Методическая статья

Интерактивная и визуализированная онлайн-система экспериментов для инженерного образования и исследований

DOI:

10.3791/63342

⸱

24 ноября 2021 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Эта работа описывает онлайн-систему экспериментов, которая обеспечивает визуализированные эксперименты, включая визуализацию теорий, концепций и формул, визуализацию экспериментального процесса с помощью трехмерных (3-D) виртуальных испытательных стендов и визуализацию системы управления и мониторинга с использованием виджетов, таких как диаграммы и камеры.

Аннотация

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

Экспериментирование имеет решающее значение в инженерном образовании. Эта работа исследует визуализированные эксперименты в онлайн-лабораториях для преподавания и обучения, а также исследования. Обсуждаются интерактивные и визуализирующие функции, включая реализацию алгоритма с теоретическим руководством, веб-дизайн алгоритма, настраиваемый интерфейс мониторинга и трехмерные (3D) виртуальные испытательные стенды. Для иллюстрации особенностей и функциональных возможностей предлагаемых лабораторий приведены три примера, в том числе исследование системы первого порядка с использованием схемотехнической системы с электрическими элементами, веб-проектирование алгоритма управления для виртуальных и удаленных экспериментов. Используя разработанные пользователем алгоритмы управления, можно не только проводить моделирование, но и эксперименты в режиме реального времени после того, как разработанные алгоритмы управления были скомпилированы в исполняемые алгоритмы управления. Предлагаемая онлайн-лаборатория также предоставляет настраиваемый интерфейс мониторинга, с помощью которого пользователи могут настраивать свой пользовательский интерфейс, используя предоставленные виджеты, такие как текстовое поле, диаграмма, 3D и виджет камеры. Учителя могут использовать систему для онлайн-демонстрации в классе, студенты для экспериментов после занятий, а исследователи для проверки стратегий контроля.

Введение

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

Лаборатории являются жизненно важной инфраструктурой для исследований и образования. Когда обычные лаборатории недоступны и /или недоступны по разным причинам, например, недоступные закупки и стоимость обслуживания, соображения безопасности и кризисы, такие как пандемия коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19), онлайн-лаборатории могут предложить альтернативы1,2,3. Как и в обычных лабораториях, в онлайн-лабораториях был достигнут значительный прогресс, такой как интерактивные функции4 и настраиваемые эксперименты5. До и во время пандемии COVID-19 онлайн-лаборатории предоставляют экспериментальные услуги пользователям по всему миру6,7.

Среди онлайн-лабораторий удаленные лаборатории могут предоставить пользователям опыт, аналогичный практическим экспериментам, при поддержке физических испытательных стендов и камер8. С развитием Интернета, связи, компьютерной графики и технологий рендеринга виртуальные лаборатории также предоставляют альтернативы обычным лабораториям1. Эффективность удаленных и виртуальных лабораторий для поддержки исследований и образования была подтверждена в соответствующей литературе1,9,10.

Предоставление визуализированных экспериментов имеет решающее значение для онлайн-лабораторий, и визуализация в онлайн-экспериментах стала тенденцией. Различные методы визуализации достигаются в онлайн-лабораториях, например, кривые диаграммы, двумерные (2-D) испытательные стенды и трехмерные (3-D) испытательные стенды11. В контрольном образовании многочисленные теории, концепции и формулы неясны для понимания; таким образом, визуализированные эксперименты имеют жизненно важное значение для улучшения преподавания, обучения студентов и исследований. Вовлеченную визуализацию можно разделить на следующие три категории: (1) визуализация теорий, концепций и формул с помощью веб-алгоритма проектирования и реализации, с помощью которых можно проводить моделирование и эксперименты; (2) Визуализация экспериментального процесса с помощью 3-D виртуальных испытательных стендов; (3) Визуализация управления и мониторинга с помощью виджетов, таких как диаграмма и виджет камеры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

В этой работе представлены три отдельных визуализированных примера для улучшения преподавания, обучения и исследований, к которым можно получить доступ через Лабораторию сетевых систем управления (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Пример 1: Система первого порядка, использующая протокол экспериментирования на основе схем

  1. Доступ к системе NCSLab.
    1. Откройте основной веб-браузер и введите URL-адрес https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
    2. Нажмите кнопку Начать эксперимент в левой части главной страницы, чтобы войти в систему. Имя пользователя: whutest; пароль: whutest.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для двух других примеров (Пример 2 и Пример 3).
    3. Введите WHULab в левый список подлабораторий и выберите WHUtypicalLinks для экспериментов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Шесть подинтерфейсов разработаны и реализованы для различных целей для поддержки моделирования и экспериментов в реальном времени.
    4. Введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может выбрать модель общедоступного алгоритма, разработанную и используемую другими авторизованными пользователями, или создать новую модель.
    5. Выберите и нажмите кнопку Создать новую модель и войдите в веб-интерфейс алгоритма. Постройте принципиальную схему, используя предоставленные блоки, как показано на рисунке 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Другой операционный усилитель (операционный усилитель) (Op-Amp2 на рисунке 1) используется для отмены сдвига фазы на 180°. Чтобы обеспечить настройку входного сигнала, резисторов и конденсатора, один переменный конденсатор и два переменных резистора в библиотеке ELECTRIC ELEMENTS и четыре блока констант из библиотеки SOURCES выбираются из левой панели библиотеки блоков.
    6. Дважды щелкните соответствующие блоки, чтобы задать параметры, перечисленные в таблице 1. Установите диапазон оси X диаграммы равным 8 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После двойного щелчка по блоку срабатывает всплывающее окно, которое включает в себя описания блока и может быть использовано для установки параметра. Пример резистора (R3) проиллюстрирован на рисунке 1.
    7. Нажмите на кнопку Начать моделирование ; результат моделирования будет предоставлен в интерфейсе, как показано на рисунке 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для двух других примеров с другими испытательными стендами. Результаты моделирования могут предоставить пользователям информацию для повторной проверки разработанной системы на основе схем, чтобы избежать неправильной схемы. Тем не менее, неисправная цепь не причинит вреда пользователям или системе, поэтому пользователям не придется беспокоиться о последствиях.
    8. Нажмите кнопку Начать компиляцию . Подождите, пока разработанная блок-схема не будет сгенерирована в исполняемый алгоритм управления, который может быть загружен и выполнен в пульте дистанционного управления, развернутом на стороне испытательной установки для реализации алгоритмов управления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для следующих экспериментов с другими испытательными стендами.
    9. Проводите эксперименты в режиме реального времени с использованием сгенерированного алгоритма управления. Нажмите кнопку Request Control , чтобы подать заявку на управление системой схемы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: "Контроль запросов" - это механизм планирования для системы. Как только пользователю предоставляется привилегия управления, он может проводить эксперименты с соответствующей тестовой установкой. Только один пользователь может одновременно занимать тестовую установку для физических тестовых установок, и механизм планирования очередей был реализован для планирования других потенциальных пользователей на основе правила First Come First Served 11. Для виртуальных тестовых установок одновременно может поддерживаться огромное количество пользователей. Было проведено эффективное тестирование 500 одновременных экспериментов пользователей. Для системы на основе схем 50 пользователей могут получить доступ к системе одновременно.
    10. Нажмите кнопку «Вернуть» в подинтерфейсе «Разработка алгоритма ». Найдите исполняемый алгоритм управления на панели «Частные модели алгоритмов ».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Исполняемый алгоритм управления также можно найти на панели «Мой алгоритм» в подинтерфейсе «Алгоритм управления ».
    11. Нажмите кнопку «Провести эксперимент», чтобы загрузить разработанный алгоритм управления на пульт дистанционного управления.
    12. Введите подинтерфейс Configuration и нажмите кнопку Create New Monitor(Создать новый монитор ), чтобы настроить интерфейс мониторинга, как показано на рисунке 2. Включены четыре текстовых поля для настройки параметров и один график кривых для мониторинга сигнала.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Диаграмма справа на рисунке 2 является той же диаграммой, что и диаграмма слева, которая была добавлена для демонстрации данных с помощью кнопки Suspend .
    13. Свяжите сигналы и параметры с выбранными виджетами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Параметр / Вход, Параметр / R0, Параметр / R1 и Параметр / C для четырех текстовых полей, соответственно, и Параметр / Вход и Сигнал / Выход для диаграммы кривой.
    14. Нажмите кнопку Пуск , чтобы начать эксперимент.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг также подходит для следующих экспериментов с другими испытательными стендами. Пользователи могут сохранить конфигурацию для дальнейшего использования.
    15. Установите входное напряжение на 0 В, настройте конденсатор C на 5 мкФ (0,000005 на рисунке 2), а затем установите входное напряжение на 1 В; динамический процесс выходного напряжения проиллюстрирован на рисунке 2.
  2. Рассчитайте соответствующие параметры K и T.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Константа времени может быть рассчитана, когда выход достигает 63,2% от конечного значения K после t = T, что равно 0,63212. Из рисунка 2 видно, что длительность времени равна 1 с, таким образом, T = 1, что согласуется с теорией, в которой T = R1C = 200000*0,000005 = 1, а K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (что равно конечному значению)12. Таким образом, система первого порядка может быть указана как: figure-protocol-1.

2. Пример 2: Интерактивный и визуализированный протокол виртуального экспериментирования

  1. Используйте систему NCSLab для проведения моделирования и экспериментов в режиме реального времени.
    1. Войдите в систему NCSLab. Войдите в подлабораторию ProcessControl и выберите тестовую установку dualTank , а затем введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ».
    2. Спроектируйте алгоритм управления пропорционально-интегральной производной (PID) с использованием веб-интерфейса, предоставляемого NCSLab, следуя шагам, описанным в примере 1. На рисунке 3 приведен пример алгоритма для системы с двумя резервуарами.
    3. Дважды щелкните на ПИД-контроллере и настройте параметры для пропорциональных (P), интегральных (I) и производных (D) терминов. Установите P = 1,12, I = 0,008 и D = 6,6 соответственно.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Термины P, I и D должны быть настроены в сочетании с результатом моделирования.
    4. Нажмите на кнопку Начать моделирование ; появится результат моделирования, который включен в правую часть рисунка 3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Видно, что производительность управления хорошая, а алгоритм управления готов к экспериментам в режиме реального времени.
    5. Сгенерируйте алгоритм исполняемого элемента управления, выполнив ранее упомянутые шаги.
    6. Загрузите алгоритм управления на пульт дистанционного управления и настройте интерфейс мониторинга с четырьмя текстовыми полями для Set_point, P, I и D соответственно.
    7. Включите диаграмму для мониторинга уровня воды и соответствующие Set_point. Выберите 3-D виджет, который может предоставить все углы испытательных стендов и анимацию уровня воды, связанную с данными в реальном времени.
    8. Нажмите на кнопку Пуск ; затем интерфейс мониторинга будет активирован, как показано на рисунке 4, который представляет собой визуализированный виртуальный эксперимент.
    9. Установите Set_point от 10 см до 5 см, а затем установите I = 0,1, когда высота уровня воды в контролируемом резервуаре достигнет и стабилизируется на уровне 5 см. Сброс заданного значения с 5 см до 15 см; из рисунка 4 видно, что наблюдается превышение.
    10. Настройте I от 0,1 до 0,01 и сбросьте заданное значение с 15 см до 25 см. Видно, что превышение устранено, а уровень воды может быстро стабилизироваться при заданном значении 25 см.

3. Пример 3: Исследования с использованием протокола удаленных и виртуальных лабораторий

  1. Проведите эксперимент в режиме реального времени в NCSLab.
    1. Войдите в систему NCSLab и выберите Управление скоростью вентилятора в подлаборатории Remote Laboratory.
    2. Введите подинтерфейс «Проектирование алгоритмов ». Перетащите блоки, чтобы построить диаграмму алгоритма управления внутренней моделью (IMC), как показано на рисунке 5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: F(s) и Gm(s)-1 спроектированы так, как показано на рисунке 5, в котором проиллюстрирован разработанный алгоритм управления с использованием NCSLab для управления системой управления скоростью вращения вентиляторов в удаленном и виртуальном лабораторном режиме.
    3. Сгенерируйте исполняемый алгоритм управления и используйте систему управления скоростью вентилятора для проверки разработанного алгоритма IMC.
    4. Настройте интерфейс мониторинга. Свяжите два текстовых поля с двумя параметрами, а именно: Set_point и лямбда (для λ , который является константой времени фильтра) для настройки, и график в реальном времени с Set_point и скорость для мониторинга. Выберите виджет 3D-модели вентилятора и виджет камеры для мониторинга.
    5. Нажмите кнопку Пуск , чтобы активировать эксперименты в режиме реального времени. Сбросьте Set_point с 2 000 об/мин до 1 500 об/мин, а затем сбросьте его с 1 500 об/мин до 2 500 об/мин, результат которого показан на рисунке 6.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Можно сделать вывод, что при λ = 1 система может быть стабилизирована до ступенчатой ссылки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Предлагаемая лабораторная система использовалась в нескольких различных учениках в Уханьском университете, таких как автоматизация, энергетика и энергетика, машиностроение и другие университеты, такие как Хэнаньский сельскохозяйственный университет6.

Преподавателям/студентам/исследователям предоставляется большая гибкость для изучения системы с использованием различных виртуальных и/или физических испытательных стендов, определения их алгоритмов управления и настройки и...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Представленный протокол описывает гибридную онлайн-лабораторную систему, которая объединяет физические испытательные стенды для удаленных экспериментов и 3-D виртуальные испытательные стенды для виртуальных экспериментов. Для процесса проектирования алгоритма предусмотрено несколько различных блочных библиотек, таких как электрические элементы для проектирования на основе схем. Пользователи из опыта управления могут сосредоточиться на обучении без навыков программирования. Следует рассмотреть вопрос о правильном проектир...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках грантового 62103308, грантового 62173255, грантового 62073247 и грантового 61773144.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Система управления скоростью вращения вентилятора//Сделано нашей командой
https://www.powersim.whu.edu.cn/reactСделано нашей командой

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

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

Похожие статьи