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

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 en Grant 61773144.

In dit werk worden drie afzonderlijke gevisualiseerde voorbeelden gegeven om onderwijs en leren en onderzoek te verbeteren, die toegankelijk zijn via het Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Voorbeeld 1: Eerste-ordesysteem met behulp van circuitgebaseerd experimenteerprotocol
<ol><li>Toegang tot het NCSLab-systeem.<ol><li>Open een reguliere webbrowser en voer de URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react in.</li>
		<l...

<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>

Het gepresenteerde protocol beschrijft een hybride online laboratoriumsysteem dat fysieke testopstellingen integreert voor experimenten op afstand en 3D virtuele testopstellingen voor virtuele experimenten. Er zijn verschillende blokbibliotheken beschikbaar voor het ontwerpproces van het algoritme, zoals de elektrische elementen voor circuitgebaseerd ontwerp. Gebruikers met een besturingsachtergrond kunnen zich concentreren op leren zonder programmeervaardigheden. Het juiste ontwerp van een besturingsalgoritme dat kan wo...

Laboratoria zijn vitale infrastructuur voor onderzoek en onderwijs. Wanneer conventionele laboratoria niet beschikbaar en/of toegankelijk zijn vanwege verschillende oorzaken, bijvoorbeeld onbetaalbare aankoop- en onderhoudskosten, veiligheidsoverwegingen en crises zoals de coronavirusziekte 2019 (COVID-19) pandemie, kunnen online laboratoria alternatieven bieden1,2,3. Net als conventionele laboratoria is er aanzienlijke vooruitgang geboekt, zoals interactieve functies4 en aanpasbare experimenten5 in de online laboratoria. Voor en tijdens de COVID-19-pandemie bieden online laboratoria experimentele diensten aan gebruikers over de hele wereld6,7.
Onder online laboratoria kunnen externe laboratoria gebruikers een ervaring bieden die vergelijkbaar is met hands-on experimenten met de ondersteuning van fysieke testopstellingen en camera's8. Met de vooruitgang van internet, communicatie, computergraphics en renderingtechnologieën bieden virtuele laboratoria ook alternatieven voor conventionele laboratoria1. De effectiviteit van externe en virtuele laboratoria ter ondersteuning van onderzoek en onderwijs is gevalideerd in gerelateerde literatuur1,9,10.
Het aanbieden van gevisualiseerde experimenten is cruciaal voor online laboratoria en visualisatie in online experimenten is een trend geworden. Verschillende visualisatietechnieken worden bereikt in online laboratoria, bijvoorbeeld curvekaarten, tweedimensionale (2D) testopstellingen en driedimensionale (3D) testopstellingen11. In het controleonderwijs zijn tal van theorieën, concepten en formules onduidelijk om te begrijpen; gevisualiseerde experimenten zijn dus van vitaal belang voor het verbeteren van het onderwijs, het leren van studenten en onderzoek. Het betrokken visualiseren kan worden onderverdeeld in de volgende drie categorieën: (1) Het visualiseren van theorieën, concepten en formules met webgebaseerd algoritmeontwerp en -implementatie, waarmee simulatie en experimenten kunnen worden uitgevoerd; (2) Visualiseren van het experimentele proces met 3D virtuele testopstellingen; (3) Visualiseren van controle en bewaking met behulp van widgets zoals een grafiek en een camerawidget.

<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

Experimenteren is cruciaal in het technisch onderwijs. Dit werk onderzoekt gevisualiseerde experimenten in online laboratoria voor lesgeven en leren en ook onderzoek. Interactieve en visualiserende functies, waaronder theoriegestuurde algoritme-implementatie, webgebaseerd algoritmeontwerp, aanpasbare monitoringinterface en driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen worden besproken. Om de kenmerken en functionaliteiten van de voorgestelde laboratoria te illustreren, worden drie voorbeelden gegeven, waaronder de eerste-orde systeemverkenning met behulp van een circuitgebaseerd systeem met elektrische elementen, webgebaseerd besturingsalgoritmeontwerp voor virtuele en externe experimenten. Met behulp van door de gebruiker ontworpen besturingsalgoritmen kunnen niet alleen simulaties worden uitgevoerd, maar kunnen ook realtime experimenten worden uitgevoerd zodra de ontworpen besturingsalgoritmen zijn gecompileerd in uitvoerbare besturingsalgoritmen. Het voorgestelde online laboratorium biedt ook een aanpasbare monitoringinterface, waarmee gebruikers hun gebruikersinterface kunnen aanpassen met behulp van de meegeleverde widgets zoals het tekstvak, de grafiek, 3D en de camerawidget. Docenten kunnen het systeem gebruiken voor online demonstratie in de klas, studenten voor experimenten na de les en onderzoekers om controlestrategieën te verifiëren.

Het voorgestelde laboratoriumsysteem is gebruikt in verschillende discipelen aan de Universiteit van Wuhan, zoals de Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering en andere universiteiten, zoals Henan Agricultural University6.
Docenten / studenten / onderzoekers krijgen grote flexibiliteit om het systeem te verkennen met behulp van verschillende virtuele en / of fysieke testopstellingen, hun besturingsalgoritmen te definiëren en hun monitoringinterfa...

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

Dit werk beschrijft een online experimenteersysteem dat gevisualiseerde experimenten biedt, waaronder de visualisatie van theorieën, concepten en formules, het visualiseren van het experimentele proces met driedimensionale (3D) virtuele testopstellingen en het visualiseren van het besturings- en bewakingssysteem met behulp van widgets zoals kaarten en camera's.

Interactief en gevisualiseerd online experimenteersysteem voor technisch onderwijs en onderzoek

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

Ons protocol realiseert externe en virtuele experimenten in online laboratoria voor lesgeven, leren en ook onderzoek. Theoretische kennis en experimenteerpraktijk worden gecombineerd om het lesgeven en leren via ons protocol te verbeteren. Het biedt een uniform raamwerk dat theoriegestuurde implementatie, webgebaseerd algoritmeontwerp, aanpasbare bewakingsinterface en driedimensionale virtuele en externe experimenten mogelijk maakt.Zijie Wie en Shengwang Ye zullen helpen om de procedure te demonstreren. Wei werkt toe naar haar masterdiploma en Ye werkt toe naar zijn phd-graad. Open om te beginnen een reguliere webbrowser en voer de URL in www.powersim.whu.edu.cn/react.Klik op de start experiment knop en schrijf W-H-U-T-E-S-T als gebruikersnaam en wachtwoord om in te loggen op het systeem. Voer het WHU-lab in de linker sublaboratoriumlijst in, kies typische WHU-koppelingen voor de experimenten en voer vervolgens de subinterface voor het algoritmeontwerp in. Klik op de knop Nieuw model maken en ga naar de webgebaseerde algoritme-interface.Bouw een schakelschema met behulp van de meegeleverde blokken. Dubbelklik op de bijbehorende blokken om de parameters in te stellen en klik vervolgens op de startsimulatieknop. Het simulatieresultaat wordt in de interface weergegeven.Klik op de startcompilatieknop en wacht tot het ontwerpblokdiagram is gegenereerd in een uitvoerbaar besturingsalgoritme. Dit besturingsalgoritme kan worden gedownload en uitgevoerd in de afstandsbediening die aan de kant van de taakinstallatie wordt ingezet om besturingsalgoritmen te implementeren. Klik op de knop verzoekbediening om de besturing van het circuitsysteem aan te vragen.Klik vervolgens op de terugkeerknop naar de subinterface van het algoritmeontwerp. Zoek het uitvoerbare besturingsalgoritme onder het deelvenster Privéalgoritmemodellen. Klik op de knop Een experiment uitvoeren om het ontwerpbesturingsalgoritme naar een afstandsbediening te downloaden.Ga naar de configuratie-subinterface en klik op de knop Nieuwe monitor maken om een bewakingsinterface te configureren. Voeg vier tekstvakken toe voor parameterafstemming en één curvediagram voor signaalbewaking. Koppel de signalen en parameters aan de geselecteerde widgets en stel het x-asbereik van de grafiek in op 8S.Klik op de startknop om het experiment te starten. Stel de ingangsspanning in op nul volt en stem de condensator C af op vijf microfarads, stel vervolgens de ingangsspanning in op één volt. Log in op het NCSLab-systeem en ga naar het sublaboratorium voor procescontrole.Kies de testbank met dubbele tank en voer de subinterface van het algoritmeontwerp in. Ontwerp een proportioneel integraal afgeleid of PID-besturingsalgoritme volgens de stappen die in voorbeeld één worden beschreven. Dubbelklik op de PID-controller en set proportioneel is gelijk aan 1,12, integraal is gelijk aan 0,008 en afgeleide is gelijk aan 6,6.Klik vervolgens op de start simulatie knop. Klik op de knop configuratieparameters en ga naar het compileerconfiguratiepaneel om de oplosser in te stellen op ODE4. Genereer het uitvoerbare besturingsalgoritme en download het besturingsalgoritme naar de afstandsbediening.Configureer een bewakingsinterface met vier tekstvakken voor instelpunt, P, I en D. Voeg een grafiek toe voor het bewaken van het waterniveau en het bijbehorende instelpunt. Stel het x-asbereik van de grafiek in op 200S. Kies een 3D-widget die alle hoeken van de testopstellingen en animaties van het waterniveau kan bieden die zijn verbonden met de realtime gegevens.Klik vervolgens op de startknop. Stel het instelpunt in van 10 centimeter tot vijf centimeter en stel vervolgens in dat I gelijk is aan 0,1 wanneer de hoogte van het waterniveau in de gecontroleerde tank bereikt en stabiliseert op vijf centimeter. Reset het instelpunt van vijf centimeter naar 15 centimeter.Tune I van 0,1 naar 0,01 en reset het instelpunt van 15 centimeter naar 25 centimeter. De overshoot wordt geëlimineerd en het waterniveau stabiliseert op de instelpuntwaarde van 20 centimeter. Log in op het NCSLab-systeem en kies voor ventilatorsnelheidsregeling in het sublaboratorium van het externe laboratorium.Voer de subinterface voor het algoritmeontwerp in en sleep de blokken om het IMC-besturingsalgoritmediagram samen te stellen. Genereer vervolgens het uitvoerbare besturingsalgoritme. Gebruik het ventilatorsnelheidscontrolesysteem om het ontworpen IMC-algoritme te verifiëren.Configureer een bewakingsinterface en koppel twee tekstvakken met instelpunt en lander voor afstemming. Koppel vervolgens een real-time grafiek aan het instelpunt en de snelheid voor monitoring. Selecteer de 3D-modelwidget van de ventilator en de camerawidget en klik op de startknop om de real-time experimenten te activeren.Stel het instelpunt opnieuw in van 2.000 RPM naar 1.500 RPM. En tot slot, reset het van 1, 500 RPM naar 2, 500 RPM. Het real-time experiment van het eerste orde systeem met het design control algoritme wordt hier getoond.De parameters zijn afstembaar en de signalen kunnen worden bewaakt met de meegeleverde widgets. De representatieve beelden tonen real-time experimenten met het dubbele tanksysteem na het afstemmen van de integrale term van 0,1 tot 0,01. Het instelpunt wordt gereset van 15 centimeter naar 25 centimeter.De overshoot is hier weggewerkt. Real-time controle kan worden bereikt en de ventilatorsnelheid kan worden bewaakt met behulp van het ventilatorsnelheidsregeling laboratorium op afstand in combinatie met een 3D virtueel ventilatorsysteem. Het fysieke ventilatorsysteem bevindt zich aan de Universiteit van Wuhan en biedt externe laboratoriumdiensten aan gebruikers over de hele wereld.gecoördineerde controle-experiment voor multi-agent kan ook worden gedaan, dat de gecoördineerde controleprestatiemiddelen in het externe laboratorium kan demonstreren. Deze technologie realiseert het online delen van experimentele apparatuur en diversifieert de ontwikkeling van experimenteel onderwijs en biedt een goede demonstratie voor de ontwikkeling van externe en driedimensionale virtuele gecombineerde laboratoria.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en 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

Onderzoek en ontwikkeling van high-performance Explosieven

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 Biomoleculaire modellen voor onderzoek en Pedagogiek

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

Een nieuwe methode voor<em&gt; In situ</em&gt; Elektromechanische Karakterisering van Nanoscale Exemplaren

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

Studie van Siphon Breaker Experiment en simulatie voor een onderzoeksreactor

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

Verwerking van Bulk Nanocrystalline metalen bij de 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 concentratie online meting op basis van near infrared spectroscopie via gedeeltelijke minste vierkante regressie

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

Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus 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

Verstrooiing en absorptie van licht in planetaire 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

Toepassing van een koppelingsagent om de diëlektrische eigenschappen van op polymeren gebaseerde nanocomposieten te verbeteren

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