本研究介绍了一种在线实验系统，该系统提供可视化实验，包括对理论、概念和公式的可视化，通过三维（3-D）虚拟试验装置对实验过程进行可视化，并利用图表和摄像头等控件对控制系统和监控系统进行可视化。
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本文内容
摘要
摘要
实验在工程教育中至关重要。本研究探讨了在线实验室中用于教学、学习以及科研的可视化实验。文中讨论了若干交互式与可视化功能，包括基于理论指导的算法实现、基于网页的算法设计、可定制的监控界面以及三维（3-D）虚拟实验装置。为展示所提出实验室的功能与特性，提供了三个示例，包括利用含电气元件的电路系统进行一阶系统探究，以及面向虚拟与远程实验的基于网页的控制算法设计。通过用户自主设计的控制算法，不仅可开展仿真，还可将设计完成的控制算法编译为可执行代码后进行实时实验。所提出的在线实验室还提供可定制的监控界面，用户可通过提供的组件（如文本框、图表、三维显示和摄像头组件）自定义其用户界面。教师可在课堂上利用该系统进行在线演示，学生可用于课后实验，研究人员则可用于验证控制策略。
引言
实验室是科研与教育的重要基础设施。当传统实验室因各种原因无法获得和/或无法使用时，例如由于采购和维护成本过高、安全考虑，或诸如2019冠状病毒病（COVID-19）大流行等危机，线上实验室可提供替代方案1,2,3。与传统实验室类似，线上实验室在交互功能4和可定制实验5等方面也取得了显著进展。在COVID-19大流行期间及之前，线上实验室已为全球用户提供实验服务6,7。
在在线实验室中，远程实验室借助物理实验装置和摄像头，可为用户提供类似于亲自动手操作的实验体验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。相关文献已验证了远程实验室和虚拟实验室在支持科研与教学方面的有效性1,9,
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方案
在本研究中，提供了三个独立的可视化示例，以促进教学、学习与科研，这些示例可被访问 通过 网络化控制系统实验室（NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react）
1. 示例1：基于电路实验方案的一阶系统
- 进入 NCSLab 系统。
- 打开主流网页浏览器，输入网址 https://www.powersim.whu.edu.cn/react。
- 点击 开始实验 单击主页面左侧的按钮以登录系统。用户名：whutest；密码：whutest。
注意：此步骤也适用于另外两个示例（示例 2 和示例 3）。 - 输入 WHULab 在左侧子实验室列表中选择 WHU典型链接 用于实验。
注意：设计并实现了六个子界面，用于支持仿真和实时实验的不同需求。 - 输入 算法设计 子接口
注意：用户可以选择其他授权用户设计并共享的公开算法模型，或创建一个新模型。 - 选择并点击 创建新模型 按钮并进入基于网页的算法界面。使用提供的模块构建电路图，如图所示。
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结果
该实验室系统已在武汉大学的多个不同学科中使用，例如自动化、能源与动力工程、机械工程，以及其他高校，如河南农业大学6。
教师、学生和研究人员可充分利用该系统，通过不同的虚拟和/或物理实验装置探索其功能，定义自身的控制算法，并定制监控界面；因此，不同层次的用户均可从该系统中受益。该方法提供的可视化实验有望加深对理论、概念和公式的理解。
该系统可用于不同类型的算法设计（图1 和 图3 为两个示例）以及多种用途，如教学、学习和科研（三个实验方案可视为三个应用示例）。一阶系统是一个示例，表明该系统可应用于基于电路图的典型系统分析。
图3 和 图5 表明，所提出的在线实验室能够利用设计的模块来构建简单.......
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讨论
本方案描述了一种混合式在线实验系统，该系统集成了用于远程实验的物理实验平台和用于虚拟实验的三维虚拟实验平台。系统提供了多种不同的模块库以支持算法设计过程，例如基于电路设计所需的电气元件库。具有控制背景的用户无需编程技能即可专注于学习。在设计可应用于特定实验平台的控制算法时，应充分考虑其适用性。在将控制器应用于受控实验平台之前，设计出能够保证良好控制性能（需考虑包括超调量、调节时间和稳态误差在内的控制性能指标）的控制器也具有挑战性。在编译可用于实时实验的控制算法之前，应先进行仿真以发现并解决潜在问题。一旦其他不同类型的实验平台被集成到该系统中，所设计的控制算法即可应用于这些平台。
关于这三个示例的背景知识和理论基础如下。
对于一阶系统，可以通过电路理论分析其原理，所用电路如图7所示。根据电路理论12，可得到以下两个方程。从运算放大器的输入端来看，电流为
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（项目编号62103308、62173255、62073247和61773144）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 风扇转速控制系统 | / | / | 由我们团队研制 |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | 由我们团队研制 |
参考文献
- 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 usi....
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