Interaktives und visualisiertes Online-Experimentiersystem für Ingenieurausbildung und -forschung

Zusammenfassung

Diese Arbeit beschreibt ein Online-Experimentiersystem, das visualisierte Experimente bereitstellt, einschließlich der Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln, der Visualisierung des experimentellen Prozesses mit dreidimensionalen (3D) virtuellen Prüfständen und der Visualisierung des Steuerungs- und Überwachungssystems mit Widgets wie Diagrammen und Kameras.

Zusammenfassung

Experimentieren ist in der Ingenieurausbildung von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit untersucht visualisierte Experimente in Online-Laboren für das Lehren und Lernen und auch für die Forschung. Interaktive und visualisierende Funktionen, einschließlich theoriegeführter Algorithmusimplementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, anpassbare Überwachungsschnittstelle und dreidimensionale (3D) virtuelle Prüfstände werden diskutiert. Um die Merkmale und Funktionalitäten der vorgeschlagenen Labore zu veranschaulichen, werden drei Beispiele bereitgestellt, darunter die Systemerkundung erster Ordnung unter Verwendung eines schaltungsbasierten Systems mit elektrischen Elementen sowie das webbasierte Steuerungsalgorithmusdesign für virtuelle und Fernexperimente. Mit benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen können nicht nur Simulationen durchgeführt werden, sondern auch Echtzeitexperimente durchgeführt werden, sobald die entworfenen Steuerungsalgorithmen zu ausführbaren Steuerungsalgorithmen kompiliert wurden. Das vorgeschlagene Online-Labor bietet auch eine anpassbare Überwachungsoberfläche, mit der Benutzer ihre Benutzeroberfläche mithilfe der bereitgestellten Widgets wie Textfeld, Diagramm, 3D und Kamera-Widget anpassen können. Lehrer können das System für Online-Demonstrationen im Klassenzimmer verwenden, Schüler für Experimente nach dem Unterricht und Forscher, um Kontrollstrategien zu überprüfen.

Einleitung

Labore sind eine wichtige Infrastruktur für Forschung und Lehre. Wenn herkömmliche Labore aus verschiedenen Gründen nicht verfügbar und/oder zugänglich sind, z. B. unerschwingliche Anschaffungs- und Wartungskosten, Sicherheitsüberlegungen und Krisen wie die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), können Online-Labore Alternativen ^{anbieten1,2,3}. Wie in herkömmlichen Laboren wurden auch in den Online-Laboren erhebliche Fortschritte wie interaktive ^Funktionen4 und anpassbare ^Experimente5 erzielt. Vor und während der COVID-19-Pandemie bieten Online-Labore experimentelle Dienste für Nutzer auf der ganzen Welt ^an6,7.

Unter den Online-Labors können Remote-Labore den Benutzern eine ähnliche Erfahrung wie praktische Experimente mit Unterstützung von physischen Prüfständen und Kameras ^bieten8. Mit der Weiterentwicklung des Internets, der Kommunikation, der Computergrafik und der Rendering-Technologien bieten virtuelle Labore auch Alternativen zu herkömmlichen ^Labors1. Die Wirksamkeit von Remote- und virtuellen Labors zur Unterstützung von Forschung und Bildung wurde in einschlägiger Literatur bestätigt1,9,10.

Die Bereitstellung von visualisierten Experimenten ist für Online-Labore von entscheidender Bedeutung, und die Visualisierung im Online-Experiment ist zu einem Trend geworden. In Online-Laboren werden unterschiedliche Visualisierungstechniken durchgeführt, z. B. Kurvendiagramme, zweidimensionale (2-D) Prüfstände und dreidimensionale (3-D) ^{Prüfstände11}. In der Kontrollerziehung sind zahlreiche Theorien, Konzepte und Formeln unklar zu verstehen; Daher sind visualisierte Experimente von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Unterrichts, des Lernens und der Forschung der Schüler. Die damit verbundene Visualisierung kann in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden: (1) Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln mit webbasiertem Algorithmusdesign und -implementierung, mit dem Simulation und Experimente durchgeführt werden können; (2) Visualisierung des experimentellen Prozesses mit virtuellen 3D-Prüfständen; (3) Visualisierung der Steuerung und Überwachung mit Widgets wie einem Diagramm und einem Kamera-Widget.

Protokoll

In dieser Arbeit werden drei separate visualisierte Beispiele zur Verbesserung von Lehre und Lernen und Forschung bereitgestellt, auf die über das Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react zugegriffen werden kann.

1. Beispiel 1: System erster Ordnung mit schaltungsbasiertem Experimentierprotokoll

1. Greifen Sie auf das NCSLab-System zu.
   1. Öffnen Sie einen gängigen Webbrowser und geben Sie die URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react ein.
   2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten auf der linken Seite der Hauptseite, um sich beim System anzumelden. Benutzername: whutest; Passwort: whutest.
      HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für zwei andere Beispiele (Beispiel 2 und Beispiel 3).
   3. Geben Sie das WHULab in die linke Unterlaborliste ein und wählen Sie WHUtypicalLinks für Experimente.
      HINWEIS: Sechs Unterschnittstellen sind für verschiedene Zwecke konzipiert und implementiert, um Simulation und Echtzeitexperimente zu unterstützen.
   4. Geben Sie die Unterschnittstelle Algorithm Design ein.
      HINWEIS: Der Benutzer kann ein öffentliches Algorithmusmodell auswählen, das von anderen autorisierten Benutzern entworfen und freigegeben wurde, oder ein neues Modell erstellen.
   5. Wählen und klicken Sie auf die Schaltfläche Neues Modell erstellen und rufen Sie die webbasierte Algorithmusoberfläche auf. Erstellen Sie einen Schaltplan mit den bereitgestellten Blöcken, wie in Abbildung 1 dargestellt.
      HINWEIS: Ein weiterer Operationsverstärker (Operationsverstärker) (Op-Amp2 in Abbildung 1) wird verwendet, um die 180°-Phasenverschiebung aufzuheben. Um sicherzustellen, dass der Eingang, die Widerstände und der Kondensator abstimmbar sind, werden ein variabler Kondensator und zwei variable Widerstände in der ELECTRIC ELEMENTS-Bibliothek und vier konstante Blöcke aus der SOURCES-Bibliothek im linken Blockbibliotheksbereich ausgewählt.
   6. Doppelklicken Sie auf die entsprechenden Blöcke, um die in Tabelle 1 aufgeführten Parameter festzulegen. Legen Sie den X-Achsenbereich des Diagramms auf 8 s fest.
      HINWEIS: Nach einem Doppelklick auf den Baustein wird ein Popup-Fenster ausgelöst, das die Beschreibungen des Bausteins enthält und zum Setzen des Parameters verwendet werden kann. Ein Beispiel für den Widerstand (R3) ist in Abbildung 1 dargestellt.
   7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten ; Das Simulationsergebnis wird in der Benutzeroberfläche bereitgestellt, wie in Abbildung 1 dargestellt.
      HINWEIS: Dieser Schritt passt auch zu den beiden anderen Beispielen mit anderen Prüfständen. Die Simulationsergebnisse können den Benutzern Informationen liefern, um das entworfene schaltungsbasierte System erneut zu überprüfen, um eine falsche Schaltung zu vermeiden. Eine fehlerhafte Schaltung richtet jedoch keinen Schaden für die Benutzer oder das System an, so dass sich die Benutzer keine Gedanken über die Folgen machen müssen.
   8. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kompilierung starten . Warten Sie, bis das entworfene Blockdiagramm in einen ausführbaren Steuerungsalgorithmus generiert wird, der heruntergeladen und in die Auf der Prüfstandsseite eingesetzte Fernbedienung ausgeführt werden kann, um Steuerungsalgorithmen zu implementieren.
      HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für die folgenden Experimente mit anderen Prüfständen.
   9. Führen Sie Echtzeitexperimente mit dem generierten Steuerungsalgorithmus durch. Klicken Sie auf die Schaltfläche Request Control , um die Steuerung des Schaltungssystems zu beantragen.
      HINWEIS: "Request Control" ist der Scheduling-Mechanismus für das System. Sobald einem Benutzer die Steuerungsberechtigung erteilt wurde, kann der Benutzer Experimente mit dem entsprechenden Prüfstand durchführen. Für physische Prüfstände kann jeweils nur ein Benutzer den Prüfstand belegen, und der Warteschlangenplanungsmechanismus wurde implementiert, um andere potenzielle Benutzer basierend auf der First Come First ^{Served-Regel11} zu planen. Für virtuelle Prüfstände kann eine große Anzahl von Benutzern gleichzeitig unterstützt werden. 500 gleichzeitige Benutzerexperimente wurden effektiv getestet. Für das schaltungsbasierte System können 50 Benutzer gleichzeitig auf das System zugreifen.
   10. Klicken Sie auf die Schaltfläche Zurück zur Unterschnittstelle Algorithm Design . Suchen Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus im Bedienfeld "Modelle privater Algorithmen ".
       HINWEIS: Der ausführbare Steuerungsalgorithmus befindet sich auch im Bedienfeld "Mein Algorithmus " in der Unterschnittstelle "Steuerungsalgorithmus ".
   11. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment durchführen , um den entworfenen Steueralgorithmus auf eine Fernbedienung herunterzuladen.
   12. Rufen Sie die Unterschnittstelle Konfiguration auf, und klicken Sie auf die Schaltfläche Neuen Monitor erstellen , um eine Überwachungsschnittstelle zu konfigurieren, wie in Abbildung 2 dargestellt. Vier Textfelder für die Parameterabstimmung und ein Kurvendiagramm für die Signalüberwachung sind enthalten.
       HINWEIS: Das Diagramm auf der rechten Seite in Abbildung 2 ist das gleiche Diagramm wie das Diagramm auf der linken Seite, das hinzugefügt wurde, um die Daten mit der Schaltfläche Anhalten zu veranschaulichen .
   13. Verknüpfen Sie die Signale und Parameter mit den ausgewählten Widgets.
       HINWEIS: Parameter/ Input, Parameter/ R0, Parameter/ R1 und Parameter/ C für jeweils vier Textfelder und Parameter/ Input und Signal/ Output für das Kurvendiagramm.
   14. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start , um den Test zu starten.
       HINWEIS: Dieser Schritt eignet sich auch für die folgenden Experimente mit anderen Prüfständen. Benutzer können die Konfiguration für die zukünftige Verwendung speichern.
   15. Stellen Sie die Eingangsspannung auf 0 V ein, stellen Sie den Kondensator C auf 5 μF ein (0,000005 in Abbildung 2), und stellen Sie dann die Eingangsspannung auf 1 V ein. Der dynamische Prozess der Ausgangsspannung ist in Abbildung 2 dargestellt.
2. Berechnen Sie die entsprechenden Parameter K und T.
   HINWEIS: Die Zeitkonstante kann berechnet werden, wenn die Ausgabe 63,2% des Endwerts K nach t = T erreicht, was 0,63212 ^entspricht. Aus Abbildung 2 kann man sehen, dass die Zeitdauer 1 s beträgt, also T = 1, was mit der Theorie übereinstimmt, in der T = _R1C = 200000* 0,000005 = 1 und K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (was dem Endwert entspricht) ¹² übereinstimmt. Somit kann das System erster Ordnung wie folgt angegeben werden: .

2. Beispiel 2: Interaktives und visualisiertes virtuelles Experimentierprotokoll

1. Verwenden Sie das NCSLab-System, um Simulationen und Echtzeitexperimente durchzuführen.
   1. Melden Sie sich beim NCSLab-System an. Rufen Sie das ProcessControl-Teillabor auf, wählen Sie den DualTank-Prüfstand und dann die Unterschnittstelle Algorithm Design ein.
   2. Entwerfen Sie einen PID-Regelalgorithmus (Proportional-Integral-Derivative) unter Verwendung der von NCSLab bereitgestellten Webschnittstelle gemäß den in Beispiel 1 beschriebenen Schritten. Abbildung 3 ist ein Algorithmusbeispiel für das Dual-Tank-System.
   3. Doppelklicken Sie auf den PID-Regler und stimmen Sie die Parameter für proportionale (P), integrale (I) und abgeleitete (D) Terme ab. Set P = 1,12, I = 0,008 bzw. D = 6,6.
      HINWEIS: Die Terme P, I und D sollten in Kombination mit dem Simulationsergebnis abgestimmt werden.
   4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten ; Das Simulationsergebnis wird angezeigt, das auf der rechten Seite von Abbildung 3 enthalten ist.
      HINWEIS: Es ist zu erkennen, dass die Steuerungsleistung gut ist und der Steuerungsalgorithmus für Echtzeitexperimente bereit ist.
   5. Generieren Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus nach den zuvor genannten Schritten.
   6. Laden Sie den Steuerungsalgorithmus auf die Fernbedienung herunter und konfigurieren Sie eine Überwachungsschnittstelle mit vier Textfeldern für Set_point, P, I bzw. D.
   7. Fügen Sie eine Tabelle zur Überwachung des Wasserstands und der entsprechenden Set_point bei. Wählen Sie ein 3D-Widget, das alle Winkel der Prüfstände und Animationen des Wasserstands in Verbindung mit den Echtzeitdaten bereitstellen kann.
   8. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start ; Anschließend wird die Überwachungsschnittstelle aktiviert, wie in Abbildung 4 dargestellt, die ein visualisiertes virtuelles Experiment bereitstellt.
   9. Stellen Sie die Set_point von 10 cm auf 5 cm und stellen Sie dann I = 0,1 ein, wenn die Höhe des Wasserstands im kontrollierten Tank 5 cm erreicht und sich stabilisiert. Setzen Sie den Sollwert von 5 cm auf 15 cm zurück; Aus Abbildung 4 geht hervor, dass es ein Überschießen gibt.
   10. Stellen Sie I von 0,1 auf 0,01 ein und stellen Sie den Sollwert von 15 cm auf 25 cm zurück. Es ist zu erkennen, dass das Überschwingen beseitigt ist und sich der Wasserstand schnell auf dem Sollwert von 25 cm stabilisieren kann.

3. Beispiel 3: Forschung mit Remote- und Virtual-Labs-Protokoll

1. Führen Sie ein Echtzeitexperiment in NCSLab durch.
   1. Melden Sie sich beim NCSLab-System an und wählen Sie im Unterlabor Remote Laboratory die Option Fan Speed Control.
   2. Geben Sie die Unterschnittstelle Algorithm Design ein. Ziehen Sie die Blöcke, um das Diagramm des IMC-Steuerungsalgorithmus (Internal Model Control, interne Modellsteuerung) zu erstellen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
      HINWEIS: Die F(s) und _Gm(s)^-1 sind wie in Abbildung 5 dargestellt aufgebaut, in der der mit NCSLab entworfene Steuerungsalgorithmus veranschaulicht wird, um ein Lüftergeschwindigkeitssteuerungssystem in einem entfernten und virtuellen Labormodus zu steuern.
   3. Generieren Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus und verwenden Sie das Lüfterdrehzahlsteuerungssystem, um den entworfenen IMC-Algorithmus zu überprüfen.
   4. Konfigurieren Sie eine Überwachungsschnittstelle. Verknüpfen Sie zwei Textfelder mit zwei Parametern, nämlich dem Set_point und Lambda (für λ , das die Filterzeitkonstante ist) für die Abstimmung und einem Echtzeitdiagramm mit den Set_point und Geschwindigkeit für die Überwachung. Wählen Sie das 3D-Modell-Widget des Lüfters und das Kamera-Widget für die Überwachung aus.
   5. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start , um das Experimentieren in Echtzeit zu aktivieren. Setzen Sie den Set_point von 2.000 U/min auf 1.500 U/min und dann von 1.500 U/min auf 2.500 U/min zurück, dessen Ergebnis in Abbildung 6 dargestellt ist.
      ANMERKUNG: Es kann gefolgert werden, dass bei λ = 1 das System zu einer Stufenreferenz stabilisiert werden kann.

Ergebnisse

Das vorgeschlagene Laborsystem wurde von verschiedenen Schülern an der Wuhan University verwendet, wie der Automatisierungs-, Energie- und Energietechnik, dem Maschinenbau und anderen Universitäten wie der Henan Agricultural ^University6.

Lehrer/Studenten/Forscher haben große Flexibilität, um das System mit verschiedenen virtuellen und/oder physischen Prüfständen zu erkunden, ihre Steuerungsalgorithmen zu definieren und ihre Überwachungsschnittstelle anzupassen. S...

Diskussion

Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein hybrides Online-Laborsystem, das physische Prüfstände für Fernexperimente und virtuelle 3D-Prüfstände für virtuelle Experimente integriert. Für den Algorithmusentwurfsprozess stehen mehrere verschiedene Blockbibliotheken zur Verfügung, z. B. die elektrischen Elemente für den schaltungsbasierten Entwurf. Benutzer mit Kontrollhintergründen können sich auf das Lernen ohne Programmierkenntnisse konzentrieren. Das richtige Design eines Regelalgorithmus, der auf einen geeign...

Materialien

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