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

Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China dans le cadre de Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 et Grant 61773144.

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
<ol><li>Accédez au système NCSLab.<ol><li>Ouvrez un navigateur Web grand public et entrez l’URL https://www...

<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>

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...

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.

<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

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.

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...

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

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.

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

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

Notre protocole réalise des expériences à distance et virtuelles dans des laboratoires en ligne pour l’enseignement, l’apprentissage et la recherche. Les connaissances théoriques et la pratique de l’expérimentation sont combinées pour améliorer l’enseignement et l’apprentissage à travers notre protocole. Il fournit un cadre unifié qui permet une mise en œuvre guidée par la théorie, une conception d’algorithmes basée sur le Web, une interface de surveillance personnalisable et une expérimentation virtuelle et à distance en trois dimensions.Zijie Wie et Shengwang Ye aideront à démontrer la procédure. Wei travaille à sa maîtrise et Ye travaille à son doctorat. Pour commencer, ouvrez un navigateur Web grand public et entrez l’URL www.powersim.whu.edu.cn/react.Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience et écrivez W-H-U-T-E-S-T comme nom d’utilisateur et mot de passe pour vous connecter au système. Entrez le laboratoire WHU dans la liste des sous-laboratoires de gauche et choisissez les liens typiques WHU pour l’expérimentation, puis entrez dans la sous-interface de conception de l’algorithme. Cliquez sur le bouton Créer un nouveau modèle et entrez dans l’interface de l’algorithme Web.Construisez un schéma de circuit à l’aide des blocs fournis. Double-cliquez sur les blocs correspondants pour définir les paramètres, puis cliquez sur le bouton Démarrer la simulation. Le résultat de la simulation sera fourni dans l’interface.Cliquez sur le bouton Démarrer la compilation et attendez que le schéma fonctionnel de conception soit généré dans un algorithme de contrôle exécutable. Cet algorithme de contrôle peut être téléchargé et exécuté dans la télécommande déployée du côté de la plate-forme de tâche pour implémenter des algorithmes de contrôle. Cliquez sur le bouton de commande de demande pour demander le contrôle du système de circuit.Cliquez ensuite sur le bouton de retour à la sous-interface de conception de l’algorithme. Recherchez l’algorithme de contrôle exécutable sous le panneau Modèles d’algorithmes privés. Cliquez sur le bouton Mener une expérience pour télécharger l’algorithme de contrôle de conception sur une télécommande.Entrez dans la sous-interface de configuration et cliquez sur le bouton Créer un nouveau moniteur pour configurer une interface de surveillance. Incluez quatre zones de texte pour le réglage des paramètres et un graphique de courbe pour la surveillance du signal. Liez les signaux et les paramètres aux widgets sélectionnés et définissez la plage d’axes X du graphique sur 8S.Cliquez sur le bouton Démarrer pour démarrer l’expérience. Réglez la tension d’entrée sur zéro volt et réglez le condensateur C sur cinq microfarads, puis réglez la tension d’entrée sur un volt. Connectez-vous au système NCSLab et entrez dans le sous-laboratoire de contrôle de processus.Choisissez le banc d’essai à double réservoir et entrez dans la sous-interface de conception de l’algorithme. Concevez une dérivée intégrale proportionnelle ou un algorithme de contrôle PID en suivant les étapes décrites dans l’exemple un. Double-cliquez sur le contrôleur PID et définissez proportionnel égal à 1,12, intégrale égale à 0,008 et dérivée égale à 6,6.Cliquez ensuite sur le bouton Démarrer la simulation. Cliquez sur le bouton paramètres de configuration et entrez dans le panneau de configuration de compilation pour définir le solveur sur ODE4. Générez l’algorithme de contrôle exécutable et téléchargez l’algorithme de contrôle sur la télécommande.Configurez une interface de surveillance avec quatre zones de texte pour le point de consigne, P, I et D.Incluez un graphique pour surveiller le niveau d’eau et le point de consigne correspondant. Définissez la plage d’axes X du graphique sur 200S. 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.Cliquez ensuite sur le bouton démarrer. Réglez le point de consigne de 10 centimètres à cinq centimètres, puis réglez I égal à 0,1 lorsque la hauteur du niveau d’eau dans le réservoir contrôlé atteint et se stabilise à cinq centimètres. Réinitialisez le point de consigne de cinq centimètres à 15 centimètres.Réglez I de 0,1 à 0,01 et réinitialisez le point de consigne de 15 centimètres à 25 centimètres. Le dépassement est éliminé et le niveau d’eau se stabilise à la valeur de consigne de 20 centimètres. Connectez-vous au système NCSLab et choisissez le contrôle de la vitesse du ventilateur dans le sous-laboratoire du laboratoire distant.Entrez dans la sous-interface de conception d’algorithme et faites glisser les blocs pour construire le diagramme d’algorithme de contrôle IMC. Générez ensuite l’algorithme de contrôle exécutable. Utilisez le système de contrôle de la vitesse du ventilateur pour vérifier l’algorithme IMC conçu.Configurez une interface de surveillance et liez deux zones de texte avec le point de consigne et l’atterrisseur pour le réglage. Ensuite, liez un graphique en temps réel avec le point de consigne et la vitesse de surveillance. Sélectionnez le widget de modèle 3D du ventilateur et le widget de la caméra et cliquez sur le bouton de démarrage pour activer l’expérimentation en temps réel.Réinitialisez le point de consigne de 2 000 tr/min à 1 500 tr/min. Et enfin, réinitialisez-le de 1 500 tr / min à 2 500 tr / min. L’expérience en temps réel du système de premier ordre avec l’algorithme de contrôle de conception est montrée ici.Les paramètres sont réglables et les signaux peuvent être surveillés avec les widgets fournis. Les images représentatives montrent l’expérimentation en temps réel avec le système à double réservoir après avoir réglé le terme intégral de 0,1 à 0,01. Le point de consigne est réinitialisé de 15 centimètres à 25 centimètres.Le dépassement a été éliminé ici. Le contrôle en temps réel peut être réalisé et la vitesse du ventilateur peut être surveillée à l’aide du laboratoire à distance de contrôle de la vitesse du ventilateur combiné à un système de ventilateur virtuel 3D. Le système de ventilateur physique est situé à l’Université de Wuhan et fournit des services de laboratoire à distance aux utilisateurs du monde entier.une expérience de contrôle coordonnée pour multi-agents peut également être effectuée, ce qui peut démontrer les agents de performance de contrôle coordonnés dans le laboratoire distant. Cette technologie réalise le partage en ligne d’équipements expérimentaux et diversifie le développement de l’enseignement expérimental offrant une bonne démonstration pour le développement de laboratoires combinés virtuels distants et tridimensionnels.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d&#39;analyse

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

Recherche

Ingénierie

Research and Development of High-performance Explosives

La recherche et le développement des explosifs à haute performance

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

Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie

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

Une nouvelle méthode pour<em&gt; In Situ</em&gt; Caractérisation électromécanique des échantillons à l&#39;échelle nanométrique

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

Etude de Siphon Breaker expérience et Simulation pour un réacteur de recherche

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

Traitement des métaux nanocristallins en vrac à l’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

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

Une méthode rapide pour modéliser un moteur à cycle variable

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

Diffusion et absorption de la lumière dans les régolithes planétaires

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

Application d’un agent de couplage pour améliorer les propriétés diélectriques des nanocomposites à base de polymères

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