在线实验室也取得了互动功能⁴ 和可定制实验⁵ 等重大进展。在 COVID-19 大流行之前和期间，在线实验室正在为世界各地的用户提供实验性服务^6，7。

在在线实验室中，远程实验室可以在物理测试台和相机的支持下为用户提供类似于动手实验的体验⁸。随着互联网、通信、计算机图形学和渲染技术的进步，虚拟实验室也为传统实验室提供了替代方案¹。远程和虚拟实验室支持研究和教育的有效性已在相关文献中得到验证^1，9，

Protocol

在这项工作中，提供了三个独立的可视化示例，以增强教学，学习和研究，可以通过网络控制系统实验室（NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react）访问。

1. 示例1:使用基于电路的实验协议的一阶系统

1. 访问 NCSLab 系统。
   1. 打开主流网络浏览器，输入URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react。
   2. 单击主页左侧的 "开始实验" 按钮以登录到系统。用户名: whutest;密码:whutest。
      注意:此步骤也适用于其他两个示例（示例 2 和示例 3）。
   3. 在左侧的子实验室列表中输入 WHULab ，然后选择 WHUtypicalLinks 进行实验。
      注:六个子接口针对不同目的进行设计和实现，以支持仿真和实时实验。
   4. 进入 算法设计 子界面。
      注意:用户可以选择由其他授权用户设计和共享的公共算法模型，也可以创建新模型。
   5. 选择并单击" 创建新模型 "按钮，然后进入基于 Web 的算法界面。使用提供的模块构建电路图，

Results

所提出的实验室系统已在武汉大学的几门弟子中使用，如自动化、动力与能源工程、机械工程等其他大学，如河南农业大学⁶。

教师/学生/研究人员具有极大的灵活性，可以使用不同的虚拟和/或物理测试台探索系统，定义他们的控制算法，并定制他们的监控界面;因此，不同级别的用户都可以从拟议的系统中受益。所提出的方法提供的可视化实验可以潜在地增强对理论，概念和公式的理解。

所提出的系统可用于不同类型的算法设计（图1 和 图3 为两个示例）和教学、学习和研究等多用途（三个协议可以视为三个应用实例）。一阶系统是一个例子，该系统可以使用基于电路的图表应用于典型的系统分析。

图3 和 图5 表明，所提出的在线实验室可以.......

Discussion

所提出的协议描述了一个混合在线实验室系统，该系统集成了用于远程实验的物理测试台和用于虚拟实验的3D虚拟测试台。为算法设计过程提供了几个不同的模块库，例如用于基于电路的设计的电气元件。来自控件背景的用户可以专注于学习，而无需编程技能。应考虑正确设计可应用于合适测试台的控制算法。在将控制器应用于受控试验台之前，设计控制器以保证良好的控制性能（考虑控制性能指标，包括过冲、建立时间和稳定误差）也具有挑战性。在编译可用于实时实验的控制算法之前，应进行仿真以解决潜在问题。控制算法一旦集成到所提出的系统中，就可以应用于使用该系统的其他不同测试台。

关于这三个例子的背景和理论知识如下。

对于一阶系统，可以使用电路理论和 图7中提供的电路来分析一阶系统的原理。根据电路理论¹²，可以得到以下两个方程。从运算放大器的输入侧视图看，电流为

Materials

List of materials used in this article

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风扇速度控制系统	/	/	Made by our team
https://www.powersim.whu.edu.cn/react			Made by our team