Methodenartikel

Interactief en gevisualiseerd online experimenteersysteem voor technisch onderwijs en onderzoek

DOI:

10.3791/63342

⸱

24 november 2021

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk beschrijft een online experimenteersysteem dat gevisualiseerde experimenten biedt, waaronder de visualisatie van theorieën, concepten en formules, het visualiseren van het experimentele proces met driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen en het visualiseren van het besturings- en bewakingssysteem met behulp van widgets zoals kaarten en camera's.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Experimenteren is cruciaal in het technisch onderwijs. Dit werk onderzoekt gevisualiseerde experimenten in online laboratoria voor lesgeven en leren en ook onderzoek. Interactieve en visualiserende functies, waaronder theoriegestuurde algoritme-implementatie, webgebaseerd algoritmeontwerp, aanpasbare monitoringinterface en driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen worden besproken. Om de kenmerken en functionaliteiten van de voorgestelde laboratoria te illustreren, worden drie voorbeelden gegeven, waaronder de eerste-orde systeemverkenning met behulp van een circuitgebaseerd systeem met elektrische elementen, webgebaseerd besturingsalgoritmeontwerp voor virtuele en externe experimenten. Met behulp van door de gebruiker ontworpen besturingsalgoritmen kunnen niet alleen simulaties worden uitgevoerd, maar kunnen ook realtime experimenten worden uitgevoerd zodra de ontworpen besturingsalgoritmen zijn gecompileerd in uitvoerbare besturingsalgoritmen. Het voorgestelde online laboratorium biedt ook een aanpasbare monitoringinterface, waarmee gebruikers hun gebruikersinterface kunnen aanpassen met behulp van de meegeleverde widgets zoals het tekstvak, de grafiek, 3D en de camerawidget. Docenten kunnen het systeem gebruiken voor online demonstratie in de klas, studenten voor experimenten na de les en onderzoekers om controlestrategieën te verifiëren.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Laboratoria zijn vitale infrastructuur voor onderzoek en onderwijs. Wanneer conventionele laboratoria niet beschikbaar en/of toegankelijk zijn vanwege verschillende oorzaken, bijvoorbeeld onbetaalbare aankoop- en onderhoudskosten, veiligheidsoverwegingen en crises zoals de coronavirusziekte 2019 (COVID-19) pandemie, kunnen online laboratoria alternatieven bieden1,2,3. Net als conventionele laboratoria is er aanzienlijke vooruitgang geboekt, zoals interactieve functies4 en aanpasbare experimenten5 in de online laboratoria. Voor en tijdens de COVID-19-pandemie bieden online laboratoria experimentele diensten aan gebruikers over de hele wereld6,7.

Onder online laboratoria kunnen externe laboratoria gebruikers een ervaring bieden die vergelijkbaar is met hands-on experimenten met de ondersteuning van fysieke testopstellingen en camera's8. Met de vooruitgang van internet, communicatie, computergraphics en renderingtechnologieën bieden virtuele laboratoria ook alternatieven voor conventionele laboratoria1. De effectiviteit van externe en virtuele laboratoria ter ondersteuning van onderzoek en onderwijs is gevalideerd in gerelateerde literatuur1,9,10.

Het aanbieden van gevisualiseerde experimenten is cruciaal voor online laboratoria en visualisatie in online experimenten is een trend geworden. Verschillende visualisatietechnieken worden bereikt in online laboratoria, bijvoorbeeld curvekaarten, tweedimensionale (2D) testopstellingen en driedimensionale (3D) testopstellingen11. In het controleonderwijs zijn tal van theorieën, concepten en formules onduidelijk om te begrijpen; gevisualiseerde experimenten zijn dus van vitaal belang voor het verbeteren van het onderwijs, het leren van studenten en onderzoek. Het betrokken visualiseren kan worden onderverdeeld in de volgende drie categorieën: (1) Het visualiseren van theorieën, concepten en formules met webgebaseerd algoritmeontwerp en -implementatie, waarmee simulatie en experimenten kunnen worden uitgevoerd; (2) Visualiseren van het experimentele proces met 3D virtuele testopstellingen; (3) Visualiseren van controle en bewaking met behulp van widgets zoals een grafiek en een camerawidget.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In dit werk worden drie afzonderlijke gevisualiseerde voorbeelden gegeven om onderwijs en leren en onderzoek te verbeteren, die toegankelijk zijn via het Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Voorbeeld 1: Eerste-ordesysteem met behulp van circuitgebaseerd experimenteerprotocol

  1. Toegang tot het NCSLab-systeem.
    1. Open een reguliere webbrowser en voer de URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react in.
    2. Klik op de knop Experiment starten aan de linkerkant van de hoofdpagina om in te loggen op het systeem. Gebruikersnaam: whutest; wachtwoord: whutest.
      OPMERKING: Deze stap is ook geschikt voor twee andere voorbeelden (voorbeeld 2 en voorbeeld 3).
    3. Voer het WHULab in de linker sublaboratoriumlijst in en kies WHUtypicalLinks voor experimenten.
      OPMERKING: Zes subinterfaces zijn ontworpen en geïmplementeerd voor verschillende doeleinden om simulatie en real-time experimenten te ondersteunen.
    4. Ga naar de subinterface Algorithm Design .
      OPMERKING: De gebruiker kan een openbaar algoritmemodel kiezen dat is ontworpen en gedeeld door andere geautoriseerde gebruikers of een nieuw model maken.
    5. Kies en klik op de knop Nieuw model maken en ga naar de webgebaseerde algoritme-interface. Bouw een schakelschema met behulp van de meegeleverde blokken, zoals weergegeven in figuur 1.
      OPMERKING: Een andere operationele versterker (op-amp) (Op-Amp2 in figuur 1) wordt gebruikt om de 180° faseverschuiving te annuleren. Om ervoor te zorgen dat de ingang, de weerstanden en de condensator instelbaar zijn, worden één variabele condensator en twee variabele weerstanden in de ELECTRIC ELEMENTS-bibliotheek en vier constante blokken uit de SOURCES-bibliotheek geselecteerd uit het linkerblokbibliotheekpaneel.
    6. Dubbelklik op de bijbehorende blokken om parameters in te stellen zoals vermeld in tabel 1. Stel het X-asbereik van de grafiek in op 8 s.
      OPMERKING: Een pop-upvenster wordt geactiveerd na een dubbelklik op het blok, dat de beschrijvingen van het blok bevat en kan worden gebruikt voor het instellen van de parameter. Een voorbeeld van de Resistor (R3) is afgebeeld in figuur 1.
    7. Klik op de knop Simulatie starten ; het simulatieresultaat wordt weergegeven in de interface, zoals opgenomen in figuur 1.
      OPMERKING: Deze stap past ook bij de twee andere voorbeelden met andere testopstellingen. De simulatieresultaten kunnen informatie bieden voor gebruikers om het ontworpen circuitgebaseerde systeem opnieuw te controleren om een verkeerd circuit te voorkomen. Een defect circuit zal echter geen schade toebrengen aan de gebruikers of het systeem, zodat de gebruikers zich geen zorgen hoeven te maken over de gevolgen.
    8. Klik op de knop Compilatie starten . Wacht tot het ontworpen blokdiagram wordt gegenereerd in een uitvoerbaar besturingsalgoritme dat kan worden gedownload en uitgevoerd naar de afstandsbediening die aan de kant van de testopstelling is geïmplementeerd om besturingsalgoritmen te implementeren.
      OPMERKING: Deze stap past ook bij de volgende experimenten met andere testopstellingen.
    9. Voer real-time experimenten uit met behulp van het gegenereerde besturingsalgoritme. Klik op de knop Verzoek om controle van het circuitsysteem aan te vragen.
      OPMERKING: "Verzoekcontrole" is het planningsmechanisme voor het systeem. Zodra een gebruiker de controlemachtiging heeft gekregen, kan de gebruiker experimenten uitvoeren met de bijbehorende testopstelling. Slechts één gebruiker kan de testopstelling tegelijk bezetten voor fysieke testopstellingen en het wachtrijplanningsmechanisme is geïmplementeerd om andere potentiële gebruikers te plannen op basis van de regel "Wie het eerst komt, het eerst maalt11. Voor virtuele testopstellingen kan een enorm aantal gebruikers tegelijkertijd worden ondersteund. 500 gelijktijdige gebruikersexperimenten zijn effectief getest. Voor het circuitgebaseerde systeem hebben 50 gebruikers tegelijk toegang tot het systeem.
    10. Klik op de knop Terug naar de subinterface Algoritmeontwerp . Zoek het uitvoerbare besturingsalgoritme in het deelvenster Privéalgoritmemodellen .
      OPMERKING: Het uitvoerbare besturingsalgoritme is ook te vinden in het deelvenster Mijn algoritme in de subinterface van het besturingsalgoritme .
    11. Klik op de knop Een experiment uitvoeren om het ontworpen besturingsalgoritme naar een afstandsbediening te downloaden.
    12. Ga naar de subinterface Configuratie en klik op de knop Nieuwe monitor maken om een bewakingsinterface te configureren, zoals weergegeven in afbeelding 2. Vier tekstvakken voor parameterafstemming en één curvediagram voor signaalbewaking zijn inbegrepen.
      OPMERKING: De grafiek aan de rechterkant in figuur 2 is dezelfde grafiek als die aan de linkerkant, die is toegevoegd om de gegevens te demonstreren met behulp van de knop Opschorten .
    13. Koppel de signalen en parameters aan de geselecteerde widgets.
      OPMERKING: Parameter / Input, Parameter / R0, Parameter / R1 en Parameter / C voor respectievelijk vier tekstvakken, en Parameter / Input en Signal / Output voor de curvegrafiek.
    14. Klik op de knop Start om het experiment te starten.
      OPMERKING: Deze stap past ook bij de volgende experimenten met andere testopstellingen. Gebruikers kunnen de configuratie opslaan voor toekomstig gebruik.
    15. Stel de ingangsspanning in op 0 V, stem de condensator C af op 5 μF (0,000005 in figuur 2) en stel vervolgens de ingangsspanning in op 1 V; het dynamische proces van de uitgangsspanning wordt geïllustreerd in figuur 2.
  2. Bereken de overeenkomstige parameters K en T.
    OPMERKING: De tijdconstante kan worden berekend wanneer de output 63,2% van de eindwaarde K na t = T bereikt, wat 0,63212 is. Uit figuur 2 is te zien dat de tijdsduur 1 s is, dus T = 1, wat consistent is met de theorie waarin, T = R1C = 200000*0,000005 = 1, en K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (wat gelijk is aan de eindwaarde)12. Het eerste-ordesysteem kan dus worden gespecificeerd als: figure-protocol-1.

2. Voorbeeld 2: Interactief en gevisualiseerd virtueel experimenteerprotocol

  1. Gebruik het NCSLab-systeem om simulatie en real-time experimenten uit te voeren.
    1. Log in op het NCSLab-systeem. Ga naar het ProcessControl-sublaboratorium , kies de dualTank-testopstelling en voer vervolgens de subinterface Algorithm Design in.
    2. Ontwerp een proportioneel-integraal-afgeleid (PID) besturingsalgoritme met behulp van de webinterface van NCSLab volgens de stappen die worden beschreven in voorbeeld 1. Figuur 3 is een algoritme voorbeeld voor het dual tank systeem.
    3. Dubbelklik op de PID-controller en stem de parameters af voor proportionele (P), integrale (I) en afgeleide (D) termen. Stel P = 1,12, I = respectievelijk 0,008 en D = 6,6.
      OPMERKING: De termen P, I en D moeten worden afgestemd in combinatie met het simulatieresultaat.
    4. Klik op de knop Simulatie starten ; het simulatieresultaat verschijnt, dat aan de rechterkant van figuur 3 is opgenomen.
      OPMERKING: Het is duidelijk dat de controleprestaties goed zijn en dat het besturingsalgoritme klaar is voor real-time experimenten.
    5. Genereer het uitvoerbare besturingsalgoritme volgens de eerder genoemde stappen.
    6. Download het besturingsalgoritme naar de afstandsbediening en configureer een bewakingsinterface met vier tekstvakken voor respectievelijk Set_point, P, I en D.
    7. Voeg een grafiek toe voor het monitoren van het waterniveau en de bijbehorende Set_point. Kies een 3D-widget, die alle hoeken van de testopstellingen en animaties van het waterniveau kan bieden die zijn verbonden met de realtime gegevens.
    8. Klik op de knop Start ; vervolgens wordt de bewakingsinterface geactiveerd zoals weergegeven in figuur 4, die een gevisualiseerd virtueel experiment biedt.
    9. Stel de Set_point in van 10 cm tot 5 cm en stel vervolgens I = 0,1 in wanneer de hoogte van het waterniveau in de gecontroleerde tank 5 cm bereikt en stabiliseert. Reset het instelpunt van 5 cm naar 15 cm; uit figuur 4 is te zien dat er sprake is van een overshoot.
    10. Tune I van 0,1 naar 0,01 en reset het instelpunt van 15 cm naar 25 cm. Te zien is dat de overshoot is geëlimineerd en het waterniveau kan zich snel stabiliseren op de instelpuntwaarde van 25 cm.

3. Voorbeeld 3: Onderzoek met protocol voor externe en virtuele laboratoria

  1. Voer een real-time experiment uit in NCSLab.
    1. Log in op het NCSLab-systeem en kies Fan Speed Control in het sublaboratorium van het Remote Laboratory.
    2. Ga naar de subinterface Algorithm Design . Sleep de blokken om het IMC-besturingsalgoritmediagram (Internal Model Control) samen te stellen, zoals weergegeven in figuur 5.
      OPMERKING: De F('s) en Gm(s)-1 zijn ontworpen zoals weergegeven in figuur 5, waarin het ontworpen besturingsalgoritme met NCSLab wordt geïllustreerd om een ventilatorsnelheidscontrolesysteem op afstand en virtueel in laboratoriummodus te regelen.
    3. Genereer het uitvoerbare besturingsalgoritme en gebruik het ventilatorsnelheidscontrolesysteem om het ontworpen IMC-algoritme te verifiëren.
    4. Configureer een bewakingsinterface. Koppel twee tekstvakken met twee parameters, namelijk de Set_point en lambda (voor λ wat de filtertijdconstante is) voor afstemming en een real-time grafiek met de Set_point en Snelheid voor monitoring. Selecteer de 3D-modelwidget van de ventilator en de camerawidget voor bewaking.
    5. Klik op de knop Start om real-time experimenten te activeren. Reset de Set_point van 2.000 tpm naar 1.500 tpm en reset hem vervolgens van 1.500 tpm naar 2.500 tpm, waarvan het resultaat wordt weergegeven in figuur 6.
      OPMERKING: Er kan worden geconcludeerd dat wanneer λ = 1 het systeem kan worden gestabiliseerd tot een stapreferentie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het voorgestelde laboratoriumsysteem is gebruikt in verschillende discipelen aan de Universiteit van Wuhan, zoals de Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering en andere universiteiten, zoals Henan Agricultural University6.

Docenten / studenten / onderzoekers krijgen grote flexibiliteit om het systeem te verkennen met behulp van verschillende virtuele en / of fysieke testopstellingen, hun besturingsalgoritmen te definiëren en hun monitoringinterfac...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het gepresenteerde protocol beschrijft een hybride online laboratoriumsysteem dat fysieke testopstellingen integreert voor experimenten op afstand en 3D virtuele testopstellingen voor virtuele experimenten. Er zijn verschillende blokbibliotheken beschikbaar voor het ontwerpproces van het algoritme, zoals de elektrische elementen voor circuitgebaseerd ontwerp. Gebruikers met een besturingsachtergrond kunnen zich concentreren op leren zonder programmeervaardigheden. Het juiste ontwerp van een besturingsalgoritme dat kan wo...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 en Grant 61773144.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Fan snelheidsregelsysteem//Gemaakt door ons team
https://www.powersim.whu.edu.cn/reactGemaakt door ons team

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
  2. Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699(2019).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
  13. 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).
  14. Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
  15. 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).
  16. 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Online LaboratoryVisualized ExperimentationRemote ExperimentationWeb Based Algorithm DesignControl Algorithm ImplementationCustomizable Monitoring InterfaceThree Dimensional Virtual LabReal Time ExperimentationPID Control Algorithm

Gerelateerde artikelen