Sistema de experimentação online interativo e visualizado para educação e pesquisa de engenharia

Resumo

Este trabalho descreve um sistema de experimentação on-line que fornece experimentos visualizados, incluindo a visualização de teorias, conceitos e fórmulas, visualizando o processo experimental com plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) e visualizando o sistema de controle e monitoramento usando widgets como gráficos e câmeras.

Resumo

A experimentação é crucial na educação em engenharia. Este trabalho explora experimentos visualizados em laboratórios online para ensino e aprendizagem e também pesquisas. Recursos interativos e visualizadores, incluindo implementação de algoritmos guiados pela teoria, design de algoritmo baseado na Web, interface de monitoramento personalizável e plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) são discutidos. Para ilustrar as características e funcionalidades dos laboratórios propostos, três exemplos, incluindo a exploração do sistema de primeira ordem usando um sistema baseado em circuito com elementos elétricos, design de algoritmo de controle baseado na Web para experimentação virtual e remota, são fornecidos. Usando algoritmos de controle projetados pelo usuário, não só as simulações podem ser conduzidas, mas também experimentos em tempo real também podem ser conduzidos uma vez que os algoritmos de controle projetados tenham sido compilados em algoritmos de controle executáveis. O laboratório on-line proposto também fornece uma interface de monitoramento personalizável, com a qual os usuários podem personalizar sua interface de usuário usando widgets fornecidos, como a caixa de texto, gráfico, 3D e widget da câmera. Os professores podem usar o sistema para demonstração online em sala de aula, alunos para experimentação pós-aula e pesquisadores para verificar estratégias de controle.

Introdução

Laboratórios são infraestrutura vital para pesquisa e educação. Quando os laboratórios convencionais não estão disponíveis e/ou acessíveis devido a diferentes causas, por exemplo, compras inacessíveis e custo de manutenção, considerações de segurança e crises como a pandemia da doença coronavírus 2019 (COVID-19), laboratórios online podem oferecer ^{alternativas1,2,3}. Assim como os laboratórios convencionais, progressos significativos, como recursos ^interativos4 e experimentos ^{personalizáveis5}, foram alcançados nos laboratórios online. Antes e durante a pandemia COVID-19, laboratórios online estão fornecendo serviços experimentais para usuários em todo o ^mundo6,7.

Entre os laboratórios online, laboratórios remotos podem fornecer aos usuários uma experiência semelhante a experimentos práticos com o suporte de plataformas de teste físico e ^câmeras8. Com o avanço da Internet, comunicação, computação gráfica e tecnologias de renderização, os laboratórios virtuais também oferecem alternativas aos laboratórios ^{convencionais1}. A eficácia dos laboratórios remotos e virtuais para apoiar a pesquisa e a educação foi validada na literatura relacionada1,9,10.

Fornecer experimentos visualizados é crucial para laboratórios online, e a visualização em experimentação online tornou-se uma tendência. Diferentes técnicas de visualização são alcançadas em laboratórios online, por exemplo, gráficos de curvas, plataformas de teste bidimensionais (2D) e plataformas de teste tridimensionais (3D)¹¹. Na educação de controle, inúmeras teorias, conceitos e fórmulas são obscuras para compreender; assim, experimentos visualizados são vitais para melhorar o ensino, a aprendizagem dos alunos e a pesquisa. A visualização envolvida pode ser concluída nas três categorias seguintes: (1) Visualizar teorias, conceitos e fórmulas com design e implementação de algoritmos baseados na Web, com as quais a simulação e a experimentação podem ser conduzidas; (2) Visualizar o processo experimental com plataformas de teste virtuais 3D; (3) Visualizar o controle e o monitoramento usando widgets como um gráfico e um widget de câmera.

Protocolo

Neste trabalho, são fornecidos três exemplos visualizados separados para aprimorar o ensino e a aprendizagem e a pesquisa, que podem ser acessados através do Laboratório do Sistema de Controle em Rede (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).

1. Exemplo 1: Sistema de primeira ordem usando protocolo de experimentação baseado em circuito

1. Acesse o sistema NCSLab.
   1. Abra um navegador da Web e insira o url https://www.powersim.whu.edu.cn/react.
   2. Clique no botão Iniciar experimento no lado esquerdo da página principal para fazer login no sistema. Nome do usuário: whutest; senha: whutest.
      NOTA: Esta etapa também se adequa a outros dois exemplos (Exemplo 2 e Exemplo 3).
   3. Digite o WHULab na lista de sub-laboratórios do lado esquerdo e escolha WHUtypicalLinks para experimentação.
      NOTA: Seis sub-interfaces são projetadas e implementadas para diferentes propósitos para suportar simulação e experimentação em tempo real.
   4. Digite a sub-interface algorithm Design .
      NOTA: O usuário pode escolher um modelo de algoritmo público projetado e compartilhado por outros usuários autorizados ou criar um novo modelo.
   5. Escolha e clique no botão Criar novo modelo e digite a interface de algoritmo baseada na Web. Construa um diagrama de circuito usando os blocos fornecidos, conforme mostrado na Figura 1.
      NOTA: Outro amplificador operacional (op-amp) (Op-Amp2 na Figura 1) é usado para cancelar o turno de fase de 180°. Para garantir que a entrada, os resistores e o capacitor sejam incapazes, um capacitor variável e dois resistores variáveis na biblioteca ELECTRIC ELEMENTS e quatro blocos constantes da biblioteca SOURCES são selecionados do painel da biblioteca do bloco esquerdo.
   6. Clique duas vezes nos blocos correspondentes para definir parâmetros listados na Tabela 1. Defina a faixa do eixo X do gráfico para 8 s.
      NOTA: Uma janela pop-up será acionada após um clique duplo no bloco, que inclui as descrições do bloco e pode ser usada para definir o parâmetro. Um exemplo do Resistor (R3) é ilustrado na Figura 1.
   7. Clique no botão Simulação iniciar ; o resultado da simulação será fornecido na interface, conforme incluído na Figura 1.
      NOTA: Esta etapa também se adequa aos dois outros exemplos com outras plataformas de teste. Os resultados da simulação podem fornecer informações para que os usuários verifiquem novamente o sistema baseado em circuito projetado para evitar um circuito errado. No entanto, um circuito defeituoso não causará danos aos usuários ou ao sistema, de modo que os usuários não têm que se preocupar com as consequências.
   8. Clique no botão Iniciar compilação . Aguarde até que o diagrama de bloco projetado seja gerado em um algoritmo de controle executável que pode ser baixado e executado no controlador remoto implantado no lado da plataforma de teste para implementar algoritmos de controle.
      NOTA: Esta etapa também se adequa aos seguintes experimentos com outras plataformas de teste.
   9. Realize experimentos em tempo real usando o algoritmo de controle gerado. Clique no botão Procurar controle para solicitar o controle do sistema de circuito.
      NOTA: "Controle de solicitação" é o mecanismo de agendamento do sistema. Uma vez que um usuário recebe o privilégio de controle, o usuário pode realizar experimentos com a plataforma de teste correspondente. Apenas um usuário pode ocupar a plataforma de teste por vez para plataformas de teste físico, e o mecanismo de agendamento de filas foi implementado para agendar outros usuários potenciais com base na regra First Come First ^Served11. Para plataformas de teste virtuais, um grande número de usuários pode ser suportado simultaneamente. 500 experimentações simultâneas de usuários foram testadas efetivamente. Para o sistema baseado em circuitos, 50 usuários podem acessar o sistema por vez.
   10. Clique no botão Retornar à sub-interface do Design do Algoritmo . Encontre o algoritmo de controle executável sob o painel Private Algorithm Models .
       NOTA: O algoritmo de controle executável também pode ser encontrado no painel My Algorithm na sub-interface do Algoritmo de Controle .
   11. Clique no botão Realizar um experimento para baixar o algoritmo de controle projetado para um controlador remoto.
   12. Digite a subcosação configuração e clique no botão Criar novo monitor para configurar uma interface de monitoramento, como mostrado na Figura 2. Quatro caixas de texto para ajuste de parâmetros e um gráfico de curva para monitoramento de sinais estão incluídos.
       NOTA: O gráfico à direita na Figura 2 é o mesmo gráfico da esquerda, que foi adicionado para demonstrar os dados usando o botão Suspender .
   13. Vincule os sinais e parâmetros com os widgets selecionados.
       NOTA: Parâmetro/ Entrada, Parâmetro/ R0, Parâmetro/R1 e Parâmetro/C para quatro caixas de texto, respectivamente, e Parâmetro/ Entrada e Sinal/ Saída para o gráfico de curvas.
   14. Clique no botão Iniciar para iniciar o experimento.
       NOTA: Esta etapa também se adequa aos seguintes experimentos com outras plataformas de teste. Os usuários podem salvar a configuração para uso futuro.
   15. Ajuste a tensão de entrada em 0 V, ajuste o capacitor C a 5 μF (0,000005 na Figura 2) e, em seguida, ajuste a tensão de entrada para 1 V; o processo dinâmico da tensão de saída é ilustrado na Figura 2.
2. Calcule os parâmetros correspondentes K e T.
   NOTA: A constante de tempo pode ser calculada quando a saída atinge 63,2% do valor final K após t = T, que é 0,63212. A partir da Figura 2, pode-se ver que a duração do tempo é de 1 s, assim, T = 1, o que é consistente com a teoria em que, T = _R1C = 200000 * 0,000005 = 1, e K = R1/R0 = 200000 / 200000 = 1 (que equivale ao valor final)¹². Assim, o sistema de primeira ordem pode ser especificado como: .

2. Exemplo 2: Protocolo de experimentação virtual interativo e visualizado

1. Use o sistema NCSLab para realizar simulação e experimentação em tempo real.
   1. Faça login no sistema NCSLab. Digite o sub-laboratório ProcessControl e escolha a plataforma de teste dualTank e, em seguida, digite a sub-interface algorithm Design .
   2. Projete um algoritmo de controle de derivação integral proporcional (PID) usando a interface web fornecida pelo NCSLab seguindo as etapas descritas no Exemplo 1. Figura 3 é um exemplo de algoritmo para o sistema de tanque duplo.
   3. Clique duas vezes no controlador PID e sintonize os parâmetros para os termos Proporcional (P), Integral (I) e Derivativo (D). Conjunto P = 1,12, I = 0,008 e D = 6,6, respectivamente.
      NOTA: Os termos P, I e D devem ser ajustados combinados com o resultado da simulação.
   4. Clique no botão Simulação iniciar ; o resultado da simulação aparecerá, que está incluído no lado direito da Figura 3.
      NOTA: Pode-se ver que o desempenho do controle é bom, e o algoritmo de controle está pronto para experimentação em tempo real.
   5. Gere o algoritmo de controle executável seguindo as etapas mencionadas anteriormente.
   6. Baixe o algoritmo de controle para o controlador remoto e configure uma interface de monitoramento com quatro caixas de texto para Set_point, P, I e D, respectivamente.
   7. Inclua um gráfico para monitorar o nível da água e os Set_point correspondentes. Escolha um widget 3D, que pode fornecer todos os ângulos das plataformas de teste e animações do nível da água conectadas com os dados em tempo real.
   8. Clique no botão Iniciar ; em seguida, a interface de monitoramento será ativada como mostrado na Figura 4, que fornece um experimento virtual visualizado.
   9. Ajuste o Set_point de 10 cm a 5 cm, e depois ajuste I = 0,1 quando a altura do nível de água no tanque controlado alcançar e estabilizar a 5 cm. Redefinir o ponto de set de 5 cm para 15 cm; pode ser visto a partir da Figura 4 que há uma superação.
   10. Sintonize I de 0,1 a 0,01 e reinicie o ponto de ajuste de 15 cm para 25 cm. Pode-se ver que a superação foi eliminada, e o nível da água pode estabilizar rapidamente no valor de ponto de configuração de 25 cm.

3. Exemplo 3: Pesquisa com protocolo de laboratórios remotos e virtuais

1. Realize um experimento em tempo real no NCSLab.
   1. Entre no sistema NCSLab e escolha o Controle de Velocidade do Ventilador no sub-laboratório do Laboratório Remoto.
   2. Digite a sub-interface algorithm Design . Arraste os blocos para construir o diagrama do algoritmo de controle do modelo interno (IMC), como mostrado na Figura 5.
      NOTA: O F(s) e o _Gm(s)^-1 são projetados como mostrado na Figura 5, na qual o algoritmo de controle projetado usando o NCSLab é ilustrado para controlar um sistema de controle de velocidade do ventilador em um modo de laboratório remoto e virtual.
   3. Gere o algoritmo de controle executável e empregue o sistema de controle de velocidade do ventilador para verificar o algoritmo IMC projetado.
   4. Configure uma interface de monitoramento. Vincule duas caixas de texto com dois parâmetros: o Set_point e lambda (para λ que é a constante de tempo do filtro) para ajuste, e um gráfico em tempo real com o Set_point e velocidade para monitoramento. Selecione o widget modelo 3D do ventilador e o widget da câmera para monitoramento.
   5. Clique no botão Iniciar para ativar a experimentação em tempo real. Redefinir o Set_point de 2.000 rpm para 1.500 rpm, e depois redefini-lo de 1.500 rpm para 2.500 rpm, resultado do qual é mostrado na Figura 6.
      NOTA: Pode-se concluir que quando λ = 1 o sistema pode ser estabilizado a uma referência de etapa.

Resultados

O sistema de laboratório proposto tem sido usado em vários discípulos diferentes na Universidade de Wuhan, como a Engenharia de Automação, Energia e Energia, Engenharia Mecânica e outras universidades, como a Henan Agricultural ^University6.

Professores/alunos/pesquisadores recebem grande flexibilidade para explorar o sistema usando diferentes plataformas de teste virtuais e/ou físicos, definir seus algoritmos de controle e personalizar sua interface de monitorame...

Discussão

O protocolo apresentado descreve um sistema de laboratório online híbrido que integra plataformas de teste físico para experimentação remota e plataformas de teste virtuais 3D para experimentação virtual. Várias bibliotecas de blocos diferentes são fornecidas para o processo de design de algoritmos, como os elementos elétricos para o design baseado em circuitos. Usuários de origens de controle podem se concentrar em aprender sem habilidades de programação. O design adequado de um algoritmo de controle que po...

Materiais

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