Système d’expérimentation en ligne interactif et visualisé pour l’enseignement et la recherche en ingénierie

Résumé

Ce travail décrit un système d’expérimentation en ligne qui fournit des expériences visualisées, y compris la visualisation de théories, de concepts et de formules, la visualisation du processus expérimental avec des bancs d’essai virtuels tridimensionnels (3D) et la visualisation du système de contrôle et de surveillance à l’aide de widgets tels que des graphiques et des caméras.

Résumé

L’expérimentation est cruciale dans l’enseignement de l’ingénierie. Ce travail explore des expériences visualisées dans des laboratoires en ligne pour l’enseignement et l’apprentissage ainsi que la recherche. Les fonctionnalités interactives et visuelles, y compris la mise en œuvre d’algorithmes guidés par la théorie, la conception d’algorithmes basés sur le Web, l’interface de surveillance personnalisable et les bancs d’essai virtuels tridimensionnels (3D) sont discutés. Pour illustrer les caractéristiques et les fonctionnalités des laboratoires proposés, trois exemples, y compris l’exploration du système de premier ordre à l’aide d’un système basé sur des circuits avec des éléments électriques, la conception d’algorithmes de contrôle basés sur le Web pour l’expérimentation virtuelle et à distance, sont fournis. En utilisant des algorithmes de contrôle conçus par l’utilisateur, non seulement des simulations peuvent être effectuées, mais des expériences en temps réel peuvent également être menées une fois que les algorithmes de contrôle conçus ont été compilés en algorithmes de contrôle exécutables. Le laboratoire en ligne proposé fournit également une interface de surveillance personnalisable, avec laquelle les utilisateurs peuvent personnaliser leur interface utilisateur à l’aide des widgets fournis tels que la zone de texte, le graphique, la 3D et le widget de caméra. Les enseignants peuvent utiliser le système pour une démonstration en ligne en classe, les étudiants pour des expériences après les cours et les chercheurs pour vérifier les stratégies de contrôle.

Introduction

Les laboratoires sont des infrastructures vitales pour la recherche et l’éducation. Lorsque les laboratoires conventionnels ne sont pas disponibles et/ou accessibles en raison de différentes causes, par exemple, des achats inabordables et des coûts d’entretien, des considérations de sécurité et des crises telles que la pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), les laboratoires en ligne peuvent proposer des ^{alternatives1,2,3}. Comme les laboratoires conventionnels, des progrès significatifs tels que des fonctionnalités ^{interactives4} et des expériences ^{personnalisables5} ont été réalisés dans les laboratoires en ligne. Avant et pendant la pandémie de COVID-19, les laboratoires en ligne fournissent des services expérimentaux aux utilisateurs du monde ^entier6,7.

Parmi les laboratoires en ligne, les laboratoires distants peuvent offrir aux utilisateurs une expérience similaire à des expériences pratiques avec le soutien de bancs d’essai physiques et de ^caméras8. Avec l’avancement d’Internet, de la communication, de l’infographie et des technologies de rendu, les laboratoires virtuels offrent également des alternatives aux laboratoires ^{conventionnels1}. L’efficacité des laboratoires distants et virtuels pour soutenir la recherche et l’éducation a été validée dans la littérature connexe1,9,10.

Fournir des expériences visualisées est crucial pour les laboratoires en ligne, et la visualisation dans l’expérimentation en ligne est devenue une tendance. Différentes techniques de visualisation sont réalisées dans des laboratoires en ligne, par exemple des diagrammes de courbes, des bancs d’essai bidimensionnels (2D) et des bancs d’essai tridimensionnels (3D⁾¹¹. Dans l’enseignement du contrôle, de nombreuses théories, concepts et formules sont obscurs à comprendre; ainsi, les expériences visualisées sont essentielles pour améliorer l’enseignement, l’apprentissage des élèves et la recherche. La visualisation impliquée peut être conclue dans les trois catégories suivantes: (1) Visualisation de théories, de concepts et de formules avec la conception et la mise en œuvre d’algorithmes basés sur le Web, avec lesquels la simulation et l’expérimentation peuvent être menées; (2) Visualiser le processus expérimental avec des bancs d’essai virtuels 3D; (3) Visualisation du contrôle et de la surveillance à l’aide de widgets tels qu’un graphique et un widget de caméra.

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Protocole

Dans ce travail, trois exemples visualisés distincts sont fournis pour améliorer l’enseignement, l’apprentissage et la recherche, accessibles via le laboratoire du système de contrôle en réseau (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Exemple 1 : Système de premier ordre utilisant un protocole d’expérimentation basé sur des circuits

1. Accédez au système NCSLab.
   1. Ouvrez un navigateur Web grand public et entrez l’URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
   2. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience sur le côté gauche de la page principale pour vous connecter au système. Nom d’utilisateur: whutest; mot de passe: whutest.
      REMARQUE : Cette étape convient également à deux autres exemples (exemple 2 et exemple 3).
   3. Entrez le WHULab dans la liste des sous-laboratoires de gauche et choisissez WHUtypicalLinks pour l’expérimentation.
      REMARQUE: Six sous-interfaces sont conçues et implémentées à des fins différentes pour prendre en charge la simulation et l’expérimentation en temps réel.
   4. Entrez dans la sous-interface Conception d’algorithme .
      Remarque : L’utilisateur peut choisir un modèle d’algorithme public conçu et partagé par d’autres utilisateurs autorisés ou créer un nouveau modèle.
   5. Choisissez et cliquez sur le bouton Créer un nouveau modèle et entrez dans l’interface d’algorithme Web. Créez un schéma de circuit à l’aide des blocs fournis, comme illustré à la figure 1.
      REMARQUE: Un autre amplificateur opérationnel (op-amp) (Op-Amp2 dans la figure 1) est utilisé pour annuler le déphasage de 180 °. Pour s’assurer que l’entrée, les résistances et le condensateur sont réglables, un condensateur variable et deux résistances variables dans la bibliothèque ELECTRIC ELEMENTS et quatre blocs constants de la bibliothèque SOURCES sont sélectionnés dans le panneau de la bibliothèque de blocs de gauche.
   6. Double-cliquez sur les blocs correspondants pour définir les paramètres répertoriés dans le tableau 1. Définissez la plage d’axes X du graphique sur 8 s.
      REMARQUE: Une fenêtre contextuelle sera déclenchée après un double clic sur le bloc, qui inclut les descriptions du bloc et peut être utilisé pour définir le paramètre. Un exemple de résistance (R3) est illustré à la figure 1.
   7. Cliquez sur le bouton Démarrer la simulation ; le résultat de la simulation sera fourni dans l’interface, comme indiqué à la figure 1.
      REMARQUE: Cette étape convient également aux deux autres exemples avec d’autres bancs d’essai. Les résultats de la simulation peuvent fournir des informations permettant aux utilisateurs de revérifier le système basé sur des circuits conçu pour éviter un mauvais circuit. Cependant, un circuit défectueux ne causera aucun dommage aux utilisateurs ou au système, de sorte que les utilisateurs n’ont pas à s’inquiéter des conséquences.
   8. Cliquez sur le bouton Démarrer la compilation . Attendez que le schéma fonctionnel conçu soit généré dans un algorithme de contrôle exécutable qui peut être téléchargé et exécuté dans la télécommande déployée du côté du banc d’essai pour implémenter des algorithmes de contrôle.
      REMARQUE: Cette étape convient également aux expériences suivantes avec d’autres bancs d’essai.
   9. Effectuez des expériences en temps réel à l’aide de l’algorithme de contrôle généré. Cliquez sur le bouton Demander un contrôle pour demander le contrôle du système de circuit.
      REMARQUE: « Contrôle de demande » est le mécanisme de planification du système. Une fois qu’un utilisateur dispose du privilège de contrôle, il peut effectuer des expériences avec le banc d’essai correspondant. Un seul utilisateur peut occuper le banc d’essai à la fois pour les bancs d’essai physiques, et le mécanisme de planification des files d’attente a été mis en œuvre pour planifier d’autres utilisateurs potentiels en fonction de la règle du premier arrivé, premier ^servi11. Pour les bancs d’essai virtuels, un grand nombre d’utilisateurs peuvent être pris en charge simultanément. 500 expérimentations d’utilisateurs simultanés ont été testées efficacement. Pour le système basé sur des circuits, 50 utilisateurs peuvent accéder au système à la fois.
   10. Cliquez sur le bouton Retour à la sous-interface Conception de l’algorithme . Recherchez l’algorithme de contrôle exécutable sous le panneau Modèles d’algorithmes privés .
       REMARQUE : L’algorithme de contrôle exécutable se trouve également dans le panneau Mon algorithme de la sous-interface Algorithme de contrôle .
   11. Cliquez sur le bouton Mener une expérience pour télécharger l’algorithme de contrôle conçu sur une télécommande.
   12. Entrez dans la sous-interface Configuration et cliquez sur le bouton Créer un nouveau moniteur pour configurer une interface de surveillance, comme illustré à la figure 2. Quatre zones de texte pour le réglage des paramètres et un graphique de courbe pour la surveillance du signal sont inclus.
       Remarque : Le graphique de droite de la figure 2 est le même que celui de gauche, qui a été ajouté pour illustrer les données à l’aide du bouton Suspendre .
   13. Liez les signaux et les paramètres avec les widgets sélectionnés.
       REMARQUE: Paramètre / Entrée, Paramètre / R0, Paramètre / R1 et Paramètre / C pour quatre zones de texte, respectivement, et Paramètre / Entrée et Signal / Sortie pour le graphique de courbe.
   14. Cliquez sur le bouton Démarrer pour démarrer l’expérience.
       REMARQUE: Cette étape convient également aux expériences suivantes avec d’autres bancs d’essai. Les utilisateurs peuvent enregistrer la configuration pour une utilisation ultérieure.
   15. Réglez la tension d’entrée sur 0 V, réglez le condensateur C sur 5 μF (0,000005 dans la Figure 2), puis réglez la tension d’entrée sur 1 V ; le processus dynamique de la tension de sortie est illustré à la figure 2.
2. Calculez les paramètres correspondants K et T.
   REMARQUE: La constante de temps peut être calculée lorsque la sortie atteint 63,2% de la valeur finale K après t = T, soit 0,63212. D’après la figure 2, on peut voir que la durée est de 1 s, donc, T = 1, ce qui est cohérent avec la théorie dans laquelle, T = _R1C = 200000 * 0,000005 = 1, et K = R1 / R0 = 200000 / 200000 = 1 (ce qui équivaut à la valeur finale)¹². Ainsi, le système de premier ordre peut être spécifié comme suit: .

2. Exemple 2 : Protocole d’expérimentation virtuelle interactif et visualisé

1. Utilisez le système NCSLab pour effectuer des simulations et des expérimentations en temps réel.
   1. Connectez-vous au système NCSLab. Entrez dans le sous-laboratoire ProcessControl et choisissez le banc d’essai dualTank , puis entrez dans la sous-interface Algorithm Design .
   2. Concevez un algorithme de contrôle PID (Proportional-Integral-Derivative) à l’aide de l’interface Web fournie par NCSLab en suivant les étapes décrites dans l’exemple 1. La figure 3 est un exemple d’algorithme pour le système à double réservoir.
   3. Double-cliquez sur le contrôleur PID et réglez les paramètres des termes proportionnel (P), intégral (I) et dérivé (D). Définissez P = 1,12, I = 0,008 et D = 6,6, respectivement.
      REMARQUE: Les termes P, I et D doivent être réglés en combinaison avec le résultat de la simulation.
   4. Cliquez sur le bouton Démarrer la simulation ; le résultat de la simulation apparaîtra, qui est inclus sur le côté droit de la figure 3.
      REMARQUE: On peut voir que les performances de contrôle sont bonnes et que l’algorithme de contrôle est prêt pour l’expérimentation en temps réel.
   5. Générez l’algorithme de contrôle exécutable en suivant les étapes mentionnées précédemment.
   6. Téléchargez l’algorithme de contrôle sur la télécommande et configurez une interface de surveillance avec quatre zones de texte pour Set_point, P, I et D, respectivement.
   7. Inclure un tableau pour surveiller le niveau d’eau et les Set_point correspondantes. Choisissez un widget 3D, qui peut fournir tous les angles des bancs d’essai et des animations du niveau d’eau connecté aux données en temps réel.
   8. Cliquez sur le bouton Démarrer ; ensuite, l’interface de surveillance sera activée comme illustré à la figure 4, qui fournit une expérience virtuelle visualisée.
   9. Réglez la Set_point de 10 cm à 5 cm, puis réglez I = 0,1 lorsque la hauteur du niveau d’eau dans le réservoir contrôlé atteint et se stabilise à 5 cm. Réinitialisez le point de consigne de 5 cm à 15 cm; on peut voir à la figure 4 qu’il y a un dépassement.
   10. Réglez I de 0,1 à 0,01 et réinitialisez le point de consigne de 15 cm à 25 cm. On peut voir que le dépassement a été éliminé et que le niveau d’eau peut rapidement se stabiliser à la valeur de consigne de 25 cm.

3. Exemple 3 : Recherche avec un protocole de laboratoires distants et virtuels

1. Mener une expérience en temps réel dans NCSLab.
   1. Connectez-vous au système NCSLab et choisissez Contrôle de la vitesse du ventilateur dans le sous-laboratoire Remote Laboratory.
   2. Entrez dans la sous-interface Conception d’algorithme . Faites glisser les blocs pour construire le diagramme de l’algorithme de contrôle de modèle interne (IMC), comme illustré à la figure 5.
      REMARQUE: Le F (s) et le _Gm (s) ^-1 sont conçus comme illustré à la figure 5, dans laquelle l’algorithme de contrôle conçu à l’aide de NCSLab est illustré pour contrôler un système de contrôle de la vitesse du ventilateur en mode laboratoire distant et virtuel.
   3. Générez l’algorithme de contrôle exécutable et utilisez le système de contrôle de la vitesse du ventilateur pour vérifier l’algorithme IMC conçu.
   4. Configurez une interface de surveillance. Liez deux zones de texte avec deux paramètres, à savoir, le Set_point et lambda (pour λ qui est la constante de temps du filtre) pour le réglage, et un graphique en temps réel avec les Set_point et Speed pour la surveillance. Sélectionnez le widget de modèle 3D du ventilateur et le widget de la caméra pour la surveillance.
   5. Cliquez sur le bouton Démarrer pour activer l’expérimentation en temps réel. Réinitialisez le Set_point de 2 000 tr/min à 1 500 tr/min, puis réinitialisez-le de 1 500 tr/min à 2 500 tr/min, dont le résultat est illustré à la figure 6.
      REMARQUE: On peut conclure que lorsque λ = 1 le système peut être stabilisé à une référence d’étape.

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Résultats

Le système de laboratoire proposé a été utilisé chez plusieurs disciples différents à l’Université de Wuhan, tels que l’automatisation, l’ingénierie de l’énergie et de l’énergie, le génie mécanique et d’autres universités, telles que l’Université agricole du ^Henan6.

Les enseignants/étudiants/chercheurs disposent d’une grande flexibilité pour explorer le système à l’aide de différents bancs d’essai virtuels et/ou physiques, défini...

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Discussion

Le protocole présenté décrit un système de laboratoire hybride en ligne qui intègre des bancs d’essai physiques pour l’expérimentation à distance et des bancs d’essai virtuels 3D pour l’expérimentation virtuelle. Plusieurs bibliothèques de blocs différentes sont fournies pour le processus de conception de l’algorithme, telles que les éléments électriques pour la conception basée sur des circuits. Les utilisateurs issus du milieu du contrôle peuvent se concentrer sur l’apprentissage sans compét...

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matériels

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