Name: 엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 35 s
Description: 학습하세요 온라인 실험 시스템을 통해 3D 가상 테스트 장비와 맞춤형 모니터링 인터페이스를 활용한 원격 실험 방법을. 이 시스템은 이론과 실습을 통합하여 엔지니어링 교육 및 연구의 학습 효과를 극대화합니다.

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이 작품은 그랜트 62103308, 그랜트 62173255, 그랜트 62073247, 그랜트 61773144 따라 중국의 국립 자연 과학 재단에 의해 지원되었다.

이 작품에서는 네트워킹 제어 시스템 연구소(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react)를 통해 액세스할 수 있는 교육 및 학습 및 연구를 향상시키기 위해 세 가지 가시화 예제가 제공됩니다.
1. 예 1: 회로 기반 실험 프로토콜을 사용하는 1차 시스템
<ol><li>NCSLab 시스템에 액세스합니다.<ol><li>주류 웹 브라우저를 열고 URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.</li>
		<li>메인 페이지 왼쪽의 실험 시작 버튼을 클릭하여 시스템에 로그인합니다. 사용자 이름: whutest; 암호 : whutest. 참고: 이 단계는 다른 두 예제(예 2 및 예제 3)에도 적합합니다.</li>
		<li>왼쪽 하위 실험실 목록에 WHULab 을 입력하고 실험을 위한 WHUtypicalLinks 를 선택합니다. 참고: 시뮬레이션 및 실시간 실험을 지원하기 위해 6개의 하위 인터페이스가 다양한 목적으로 설계 및 구현됩니다.</li>
		<li>알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다. 참고: 사용자는 다른 권한이 있는 사용자가 설계하고 공유하거나 새 모델을 만들 수 있습니다.</li>
		<li>새 모델 만들기 단추를 선택하고 클릭하고 웹 기반 알고리즘 인터페이스를 입력합니다. 그림 1에 표시된 대로 제공된 블록을 사용하여 회로 다이어그램을 빌드합니다. 참고: 또 다른 작동 증폭기(op-amp) ( 그림 1의 Op-amp2)는 180° 위상 시프트를 취소하는 데 사용됩니다. 입력, 저항기 및 커패시터가 튜닝할 수 있도록 하기 위해 전기 요소 라이브러리의 변수 커패시터 1개와 변수 저항기 2개, 소스 라이브러리의 4개의 상수 블록이 왼쪽 블록 라이브러리 패널에서 선택됩니다.</li>
		<li>해당 블록을 두 번 클릭하여 표 1에 나열된 매개 변수를 설정합니다. 차트의 X축 범위를 8s로 설정합니다. 참고: 블록에 대한 두 번 클릭한 후 팝업 창이 트리거되며, 여기에는 블록에 대한 설명이 포함되며 매개 변수를 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 저항기(R3)의 예는 도 1에 설명되어 있다.</li>
		<li>시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 그림 1에 포함된 대로 시뮬레이션 결과가 인터페이스에 제공됩니다. 참고: 이 단계는 다른 테스트 리그의 두 가지 다른 예제에도 적합합니다. 시뮬레이션 결과는 사용자가 잘못된 회로를 피하기 위해 설계된 회로 기반 시스템을 다시 검사할 수 있는 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나 결함이 있는 회로는 사용자 나 시스템에 해를 끼치지 않으므로 사용자는 결과에 대해 걱정할 필요가 없습니다.</li>
		<li>시작 편집 버튼을 클릭합니다. 설계된 블록 다이어그램이 테스트 리그 측에 배포된 원격 컨트롤러에 다운로드하여 실행할 수 있는 실행 가능한 제어 알고리즘으로 생성되어 제어 알고리즘을 구현할 때까지 기다립니다. 참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다.</li>
		<li>생성된 제어 알고리즘을 사용하여 실시간 실험을 수행합니다. 회로 시스템의 제어를 신청하려면 요청 제어 버튼을 클릭합니다. 참고: "요청 제어"는 시스템의 일정 메커니즘입니다. 사용자가 제어 권한이 부여되면 사용자는 해당 테스트 리그로 실험을 수행할 수 있습니다. 물리적 테스트 리그에 대해 한 번에 하나의 사용자만 테스트 리그를 차지할 수 있으며, 첫 번째 제공 규칙11을 기반으로 다른 잠재적 사용자를 예약하기 위해 큐 스케줄링 메커니즘이 구현되었습니다. 가상 테스트 리그의 경우 많은 사용자를 동시에 지원할 수 있습니다. 500개의 동시 사용자 실험이 효과적으로 테스트되었습니다. 회로 기반 시스템의 경우 50명의 사용자가 한 번에 시스템에 액세스할 수 있습니다.</li>
		<li>알고리즘 디자인 하위 인터페이스로 반환 버튼을 클릭합니다. 개인 알고리즘 모델 패널에서 실행 가능한 제어 알고리즘을 찾습니다. 참고: 실행 가능한 제어 알고리즘은 제어 알고리즘 하위 인터페이스의 내 알고리즘 패널에서도 찾을 수 있습니다.</li>
		<li>실험 수행 버튼을 클릭하여 설계된 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드합니다.</li>
		<li>구성 하위 인터페이스를 입력하고 그림 2에 표시된 대로 새 모니터 만들기 버튼을 클릭하여 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 매개 변수 튜닝을 위한 4개의 텍스트 상자와 신호 모니터링을 위한 커브 차트 1개가 포함되어 있습니다. 참고: 그림 2 의 오른쪽 차트는 왼쪽차트와 동일하며 일시 중단 단추를 사용하여 데이터를 보여 주기 위해 추가되었습니다.</li>
		<li>신호 및 매개 변수를 선택한 위젯과 연결합니다. 참고: 4개의 텍스트상자에 대한 매개변수/입력, 매개 변수/R1 및 매개변수/C , 곡선 차트의 매개변수/입력 및 신호/출력 .</li>
		<li>시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다. 참고: 이 단계는 다른 테스트 리그와의 다음 실험에도 적합합니다. 사용자는 나중에 사용할 수 있는 구성을 저장할 수 있습니다.</li>
		<li>입력 전압을 0V로 설정하고 커패시터 C를 5 μF( 도 2에서 0.000005)로 조정한 다음 입력 전압을 1V로 설정합니다. 출력 전압의 동적 공정은 도 2에 도시되어 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>해당 매개 변수 K 및 T를 계산합니다. 참고: 출력이 0.63212인 t = T 이후 최종 값 K의 63.2%에 도달하면 시간 상수를 계산할 수 있습니다. 도 2에서, 시간 지속 시간이 1s, 따라서, T = 1, 이는 이론과 일치하는 것을 알 수 있습니다, T = R1C = 200000 *0.000005 = 1, K = R1 / R0 = 200000 / 2000000 = 1 (최종 값과 동일). 따라서 1차 시스템은 다음과 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63342/63342eq01.jpg">같이 지정할 수 있습니다.</li>
</ol>2. 예 2: 대화형 및 시각화된 가상 실험 프로토콜
<ol><li>NCSLab 시스템을 사용하여 시뮬레이션 및 실시간 실험을 수행합니다.<ol>
<li>NCSLab 시스템에 로그인합니다. ProcessControl 하위 실험실을 입력하고 듀얼탱크 테스트 리그를 선택한 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다.</li>
		<li>실시예 1에 설명된 단계에 따라 NCSLab에서 제공하는 웹 인터페이스를 사용하여 비례 통합 유도체(PID) 제어 알고리즘을 설계한다. 도 3 은 듀얼 탱크 시스템에 대한 알고리즘 예제입니다.</li>
		<li>PID 컨트롤러를 두 번 클릭하고 비례(P), 모성(I) 및 파생(D) 용어에 대한 매개 변수를 조정합니다. P = 1.12, I = 0.008 및 D = 6.6을 각각 설정합니다. 참고: P, I 및 D 용어는 시뮬레이션 결과와 함께 조정되어야 합니다.</li>
		<li>시뮬레이션 시작 버튼을 클릭합니다. 도 3의 오른쪽에 포함된 시뮬레이션 결과가 나타납니다. 참고: 컨트롤 성능이 좋고 제어 알고리즘이 실시간 실험을 할 준비가 되어 있음을 알 수 있습니다.</li>
		<li>앞에서 언급한 단계에 따라 실행 제어 알고리즘을 생성합니다.</li>
		<li>제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드하고 각각 Set_point, P, I 및 D용 4개의 텍스트상자가 있는 모니터링 인터페이스를 구성합니다.</li>
		<li>수위 및 해당 Set_point 모니터링하기 위한 차트를 포함합니다. 실시간 데이터와 연결된 수위 의 테스트 리그 및 애니메이션의 모든 각도를 제공 할 수있는 3D 위젯을 선택합니다.</li>
		<li>시작 버튼을 클릭합니다. 그런 다음, 모니터링 인터페이스는 시각화된 가상 실험을 제공하는 그림 4에 도시된 대로 활성화됩니다.</li>
		<li>Set_point 10cm에서 5cm로 설정한 다음 제어 된 탱크의 수위 높이가 5cm에서 안정되면 I = 0.1을 설정합니다. 셋포인트를 5cm에서 15cm로 재설정합니다. 그림 4 에서 오버슈트가 있음을 알 수 있습니다.</li>
		<li>0.1에서 0.01까지 I를 조정하고 세트 포인트를 15cm에서 25cm로 재설정합니다. 오버슈트가 제거되고, 수위가 25cm의 셋포인트 값에서 빠르게 안정화될 수 있음을 알 수 있다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 예 3: 원격 및 가상 실험실 프로토콜을 사용하여 연구
<ol><li>NCSLab에서 실시간 실험을 수행합니다.<ol>
<li>NCSLab 시스템에 로그인하고 원격 실험실 하위 실험실에서 팬 속도 제어를 선택합니다.</li>
		<li>알고리즘 디자인 하위 인터페이스를 입력합니다. 도 5와 같이 블록을 드래그하여 IMC(내부 모델 제어) 제어 알고리즘 다이어그램을 구성합니다. 참고: F(s) 및 Gm(s)-1은 그림 5에 도시된 대로 설계되었으며, NCSLab을 사용하여 설계된 제어 알고리즘은 원격 및 가상 실험실 모드에서 팬 속도 제어 시스템을 제어하는 것으로 나타났습니다.</li>
		<li>실행 가능한 제어 알고리즘을 생성하고 팬 속도 제어 시스템을 사용하여 설계된 IMC 알고리즘을 확인합니다.</li>
		<li>모니터링 인터페이스를 구성합니다. 두 개의 텍스트 상자를 튜닝을 위한 Set_point 람다(필터 시간 상수의 λ )와 모니터링을 위한 Set_point 및 속도와 실시간 차트를 연결합니다. 모니터링을 위해 팬의 3D 모델 위젯과 카메라 위젯을 선택합니다.</li>
		<li>시작 버튼을 클릭하여 실시간 실험을 활성화합니다. Set_point 2,000rpm에서 1,500rpm으로 재설정한 다음 1,500rpm에서 2,500rpm으로 재설정하여 그 결과는 그림 6에 표시됩니다. 참고: λ = 1이 면에 시스템을 단계 참조로 안정화할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+and+virtual+laboratories+in+science+and+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Physical and virtual laboratories in science and engineering education.</a> Science. 340 (6130), 305-308 (2013).</li>
<li>Galan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3AJoVE%22%5BJournal%5D)">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699(2019).</li>
<li>Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+and+remote+labs+in+control+education%3A+A+survey%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Reviews+in+Control%22%5BJournal%5D)">Virtual and remote labs in control education: A survey.</a> Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-D+interactive+control+laboratory+for+classroom+demonstration+and+online+experimentation+in+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Education%22%5BJournal%5D)">3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education.</a> IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).</li>
<li>Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Customized+online+laboratory+experiments%3A+A+general+tool+and+its+application+to+the+Furuta+inverted+pendulum%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Control+Systems+Magazine%22%5BJournal%5D)">Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum.</a> IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).</li>
<li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unified+and+flexible+online+experimental+framework+for+control+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Electronics%22%5BJournal%5D)">Unified and flexible online experimental framework for control engineering education.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).</li>
<li>Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((iLabs+as+an+online+laboratory+platform%3A+A+case+study+at+Stanford+University+during+the+COVID-19+Pandemic%5BTitle%5D)+AND+%222021+IEEE+Global+Engineering+Education+Conference+%28EDUCON%29%22%5BJournal%5D)">iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic.</a> 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).</li>
<li>Gomes, L., Bogosyan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+trends+in+remote+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Electronics%22%5BJournal%5D)">Current trends in remote laboratories.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).</li>
<li>Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+laboratories+for+education+and+research+purposes+in+automatic+control+systems%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Informatics%22%5BJournal%5D)">Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).</li>
<li>Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Teaching+embedded+systems+and+internet+of+things+supported+by+multi-purpose+multi-objective+remote+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Learning+Technologies%22%5BJournal%5D)">Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories.</a> IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unified+3-D+interactive+human-centered+system+for+online+experimentation%3A+Current+deployment+and+future+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Informatics%22%5BJournal%5D)">Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).</li>
<li>Love, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+order+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Process+Automation+Handbook%3A+A+Guide+to+Theory+and+Practice%22%5BJournal%5D)">First order systems.</a> Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).</li>
<li>Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Web-based+3D+interactive+virtual+control+laboratory+based+on+NCSLab+framework%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Online+Engineering%22%5BJournal%5D)">Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework.</a> International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).</li>
<li>Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+PID+to+active+disturbance+rejection+control%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Electronics%22%5BJournal%5D)">From PID to active disturbance rejection control.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).</li>
<li>De Keyser, R., Muresan, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Internal+model+control%3A+Efficient+disturbance+rejection+for+dead-time+process+models+with+validation+on+an+active+suspension+system%5BTitle%5D)+AND+%222020+European+Control+Conference+%28ECC%29%22%5BJournal%5D)">Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system.</a> 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).</li>
<li>Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+filter+design+in+internal+model+control%5BTitle%5D)+AND+%22Industrial+%26+Engineering+Chemistry+Research%22%5BJournal%5D)">Improved filter design in internal model control.</a> Industrial & Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).</li>
</ol>

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제시된 프로토콜은 원격 실험을 위한 물리적 테스트 리그와 가상 실험을 위한 3D 가상 테스트 리그를 통합하는 하이브리드 온라인 실험실 시스템을 설명합니다. 회로 기반 설계를 위한 전기 요소와 같은 알고리즘 설계 프로세스에 대해 여러 가지 블록 라이브러리가 제공됩니다. 제어 배경의 사용자는 프로그래밍 기술 없이 학습에 집중할 수 있습니다. 적절한 테스트 리그에 적용할 수 있는 제어 알고리즘의 적절한 설계를 고려해야 합니다. 또한 제어된 테스트 리그에 적용하기 전에 제어 성능(오버슈트, 침전 시간 및 안정적인 오류를 포함한 제어 성능 인덱스 고려)을 보장하기 위해 컨트롤러를 설계하는 것도 어렵습니다. 실시간 실험에 사용할 수 있는 제어 알고리즘을 컴파일하기 전에 잠재적인 문제를 해결하기 위해 시뮬레이션을 수행해야 합니다. 제어 알고리즘은 제안된 시스템에 통합되면 시스템을 사용하여 다른 다른 테스트 리그에 적용할 수 있습니다.
세 가지 예에 대한 배경 및 이론적 지식은 다음과 같습니다...

실험실은 연구 와 교육을위한 중요한 인프라입니다. 종래의 실험실이 다른 원인으로 인해 이용 가능하지 않거나 접근할 수 없는 경우, 예를 들어, 저렴한 구매 및 유지 보수 비용, 안전 고려 사항 및 코로나바이러스 질환 2019(COVID-19) 전염병과 같은 위기, 온라인 실험실은 대안을 제공할 수 있다1,2,3. 기존의 실험실과 마찬가지로, 대화형 기능4 및 사용자 지정 실험5와 같은 상당한 진전이 온라인 실험실에서 달성되었습니다. COVID-19 전염병 이전과 동안, 온라인 실험실은 전 세계 사용자에게 실험 서비스를 제공하고 있습니다6,7.
온라인 실험실 중 원격 실험실은 실제 테스트 리그 및 카메라8을 지원하는 실습 실험과 유사한 경험을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 인터넷, 통신, 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 기술의 발전과 함께 가상 실험실은 기존 실험실1에 대한 대안을 제공합니다. 연구 및 교육을 지원하는 원격 및 가상 실험실의 효과는 관련 문학1,9,10에서 검증되었습니다.
온라인 실험실에서는 시각화된 실험을 제공하는 것이 중요하며 온라인 실험의 시각화가 트렌드가 되었습니다. 다양한 시각화 기술은 온라인 실험실에서 달성되며, 예를 들어 곡선 차트, 2차원(2차원) 테스트 리그 및 3차원(3차원) 테스트 리그11을 달성한다. 제어 교육에서 수많은 이론, 개념 및 수식은 이해하기 가 모호합니다. 따라서, 시각화 된 실험은 교육, 학생 학습 및 연구를 향상시키는 데 필수적입니다. 관련 시각화는 다음과 같은 세 가지 범주로 결론을 내릴 수 있습니다: (1) 시뮬레이션 및 실험을 수행할 수 있는 웹 기반 알고리즘 설계 및 구현을 통해 이론, 개념 및 수식을 시각화하는 단계; (2) 3D 가상 테스트 리그로 실험 프로세스를 시각화하는 행위; (3) 차트 및 카메라 위젯과 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링을 시각화합니다.

<table><tbody><tr><td>팬 속도 제어 시스템</td><td>/</td><td>/</td><td>우리 팀에서 제작</td></tr><tr><td>https://www.powersim.whu.edu.cn/react</td><td></td><td></td><td>우리 팀에서 제작</td></tr></tbody></table>

엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

실험은 엔지니어링 교육에서 매우 중요합니다. 이 작품은 교육 및 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 시각화 된 실험을 탐구합니다. 이론 유도 알고리즘 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원(3차원) 가상 테스트 리그를 포함한 대화형 및 시각화 기능에 대해 설명합니다. 제안된 실험실의 기능과 기능을 설명하기 위해 전기 요소가 있는 회로 기반 시스템을 이용한 1차 시스템 탐색, 가상 및 원격 실험을 위한 웹 기반 제어 알고리즘 설계 등 세 가지 예가 제공됩니다. 사용자가 설계한 제어 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 설계된 제어 알고리즘을 실행 가능한 제어 알고리즘으로 컴파일한 후에는 실시간 실험을 수행할 수도 있습니다. 또한 제안된 온라인 실험실에서는 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스를 제공하며, 사용자는 텍스트 박스, 차트, 3D 및 카메라 위젯과 같은 제공된 위젯을 사용하여 사용자 인터페이스를 사용자 지정할 수 있습니다. 교사는 교실에서 온라인 데모를 위해 시스템을 사용할 수 있습니다, 수업 후 실험을위한 학생, 제어 전략을 확인하기 위해 연구원.

제안 된 실험실 시스템은 자동화, 전력 및 에너지 공학, 기계 공학 및 허난 농업 대학6과 같은 다른 대학과 같은 우한 대학의 여러 다른 제자에서 사용되었습니다.
교사/학생/연구원은 다양한 가상 및/또는 물리적 테스트 리그를 사용하여 시스템을 탐색하고, 제어 알고리즘을 정의하며, 모니터링 인터페이스를 사용자 지정할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공합니다. 따라서, 다른 수준의 사용자는 제안 된 시스템에서 혜택을 누릴 수 있습니다. 제안된 접근 방식에 의해 제공되는 시각화된 실험은 이론, 개념 및 수식에 대한 이해를 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다.
제안된 시스템은 다양한 유형의 알고리즘 설계(도 1 및 도 3 는 두 가지 예)와 교육, 학습 및 연구와 같은 다목적(3개의 프로토콜을 세 ...

이 작품은 이론, 개념 및 수식의 시각화, 3차원(3차원) 가상 테스트 리그로 실험 프로세스 시각화, 차트 및 카메라와 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링 시스템을 시각화하는 등 시각화된 실험을 제공하는 온라인 실험 시스템을 설명합니다.

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...

우리의 프로토콜은 교육, 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 원격 및 가상 실험을 실현합니다. 이론적 지식과 실험 연습은 우리의 프로토콜을 통해 교육과 학습을 향상시키기 위해 결합된다. 이론 유도 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원 가상 및 원격 실험을 가능하게 하는 통합 프레임워크를 제공합니다.지지위와 선광예는 그 절차를 시연하는 데 도움이 될 것이다. 웨이는 석사 학위를 향해 노력하고 있으며, Ye는 박사 학위를 향해 노력하고 있습니다. 시작하려면 주류 웹 브라우저를 열고 URL www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.시작 실험 버튼을 클릭하고 W-H-U-T-E-S-T를 사용자 이름과 암호로 작성하여 시스템에 로그인합니다. 왼쪽 하위 실험실 목록에 WHU 랩을 입력하고 실험에 대한 WHU 일반적인 링크를 선택한 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다. 새 모델 만들기 단추를 클릭하고 웹 기반 알고리즘 인터페이스를 입력합니다.제공된 블록을 사용하여 회로 다이어그램을 빌드합니다. 해당 블록을 두 번 클릭하여 매개 변수를 설정한 다음 시작 시뮬레이션 버튼을 클릭합니다. 시뮬레이션 결과는 인터페이스에 제공됩니다.시작 컴파일 버튼을 클릭하고 설계 블록 다이어그램이 실행 가능한 제어 알고리즘으로 생성될 때까지 기다립니다. 이 제어 알고리즘은 제어 알고리즘을 구현하기 위해 작업 리그 측에 배포된 원격 컨트롤러에 다운로드하여 실행할 수 있습니다. 회로 시스템의 제어를 신청하려면 요청 제어 버튼을 클릭합니다.그런 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스에 반환 버튼을 클릭합니다. 개인 알고리즘 모델 패널에서 실행 가능한 제어 알고리즘을 찾습니다. 리모컨에 설계 제어 알고리즘을 다운로드하려면 실험 버튼을 클릭합니다.구성 하위 인터페이스를 입력하고 새 모니터 만들기 버튼을 클릭하여 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 매개 변수 튜닝을 위한 텍스트 상자 4개와 신호 모니터링을 위한 커브 차트 1개를 포함합니다. 신호 및 매개 변수를 선택한 위젯과 연결하고 차트의 x축 범위를 8S로 설정합니다.시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다. 입력 전압을 0볼트로 설정하고 커패시터 C를 5개의 마이크로패라드로 조정한 다음 입력 전압을 하나의 볼트로 설정합니다. NCSLab 시스템에 로그인하고 공정 제어 하위 실험실을 입력합니다.이중 탱크 테스트 리그를 선택하고 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다. 예를 설명한 단계에 따라 비례 적분 유도체 또는 PID 제어 알고리즘을 설계합니다. PID 컨트롤러를 두 번 클릭하고 비례가 1.12와 같으며, 일체형은 0.008이고 파생상품은 6.6입니다.그런 다음 시작 시뮬레이션 버튼을 클릭합니다. 구성 매개 변수 버튼을 클릭하고 컴파일 구성 패널을 입력하여 솔버를 ODE4로 설정합니다. 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성하고 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드합니다.설정점, P, I 및 D.에 대한 4개의 텍스트 상자로 모니터링 인터페이스를 구성하여 수위 및 해당 설정점을 모니터링하기 위한 차트를 포함합니다. 차트의 x축 범위를 200S로 설정합니다. 실시간 데이터와 연결된 수위 애니메이션의 모든 각도와 테스트 리그의 모든 각도를 제공할 수 있는 3D 위젯을 선택합니다.그런 다음 시작 버튼을 클릭합니다. 세트점을 10cm에서 5센티미터로 설정한 다음 제어 탱크의 수위 높이가 5센티미터로 안정될 때 0.1과 동일하게 설정합니다. 세트 점을 5cm에서 15cm로 재설정합니다.I를 0.1에서 0.01로 조정하고 세트 포인트를 15cm에서 25cm로 재설정합니다. 오버슈트가 제거되고 수위가 20cm의 설정점 값에서 안정화됩니다. NCSLab 시스템에 로그인하고 원격 실험실 하위 실험실에서 팬 속도 제어를 선택합니다.알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력하고 블록을 드래그하여 IMC 제어 알고리즘 다이어그램을 생성합니다. 그런 다음 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성합니다. 팬 속도 제어 시스템을 사용하여 설계된 IMC 알고리즘을 확인합니다.모니터링 인터페이스를 구성하고 튜닝을 위해 설정점 및 착륙선이 있는 두 개의 텍스트 상자를 연결합니다. 그런 다음 실시간 차트를 모니터링을 위한 세트 점 및 속도와 연결합니다. 팬과 카메라 위젯의 3D 모델 위젯을 선택하고 시작 버튼을 클릭하여 실시간 실험을 활성화합니다.세트 점을 2, 000 RPM에서 1, 500 RPM으로 재설정합니다. 그리고 마지막으로 1, 500 RPM에서 2, 500 RPM으로 재설정합니다. 설계 제어 알고리즘을 가진 첫 번째 주문 시스템의 실시간 실험이 여기에 나와 있다.매개 변수는 튜닝가능하며 제공된 위젯으로 신호를 모니터링할 수 있습니다. 대표적인 이미지는 0.1에서 0.01까지의 일체형을 조정한 후 듀얼 탱크 시스템을 통한 실시간 실험을 보여줍니다. 세트점은 15cm에서 25cm로 재설정됩니다.오버슈트는 여기에서 제거되었습니다. 3D 가상 팬 시스템과 결합된 팬 스피드 컨트롤 리모컨 을 사용하여 팬 속도를 실시간으로 제어할 수 있으며 팬 속도를 모니터링할 수 있습니다. 물리적 팬 시스템은 우한 대학에 위치하고 전 세계 사용자에게 원격 실험실 서비스를 제공합니다.다중 에이전트에 대한 조정된 제어 실험도 수행할 수 있으며, 이는 원격 실험실에서 조정된 제어 성능 에이전트를 입증할 수 있습니다. 이 기술은 실험 장비의 온라인 공유를 실현하고 원격 및 3차원 가상 복합 실험실의 개발을위한 좋은 데모를 제공하는 실험 교육의 개발을 다양화합니다.

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JoVE Journal

Engineering

공학

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역학의 가상 시뮬레이션 실험: 주사 전자 현미경을 기반으로 한 재료 변형 및 파손

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MRE(교육용 혼합 현실) 구현 및 엔지니어링용 온라인 수업의 결과

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군용 고폭탄의 개발 테스트에는 이론적 계산을 검증하기 위한 소규모 공식화, 안전성 테스트 및 마지막으로 폭발 성능 테스트가 포함됩니다. 이 백서에서는 폭발 속도 및 폭발 압력 측정과 관련된 일반적인 개발 테스트를 공유합니다.

고성능 폭발물의 연구 개발

학습하세요 온라인 실험 시스템을 통해 3D 가상 테스트 장비와 맞춤형 모니터링 인터페이스를 활용한 원격 실험 방법을. 이 시스템은 이론과 실습을 통합하여 엔지니어링 교육 및 연구의 학습 효과를 극대화합니다.

엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템

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