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

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 und Grant 61773144 unterstützt.

In dieser Arbeit werden drei separate visualisierte Beispiele zur Verbesserung von Lehre und Lernen und Forschung bereitgestellt, auf die über das Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react zugegriffen werden kann.
1. Beispiel 1: System erster Ordnung mit schaltungsbasiertem Experimentierprotokoll
<ol><li>Greifen Sie auf das NCSLab-System zu.<ol><li>Öffnen Sie einen gängigen Webbrowser und geben Sie die URL https://www.power...

<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>

Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein hybrides Online-Laborsystem, das physische Prüfstände für Fernexperimente und virtuelle 3D-Prüfstände für virtuelle Experimente integriert. Für den Algorithmusentwurfsprozess stehen mehrere verschiedene Blockbibliotheken zur Verfügung, z. B. die elektrischen Elemente für den schaltungsbasierten Entwurf. Benutzer mit Kontrollhintergründen können sich auf das Lernen ohne Programmierkenntnisse konzentrieren. Das richtige Design eines Regelalgorithmus, der auf einen geeign...

Labore sind eine wichtige Infrastruktur für Forschung und Lehre. Wenn herkömmliche Labore aus verschiedenen Gründen nicht verfügbar und/oder zugänglich sind, z. B. unerschwingliche Anschaffungs- und Wartungskosten, Sicherheitsüberlegungen und Krisen wie die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), können Online-Labore Alternativen anbieten1,2,3. Wie in herkömmlichen Laboren wurden auch in den Online-Laboren erhebliche Fortschritte wie interaktive Funktionen4 und anpassbare Experimente5 erzielt. Vor und während der COVID-19-Pandemie bieten Online-Labore experimentelle Dienste für Nutzer auf der ganzen Welt an6,7.
Unter den Online-Labors können Remote-Labore den Benutzern eine ähnliche Erfahrung wie praktische Experimente mit Unterstützung von physischen Prüfständen und Kameras bieten8. Mit der Weiterentwicklung des Internets, der Kommunikation, der Computergrafik und der Rendering-Technologien bieten virtuelle Labore auch Alternativen zu herkömmlichen Labors1. Die Wirksamkeit von Remote- und virtuellen Labors zur Unterstützung von Forschung und Bildung wurde in einschlägiger Literatur bestätigt1,9,10.
Die Bereitstellung von visualisierten Experimenten ist für Online-Labore von entscheidender Bedeutung, und die Visualisierung im Online-Experiment ist zu einem Trend geworden. In Online-Laboren werden unterschiedliche Visualisierungstechniken durchgeführt, z. B. Kurvendiagramme, zweidimensionale (2-D) Prüfstände und dreidimensionale (3-D) Prüfstände11. In der Kontrollerziehung sind zahlreiche Theorien, Konzepte und Formeln unklar zu verstehen; Daher sind visualisierte Experimente von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Unterrichts, des Lernens und der Forschung der Schüler. Die damit verbundene Visualisierung kann in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden: (1) Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln mit webbasiertem Algorithmusdesign und -implementierung, mit dem Simulation und Experimente durchgeführt werden können; (2) Visualisierung des experimentellen Prozesses mit virtuellen 3D-Prüfständen; (3) Visualisierung der Steuerung und Überwachung mit Widgets wie einem Diagramm und einem 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

Experimentieren ist in der Ingenieurausbildung von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit untersucht visualisierte Experimente in Online-Laboren für das Lehren und Lernen und auch für die Forschung. Interaktive und visualisierende Funktionen, einschließlich theoriegeführter Algorithmusimplementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, anpassbare Überwachungsschnittstelle und dreidimensionale (3D) virtuelle Prüfstände werden diskutiert. Um die Merkmale und Funktionalitäten der vorgeschlagenen Labore zu veranschaulichen, werden drei Beispiele bereitgestellt, darunter die Systemerkundung erster Ordnung unter Verwendung eines schaltungsbasierten Systems mit elektrischen Elementen sowie das webbasierte Steuerungsalgorithmusdesign für virtuelle und Fernexperimente. Mit benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen können nicht nur Simulationen durchgeführt werden, sondern auch Echtzeitexperimente durchgeführt werden, sobald die entworfenen Steuerungsalgorithmen zu ausführbaren Steuerungsalgorithmen kompiliert wurden. Das vorgeschlagene Online-Labor bietet auch eine anpassbare Überwachungsoberfläche, mit der Benutzer ihre Benutzeroberfläche mithilfe der bereitgestellten Widgets wie Textfeld, Diagramm, 3D und Kamera-Widget anpassen können. Lehrer können das System für Online-Demonstrationen im Klassenzimmer verwenden, Schüler für Experimente nach dem Unterricht und Forscher, um Kontrollstrategien zu überprüfen.

Das vorgeschlagene Laborsystem wurde von verschiedenen Schülern an der Wuhan University verwendet, wie der Automatisierungs-, Energie- und Energietechnik, dem Maschinenbau und anderen Universitäten wie der Henan Agricultural University6.
Lehrer/Studenten/Forscher haben große Flexibilität, um das System mit verschiedenen virtuellen und/oder physischen Prüfständen zu erkunden, ihre Steuerungsalgorithmen zu definieren und ihre Überwachungsschnittstelle anzupassen. S...

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Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Diese Arbeit beschreibt ein Online-Experimentiersystem, das visualisierte Experimente bereitstellt, einschließlich der Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln, der Visualisierung des experimentellen Prozesses mit dreidimensionalen (3D) virtuellen Prüfständen und der Visualisierung des Steuerungs- und Überwachungssystems mit Widgets wie Diagrammen und Kameras.

Interaktives und visualisiertes Online-Experimentiersystem für Ingenieurausbildung und -forschung

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

Unser Protokoll realisiert Remote- und virtuelle Experimente in Online-Laboren für Lehre, Lernen und auch Forschung. Theoretisches Wissen und Experimentierpraxis werden kombiniert, um das Lehren und Lernen durch unser Protokoll zu verbessern. Es bietet ein einheitliches Framework, das eine theoriegeleitete Implementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, eine anpassbare Überwachungsschnittstelle sowie dreidimensionale virtuelle und Remote-Experimente ermöglicht.Zijie Wie und Shengwang Ye werden helfen, das Verfahren zu demonstrieren. Wei arbeitet auf ihren Master-Abschluss hin und Ye arbeitet auf seinen Doktortitel hin. Öffnen Sie zunächst einen gängigen Webbrowser und geben Sie die URL www.powersim.whu.edu.cn/react ein.Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten und schreiben Sie W-H-U-T-E-S-T als Benutzername und Passwort, um sich beim System anzumelden. Geben Sie das WHU-Labor in die linke Unterlaborliste ein und wählen Sie WHU-typische Links für das Experimentieren und geben Sie dann die Algorithmus-Design-Unterschnittstelle ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Neues Modell erstellen und rufen Sie die webbasierte Algorithmusoberfläche auf.Erstellen Sie einen Schaltplan mit den bereitgestellten Blöcken. Doppelklicken Sie auf die entsprechenden Blöcke, um die Parameter einzustellen, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Simulation starten. Das Simulationsergebnis wird in der Schnittstelle bereitgestellt.Klicken Sie auf die Schaltfläche Kompilierung starten und warten Sie, bis das Designblockdiagramm zu einem ausführbaren Steuerungsalgorithmus generiert wird. Dieser Steueralgorithmus kann heruntergeladen und in die Fernbedienung ausgeführt werden, die auf der Task-Rig-Seite eingesetzt wird, um Steueralgorithmen zu implementieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche Steuerung anfordern, um die Steuerung des Schaltungssystems zu beantragen.Klicken Sie dann auf die Return-Schaltfläche zur Algorithmus-Design-Unterschnittstelle. Suchen Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus im Bereich Private Algorithmusmodelle. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment durchführen, um den Designsteuerungsalgorithmus auf eine Fernbedienung herunterzuladen.Geben Sie die Konfigurationsunterschnittstelle ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Neuen Monitor erstellen, um eine Überwachungsschnittstelle zu konfigurieren. Fügen Sie vier Textfelder für die Parameterabstimmung und ein Kurvendiagramm für die Signalüberwachung hinzu. Verknüpfen Sie die Signale und Parameter mit den ausgewählten Widgets und stellen Sie den x-Achsenbereich des Diagramms auf 8S ein.Klicken Sie auf die Schaltfläche Start, um den Test zu starten. Stellen Sie die Eingangsspannung auf null Volt und stimmen Sie den Kondensator C auf fünf Mikrofarad ab, dann stellen Sie die Eingangsspannung auf ein Volt ein. Loggen Sie sich in das NCSLab-System ein und betreten Sie das Teillabor für Prozesssteuerung.Wählen Sie den Doppeltankprüfstand und geben Sie die Unterschnittstelle für das Algorithmusdesign ein. Entwerfen Sie eine proportionale integrale Ableitung oder einen PID-Regelalgorithmus gemäß den im ersten Beispiel beschriebenen Schritten. Doppelklicken Sie auf den PID-Regler und stellen Sie proportional gleich 1,12, Integral gleich 0,008 und Derivat gleich 6,6 ein.Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Simulation starten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Konfigurationsparameter und rufen Sie das Kompilierungskonfigurationsfenster auf, um den Solver auf ODE4 einzustellen. Generieren Sie den ausführbaren Steuerungsalgorithmus und laden Sie den Steueralgorithmus auf die Fernbedienung herunter.Konfigurieren Sie eine Überwachungsschnittstelle mit vier Textfeldern für Sollwert, P, I und D.Fügen Sie ein Diagramm zur Überwachung des Wasserstands und des entsprechenden Sollwerts hinzu. Legen Sie den x-Achsenbereich des Diagramms auf 200S fest. Wählen Sie ein 3D-Widget, das alle Winkel der Prüfstände und Animationen des Wasserstands in Verbindung mit den Echtzeitdaten bereitstellen kann.Klicken Sie dann auf den Start-Button. Stellen Sie den Sollwert von 10 Zentimetern auf fünf Zentimeter ein und setzen Sie dann I gleich 0,1, wenn die Höhe des Wasserstands im kontrollierten Tank fünf Zentimeter erreicht und sich stabilisiert. Setzen Sie den Sollwert von fünf Zentimetern auf 15 Zentimeter zurück.Stellen Sie I von 0,1 auf 0,01 ein und setzen Sie den Sollwert von 15 Zentimetern auf 25 Zentimeter zurück. Das Überschwingen wird eliminiert und der Wasserstand stabilisiert sich beim Sollwert von 20 Zentimetern. Melden Sie sich beim NCSLab-System an und wählen Sie die Lüfterdrehzahlregelung im Remote-Labor-Teillabor.Geben Sie die Algorithmus-Design-Unterschnittstelle ein und ziehen Sie die Blöcke, um das IMC-Steuerungsalgorithmusdiagramm zu erstellen. Generieren Sie dann den ausführbaren Steuerungsalgorithmus. Verwenden Sie das Lüfterdrehzahlsteuerungssystem, um den entwickelten IMC-Algorithmus zu überprüfen.Konfigurieren Sie eine Monitoring-Schnittstelle und verknüpfen Sie zwei Textfelder mit Sollwert und Lander zum Tuning. Verknüpfen Sie dann ein Echtzeitdiagramm mit dem Sollwert und der Geschwindigkeit für die Überwachung. Wählen Sie das 3D-Modell-Widget des Lüfters und das Kamera-Widget aus und klicken Sie auf den Start-Button, um das Echtzeit-Experiment zu aktivieren.Setzen Sie den Sollwert von 2.000 U/min auf 1.500 U/min zurück. Und schließlich setzen Sie es von 1.500 U / min auf 2.500 U / min zurück. Das Echtzeitexperiment des Systems erster Ordnung mit dem Designsteuerungsalgorithmus wird hier gezeigt.Die Parameter sind abstimmbar und die Signale können mit den bereitgestellten Widgets überwacht werden. Die repräsentativen Bilder zeigen Echtzeit-Experimente mit dem Dual-Tank-System nach Abstimmung des Integralterms von 0,1 auf 0,01. Der Sollwert wird von 15 Zentimetern auf 25 Zentimeter zurückgesetzt.Das Overshoot wurde hier beseitigt. Eine Echtzeitsteuerung kann erreicht werden und die Lüftergeschwindigkeit kann mit dem Remote-Labor der Lüftergeschwindigkeitssteuerung in Kombination mit einem virtuellen 3D-Lüftersystem überwacht werden. Das physische Lüftersystem befindet sich an der Wuhan University und bietet Remote-Labordienstleistungen für Benutzer weltweit.Es kann auch ein koordiniertes Kontrollexperiment für Multi-Agenten durchgeführt werden, das die koordinierten Steuerungsleistungsagenten im Remote-Labor demonstrieren kann. Diese Technologie realisiert den Online-Austausch von experimentellen Geräten und diversifiziert die Entwicklung des experimentellen Unterrichts und bietet eine gute Demonstration für die Entwicklung von entfernten und dreidimensionalen virtuellen kombinierten Labors.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

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A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Eine neuartige Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Elektromechanische Charakterisierung von nanoskaligen Proben

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