نظام التجريب التفاعلي والمصور عبر الإنترنت للتعليم والبحث الهندسي

Summary

يصف هذا العمل نظام التجريب عبر الإنترنت الذي يوفر تجارب مرئية ، بما في ذلك تصور النظريات والمفاهيم والصيغ ، وتصور العملية التجريبية باستخدام منصات اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D) ، وتصور نظام التحكم والمراقبة باستخدام عناصر واجهة مستخدم مثل الرسوم البيانية والكاميرات.

Abstract

التجريب أمر بالغ الأهمية في التعليم الهندسي. يستكشف هذا العمل التجارب المصورة في المختبرات عبر الإنترنت للتعليم والتعلم وكذلك البحث. تتم مناقشة الميزات التفاعلية والتصورية ، بما في ذلك تنفيذ الخوارزمية الموجهة نظريا ، وتصميم الخوارزمية المستندة إلى الويب ، وواجهة المراقبة القابلة للتخصيص ، ومنصات الاختبار الافتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D). ولتوضيح سمات المختبرات المقترحة ووظائفها، تقدم ثلاثة أمثلة، بما في ذلك استكشاف النظام من الدرجة الأولى باستخدام نظام قائم على الدائرة مع عناصر كهربائية، وتصميم خوارزمية تحكم على شبكة الإنترنت للتجريب الافتراضي وعن بعد. باستخدام خوارزميات التحكم المصممة من قبل المستخدم ، لا يمكن إجراء عمليات المحاكاة فحسب ، بل يمكن أيضا إجراء تجارب في الوقت الفعلي بمجرد تجميع خوارزميات التحكم المصممة في خوارزميات تحكم قابلة للتنفيذ. يوفر المختبر المقترح عبر الإنترنت أيضا واجهة مراقبة قابلة للتخصيص ، حيث يمكن للمستخدمين تخصيص واجهة المستخدم الخاصة بهم باستخدام الأدوات المتوفرة مثل مربع النص والرسم البياني و 3-D وأداة الكاميرا. يمكن للمعلمين استخدام النظام للعرض التوضيحي عبر الإنترنت في الفصل الدراسي ، والطلاب للتجريب بعد الفصل الدراسي ، والباحثين للتحقق من استراتيجيات التحكم.

Introduction

المختبرات هي بنية تحتية حيوية للبحث والتعليم. عندما لا تكون المختبرات التقليدية متاحة و / أو يمكن الوصول إليها لأسباب مختلفة ، على سبيل المثال ، تكاليف الشراء والصيانة التي لا يمكن تحملها ، واعتبارات السلامة ، والأزمات مثل جائحة مرض فيروس كورونا 2019 (COVID-19) ، يمكن للمختبرات عبر الإنترنت تقديم ^{بدائل1،2،3}. وعلى غرار المختبرات التقليدية، أحرز تقدم كبير مثل الميزات ^{التفاعلية4} والتجارب القابلة ^{للتخصيص5} في المختبرات عبر الإنترنت. قبل وأثناء جائحة COVID-19 ، تقدم المختبرات عبر الإنترنت خدمات تجريبية للمستخدمين في جميع أنحاء ^{العالم6,7}.

من بين المختبرات عبر الإنترنت، يمكن للمختبرات البعيدة أن توفر للمستخدمين تجربة مماثلة للتجارب العملية بدعم من منصات الاختبار المادية ^{والكاميرات8}. ومع تقدم الإنترنت، والاتصالات، والرسومات الحاسوبية، وتقنيات التقديم، توفر المختبرات الافتراضية أيضا بدائل للمختبرات ^{التقليدية1}. تم التحقق من فعالية المختبرات البعيدة والافتراضية لدعم البحث والتعليم في الأدبيات ذات ^{الصلة1،9،10}.

يعد توفير التجارب المرئية أمرا بالغ الأهمية للمختبرات عبر الإنترنت ، وأصبح التصور في التجريب عبر الإنترنت اتجاها. يتم تحقيق تقنيات تصور مختلفة في المختبرات عبر الإنترنت ، على سبيل المثال ، مخططات المنحنيات ، ومنصات الاختبار ثنائية الأبعاد (2-D) ، ومنصات الاختبار ثلاثية الأبعاد (3-D) ¹¹. في التعليم الضابط ، العديد من النظريات والمفاهيم والصيغ غامضة الفهم. وبالتالي ، فإن التجارب المرئية حيوية لتعزيز التدريس وتعلم الطلاب والبحث. ويمكن استنتاج التصور المعني في الفئات الثلاث التالية: (1) تصور النظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم الخوارزميات وتنفيذها على شبكة الإنترنت، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للنظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم وتنفيذ الخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي والصيغ باستخدام الخوارزمية القائمة على الويب وتنفيذها، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي مع تصميم الخوارزميات وتنفيذها على (2) تصور العملية التجريبية باستخدام أجهزة اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد ؛ (3) تصور التحكم والمراقبة باستخدام الحاجيات مثل الرسم البياني وأداة الكاميرا.

Protocol

في هذا العمل ، يتم توفير ثلاثة أمثلة مرئية منفصلة لتعزيز التعليم والتعلم والبحث ، والتي يمكن الوصول إليها عبر مختبر نظام التحكم الشبكي (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. مثال 1: نظام من الدرجة الأولى باستخدام بروتوكول التجريب القائم على الدائرة

1. الوصول إلى نظام NCSLab.
   1. افتح متصفح ويب سائد وأدخل عنوان URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
   2. انقر فوق الزر "بدء التجربة " على الجانب الأيسر من الصفحة الرئيسية لتسجيل الدخول إلى النظام. اسم المستخدم: whutest; كلمة المرور: whutest.
      ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا مثالين آخرين (المثال 2 والمثال 3).
   3. أدخل WHULab في قائمة المختبر الفرعي على الجانب الأيسر واختر WHUtypicalLinks للتجريب.
      ملاحظة: تم تصميم وتنفيذ ست واجهات فرعية لأغراض مختلفة لدعم المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي.
   4. أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية .
      ملاحظة: يمكن للمستخدم اختيار نموذج خوارزمية عام تم تصميمه ومشاركته من قبل مستخدمين مصرح لهم آخرين أو إنشاء نموذج جديد.
   5. اختر وانقر فوق الزر إنشاء نموذج جديد وأدخل واجهة الخوارزمية المستندة إلى الويب. قم ببناء مخطط دائرة باستخدام الكتل المتوفرة، كما هو موضح في الشكل 1.
      ملاحظة: يستخدم مضخم صوت تشغيلي آخر (op-amp) (Op-Amp2 في الشكل 1) لإلغاء إزاحة الطور 180 درجة. للتأكد من أن المدخلات والمقاومات والمكثف قابلة للضبط، يتم تحديد مكثف متغير واحد ومقاومين متغيرين في مكتبة ELECTRIC ELEMENTS وأربع كتل ثابتة من مكتبة SOURCES من لوحة مكتبة الكتلة على الجانب الأيسر.
   6. انقر نقرا مزدوجا فوق الكتل المقابلة لتعيين المعلمات كما هو موضح في الجدول 1. اضبط نطاق المحور X للمخطط على 8 ثوان.
      ملاحظة: سيتم تشغيل نافذة منبثقة بعد النقر المزدوج على الكتلة، والتي تتضمن أوصاف الكتلة ويمكن استخدامها لإعداد المعلمة. يوضح الشكل 1 مثالا على المقاوم (R3).
   7. انقر فوق الزر "بدء المحاكاة " ؛ سيتم توفير نتيجة المحاكاة في الواجهة ، كما هو مدرج في الشكل 1.
      ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا المثالين الآخرين مع منصات الاختبار الأخرى. يمكن أن توفر نتائج المحاكاة معلومات للمستخدمين لإعادة فحص النظام المصمم القائم على الدائرة لتجنب حدوث دائرة خاطئة. ومع ذلك ، فإن الدائرة المعيبة لن تسبب أي ضرر للمستخدمين أو النظام ، لذلك لا داعي للقلق بشأن العواقب.
   8. انقر فوق الزر "بدء التجميع ". انتظر حتى يتم إنشاء مخطط الكتلة المصمم في خوارزمية تحكم قابلة للتنفيذ يمكن تنزيلها وتنفيذها في وحدة التحكم عن بعد المنشورة على جانب جهاز الاختبار لتنفيذ خوارزميات التحكم.
      ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا التجارب التالية مع أجهزة الاختبار الأخرى.
   9. قم بإجراء تجارب في الوقت الفعلي باستخدام خوارزمية التحكم التي تم إنشاؤها. انقر على زر طلب التحكم للتقدم بطلب للتحكم في نظام الدائرة.
      ملاحظة: "طلب التحكم" هي آلية الجدولة للنظام. بمجرد منح المستخدم امتياز التحكم ، يمكن للمستخدم إجراء تجارب على جهاز الاختبار المقابل. يمكن لمستخدم واحد فقط شغل جهاز الاختبار في كل مرة لمنصات الاختبار الفعلية ، وقد تم تنفيذ آلية جدولة قائمة الانتظار لجدولة المستخدمين المحتملين الآخرين استنادا إلى قاعدة من يأتي أولا يخدم ^أولا11. بالنسبة لمنصات الاختبار الافتراضية ، يمكن دعم عدد كبير من المستخدمين في وقت واحد. تم اختبار 500 تجربة متزامنة للمستخدم بشكل فعال. بالنسبة للنظام القائم على الدائرة ، يمكن ل 50 مستخدما الوصول إلى النظام في وقت واحد.
   10. انقر فوق الزر " إرجاع " إلى الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية . ابحث عن خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ ضمن لوحة نماذج الخوارزميات الخاصة .
       ملاحظة: يمكن أيضا العثور على خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ في لوحة الخوارزمية الخاصة بي في الواجهة الفرعية لخوارزمية التحكم .
   11. انقر فوق الزر إجراء تجربة لتنزيل خوارزمية التحكم المصممة إلى وحدة تحكم عن بعد.
   12. أدخل واجهة التكوين الفرعية وانقر فوق الزر إنشاء شاشة جديدة لتكوين واجهة مراقبة ، كما هو موضح في الشكل 2. يتم تضمين أربعة مربعات نص لضبط المعلمات ومخطط منحنى واحد لمراقبة الإشارة.
       ملاحظة: المخطط الموجود على اليمين في الشكل 2 هو نفس المخطط الموجود في اليسار، والذي تمت إضافته لإظهار البيانات باستخدام الزر تعليق .
   13. اربط الإشارات والمعلمات بالأدوات المحددة.
       ملاحظة: المعلمة / الإدخال ، المعلمة / R0 ، المعلمة / R1 ، والمعلمة / C لأربعة مربعات نص ، على التوالي ، والمعلمة / الإدخال والإشارة / الإخراج لمخطط المنحنى.
   14. انقر فوق الزر ابدأ لبدء التجربة.
       ملاحظة: تناسب هذه الخطوة أيضا التجارب التالية مع أجهزة الاختبار الأخرى. يمكن للمستخدمين حفظ التكوين للاستخدام في المستقبل.
   15. اضبط جهد الإدخال على 0 فولت ، وقم بضبط المكثف C إلى 5 μF (0.000005 في الشكل 2) ، ثم اضبط جهد الإدخال على 1 فولت ؛ ويوضح الشكل 2 العملية الديناميكية لجهد الخرج.
2. حساب المعلمات المقابلة K و T.
   ملاحظة: يمكن حساب ثابت الوقت عندما يصل الناتج إلى 63.2٪ من القيمة النهائية K بعد t = T، وهو 0.63212. من الشكل 2 ، يمكن ملاحظة أن المدة الزمنية هي 1 s ، وبالتالي ، T = 1 ، وهو ما يتفق مع النظرية التي ، T = _R1C = 200000 * 0.000005 = 1 ، و K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (وهو ما يساوي القيمة النهائية)¹². وبالتالي ، يمكن تحديد نظام الدرجة الأولى على النحو التالي: .

2. مثال 2: بروتوكول التجريب الافتراضي التفاعلي والمرئي

1. استخدم نظام NCSLab لإجراء المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي.
   1. قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab. أدخل المختبر الفرعي ProcessControl واختر جهاز اختبار DualTank ، ثم أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية .
   2. صمم خوارزمية تحكم مشتقة تناسبية متكاملة (PID) باستخدام واجهة الويب التي يوفرها NCSLab باتباع الخطوات الموضحة في المثال 1. الشكل 3 هو مثال خوارزمية لنظام الخزان المزدوج.
   3. انقر نقرا مزدوجا فوق وحدة تحكم PID ، وقم بضبط المعلمات للمصطلحات النسبية (P) والمتكاملة (I) والمشتقة (D). تعيين P = 1.12 ، I = 0.008 و D = 6.6 ، على التوالي.
      ملاحظة: يجب ضبط المصطلحات P وI وD جنبا إلى جنب مع نتيجة المحاكاة.
   4. انقر فوق الزر "بدء المحاكاة " ؛ ستظهر نتيجة المحاكاة ، والتي يتم تضمينها على الجانب الأيمن من الشكل 3.
      ملاحظة: يمكن ملاحظة أن أداء التحكم جيد ، وأن خوارزمية التحكم جاهزة للتجريب في الوقت الفعلي.
   5. قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ باتباع الخطوات المذكورة سابقا.
   6. قم بتنزيل خوارزمية التحكم إلى وحدة التحكم عن بعد وقم بتكوين واجهة مراقبة مع أربعة مربعات نصية ل Set_point و P و I و D ، على التوالي.
   7. قم بتضمين مخطط لرصد مستوى المياه Set_point المقابلة. اختر أداة 3-D ، والتي يمكن أن توفر جميع زوايا منصات الاختبار والرسوم المتحركة لمستوى المياه المتصلة بالبيانات في الوقت الفعلي.
   8. انقر فوق الزر "ابدأ " ؛ بعد ذلك ، سيتم تنشيط واجهة المراقبة كما هو موضح في الشكل 4 ، والذي يوفر تجربة افتراضية مرئية.
   9. اضبط Set_point من 10 سم إلى 5 سم ، ثم اضبط I = 0.1 عندما يصل ارتفاع مستوى الماء في الخزان المتحكم فيه ويستقر عند 5 سم. إعادة تعيين نقطة الضبط من 5 سم إلى 15 سم ؛ يمكن أن نرى من الشكل 4 أن هناك تجاوزا.
   10. قم بضبط I من 0.1 إلى 0.01 وأعد تعيين نقطة الضبط من 15 سم إلى 25 سم. يمكن ملاحظة أن التجاوز قد تم القضاء عليه ، ويمكن أن يستقر مستوى الماء بسرعة عند قيمة نقطة الضبط البالغة 25 سم.

3. مثال 3: البحث باستخدام بروتوكول المختبرات البعيدة والافتراضية

1. إجراء تجربة في الوقت الحقيقي في NCSLab.
   1. قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab واختر التحكم في سرعة المروحة في المختبر الفرعي للمختبر عن بعد.
   2. أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية . اسحب الكتل لإنشاء الرسم التخطيطي لخوارزمية التحكم في النموذج الداخلي (IMC)، كما هو موضح في الشكل 5.
      ملاحظة: تم تصميم F(s) و _Gm(s)^-1 كما هو موضح في الشكل 5 ، حيث يتم توضيح خوارزمية التحكم المصممة باستخدام NCSLab للتحكم في نظام التحكم في سرعة المروحة في وضع المختبر البعيد والافتراضي.
   3. قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ واستخدم نظام التحكم في سرعة المروحة للتحقق من خوارزمية IMC المصممة.
   4. تكوين واجهة مراقبة. اربط مربعي نص بمعلمتين ، وهما Set_point و lambda (ل λ وهو ثابت وقت التصفية) للضبط ، ومخطط في الوقت الفعلي مع Set_point والسرعة للمراقبة. حدد عنصر واجهة مستخدم طراز 3-D للمروحة وأداة الكاميرا للمراقبة.
   5. انقر فوق الزر ابدأ لتنشيط التجريب في الوقت الفعلي. أعد تعيين Set_point من 2000 دورة في الدقيقة إلى 1500 دورة في الدقيقة، ثم أعد تعيينها من 1500 دورة في الدقيقة إلى 2500 دورة في الدقيقة، وتظهر النتيجة في الشكل 6.
      ملاحظة: يمكن الاستنتاج أنه عندما λ = 1 يمكن تثبيت النظام إلى مرجع خطوة.

النتائج

تم استخدام نظام المختبر المقترح في العديد من التلاميذ المختلفين في جامعة ووهان ، مثل الأتمتة وهندسة الطاقة والطاقة والهندسة الميكانيكية وجامعات أخرى ، مثل جامعة خنان ^{الزراعية6}.

يتم تزويد المعلمين / الطلاب / الباحثين بمرونة كبيرة لاستكشاف النظام باستخدام منصات...

Discussion

يصف البروتوكول المقدم نظام مختبر هجين عبر الإنترنت يدمج منصات الاختبار المادية للتجريب عن بعد ومنصات الاختبار الافتراضية 3-D للتجريب الافتراضي. يتم توفير العديد من مكتبات الكتل المختلفة لعملية تصميم الخوارزمية ، مثل العناصر الكهربائية للتصميم القائم على الدائرة. يمكن للمستخدمين من خلفي?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fan speed control system	/	/	Made by our team
https://www.powersim.whu.edu.cn/react			Made by our team