Sistema de experimentación en línea interactivo y visualizado para la educación e investigación en ingeniería

Resumen

Este trabajo describe un sistema de experimentación en línea que proporciona experimentos visualizados, incluida la visualización de teorías, conceptos y fórmulas, visualizando el proceso experimental con plataformas de prueba virtuales tridimensionales (3-D) y visualizando el sistema de control y monitoreo utilizando widgets como gráficos y cámaras.

Resumen

La experimentación es crucial en la educación en ingeniería. Este trabajo explora experimentos visualizados en laboratorios en línea para la enseñanza y el aprendizaje y también la investigación. Se discuten las características interactivas y de visualización, incluida la implementación de algoritmos guiados por teoría, el diseño de algoritmos basados en la web, la interfaz de monitoreo personalizable y las plataformas de prueba virtuales tridimensionales (3D). Para ilustrar las características y funcionalidades de los laboratorios propuestos, se proporcionan tres ejemplos, incluida la exploración del sistema de primer orden utilizando un sistema basado en circuitos con elementos eléctricos, el diseño de algoritmos de control basados en la web para la experimentación virtual y remota. Utilizando algoritmos de control diseñados por el usuario, no solo se pueden realizar simulaciones, sino que también se pueden realizar experimentos en tiempo real una vez que los algoritmos de control diseñados se han compilado en algoritmos de control ejecutables. El laboratorio en línea propuesto también proporciona una interfaz de monitoreo personalizable, con la que los usuarios pueden personalizar su interfaz de usuario utilizando widgets proporcionados como el cuadro de texto, el gráfico, el 3D y el widget de la cámara. Los maestros pueden usar el sistema para la demostración en línea en el aula, los estudiantes para la experimentación después de clase y los investigadores para verificar las estrategias de control.

Introducción

Los laboratorios son una infraestructura vital para la investigación y la educación. Cuando los laboratorios convencionales no están disponibles y/o accesibles debido a diferentes causas, por ejemplo, compras inasequibles y costos de mantenimiento, consideraciones de seguridad y crisis como la pandemia de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), los laboratorios en línea pueden ofrecer ^{alternativas1,2,3}. Al igual que los laboratorios convencionales, en los laboratorios en línea se han logrado avances significativos como las características ^{interactivas4} y los experimentos ^{personalizables5}. Antes y durante la pandemia de COVID-19, los laboratorios en línea están proporcionando servicios experimentales a usuarios de todo el ^mundo6,7.

Entre los laboratorios en línea, los laboratorios remotos pueden proporcionar a los usuarios una experiencia similar a los experimentos prácticos con el apoyo de plataformas de pruebas físicas y ^cámaras8. Con el avance de Internet, la comunicación, los gráficos por computadora y las tecnologías de renderizado, los laboratorios virtuales también ofrecen alternativas a los laboratorios ^{convencionales1}. La efectividad de los laboratorios remotos y virtuales para apoyar la investigación y la educación ha sido validada en literatura relacionada1,9,10.

Proporcionar experimentos visualizados es crucial para los laboratorios en línea, y la visualización en la experimentación en línea se ha convertido en una tendencia. Se logran diferentes técnicas de visualización en laboratorios en línea, por ejemplo, gráficos de curvas, bancos de pruebas bidimensionales (2-D) y bancos de pruebas tridimensionales (3-D)¹¹. En la educación de control, numerosas teorías, conceptos y fórmulas son oscuros de comprender; por lo tanto, los experimentos visualizados son vitales para mejorar la enseñanza, el aprendizaje de los estudiantes y la investigación. La visualización involucrada se puede concluir en las siguientes tres categorías: (1) Visualización de teorías, conceptos y fórmulas con diseño e implementación de algoritmos basados en la web, con los cuales se puede realizar simulación y experimentación; (2) Visualización del proceso experimental con bancos de pruebas virtuales en 3D; (3) Visualización del control y la supervisión mediante widgets como un gráfico y un widget de cámara.

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Protocolo

En este trabajo, se proporcionan tres ejemplos visualizados separados para mejorar la enseñanza, el aprendizaje y la investigación, a los que se puede acceder a través del Laboratorio del Sistema de Control en Red (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Ejemplo 1: Sistema de primer orden que utiliza un protocolo de experimentación basado en circuitos

1. Acceda al sistema NCSLab.
   1. Abra un navegador web convencional e ingrese la URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
   2. Haga clic en el botón Iniciar experimento en el lado izquierdo de la página principal para iniciar sesión en el sistema. Nombre de usuario: whutest; contraseña: whutest.
      NOTA: Este paso también se adapta a otros dos ejemplos (Ejemplo 2 y Ejemplo 3).
   3. Ingrese el WHULab en la lista de sublaboratorios del lado izquierdo y elija WHUtypicalLinks para la experimentación.
      NOTA: Seis subinterfaces están diseñadas e implementadas para diferentes propósitos para admitir la simulación y la experimentación en tiempo real.
   4. Introduzca la subinterfaz diseño de algoritmos .
      NOTA: El usuario puede elegir un modelo de algoritmo público diseñado y compartido por otros usuarios autorizados o crear un nuevo modelo.
   5. Elija y haga clic en el botón Crear nuevo modelo e ingrese a la interfaz de algoritmo basada en la web. Cree un diagrama de circuito utilizando los bloques proporcionados, como se muestra en la Figura 1.
      NOTA: Se utiliza otro amplificador operacional (op-amp) (Op-Amp2 en la Figura 1) para cancelar el cambio de fase de 180°. Para garantizar que la entrada, las resistencias y el condensador sean ajustables, se seleccionan un condensador variable y dos resistencias variables en la biblioteca ELEMENTOS ELÉCTRICOS y cuatro bloques constantes de la biblioteca SOURCES en el panel de la biblioteca de bloques del lado izquierdo.
   6. Haga doble clic en los bloques correspondientes para establecer los parámetros enumerados en la Tabla 1. Establezca el rango del eje X del gráfico en 8 s.
      NOTA: Se activará una ventana emergente después de un doble clic en el bloque, que incluye las descripciones del bloque y se puede utilizar para establecer el parámetro. Un ejemplo de la resistencia (R3) se ilustra en la Figura 1.
   7. Haga clic en el botón Iniciar simulación ; el resultado de la simulación se proporcionará en la interfaz, como se incluye en la Figura 1.
      NOTA: Este paso también se adapta a los otros dos ejemplos con otros bancos de pruebas. Los resultados de la simulación pueden proporcionar información para que los usuarios vuelvan a verificar el sistema basado en circuitos diseñado para evitar un circuito incorrecto. Sin embargo, un circuito defectuoso no causará ningún daño a los usuarios o al sistema, por lo que los usuarios no tienen que preocuparse por las consecuencias.
   8. Haga clic en el botón Iniciar compilación . Espere hasta que el diagrama de bloques diseñado se genere en un algoritmo de control ejecutable que se pueda descargar y ejecutar en el controlador remoto implementado en el lado de la plataforma de pruebas para implementar algoritmos de control.
      NOTA: Este paso también se adapta a los siguientes experimentos con otros bancos de pruebas.
   9. Realice experimentos en tiempo real utilizando el algoritmo de control generado. Haga clic en el botón Solicitar control para solicitar el control del sistema de circuitos.
      NOTA: "Control de solicitudes" es el mecanismo de programación para el sistema. Una vez que se concede a un usuario el privilegio de control, el usuario puede realizar experimentos con el banco de pruebas correspondiente. Solo un usuario puede ocupar el banco de pruebas a la vez para los bancos de pruebas físicos, y el mecanismo de programación de colas se ha implementado para programar a otros usuarios potenciales en función de la regla de orden de ^llegada11. Para los bancos de pruebas virtuales, se puede admitir simultáneamente un gran número de usuarios. Se ha probado eficazmente la experimentación de 500 usuarios simultáneos. Para el sistema basado en circuitos, 50 usuarios pueden acceder al sistema a la vez.
   10. Haga clic en el botón Retorno a la subinterfaz diseño de algoritmos . Busque el algoritmo de control ejecutable en el panel Modelos de algoritmo privado .
       NOTA: El algoritmo de control ejecutable también se puede encontrar en el panel Mi algoritmo en la subinterfaz Algoritmo de control .
   11. Haga clic en el botón Realizar un experimento para descargar el algoritmo de control diseñado a un control remoto.
   12. Ingrese a la subinterfaz Configuración y haga clic en el botón Crear nuevo monitor para configurar una interfaz de monitoreo, como se muestra en la Figura 2. Se incluyen cuatro cuadros de texto para la sintonización de parámetros y un gráfico de curvas para la supervisión de la señal.
       NOTA: El gráfico de la derecha en la Figura 2 es el mismo gráfico que el de la izquierda, que se agregó para mostrar los datos utilizando el botón Suspender .
   13. Vincule las señales y los parámetros con los widgets seleccionados.
       NOTA: Parámetro / Entrada, Parámetro / R0, Parámetro / R1 y Parámetro / C para cuatro cuadros de texto, respectivamente, y Parámetro / Entrada y Señal / Salida para el gráfico de curvas.
   14. Haga clic en el botón Inicio para iniciar el experimento.
       NOTA: Este paso también se adapta a los siguientes experimentos con otros bancos de pruebas. Los usuarios pueden guardar la configuración para su uso futuro.
   15. Establezca el voltaje de entrada en 0 V, ajuste el condensador C a 5 μF (0.000005 en la Figura 2) y luego establezca el voltaje de entrada en 1 V; el proceso dinámico de la tensión de salida se ilustra en la Figura 2.
2. Calcular los parámetros correspondientes K y T.
   NOTA: La constante de tiempo se puede calcular cuando la salida alcanza el 63,2% del valor final K después de t = T, que es 0,63212. De la Figura 2, se puede ver que la duración del tiempo es 1 s, por lo tanto, T = 1, lo cual es consistente con la teoría en la cual, T = _R1C = 200000 * 0.000005 = 1, y K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (que es igual al valor final)¹². Por lo tanto, el sistema de primer orden se puede especificar como: .

2. Ejemplo 2: Protocolo de experimentación virtual interactivo y visualizado

1. Utilice el sistema NCSLab para realizar simulaciones y experimentación en tiempo real.
   1. Inicie sesión en el sistema NCSLab. Ingrese al sublaboratorio ProcessControl y elija el banco de pruebas dualTank y, a continuación, ingrese la subinterfaz diseño de algoritmos .
   2. Diseñe un algoritmo de control proporcional-integral-derivado (PID) utilizando la interfaz web proporcionada por NCSLab siguiendo los pasos descritos en el Ejemplo 1. La Figura 3 es un ejemplo de algoritmo para el sistema de tanque dual.
   3. Haga doble clic en el controlador PID y ajuste los parámetros para los términos Proporcional (P), Integral (I) y Derivado (D). Conjunto P = 1,12, I = 0,008 y D = 6,6, respectivamente.
      NOTA: Los términos P, I y D deben ajustarse combinados con el resultado de la simulación.
   4. Haga clic en el botón Iniciar simulación ; aparecerá el resultado de la simulación, que se incluye en el lado derecho de la Figura 3.
      NOTA: Se puede ver que el rendimiento del control es bueno y que el algoritmo de control está listo para la experimentación en tiempo real.
   5. Genere el algoritmo de control ejecutable siguiendo los pasos mencionados anteriormente.
   6. Descargue el algoritmo de control en el control remoto y configure una interfaz de monitoreo con cuatro cuadros de texto para Set_point, P, I y D, respectivamente.
   7. Incluya un gráfico para monitorear el nivel del agua y el Set_point correspondiente. Elija un widget 3D, que puede proporcionar todos los ángulos de los bancos de pruebas y animaciones del nivel de agua conectados con los datos en tiempo real.
   8. Haga clic en el botón Inicio ; luego, la interfaz de monitoreo se activará como se muestra en la Figura 4, que proporciona un experimento virtual visualizado.
   9. Ajuste el Set_point de 10 cm a 5 cm, y luego ajuste I = 0.1 cuando la altura del nivel de agua en el tanque controlado alcance y se estabilice en 5 cm. Restablecer el punto de ajuste de 5 cm a 15 cm; se puede ver en la Figura 4 que hay un rebasamiento.
   10. Ajuste I de 0.1 a 0.01 y restablezca el punto de ajuste de 15 cm a 25 cm. Se puede ver que el rebasamiento se ha eliminado y el nivel del agua puede estabilizarse rápidamente en el valor de punto de ajuste de 25 cm.

3. Ejemplo 3: Investigación con protocolo de laboratorios remotos y virtuales

1. Realice un experimento en tiempo real en NCSLab.
   1. Inicie sesión en el sistema NCSLab y elija Control de velocidad del ventilador en el sublaboratorio laboratorio remoto.
   2. Introduzca la subinterfaz diseño de algoritmos . Arrastre los bloques para construir el diagrama del algoritmo de control de control de modelo interno (IMC), como se muestra en la figura 5.
      NOTA: El F(s) y el _Gm(s)^-1 están diseñados como se muestra en la Figura 5, en la que se ilustra el algoritmo de control diseñado utilizando NCSLab para controlar un sistema de control de velocidad del ventilador en modo de laboratorio remoto y virtual.
   3. Genere el algoritmo de control ejecutable y emplee el sistema de control de velocidad del ventilador para verificar el algoritmo IMC diseñado.
   4. Configure una interfaz de supervisión. Vincule dos cuadros de texto con dos parámetros, a saber, el Set_point y lambda (para λ , que es la constante de tiempo de filtro) para el ajuste, y un gráfico en tiempo real con el Set_point y la velocidad para el monitoreo. Seleccione el widget de modelo 3D del ventilador y el widget de cámara para el monitoreo.
   5. Haga clic en el botón Inicio para activar la experimentación en tiempo real. Restablezca el Set_point de 2.000 rpm a 1.500 rpm y, a continuación, restáurelo de 1.500 rpm a 2.500 rpm, cuyo resultado se muestra en la Figura 6.
      NOTA: Se puede concluir que cuando λ = 1 el sistema se puede estabilizar a una referencia de paso.

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Resultados

El sistema de laboratorio propuesto se ha utilizado en varios discípulos diferentes en la Universidad de Wuhan, como la Ingeniería de Automatización, Energía y Energía, Ingeniería Mecánica y otras universidades, como la Universidad Agrícola de Henan6.

Los profesores / estudiantes / investigadores cuentan con una gran flexibilidad para explorar el sistema utilizando diferentes plataformas de pruebas virtuales y / o físicas, definir sus algoritmos de control y pe...

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Discusión

El protocolo presentado describe un sistema híbrido de laboratorio en línea que integra plataformas de prueba físicas para la experimentación remota y plataformas de prueba virtuales 3D para la experimentación virtual. Se proporcionan varias bibliotecas de bloques diferentes para el proceso de diseño del algoritmo, como los elementos eléctricos para el diseño basado en circuitos. Los usuarios de fondos de control pueden centrarse en el aprendizaje sin habilidades de programación. Se debe considerar el diseño ad...

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Materiales

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