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.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
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
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
W niniejszej pracy przedstawiono trzy oddzielne przykłady wizualne mające na celu usprawnienie nauczania, uczenia się oraz badań, do których dostęp można uzyskać poprzez Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Przykład 1: Układ pierwszego rzędu z wykorzystaniem protokołu eksperymentalnego opartego na obwodzie
- Uzyskaj dostęp do systemu NCSLab.
- Otwórz popularną przeglądarkę internetową i wprowadź adres URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
- Kliknij przycisk Start Experiment po lewej stronie strony głównej, aby zalogować się do systemu. Nazwa użytkownika: whutest; hasło: whutest.
UWAGA: Ten krok dotyczy również dwóch pozostałych przykładów (Przykład 2 i Przykład 3). - Wejdź do sekcji WHULab na liście podlaboratoriów po lewej stronie i wybierz WHUtypicalLinks do przeprowadzenia eksperymentu.
UWAGA: Zaprojektowano i wdrożono sześć podinterfejsów do różnych celów, aby wspierać symulacje i eksperymenty w czasie rzeczywistym. - Wejdź do podinterfejsu Algorithm Design.
UWAGA: Użytkownik może wybrać publiczny model algorytmu zaprojektowany i udostępniony przez innych autoryzowanych użytkowników lub utworzyć nowy model. - Wybierz i kliknij przycisk Create New Model, aby przejść do internetowego interfejsu algorytmów. Zbuduj schemat obwodu, korzystając z dostarczonych bloków, jak pokazano na Rysunku 1.
UWAGA: Drugi wzmacniacz operacyjny (Op-Amp2 na Rysunku 1) służy do zniesienia przesunięcia fazowego o 180°. Aby zapewnić możliwość regulacji wejścia, rezystorów i kondensatora, z biblioteki ELECTRIC ELEMENTS wybrano jeden kondensator zmienny i dwa rezystory zmienne, a z biblioteki SOURCES cztery bloki stałe z panelu biblioteki bloków po lewej stronie. - Kliknij dwukrotnie odpowiednie bloki, aby ustawić parametry wymienione w Tabeli 1. Ustaw zakres osi X wykresu na 8 s.
UWAGA: Po dwukrotnym kliknięciu bloku pojawi się okno wyskakujące zawierające opis bloku, które służy do ustawiania parametrów. Przykład rezystora (R3) zilustrowano na Rysunku 1. - Kliknij przycisk Start Simulation; wynik symulacji zostanie wyświetlony w interfejsie, jak pokazano na Rysunku 1.
UWAGA: Krok ten dotyczy również dwóch pozostałych przykładów z innymi stanowiskami testowymi. Wyniki symulacji pozwalają użytkownikom sprawdzić zaprojektowany system oparty na obwodzie, aby uniknąć błędnego połączenia. Niemniej jednak błędny obwód nie spowoduje szkód dla użytkowników ani systemu, więc nie trzeba obawiać się konsekwencji. - Kliknij przycisk Start Compilation. Poczekaj, aż zaprojektowany schemat blokowy zostanie przekształcony w wykonywalny algorytm sterowania, który można pobrać i uruchomić w sterowniku zdalnym zamontowanym przy stanowisku testowym w celu wdrożenia algorytmów sterowania.
UWAGA: Krok ten dotyczy również kolejnych eksperymentów z innymi stanowiskami testowymi. - Przeprowadź eksperymenty w czasie rzeczywistym za pomocą wygenerowanego algorytmu sterowania. Kliknij przycisk Request Control, aby uzyskać dostęp do sterowania systemem obwodów.
UWAGA: „Request control” to mechanizm szeregowania systemu. Po przyznaniu uprawnień do sterowania użytkownik może przeprowadzać eksperymenty na odpowiednim stanowisku testowym. W przypadku fizycznych stanowisk testowych tylko jeden użytkownik może z nich korzystać w danym czasie; wdrożono mechanizm kolejkowania, który przydziela dostęp pozostałym użytkownikom zgodnie z zasadą „kto pierwszy, ten lepszy”11. W przypadku wirtualnych stanowisk testowych obsługiwana jest ogromna liczba użytkowników jednocześnie. Skutecznie przetestowano jednoczesne eksperymenty dla 500 użytkowników. W przypadku systemu opartego na obwodach, do systemu może jednocześnie uzyskać dostęp 50 użytkowników. - Kliknij przycisk Return, aby powrócić do podinterfejsu Algorithm Design. Znajdź wykonywalny algorytm sterowania w panelu Private Algorithm Models.
UWAGA: Wykonywalny algorytm sterowania można znaleźć również w panelu My Algorithm w podinterfejsie Control Algorithm. - Kliknij przycisk Conduct An Experiment, aby pobrać zaprojektowany algorytm sterowania do sterownika zdalnego.
- Wejdź do podinterfejsu Configuration i kliknij przycisk Create New Monitor, aby skonfigurować interfejs monitorowania, jak pokazano na Rysunku 2. Do interfejsu dołączono cztery pola tekstowe do strojenia parametrów oraz jeden wykres krzywej do monitorowania sygnału.
UWAGA: Wykres po prawej stronie na Rysunku 2 jest tym samym wykresem co ten po lewej, który został dodany, aby zaprezentować dane przy użyciu przycisku Suspend. - Połącz sygnały i parametry z wybranymi widżetami.
UWAGA: Odpowiednio Parameter/ Input, Parameter/ R0, Parameter/ R1 oraz Parameter/ C dla czterech pól tekstowych oraz Parameter/ Input i Signal/ Output dla wykresu krzywej. - Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment.
UWAGA: Krok ten dotyczy również kolejnych eksperymentów z innymi stanowiskami testowymi. Użytkownicy mogą zapisać konfigurację do późniejszego użytku. - Ustaw napięcie wejściowe na 0 V, dostrój kondensator C do 5 µF (0,000005 na Rysunku 2), a następnie ustaw napięcie wejściowe na 1 V; przebieg dynamiczny napięcia wyjściowego zilustrowano na Rysunku 2.
- Oblicz odpowiednie parametry K i T.
UWAGA: Stałą czasową można obliczyć, gdy wyjście osiągnie 63,2% wartości końcowej K po czasie t = T, co wynosi 0,63212. Z Rysunku 2 widać, że czas trwania wynosi 1 s, zatem T = 1, co jest zgodne z teorią, w której T = R1C = 200000*0,000005 = 1, a K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (co odpowiada wartości końcowej)12. Zatem system pierwszego rzędu można określić jako:
.
2. Przykład 2: Interaktywny i wizualizowany protokół wirtualnego eksperymentu
- Użyj systemu NCSLab do przeprowadzenia symulacji oraz eksperymentów w czasie rzeczywistym.
- Zaloguj się do systemu NCSLab. Wejdź do podlaboratorium ProcessControl, wybierz zestaw testowy dualTank, a następnie przejdź do podinterfejsu Algorithm Design.
- Zaprojektuj algorytm sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID), korzystając z interfejsu internetowego dostarczonego przez NCSLab, zgodnie z krokami opisanymi w Przykładzie 1. Rysunek 3 przedstawia przykład algorytmu dla systemu dwóch zbiorników.
- Kliknij dwukrotnie w PID controller i dostrój parametry członów proporcjonalnego (P), całkującego (I) oraz różniczkującego (D). Ustaw odpowiednio P = 1.12, I = 0.008 oraz D = 6.6.
UWAGA: Parametry P, I i D powinny być dostrajane w oparciu o wyniki symulacji. - Kliknij przycisk Start Simulation; wyświetli się wynik symulacji, który znajduje się po prawej stronie Rysunku 3.
UWAGA: Widać, że wydajność sterowania jest dobra, a algorytm sterowania jest gotowy do eksperymentów w czasie rzeczywistym. - Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania, postępując zgodnie z wcześniej wymienionymi krokami.
- Pobierz algorytm sterowania do kontrolera zdalnego i skonfiguruj interfejs monitorujący z czterema polami tekstowymi odpowiednio dla Set_point, P, I oraz D.
- Dodaj wykres do monitorowania poziomu wody i odpowiadającej mu wartości Set_point. Wybierz widżet 3D, który umożliwia podgląd zestawów testowych pod każdym kątem oraz animacje poziomu wody powiązane z danymi w czasie rzeczywistym.
- Kliknij przycisk Start; następnie zostanie aktywowany interfejs monitorujący, jak pokazano na Rysunku 4, co zapewnia wizualizację wirtualnego eksperymentu.
- Zmień wartość Set_point z 10 cm na 5 cm, a następnie ustaw I = 0.1, gdy wysokość poziomu wody w sterowanym zbiorniku osiągnie 5 cm i ustabilizuje się na tej wartości. Zmień ponownie wartość zadaną z 5 cm na 15 cm; na Rysunku 4 widać wystąpienie przeregulowania.
- Zmień wartość I z 0.1 na 0.01 i ponownie ustaw wartość zadaną z 15 cm na 25 cm. Można zauważyć, że przeregulowanie zostało wyeliminowane, a poziom wody może szybko ustabilizować się na wartości zadanej 25 cm.
3. Przykład 3: Protokół badań z wykorzystaniem zdalnych i wirtualnych laboratoriów
- Przeprowadź eksperyment w czasie rzeczywistym w NCSLab.
- Zaloguj się do systemu NCSLab i wybierz Fan Speed Control w podlaboratorium Remote Laboratory.
- Wejdź do podinterfejsu Algorithm Design. Przeciągnij bloki, aby zbudować schemat algorytmu sterowania z wewnętrznym modelem (IMC), jak pokazano na Rysunku 5.
UWAGA: F(s) i Gm(s)-1 zostały zaprojektowane zgodnie z Rysunkiem 5, na którym przedstawiono zaprojektowany algorytm sterowania z wykorzystaniem NCSLab do sterowania systemem prędkości wentylatora w trybie zdalnego i wirtualnego laboratorium. - Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania i wykorzystaj system sterowania prędkością wentylatora, aby zweryfikować zaprojektowany algorytm IMC.
- Skonfiguruj interfejs monitorowania. Powiąż dwa pola tekstowe z dwoma parametrami, mianowicie Set_point oraz lambda (dla λ, która jest stałą czasową filtra) do strojenia, oraz wykres w czasie rzeczywistym z Set_point i Speed do monitorowania. Wybierz widżet modelu 3D wentylatora oraz widżet kamery do monitorowania.
- Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment w czasie rzeczywistym. Zmień Set_point z 2,000 rpm na 1,500 rpm, a następnie z 1,500 rpm na 2,500 rpm; wynik przedstawiono na Rysunku 6.
UWAGA: Można wywnioskować, że przy λ = 1 system może zostać ustabilizowany względem skokowej wartości referencyjnej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Zaproponowany system laboratoryjny był wykorzystywany na kilku różnych kierunkach na Uniwersytecie w Wuhan, takich jak automatyka, energetyka i inżynieria energetyczna oraz inżynieria mechaniczna, a także na innych uczelniach, takich jak Uniwersytet Rolniczy w Henan6.
Nauczyciele, studenci i badacze otrzymują dużą swobodę w eksplorowaniu systemu przy użyciu różnych wirtualnych i/lub fizycznych stanowisk testowych, definiowaniu własnych algorytmów sterowania oraz dostoso...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Przedstawiony protokół opisuje hybrydowy system laboratorium online, który integruje fizyczne stanowiska badawcze do eksperymentów zdalnych oraz wirtualne stanowiska badawcze 3D do eksperymentów wirtualnych. Do procesu projektowania algorytmów udostępniono kilka różnych bibliotek bloków, takich jak elementy elektryczne do projektowania obwodów. Użytkownicy z wykształceniem w zakresie automatyki mogą skupić się na nauce bez konieczności posiadania umiejętności programowania. Należy rozważyć właściwe zaprojektowanie algory...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
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
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| System kontroli prędkości wentylatora | / | / | Wykonane przez nasz zespół |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Wykonane przez nasz zespół |
Bibliografia
- 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 using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699(2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
- 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).
- Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
- 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).
- 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
Tagi
