Name: interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research
Uploaded: 2021-11-24T14:00:00
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この研究は、中国国立自然科学財団の助成62103308、グラント62173255、グラント62073247、グラント61773144の下で支援されました。

本研究では、ネットワーク制御システム研究所(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react) を通じて アクセスできる教育と学習と研究を強化するために、3つの別々の視覚化された例が提供されています。
1. 例1:回路ベースの実験プロトコルを用いた第一次システム
<ol><li>NCSLab システムにアクセスします。<ol><li>メインストリームの Web ブラウザを開き、URL http...

<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>

提示されたプロトコルは、リモート実験用の物理テストリグと仮想実験用の3D仮想テストリグを統合するハイブリッドオンラインラボシステムを記述しています。回路ベースの設計の電気要素など、アルゴリズム設計プロセスには、いくつかの異なるブロックライブラリが用意されています。コントロールのバックグラウンドを持つユーザーは、プログラミングスキルを持たずに学習に集中?...

研究所は、研究と教育のための重要なインフラです。従来の研究所が利用可能でない場合や、さまざまな原因(例えば、手に入らない購入やメンテナンスコスト、安全上の考慮事項、コロナウイルス病2019(COVID-19)パンデミックなどの危機など、オンラインラボは選択肢を提供することができます1,2,3。従来の研究所と同様に、インタラクティブな機能4やカスタマイズ可能な実験などの重要な進歩は、オンライン研究所で達成されています。COVID-19パンデミックの前と中に、オンライン研究所は、世界中のユーザーに実験的なサービスを提供しています6,7。
オンラインラボの中でも、リモートラボは、物理テストリグとカメラ8のサポートを受けて、ハンズオン実験と同様の体験をユーザーに提供できます。インターネット、通信、コンピュータグラフィックス、レンダリング技術の進歩に伴い、仮想研究所は従来のラボに代わるものも提供します1。研究と教育を支援する遠隔および仮想研究所の有効性は、関連文献で検証されています 1,9,10.
可視化された実験はオンラインラボにとって非常に重要であり、オンライン実験における可視化はトレンドとなっています。オンラインラボでは、カーブチャート、2次元(2次元)テストリグ、3次元(3次元)テストリグ11など、さまざまな可視化技術が実現されます。制御教育では、多くの理論、概念、および式が理解できない。したがって、教育、学生の学習、研究を強化するためには、可視化された実験が不可欠です。関連する視覚化は、次の3つのカテゴリに終わることができます: (1) シミュレーションと実験を行うことができるウェブベースのアルゴリズムの設計と実装による理論、概念、および数式を視覚化します。(2) 3D仮想テストリグによる実験プロセスの可視化(3)チャートやカメラウィジェットなどのウィジェットを使って、コントロールやモニタリングを可視化する。

<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

実験は工学教育において極めて重要です。本研究では、教育・学習、研究のためのオンライン研究所での可視化実験を探る。理論ガイド付きアルゴリズムの実装、Webベースのアルゴリズム設計、カスタマイズ可能な監視インターフェース、3次元(3次元)仮想テストリグなどのインタラクティブで視覚化された機能について説明します。提案された研究室の特徴と機能を説明するために、電気要素を有する回路系システムを用いた一次システム探査、仮想および遠隔実験のためのウェブベース制御アルゴリズム設計を含む3つの例が提供される。ユーザー設計の制御アルゴリズムを使用して、シミュレーションを行うことができるだけでなく、設計された制御アルゴリズムを実行可能制御アルゴリズムにコンパイルした後にリアルタイム実験を行うこともできます。提案されたオンラインラボはまた、ユーザーがテキストボックス、チャート、3-D、カメラウィジェットなどの提供されたウィジェットを使用して、ユーザーインターフェイスをカスタマイズすることができるカスタマイズ可能な監視インターフェイスを提供します。教師は、教室でのオンラインデモンストレーションにシステムを使用し、クラス後の実験のための学生、および研究者を使用して制御戦略を検証することができます。

提案された研究室システムは、武漢大学の複数の異なる弟子たち、例えばオートメーション、電力エネルギー工学、機械工学、河南農業大学などの他の大学で使用されてきた。
教師/学生/研究者は、さまざまな仮想および/または物理テストリグを使用してシステムを探索し、制御アルゴリズムを定義し、監視インターフェースをカスタマイズする大き?...

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Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

この研究では、理論、概念、式の可視化、3次元(3次元)仮想試験装置による実験プロセスの可視化、チャートやカメラなどのウィジェットを用いた制御・監視システムの可視化など、可視化された実験を提供するオンライン実験システムについて説明する。

工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

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

私たちのプロトコルは、教育、学習、および研究のためのオンライン研究所でのリモートおよび仮想実験を実現します。理論知識と実験の実践は、私たちのプロトコルを通じて教えと学習を強化するために組み合わされています。理論ガイド付き実装、Web ベースのアルゴリズム設計、カスタマイズ可能な監視インターフェイス、3 次元の仮想およびリモート実験を可能にする統一されたフレームワークを提供します。ジジエ・ウィーとシェンワン・イーは、この手順を実証するのに役立ちます。ウェイは修士号に向けて取り組んでおり、Yeは博士号に向けて取り組んでいます。まず、メインストリームの Web ブラウザを開き、URL www.powersim.whu.edu.cn/react を入力します。実験開始ボタンをクリックし、W-H-U-T-E-S-Tをユーザー名とパスワードとして書き込み、システムにログインします。左側のサブラボリストに WHU ラボを入力し、実験の WHU 標準リンクを選択し、アルゴリズム設計サブインターフェイスを入力します。[新しいモデルの作成] ボタンをクリックし、Web ベースのアルゴリズム インターフェイスを入力します。提供されたブロックを使用して回路図を構築します。対応するブロックをダブルクリックしてパラメータを設定し、シミュレーション開始ボタンをクリックします。シミュレーション結果はインタフェースで提供されます。コンパイル開始ボタンをクリックし、デザインブロックダイアグラムが実行可能な制御アルゴリズムに生成されるまで待ちます。この制御アルゴリズムは、タスクリグ側に展開されたリモートコントローラにダウンロードして実行し、制御アルゴリズムを実装することができます。要求制御ボタンをクリックして、回路システムの制御を申請します。次に、アルゴリズム設計サブインターフェイスへの戻りボタンをクリックします。プライベート アルゴリズム モデル のパネルで実行可能な制御アルゴリズムを見つけます。実験ボタンをクリックして、設計制御アルゴリズムをリモートコントローラにダウンロードします。構成サブインターフェイスを入力し、[新しいモニタの作成] ボタンをクリックして、モニタリング インターフェイスを設定します。パラメータチューニング用のテキストボックスを4つ、信号監視用の曲線チャートを1つ含めます。選択したウィジェットに信号とパラメータをリンクし、チャートのX軸範囲を8Sに設定します。開始ボタンをクリックして実験を開始します。入力電圧をゼロボルトに設定し、コンデンサCを5マイクロファラドに調整してから、入力電圧を1ボルトに設定します。NCSLab システムにログインし、プロセス制御サブラボに入ります。ダブルタンクテストリグを選択し、アルゴリズム設計サブインタフェースを入力します。例 1 で説明した手順に従って、比例積分微分または PID 制御アルゴリズムを設計します。PIDコントローラをダブルクリックすると、比例は1.12、積分は0.008、微分は6.6に等しくなります。次に、シミュレーションの開始ボタンをクリックします。設定パラメータボタンをクリックし、コンパイル設定パネルに入り、ソルバーをODE4に設定します。実行可能な制御アルゴリズムを生成し、リモートコントローラーに制御アルゴリズムをダウンロードします。設定点、P、I、および D.4 つのテキスト ボックスを備えたモニタリング インターフェイスを設定します。グラフの X 軸範囲を 200S に設定します。リアルタイム データに接続された水位のテスト リグとアニメーションのすべての角度を提供できる 3D ウィジェットを選択します。次に、スタートボタンをクリックします。設定点を10センチメートルから5センチに設定し、制御タンク内の水位の高さが5センチメートルで安定したときに0.1に等しく設定します。設定点を 5 センチから 15 センチにリセットします。I を 0.1 から 0.01 にチューニングし、設定点を 15 センチメートルから 25 センチメートルにリセットします。オーバーシュートが排除され、水位は20センチメートルの設定点値で安定します。NCSLabシステムにログインし、リモートラボのサブラボでファン速度制御を選択します。アルゴリズム設計サブインタフェースを入力し、ブロックをドラッグしてIMC制御アルゴリズム図を構築します。次に、実行可能な制御アルゴリズムを生成します。ファンスピード制御システムを採用し、設計されたIMCアルゴリズムを検証します。モニタリングインターフェイスを設定し、2つのテキストボックスを設定点と着陸船でリンクしてチューニングします。次に、リアルタイムチャートを監視用の設定ポイントと速度にリンクします。ファンとカメラウィジェットの3Dモデルウィジェットを選択し、リアルタイム実験をアクティブにするためにスタートボタンをクリックします。設定ポイントを 2,000 RPM から 1,500 RPM にリセットします。そして最後に、1,500 RPM から 2, 500 RPM にリセットします。設計制御アルゴリズムを用いた第1次システムのリアルタイム実験を以下に示す。パラメータは調整可能で、信号は提供されたウィジェットで監視することができます。代表的な画像は、積分項を0.1から0.01にチューニングした後のデュアルタンクシステムでのリアルタイム実験を示しています。設定点は15センチメートルから25センチメートルにリセットされます。オーバーシュートはここで排除されました。リアルタイム制御が可能で、ファン速度を3D仮想ファンシステムと組み合わせたリモートラボラトリーで監視できます。物理ファンシステムは武漢大学にあり、世界中のユーザーにリモートラボサービスを提供しています。マルチエージェントの協調制御実験も行うことができるので、遠隔研究室で協調制御性能エージェントを実演することができる。この技術は、実験機器のオンライン共有を実現し、実験教育の発展を多様化し、遠隔・三次元仮想実験室の開発に向けた優れた実証を提供します。

Research

JoVE Journal

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