Name: Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 35 s
Description: Poznaj system eksperymentów online z wizualizacją 3D dla edukacji inżynierskiej. Łączy wiedzę teoretyczną z praktyką zdalną, umożliwiając projektowanie algorytmów i monitorowanie w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

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
<ol>
	<li>Uzyskaj dostęp do systemu NCSLab.
	<ol>
		<li>Otwórz popularną przeglądarkę internetową i wprowadź adres URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wejdź do podinterfejsu Algorithm Design. 
		UWAGA: Użytkownik może wybrać publiczny model algorytmu zaprojektowany i udostępniony przez innych autoryzowanych użytkowników lub utworzyć nowy model.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Kliknij przycisk Conduct An Experiment, aby pobrać zaprojektowany algorytm sterowania do sterownika zdalnego.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment. 
		UWAGA: Krok ten dotyczy również kolejnych eksperymentów z innymi stanowiskami testowymi. Użytkownicy mogą zapisać konfigurację do późniejszego użytku.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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: <img alt="Funkcja przenoszenia G(s)=1/(s+1), wzór systemów sterowania, analiza w dziedzinie Laplace'a." src="/files/ftp_upload/63342/63342eq01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 1">.</li>
</ol>
2. Przykład 2: Interaktywny i wizualizowany protokół wirtualnego eksperymentu
<ol>
	<li>Użyj systemu NCSLab do przeprowadzenia symulacji oraz eksperymentów w czasie rzeczywistym.
	<ol>
		<li>Zaloguj się do systemu NCSLab. Wejdź do podlaboratorium ProcessControl, wybierz zestaw testowy dualTank, a następnie przejdź do podinterfejsu Algorithm Design.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania, postępując zgodnie z wcześniej wymienionymi krokami.</li>
		<li>Pobierz algorytm sterowania do kontrolera zdalnego i skonfiguruj interfejs monitorujący z czterema polami tekstowymi odpowiednio dla Set_point, P, I oraz D.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Kliknij przycisk Start; następnie zostanie aktywowany interfejs monitorujący, jak pokazano na Rysunku 4, co zapewnia wizualizację wirtualnego eksperymentu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przykład 3: Protokół badań z wykorzystaniem zdalnych i wirtualnych laboratoriów
<ol>
	<li>Przeprowadź eksperyment w czasie rzeczywistym w NCSLab.
	<ol>
		<li>Zaloguj się do systemu NCSLab i wybierz Fan Speed Control w podlaboratorium Remote Laboratory.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wygeneruj wykonywalny algorytm sterowania i wykorzystaj system sterowania prędkością wentylatora, aby zweryfikować zaprojektowany algorytm IMC.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>System kontroli prędkości wentylatora</td><td>/</td><td>/</td><td>Wykonane przez nasz zespół</td></tr><tr><td>https://www.powersim.whu.edu.cn/react</td><td></td><td></td><td>Wykonane przez nasz zespół</td></tr></tbody></table>

interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

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.

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...

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.

Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich

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

Nasz protokół realizuje zdalne i wirtualne eksperymenty w laboratoriach internetowych do nauczania, uczenia się, a także badań. Wiedza teoretyczna i praktyka eksperymentalna są połączone w celu ulepszenia nauczania i uczenia się za pomocą naszego protokołu. Zapewnia ujednoliconą strukturę, która umożliwia implementację sterowaną teorią, projektowanie algorytmów w oparciu o sieć internetową, konfigurowalny interfejs monitorowania oraz trójwymiarowe eksperymenty wirtualne i zdalne.Zijie Wie i Shengwang Ye pomogą zademonstrować tę procedurę. Wei pracuje nad uzyskaniem tytułu magistra, a Ye pracuje nad doktoratem. Na początek otwórz popularną przeglądarkę internetową i wprowadź adres URL www.powersim.whu.edu.cn/react.Kliknij przycisk rozpocznij eksperyment i wpisz W-H-U-T-E-S-T jako nazwę użytkownika i hasło, aby zalogować się do systemu. Wprowadź laboratorium WHU na liście podlaboratoriów po lewej stronie i wybierz typowe łącza WHU do eksperymentów, a następnie przejdź do podinterfejsu projektowania algorytmu. Kliknij przycisk Utwórz nowy model i przejdź do internetowego interfejsu algorytmu.Zbuduj schemat obwodu, korzystając z dostarczonych bloków. Kliknij dwukrotnie odpowiednie bloki, aby ustawić parametry, a następnie kliknij przycisk rozpocznij symulację. Wynik symulacji zostanie udostępniony w interfejsie.Kliknij przycisk rozpocznij kompilację i poczekaj, aż schemat blokowy projektu zostanie wygenerowany w wykonywalny algorytm sterowania. Ten algorytm sterowania można pobrać i uruchomić do pilota zdalnego sterowania wdrożonego po stronie stanowiska roboczego w celu zaimplementowania algorytmów sterowania. Kliknij przycisk sterowania żądaniem, aby ubiegać się o kontrolę nad systemem obwodów.Następnie kliknij przycisk powrotu do podinterfejsu projektowania algorytmu. Znajdź wykonywalny algorytm sterujący w panelu prywatnych modeli algorytmów. Kliknij przycisk przeprowadź eksperyment, aby pobrać algorytm kontroli projektu na pilota zdalnego sterowania.Wejdź do podinterfejsu konfiguracji i kliknij przycisk utwórz nowy monitor, aby skonfigurować interfejs monitorowania. Dołącz cztery pola tekstowe do dostrajania parametrów i jeden wykres krzywej do monitorowania sygnału. Połącz sygnały i parametry z wybranymi widżetami i ustaw zakres osi x wykresu na 8S.Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment. Ustaw napięcie wejściowe na zero woltów i dostrój kondensator C do pięciu mikrofaradów, a następnie ustaw napięcie wejściowe na jeden wolt. Zaloguj się do systemu NCSLab i wejdź do podlaboratorium kontroli procesu.Wybierz stanowisko testowe z podwójnym zbiornikiem i wejdź do podinterfejsu projektowania algorytmu. Zaprojektuj algorytm regulacji proporcjonalnej pochodnej całkowej lub PID, postępując zgodnie z krokami opisanymi w przykładzie pierwszym. Kliknij dwukrotnie regulator PID i ustaw proporcjonalność równą 1,12, całkę równą 0,008 i pochodną równą 6,6.Następnie kliknij przycisk rozpocznij symulację. Kliknij przycisk parametrów konfiguracyjnych i wejdź do panelu kompilacji konfiguracji, aby ustawić solver na ODE4. Wygeneruj wykonywalny algorytm sterujący i pobierz algorytm sterowania do pilota zdalnego sterowania.Skonfiguruj interfejs monitorowania z czterema polami tekstowymi dla wartości zadanej, P, I i D. Dołącz wykres do monitorowania poziomu wody i odpowiadającej mu wartości zadanej. Ustaw zakres osi x wykresu na 200S. Wybierz widżet 3D, który może zapewnić wszystkie kąty stanowisk testowych i animacje poziomu wody w połączeniu z danymi w czasie rzeczywistym.Następnie kliknij przycisk Start. Ustaw nastawę od 10 centymetrów do pięciu centymetrów, a następnie ustaw I na 0,1, gdy wysokość poziomu wody w kontrolowanym zbiorniku osiągnie i ustabilizuje się na pięciu centymetrach. Zresetuj nastawę z pięciu centymetrów do 15 centymetrów.Dostrój I od 0.1 do 0.01 i zresetuj nastawę z 15 centymetrów do 25 centymetrów. Przeregulowanie zostaje wyeliminowane, a poziom wody stabilizuje się na zadanej wartości 20 centymetrów. Zaloguj się do systemu NCSLab i wybierz sterowanie prędkością wentylatora w zdalnym podlaboratorium laboratoryjnym.Wejdź do podinterfejsu projektowania algorytmu i przeciągnij bloki, aby skonstruować diagram algorytmu sterowania IMC. Następnie wygeneruj wykonywalny algorytm sterujący. Zastosuj system kontroli prędkości wentylatora, aby zweryfikować zaprojektowany algorytm IMC.Skonfiguruj interfejs monitorowania i połącz dwa pola tekstowe z wartością zadaną i lądownikiem w celu dostrojenia. Następnie połącz wykres w czasie rzeczywistym z nastawą i prędkością do monitorowania. Wybierz widżet modelu 3D wentylatora i widżetu kamery, a następnie kliknij przycisk Start, aby aktywować eksperymentowanie w czasie rzeczywistym.Zresetuj nastawę z 2 000 obr./min na 1 500 obr./min. A na koniec zresetuj go z 1 500 obr./min do 2 500 obr./min. Eksperyment w czasie rzeczywistym systemu pierwszego zamówienia z algorytmem kontroli projektu jest pokazany tutaj.Parametry można dostrajać, a sygnały można monitorować za pomocą dostarczonych widżetów. Reprezentatywne obrazy pokazują eksperymenty w czasie rzeczywistym z systemem podwójnego zbiornika po dostrojeniu członu całki z 0,1 do 0,01. Nastawa jest resetowana z 15 centymetrów do 25 centymetrów.Przeregulowanie zostało tutaj wyeliminowane. Sterowanie w czasie rzeczywistym można uzyskać, a prędkość wentylatora można monitorować za pomocą zdalnego laboratorium sterowania prędkością wentylatora w połączeniu z wirtualnym systemem wentylatorów 3D. Fizyczny system wentylatorów znajduje się na Uniwersytecie Wuhan i zapewnia zdalne usługi laboratoryjne użytkownikom na całym świecie.Można również przeprowadzić skoordynowany eksperyment kontrolny dla wielu agentów, który może zademonstrować skoordynowane czynniki kontroli w zdalnym laboratorium. Technologia ta umożliwia udostępnianie online sprzętu eksperymentalnego i dywersyfikuje rozwój nauczania eksperymentalnego, zapewniając dobrą demonstrację rozwoju zdalnych i trójwymiarowych wirtualnych laboratoriów połączonych.

interactive-visualized-online-experimentation-system-for-engineering

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Kontrolę neuronalną oraz procesy poznawcze można badać poprzez ruchy gałek ocznych. Oprogramowanie VisualEyes umożliwia operatorowi niezależne programowanie bodźców na dwóch ekranach komputera przy użyciu prostego, niestandardowego języka skryptowego. System może stymulować tandemowe ruchy oczu (sakady i pościg płynny), ruchy przeciwstawne (wergencję) lub dowolną ich kombinację.

VisualEyes: modularny system oprogramowania do eksperymentów okulomotorycznych

Ten manuskrypt opisuje, jak tworzyć regularne formy podłoża w korycie, wizualizować przepływ przez formy łóżka i używać symulacji komputerowych do symulacji przepływu hiporetycznego.  Symulacje komputerowe wypadają dobrze w porównaniu z obserwacjami eksperymentalnymi.  Ta sprzężona symulacja i eksperyment doskonale nadaje się zarówno do celów badawczych, jak i edukacyjnych.

Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

Ten artykuł opisuje metodę przeprowadzania eksperymentów dla wielu użytkowników w zakresie podejmowania decyzji i nawigacji za pomocą sieciowego laboratorium komputerowego.

Sieciowy pulpit wirtualnej rzeczywistości do eksperymentów z nauką o decyzjach i nawigacji z wieloma uczestnikami

Opracowano eksperymentalny projekt w celu zbadania wpływów doświadczenia egzaminacyjnego w czasie rzeczywistym, aby ocenić emocjonalną rzeczywistość, której doświadczają studenci w środowisku i zadaniach szkolnictwa wyższego. Projekt ten jest wynikiem podejścia interdyscyplinarnego (np. psychologia edukacyjna, biologia, fizjologia, inżynieria) i multimodalnego (np. markery śliny, ankiety, czujnik elektrodermalny).

Interdyscyplinarny i multimodalny projekt eksperymentalny do badania autentycznych doświadczeń egzaminacyjnych w czasie zbliżonym do rzeczywistego

Ta praca przedstawia trójwymiarowy wirtualny eksperyment symulacyjny dla deformacji i uszkodzenia materiału, który dostarcza wizualizacji procesów eksperymentalnych. Dzięki zestawowi eksperymentów użytkownicy mogą zapoznać się ze sprzętem i nauczyć się obsługi w wciągającym i interaktywnym środowisku edukacyjnym.

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

W tej pracy opracowano system rzeczywistości mieszanej o nazwie MRE, aby pomóc studentom w rozwijaniu praktyk laboratoryjnych uzupełniających zajęcia online. Eksperyment przeprowadzono z udziałem 30 studentów; 10 uczniów nie korzystało z MRE, 10 używało MRE, a 10 kolejnych używało MRE z informacją zwrotną od nauczyciela.

Wdrożenie i wyniki Mixed Reality for Education (MRE) na zajęciach online dla inżynierów

To badanie opisuje internetowy system laboratoryjny wirtualnej rzeczywistości (VR) oparty na WebVR, który zapewnia użytkownikom wciągające i interaktywne możliwości eksperymentowania wspierane przez urządzenia VR. Proponowany system nie tylko pomaga zwiększyć realizm udziału użytkowników w eksperymentach online, ale ma również zastosowanie w szerokim zakresie ram laboratoriów online.

Internetowe laboratorium sterowania w sieci wirtualnej rzeczywistości stosowane w edukacji w zakresie inżynierii sterowania

Przedstawiono uogólnioną, zgodną z zasadami FAIR metodę dla ekspertów dziedzinowych, którzy chcą zintegrować narzędzia symulacyjne i do przetwarzania danych w zautomatyzowane przepływy pracy dla wirtualnych eksperymentów 3D. Przykład neutroniki pokazuje, jak skonfigurować lokalną instancję Galaxy, integrując OpenMC i narzędzia do konwersji plików, uruchamiać przepływy pracy z Omniverse oraz wizualizacje skonwertowanych wyników 3D.

Integracja zautomatyzowanych przepływów symulacji z wizualizacją 3D do wirtualnych eksperymentów w Metaverse

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Testy rozwojowe materiałów wybuchowych do zastosowań wojskowych obejmują formułowanie na małą skalę, testy bezpieczeństwa, a na końcu testy wydajności detonacji w celu weryfikacji teoretycznych obliczeń. W tym artykule omówiono typowe testy rozwojowe związane z pomiarem prędkości detonacji i ciśnienia detonacji.

Badania i rozwój materiałów wybuchowych o wysokiej wydajności

Poznaj system eksperymentów online z wizualizacją 3D dla edukacji inżynierskiej. Łączy wiedzę teoretyczną z praktyką zdalną, umożliwiając projektowanie algorytmów i monitorowanie w czasie rzeczywistym.

Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich

Przeglądaj więcej filmów