工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

Summary

この研究では、理論、概念、式の可視化、3次元(3次元)仮想試験装置による実験プロセスの可視化、チャートやカメラなどのウィジェットを用いた制御・監視システムの可視化など、可視化された実験を提供するオンライン実験システムについて説明する。

Abstract

実験は工学教育において極めて重要です。本研究では、教育・学習、研究のためのオンライン研究所での可視化実験を探る。理論ガイド付きアルゴリズムの実装、Webベースのアルゴリズム設計、カスタマイズ可能な監視インターフェース、3次元(3次元)仮想テストリグなどのインタラクティブで視覚化された機能について説明します。提案された研究室の特徴と機能を説明するために、電気要素を有する回路系システムを用いた一次システム探査、仮想および遠隔実験のためのウェブベース制御アルゴリズム設計を含む3つの例が提供される。ユーザー設計の制御アルゴリズムを使用して、シミュレーションを行うことができるだけでなく、設計された制御アルゴリズムを実行可能制御アルゴリズムにコンパイルした後にリアルタイム実験を行うこともできます。提案されたオンラインラボはまた、ユーザーがテキストボックス、チャート、3-D、カメラウィジェットなどの提供されたウィジェットを使用して、ユーザーインターフェイスをカスタマイズすることができるカスタマイズ可能な監視インターフェイスを提供します。教師は、教室でのオンラインデモンストレーションにシステムを使用し、クラス後の実験のための学生、および研究者を使用して制御戦略を検証することができます。

Introduction

研究所は、研究と教育のための重要なインフラです。従来の研究所が利用可能でない場合や、さまざまな原因(例えば、手に入らない購入やメンテナンスコスト、安全上の考慮事項、コロナウイルス病2019(COVID-19)パンデミックなどの危機など、オンラインラボは選択肢を提供することができます^1,2,3。従来の研究所と同様に、インタラクティブな機能⁴やカスタマイズ可能な実験^などの重要な進歩は、オンライン研究所で達成されています。COVID-19パンデミックの前と中に、オンライン研究所は、世界中のユーザーに実験的なサービスを提供^{しています6,7}。

オンラインラボの中でも、リモートラボは、物理テストリグとカメラ⁸のサポートを受けて、ハンズオン実験と同様の体験をユーザーに提供できます。インターネット、通信、コンピュータグラフィックス、レンダリング技術の進歩に伴い、仮想研究所は従来のラボに代わるものも提供します¹

Protocol

本研究では、ネットワーク制御システム研究所(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react) を通じて アクセスできる教育と学習と研究を強化するために、3つの別々の視覚化された例が提供されています。

1. 例1:回路ベースの実験プロトコルを用いた第一次システム

1. NCSLab システムにアクセスします。
   1. メインストリームの Web ブラウザを開き、URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react を入力します。
   2. メインページの左側にある[ 実験の開始 ]ボタンをクリックして、システムにログインします。ユーザー名: whutest;パスワード: whutest.
      注: この手順は、他の 2 つの例にも適しています(例 2 と例 3)。
   3. 左側のサブラボリストに WHULab を入力し、実験のために WHUtypicalLinks を選択します。
      注: シミュレーションとリアルタイム実験をサポートするために、6 つのサブインターフェイスがさまざまな目的で設計および実装されています。
   4. アルゴリズム設計サブインタフェー....

Results

提案された研究室システムは、武漢大学の複数の異なる弟子たち、例えばオートメーション、電力エネルギー工学、機械工学、河南^{農業大学などの}他の大学で使用されてきた。

教師/学生/研究者は、さまざまな仮想および/または物理テストリグを使用してシステムを探索し、制御アルゴリズムを定義し、監視インターフェースをカスタマイズする大きな柔軟性を提供します。したがって、異なるレベルのユーザーは、提案されたシステムの恩恵を受けることができます。提案されたアプローチによって提供される可視化された実験は、理論、概念、および式の理解を強化する可能性があります。

提案されたシステムは、さまざまな種類のアルゴリズム設計(図1 と 図3 は2つの例)や、教育、学習、研究などの多目的(3つのプロトコルは3つの応用例とみなすことができる)に使用できます。一次システムは、回路ベースの図を用いて一般的.......

Discussion

提示されたプロトコルは、リモート実験用の物理テストリグと仮想実験用の3D仮想テストリグを統合するハイブリッドオンラインラボシステムを記述しています。回路ベースの設計の電気要素など、アルゴリズム設計プロセスには、いくつかの異なるブロックライブラリが用意されています。コントロールのバックグラウンドを持つユーザーは、プログラミングスキルを持たずに学習に集中できます。適切なテスト リグに適用できる制御アルゴリズムの適切な設計を考慮する必要があります。制御されたテスト リグに適用する前に、制御性能を保証するコントローラを設計することも困難です (オーバーシュート、セトリング時間、安定したエラーなど、制御パフォーマンスインデックスを考慮します)。リアルタイム実験に使用できる制御アルゴリズムをコンパイルする前に、潜在的な問題に対処するためにシミュレーションを行う必要があります。制御アルゴリズムは、提案されたシステムに統合された後、システムを使用して他の異なるテストリグに適用することができます。

3つの例に関する背景と理論的な知識は以下の通りです。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ファン速度制御システム	/	/	私たちのチームによって作られ
ました https://www.powersim.whu.edu.cn/react			私たちのチームによって作られました