Name: interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research
Uploaded: 2021-11-24T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China under Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 og Grant 61773144.

I dette arbejde gives der tre separate visualiserede eksempler for at forbedre undervisning og læring og forskning, som kan tilgås via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Eksempel 1: Første ordresystem ved hjælp af kredsløbsbaseret forsøgsprotokol
<ol><li>Få adgang til NCSLab-systemet.<ol><li>Åbn en almindelig webbrowser, og angiv URL-adressen https://www.powersim.whu.edu.cn/react.</li>
		<li>Klik på knappe...

<ol>
	<li>De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+and+virtual+laboratories+in+science+and+engineering+education.">Physical and virtual laboratories in science and engineering education.</a> Science. 340 (6130), 305-308 (2013).</li><li>Galan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs.">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699 (2019).</li><li>Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+and+remote+labs+in+control+education:+A+survey.">Virtual and remote labs in control education: A survey.</a> Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3-D+interactive+control+laboratory+for+classroom+demonstration+and+online+experimentation+in+engineering+education.">3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education.</a> IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).</li><li>Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Customized+online+laboratory+experiments:+A+general+tool+and+its+application+to+the+Furuta+inverted+pendulum.">Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum.</a> IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).</li><li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unified+and+flexible+online+experimental+framework+for+control+engineering+education.">Unified and flexible online experimental framework for control engineering education.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).</li><li>Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=iLabs+as+an+online+laboratory+platform:+A+case+study+at+Stanford+University+during+the+COVID-19+Pandemic.">iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic.</a> 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).</li><li>Gomes, L., Bogosyan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+trends+in+remote+laboratories.">Current trends in remote laboratories.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).</li><li>Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+laboratories+for+education+and+research+purposes+in+automatic+control+systems.">Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).</li><li>Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Teaching+embedded+systems+and+internet+of+things+supported+by+multi-purpose+multi-objective+remote+laboratories.">Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories.</a> IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unified+3-D+interactive+human-centered+system+for+online+experimentation:+Current+deployment+and+future+perspectives.">Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).</li><li>Love, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+order+systems.">First order systems.</a> Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).</li><li>Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Web-based+3D+interactive+virtual+control+laboratory+based+on+NCSLab+framework.">Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework.</a> International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).</li><li>Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+PID+to+active+disturbance+rejection+control.">From PID to active disturbance rejection control.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).</li><li>De Keyser, R., Muresan, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Internal+model+control:+Efficient+disturbance+rejection+for+dead-time+process+models+with+validation+on+an+active+suspension+system.">Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system.</a> 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).</li><li>Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+filter+design+in+internal+model+control.">Improved filter design in internal model control.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).</li></ol>

Den præsenterede protokol beskriver en hybrid online laboratorium system, der integrerer fysiske test rigge til fjerneksperimenter og 3-D virtuelle test rigge til virtuelle eksperimenter. Flere forskellige blokbiblioteker er til rådighed for algoritmedesignprocessen, såsom de elektriske elementer til kredsløbsbaseret design. Brugere fra kontrol baggrunde kan fokusere på læring uden programmering færdigheder. Det korrekte design af en kontrolalgoritme, der kan anvendes på en passende testplatform, bør overvejes. ...

Laboratorier er en vigtig infrastruktur for forskning og uddannelse. Når konventionelle laboratorier ikke er tilgængelige og/eller tilgængelige på grund af forskellige årsager, for eksempel uoverkommelige indkøbs- og vedligeholdelsesomkostninger, sikkerhedsmæssige overvejelser og kriser som coronavirussen 2019 (COVID-19) pandemien, kan onlinelaboratorier tilbyde alternativer1,2,3. Ligesom konventionelle laboratorier er der opnået betydelige fremskridt såsom interaktive funktioner4 og eksperimenter, der kan tilpasses5, i onlinelaboratorierne. Før og under COVID-19-pandemien leverer onlinelaboratorier eksperimentelle tjenester til brugere over hele verden6,7.
Blandt online laboratorier kan fjerntliggende laboratorier give brugerne en oplevelse svarende til praktiske eksperimenter med støtte fra fysiske test rigge og kameraer8. Med udviklingen af internettet, kommunikation, computergrafik og renderingsteknologier giver virtuelle laboratorier også alternativer til konventionelle laboratorier1. Effektiviteten af fjerntliggende og virtuelle laboratorier til støtte for forskning og uddannelse er blevet valideret i relateret litteratur1,9,10.
Forudsat visualiserede eksperimenter er afgørende for online laboratorier, og visualisering i online eksperimenter er blevet en tendens. Forskellige visualiseringsteknikker opnås i onlinelaboratorier, for eksempel kurvediagrammer, todimensionelle (2D) testrigge og tredimensionelle (3D) testrigge11. I kontroluddannelse er mange teorier, begreber og formler uklare at forstå; således visualiserede eksperimenter er afgørende for at forbedre undervisning, studerende læring, og forskning. Den involverede visualisering kan afsluttes i følgende tre kategorier: (1) Visualisering af teorier, begreber og formler med webbaseret algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimenter kan udføres; (2) Visualisering af forsøgsprocessen med 3D virtuelle test rigge; (3) Visualisering af kontrol og overvågning ved hjælp af widgets som et diagram og en kamera widget.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fan speed control system</td>
			<td>/</td>
			<td>/</td>
			<td>Made by our team</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>https://www.powersim.whu.edu.cn/react</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Made by our team</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research

Eksperimenter er afgørende for ingeniøruddannelsen. Dette arbejde udforsker visualiserede eksperimenter i online laboratorier til undervisning og læring og også forskning. Interaktive og visualiserende funktioner, herunder teoristyret algoritmeimplementering, webbaseret algoritmedesign, overvågningsgrænseflade, der kan tilpasses, og tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge diskuteres. For at illustrere de foreslåede laboratoriers funktioner og funktionaliteter gives tre eksempler, herunder første ordresystemudforskning ved hjælp af et kredsløbsbaseret system med elektriske elementer, webbaseret styringsalgoritmedesign til virtuelle og fjerneksperimenter. Ved hjælp af brugerdesignede kontrolalgoritmer kan simuleringer ikke kun udføres, men realtidseksperimenter kan også udføres, når de designede kontrolalgoritmer er blevet samlet i eksekverbare kontrolalgoritmer. Det foreslåede online laboratorium giver også en tilpasselig overvågningsgrænseflade, som brugerne kan tilpasse deres brugergrænseflade ved hjælp af medfølgende widgets som tekstboks, diagram, 3D og kamera widget. Lærere kan bruge systemet til online demonstration i klasseværelset, elever til eksperimenter efter klassen og forskere til at verificere kontrolstrategier.

Det foreslåede laboratoriesystem er blevet brugt i flere forskellige disciple på Wuhan University, såsom Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering og andre universiteter, såsom Henan Agricultural University6.
Lærere / studerende / forskere er forsynet med stor fleksibilitet til at udforske systemet ved hjælp af forskellige virtuelle og / eller fysiske test rigge, definere deres kontrol algoritmer, og tilpasse deres overvågning interface; Br...

Watch this Scientific Journal Video about Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research at JoVE.com

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Dette arbejde beskriver et online eksperimenteringssystem, der giver visualiserede eksperimenter, herunder visualisering af teorier, begreber og formler, visualisering af den eksperimentelle proces med tredimensionelle (3D) virtuelle testrigge og visualisering af kontrol- og overvågningssystemet ved hjælp af widgets som diagrammer og kameraer.

Interaktivt og visualiseret online eksperimenteringssystem for ingeniøruddannelse og forskning

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...

Vores protokol realiserer fjerntliggende og virtuelle eksperimenter i online laboratorier til undervisning, læring og også forskning. Teoretisk viden og eksperimentering praksis kombineres for at forbedre undervisning og læring gennem vores protokol. Det giver en samlet ramme, der muliggør teoristyret implementering, webbaseret algoritmedesign, overvågningsgrænseflade, der kan tilpasses, og tredimensionelle virtuelle og eksterne eksperimenter.Zijie Wie og Shengwang Ye vil hjælpe med at demonstrere proceduren. Wei arbejder hen imod sin kandidatgrad, og Ye arbejder hen imod sin ph.d.-grad. Til at begynde med skal du åbne en almindelig webbrowser og indtaste URL-adressen www.powersim.whu.edu.cn/react.Klik på starteksperimentknappen, og skriv W-H-U-T-E-S-T som brugernavn og adgangskode for at logge ind på systemet. Indtast WHU lab i venstre side sub-laboratorium liste og vælg WHU typiske links til eksperimenter, derefter indtaste algoritmen design sub-interface. Klik på knappen Opret ny model, og indtast den webbaserede algoritmegrænseflade.Byg et kredsløbsdiagram ved hjælp af de medfølgende blokke. Dobbeltklik på de tilsvarende blokke for at indstille parametrene, og klik derefter på knappen Startsimulering. Simuleringsresultatet vil blive leveret i grænsefladen.Klik på startkompileringsknappen, og vent, indtil designblokdiagrammet er genereret til en eksekverbar kontrolalgoritme. Denne kontrolalgoritme kan downloades og udføres i fjernbetjeningen, der er installeret på opgaveplatformsiden for at implementere kontrolalgoritmer. Klik på knappen Anmodningskontrol for at ansøge om kontrol af kredsløbssystemet.Klik derefter på returknappen til undergrænsefladen til algoritmedesign. Find den eksekverbare kontrolalgoritme under panelet private algoritmemodeller. Klik på knappen Udfør et eksperiment for at downloade designstyringsalgoritmen til en fjernbetjening.Angiv undergrænsefladen til konfigurationen, og klik på knappen Opret ny skærm for at konfigurere en overvågningsgrænseflade. Medtag fire tekstbokse til parameterjustering og ét kurvediagram til signalovervågning. Sammenkæd signalerne og parametrene med de valgte widgets, og angiv diagrammets x-akseområde til 8S.Klik på startknappen for at starte eksperimentet. Indstil indgangsspændingen til nul volt og tune kondensatoren C til fem mikrofarader, Derefter indstille input spænding til en volt. Log ind i NCSLab-systemet, og gå ind i processtyringsunderlaboratoriet.Vælg dobbelt tank test rig og indtaste algoritmen design sub-interface. Design en proportional integreret derivat- eller PID-kontrolalgoritme efter de trin, der er beskrevet i eksempel et. Dobbeltklik på PID controller og sæt proportional er lig med 1,12, integreret er lig med 0,008 og afledte lig med 6,6.Klik derefter på startsimuleringsknappen. Klik på knappen Konfigurationsparametre, og angiv kompileringskonfigurationspanelet for at indstille problemløseren til ODE4. Generer den eksekverbare kontrolalgoritme, og hent kontrolalgoritmen til fjernbetjeningen.Konfigurer en overvågningsgrænseflade med fire tekstbokse til sætpunkt, P, I og D.Inkluder et diagram til overvågning af vandstanden og det tilsvarende sætpunkt. Angiv diagrammets x-akseområde til 200S. Vælg en 3D-widget, som kan give alle vinkler af test rigge og animationer af vandstand forbundet med realtid data.Klik derefter på startknappen. Indstil sættepunktet fra 10 centimeter til fem centimeter og sæt derefter I lig med 0,1, når vandstandens højde i den kontrollerede tank når og stabiliserer sig ved fem centimeter. Nulstil sættepunktet fra fem centimeter til 15 centimeter.Tune I fra 0,1 til 0,01 og nulstille sætpunktet fra 15 centimeter til 25 centimeter. Overskridelse bliver elimineret, og vandstanden stabiliseres ved den indstillede punktværdi på 20 centimeter. Log ind i NCSLab-systemet, og vælg ventilatorhastighedskontrol i fjernlaboratoriet.Angiv undergrænsefladen til algoritmedesign, og træk blokkene for at konstruere IMC-kontrolalgoritmediagrammet. Opret derefter den eksekverbare kontrolalgoritme. Ansæt ventilatorens hastighedskontrolsystem til at bekræfte den designede IMC-algoritme.Konfigurer en overvågningsgrænseflade, og knyt to tekstbokse med sætpunkt og lander til tuning. Knyt derefter et realtidsdiagram med det indstillede punkt og den hastighed, der skal overvåges. Vælg 3D-model widget af ventilatoren og kameraet widget og klik på startknappen for at aktivere real-time eksperimenter.Nulstil sættepunktet fra 2.000 omdr./min. til 1.500 omdr./min. Og så endelig nulstille den fra 1.500 rpm til 2.500 omdr./min. Realtidseksperimentet med første ordresystemet med designstyringsalgoritmen vises her.Parametrene kan justeres, og signalerne kan overvåges med de medfølgende widgets. De repræsentative billeder viser eksperimenter i realtid med dual tank-systemet efter tuning af det integrerede udtryk fra 0,1 til 0,01. Sættepunktet nulstilles fra 15 centimeter til 25 centimeter.Overskridelse er blevet elimineret her. Realtidskontrol kan opnås, og blæserhastigheden kan overvåges ved hjælp af ventilatorhastighedskontrol-fjernbetjeningen kombineret med et virtuelt 3D-blæsersystem. Det fysiske ventilatorsystem er placeret på Wuhan University og leverer fjernlaboratorietjenester til brugere over hele verden.koordineret kontroleksperiment for multiagenter kan også udføres, hvilket kan demonstrere de koordinerede styringsydelsesmidler i fjernlaboratoriet. Denne teknologi realisere online deling af eksperimentelt udstyr og diversificere udviklingen af eksperimentel undervisning giver en god demonstration for udviklingen af fjerntliggende og tre-dimensionelle virtuelle kombinerede laboratorier.

Research

JoVE Journal

Engineering

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD simuleringer, visualisering og analyse

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

Research and Development of High-performance Explosives

Forskning og udvikling af højtydende Sprængstoffer

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

3D Printing af biomolekylære modeller for forskning og Pædagogik

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

En ny metode til<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering af nanoskalaeksempler

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment og Simulation for en forskningsreaktoren

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Behandling af Bulk Nanocrystalline metaller ved US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...

O-cresol Concentration Online Measurement Based On Near Infrared Spectroscopy Via Partial Least Square Regression

O-cresol koncentration online måling baseret på nær infrarød spektroskopi via delvis mindst kvadratisk regression

Unlike macroscopic process variables, near-infrared spectroscopy provides process information at the molecular level and can significantly improve the ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

En hurtig metode til modellering af en variabel cyklus motor

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths

Spredning og absorption af lys i planetariske Regoliths

Theoretical, numerical, and experimental methods are presented for multiple scattering of light in macroscopic discrete random media of densely-packed ...

Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites

Anvendelse af et koblingsmiddel til at forbedre de dielektriske egenskaber polymer-baserede nanokompositter

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer ...