Artykuł metodologiczny

Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich

DOI:

10.3791/63342

⸱

24 listopada 2021

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ta praca opisuje system eksperymentów online, który zapewnia wizualizację eksperymentów, w tym wizualizację teorii, koncepcji i formuł, wizualizację procesu eksperymentalnego za pomocą trójwymiarowych (3D) wirtualnych stanowisk testowych oraz wizualizację systemu kontroli i monitorowania za pomocą widżetów, takich jak wykresy i kamery.

Streszczenie

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

Eksperymentowanie jest kluczowe w edukacji inżynierskiej. W tej pracy bada się wizualizowane eksperymenty w laboratoriach internetowych do nauczania i uczenia się, a także badań. Omówiono funkcje interaktywne i wizualizacyjne, w tym implementację algorytmów sterowanych teorią, projektowanie algorytmów w sieci Web, konfigurowalny interfejs monitorowania oraz trójwymiarowe (3D) wirtualne stanowiska testowe. Aby zilustrować cechy i funkcjonalności proponowanych laboratoriów, podano trzy przykłady, w tym eksplorację systemu pierwszego rzędu przy użyciu systemu opartego na obwodach z elementami elektrycznymi, projektowanie algorytmów sterowania opartego na sieci Web do wirtualnych i zdalnych eksperymentów. Korzystając z zaprojektowanych przez użytkownika algorytmów sterowania, można nie tylko przeprowadzać symulacje, ale także przeprowadzać eksperymenty w czasie rzeczywistym po skompilowaniu zaprojektowanych algorytmów sterowania w wykonywalne algorytmy sterowania. Proponowane laboratorium online zapewnia również konfigurowalny interfejs monitorowania, za pomocą którego użytkownicy mogą dostosować swój interfejs użytkownika za pomocą dostarczonych widżetów, takich jak pole tekstowe, wykres, widżet 3D i widżet kamery. Nauczyciele mogą używać systemu do demonstracji online w klasie, uczniowie do eksperymentowania po zajęciach, a badacze do weryfikacji strategii kontroli.

Wprowadzenie

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

Laboratoria są niezbędną infrastrukturą dla badań i edukacji. Gdy konwencjonalne laboratoria nie są dostępne i/lub nie są dostępne z różnych powodów, na przykład zbyt przystępnych kosztów zakupów i konserwacji, względów bezpieczeństwa i sytuacji kryzysowych, takich jak pandemia choroby koronawirusowej 2019 (COVID-19), laboratoria internetowe mogą oferować alternatywy1,2,3. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych laboratoriów, w laboratoriach online osiągnięto znaczny postęp, taki jak interaktywne funkcje4 i konfigurowalne eksperymenty5. Przed pandemią COVID-19 i w jej trakcie laboratoria internetowe świadczą usługi eksperymentalne użytkownikom na całym świecie6,7.

Wśród laboratoriów online, zdalne laboratoria mogą zapewnić użytkownikom doświadczenie podobne do praktycznych eksperymentów przy wsparciu fizycznych stanowisk testowych i kamer8. Wraz z rozwojem Internetu, komunikacji, grafiki komputerowej i technologii renderowania, wirtualne laboratoria stanowią również alternatywę dla konwencjonalnych laboratoriów1. Skuteczność zdalnych i wirtualnych laboratoriów we wspieraniu badań i edukacji została potwierdzona w powiązanej literaturze1,9,10.

Dostarczanie wizualizacji eksperymentów jest kluczowe dla laboratoriów online, a wizualizacja w eksperymentach online stała się trendem. W laboratoriach internetowych stosuje się różne techniki wizualizacji, na przykład wykresy krzywych, dwuwymiarowe (2-D) stanowiska testowe i trójwymiarowe (3-D) stanowiska testowe11. W edukacji kontrolnej wiele teorii, koncepcji i formuł jest niejasnych do zrozumienia; W związku z tym wizualizowane eksperymenty są niezbędne do poprawy nauczania, uczenia się uczniów i badań. Wizualizację związaną z wizualizacją można podzielić na następujące trzy kategorie: (1) Wizualizacja teorii, koncepcji i formuł za pomocą projektowania i implementacji algorytmów internetowych, za pomocą których można przeprowadzać symulacje i eksperymenty; (2) Wizualizacja procesu eksperymentalnego za pomocą wirtualnych stanowisk testowych 3D; (3) Wizualizacja, kontrola i monitorowanie za pomocą widżetów, takich jak wykres i widżet kamery.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

W tej pracy przedstawiono trzy oddzielne wizualizacje przykładów usprawniające nauczanie, uczenie się i badania, do których można uzyskać dostęp za pośrednictwem Laboratorium Sieciowego Systemu Kontroli (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Przykład 1: System pierwszego rzędu wykorzystujący protokół eksperymentowania oparty na obwodach

  1. Uzyskaj dostęp do systemu NCSLab.
    1. Otwórz popularną przeglądarkę internetową i wprowadź adres URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
    2. Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment po lewej stronie strony głównej, aby zalogować się do systemu. Nazwa użytkownika: whutest; hasło: whutest.
      UWAGA: Ten krok nadaje się również do pozostałych dwóch przykładów (Przykład 2 i Przykład 3).
    3. Wprowadź WHULab na liście podlaboratoriów po lewej stronie i wybierz WHUtypicalLinks do eksperymentowania.
      UWAGA: Sześć podinterfejsów zostało zaprojektowanych i zaimplementowanych do różnych celów, aby wspierać symulację i eksperymentowanie w czasie rzeczywistym.
    4. Wprowadź podinterfejs projektowania algorytmów.
      UWAGA: Użytkownik może wybrać publiczny model algorytmu zaprojektowany i udostępniony przez innych uprawnionych użytkowników lub utworzyć nowy model.
    5. Wybierz i kliknij przycisk Utwórz nowy model i przejdź do internetowego interfejsu algorytmu. Zbuduj schemat obwodu, korzystając z dostarczonych bloków, jak pokazano w Rysunek 1.
      UWAGA: Inny wzmacniacz operacyjny (op-amp) (Op-Amp2 w Rysunek 1) służy do anulowania przesunięcia fazowego o 180°. Aby upewnić się, że wejście, rezystory i kondensator są przestrajalne, z panelu biblioteki bloków po lewej stronie wybiera się jeden kondensator zmienny i dwa rezystory zmienne w bibliotece ELEMENTY ELEKTRYCZNE oraz cztery bloki stałe z biblioteki SOURCES.
    6. Kliknij dwukrotnie odpowiednie bloki, aby ustawić parametry zgodnie z tabelą 1. Ustaw zakres osi X wykresu na 8 s.
      UWAGA: Po dwukrotnym kliknięciu na blok zostanie uruchomione wyskakujące okienko, które zawiera opisy bloku i może być użyte do ustawienia parametru. Przykład rezystora (R3) zilustrowano na rysunku Rysunek 1.
    7. Kliknij przycisk Rozpocznij symulację; wynik symulacji zostanie dostarczony w interfejsie, zgodnie z Rysunek 1.
      UWAGA: Ten krok pasuje również do dwóch pozostałych przykładów z innymi stanowiskami testowymi. Wyniki symulacji mogą dostarczyć użytkownikom informacji do ponownego sprawdzenia zaprojektowanego systemu opartego na obwodzie, aby uniknąć nieprawidłowego obwodu. Jednak wadliwy obwód nie wyrządzi szkody użytkownikom ani systemowi, więc użytkownicy nie muszą się martwić o konsekwencje.
    8. Kliknij przycisk Rozpocznij kompilację. Poczekaj, aż zaprojektowany schemat blokowy zostanie wygenerowany jako wykonywalny algorytm sterowania, który można pobrać i uruchomić do pilota zdalnego sterowania umieszczonego po stronie stanowiska testowego w celu zaimplementowania algorytmów sterowania.
      UWAGA: Ten krok pasuje również do następujących eksperymentów z innymi stanowiskami testowymi.
    9. Przeprowadzaj eksperymenty w czasie rzeczywistym przy użyciu wygenerowanego algorytmu sterowania. Kliknij przycisk Zażądaj kontroli, aby ubiegać się o kontrolę nad systemem obwodów.
      UWAGA: "Kontrola żądań" to mechanizm planowania dla systemu. Po przyznaniu użytkownikowi uprawnienia kontrolnego, może on przeprowadzać eksperymenty na odpowiednim stanowisku testowym. Tylko jeden użytkownik może zajmować stanowisko testowe w tym samym czasie dla fizycznych stanowisk testowych, a mechanizm planowania kolejki został zaimplementowany w celu planowania innych potencjalnych użytkowników w oparciu o regułę "kto pierwszy, ten lepszy"11. W przypadku wirtualnych stanowisk testowych można jednocześnie obsługiwać ogromną liczbę użytkowników. 500 jednoczesnych eksperymentów z użytkownikami zostało skutecznie przetestowanych. W przypadku systemu opartego na obwodach dostęp do systemu może uzyskać jednocześnie 50 użytkowników.
    10. Kliknij przycisk Wróć do podinterfejsu Projektowanie algorytmów. Znajdź wykonywalny algorytm sterujący w panelu Private Algorithm Models (Modele algorytmów prywatnych).
      UWAGA: Wykonywalny algorytm sterujący można również znaleźć w panelu Mój algorytm w podinterfejsie Algorytm sterowania.
    11. Kliknij przycisk Przeprowadź eksperyment, aby pobrać zaprojektowany algorytm sterowania na pilota zdalnego sterowania.
    12. Wejdź do podinterfejsu konfiguracji i kliknij przycisk Utwórz nowy monitor, aby skonfigurować interfejs monitorowania, jak pokazano na Rysunek 2. W zestawie znajdują się cztery pola tekstowe do dostrajania parametrów i jeden wykres krzywej do monitorowania sygnału.
      UWAGA: Wykres po prawej stronie w Rysunek 2 to ten sam wykres, co ten po lewej, który został dodany w celu zademonstrowania danych za pomocą przycisku Zawieś.
    13. Połącz sygnały i parametry z wybranymi widżetami.
      UWAGA: Parametr/Wejście, Parametr/ R0, Parametr/ R1 i Parametr/ C odpowiednio dla czterech pól tekstowych oraz Parametr/Wejście i Sygnał/Wyjście dla wykresu krzywej.
    14. Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment.
      UWAGA: Ten krok pasuje również do następujących eksperymentów z innymi stanowiskami testowymi. Użytkownicy mogą zapisać konfigurację do wykorzystania w przyszłości.
    15. Ustaw napięcie wejściowe na 0 V, dostrój kondensator C do 5 μF (0,000005 w Rysunek 2), a następnie ustaw napięcie wejściowe na 1 V; dynamiczny proces napięcia wyjściowego jest zilustrowany na Rysunek 2.
  2. Oblicz odpowiednie parametry K i T.
    UWAGA: Stałą czasową można obliczyć, gdy wyjście osiągnie 63,2% wartości końcowej K po t = T, czyli 0,63212. Z Rysunek 2, można zobaczyć, że czas trwania wynosi 1 s, a więc T = 1, co jest zgodne z teorią, w której T = R1C = 200000*0,000005 = 1, a K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (co równa się wartości końcowej)12. Zatem system pierwszego rzędu można określić jako: figure-protocol-1.

2. Przykład 2: Interaktywny i wizualizowany protokół wirtualnego eksperymentowania

  1. Wykorzystaj system NCSLab do przeprowadzania symulacji i eksperymentów w czasie rzeczywistym.
    1. Zaloguj się do systemu NCSLab. Wejdź do podlaboratorium ProcessControl i wybierz stanowisko testowe dualTank, a następnie wejdź do podinterfejsu Algorithm Design.
    2. Zaprojektuj algorytm sterowania proporcjonalno-całkowo-pochodną (PID) przy użyciu interfejsu internetowego dostarczonego przez NCSLab, postępując zgodnie z krokami opisanymi w przykładzie 1. Rysunek 3 to przykład algorytmu dla systemu podwójnego zbiornika.
    3. Kliknij dwukrotnie regulator PID i dostosuj parametry dla składników proporcjonalnych (P), całkowych (I) i pochodnych (D). Ustaw P = 1,12, I = 0,008 i D = 6,6, odpowiednio.
      UWAGA: Warunki P, I i D należy dostroić w połączeniu z wynikiem symulacji.
    4. Kliknij przycisk Rozpocznij symulację; pojawi się wynik symulacji, który znajduje się po prawej stronie Rysunek 3.
      UWAGA: Można zauważyć, że wydajność sterowania jest dobra, a algorytm sterowania jest gotowy do eksperymentowania w czasie rzeczywistym.
    5. Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania, wykonując wcześniej wymienione kroki.
    6. Pobierz algorytm sterowania do pilota zdalnego sterowania i skonfiguruj interfejs monitorowania z czterema polami tekstowymi odpowiednio dla Set_point, P, I i D.
    7. Dołącz wykres do monitorowania poziomu wody i odpowiadającego mu Set_point. Wybierz widżet 3D, który może zapewnić wszystkie kąty stanowisk testowych i animacje poziomu wody w połączeniu z danymi w czasie rzeczywistym.
    8. Kliknij przycisk Start, a następnie interfejs monitorowania zostanie aktywowany, jak pokazano na rysunku Rysunek 4, który przedstawia wizualizację wirtualnego eksperymentu.
    9. Ustaw Set_point od 10 cm do 5 cm, a następnie ustaw I = 0,1, gdy wysokość poziomu wody w kontrolowanym zbiorniku osiągnie i ustabilizuje się na poziomie 5 cm. Zresetuj nastawę z 5 cm na 15 cm; z Rysunek 4 widać, że nastąpiło przeregulowanie.
    10. Dostrój I od 0.1 do 0.01 i zresetuj nastawę z 15 cm na 25 cm. Widać, że przeregulowanie zostało wyeliminowane, a poziom wody może szybko ustabilizować się na wartości zadanej 25 cm.

3. Przykład 3: Badania z wykorzystaniem protokołu zdalnych i wirtualnych laboratoriów

  1. Przeprowadź eksperyment w czasie rzeczywistym w NCSLab.
    1. Zaloguj się do systemu NCSLab i wybierz opcję Sterowanie prędkością wentylatora w podlaboratorium Laboratorium Zdalne.
    2. Wejdź do podinterfejsu Projektowanie algorytmów. Przeciągnij bloki, aby skonstruować diagram algorytmu sterowania kontrolą modelu wewnętrznego (IMC), jak pokazano w Rysunek 5.
      UWAGA: F(s) i Gm(s)-1 zostały zaprojektowane tak, jak pokazano na rysunku Rysunek 5, w którym zilustrowano zaprojektowany algorytm sterowania za pomocą NCSLab do sterowania systemem sterowania prędkością wentylatora w trybie zdalnego i wirtualnego laboratorium.
    3. Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania i wykorzystaj system sterowania prędkością wentylatora do weryfikacji zaprojektowanego algorytmu IMC.
    4. Skonfiguruj interfejs monitorowania. Połącz dwa pola tekstowe z dwoma parametrami, a mianowicie Set_point i lambda (dla λ, która jest stałą czasową filtra) do strojenia oraz wykresem w czasie rzeczywistym z Set_point i prędkością do monitorowania. Wybierz widżet modelu 3D wentylatora i widżet kamery do monitorowania.
    5. Kliknij przycisk Start, aby aktywować eksperymentowanie w czasie rzeczywistym. Zresetuj Set_point z 2 000 obr./min do 1 500 obr./min, a następnie zresetuj go z 1 500 obr./min do 2 500 obr./min, czego wynik jest pokazany w Rysunek 6.
      UWAGA: Można wywnioskować, że gdy λ = 1 system można ustabilizować do odniesienia krokowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Proponowany system laboratoryjny był używany w kilku różnych szkołach na Uniwersytecie Wuhan, takich jak Automatyka, Energetyka i Inżynieria Energetyczna, Inżynieria Mechaniczna oraz na innych uniwersytetach, takich jak Uniwersytet Rolniczy Henan6.

Nauczyciele/studenci/badacze mają zapewnioną dużą elastyczność w eksplorowaniu systemu za pomocą różnych wirtualnych i/lub fizycznych stanowisk testowych, definiowaniu swoich algorytmów sterowania i dostosowywaniu interfejsu ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Prezentowany protokół opisuje hybrydowy system laboratoryjny online, który integruje fizyczne stanowiska testowe do zdalnych eksperymentów oraz wirtualne stanowiska testowe 3D do wirtualnych eksperymentów. W procesie projektowania algorytmów dostępnych jest kilka różnych bibliotek bloków, takich jak elementy elektryczne do projektowania opartego na obwodach. Użytkownicy ze środowisk kontrolnych mogą skupić się na nauce bez umiejętności programowania. Należy zastanowić się nad odpowiednim zaprojektowaniem algorytmu sterow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin w ramach Grantu 62103308, Grantu 62173255, Grantu 62073247 i Grantu 61773144.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System kontroli prędkości wentylatora//Wykonane przez nasz zespół
https://www.powersim.whu.edu.cn/reactWykonane przez nasz zespół

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły