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

이 작품은 그랜트 62103308, 그랜트 62173255, 그랜트 62073247, 그랜트 61773144 따라 중국의 국립 자연 과학 재단에 의해 지원되었다.

이 작품에서는 네트워킹 제어 시스템 연구소(NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react)를 통해 액세스할 수 있는 교육 및 학습 및 연구를 향상시키기 위해 세 가지 가시화 예제가 제공됩니다.
1. 예 1: 회로 기반 실험 프로토콜을 사용하는 1차 시스템
<ol><li>NCSLab 시스템에 액세스합니다.<ol><li>주류 웹 브라우저를 열고 URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.</li>...

<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>

제시된 프로토콜은 원격 실험을 위한 물리적 테스트 리그와 가상 실험을 위한 3D 가상 테스트 리그를 통합하는 하이브리드 온라인 실험실 시스템을 설명합니다. 회로 기반 설계를 위한 전기 요소와 같은 알고리즘 설계 프로세스에 대해 여러 가지 블록 라이브러리가 제공됩니다. 제어 배경의 사용자는 프로그래밍 기술 없이 학습에 집중할 수 있습니다. 적절한 테스트 리그에 적용할 수 있는 제어 ?...

실험실은 연구 와 교육을위한 중요한 인프라입니다. 종래의 실험실이 다른 원인으로 인해 이용 가능하지 않거나 접근할 수 없는 경우, 예를 들어, 저렴한 구매 및 유지 보수 비용, 안전 고려 사항 및 코로나바이러스 질환 2019(COVID-19) 전염병과 같은 위기, 온라인 실험실은 대안을 제공할 수 있다1,2,3. 기존의 실험실과 마찬가지로, 대화형 기능4 및 사용자 지정 실험5와 같은 상당한 진전이 온라인 실험실에서 달성되었습니다. COVID-19 전염병 이전과 동안, 온라인 실험실은 전 세계 사용자에게 실험 서비스를 제공하고 있습니다6,7.
온라인 실험실 중 원격 실험실은 실제 테스트 리그 및 카메라8을 지원하는 실습 실험과 유사한 경험을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 인터넷, 통신, 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 기술의 발전과 함께 가상 실험실은 기존 실험실1에 대한 대안을 제공합니다. 연구 및 교육을 지원하는 원격 및 가상 실험실의 효과는 관련 문학1,9,10에서 검증되었습니다.
온라인 실험실에서는 시각화된 실험을 제공하는 것이 중요하며 온라인 실험의 시각화가 트렌드가 되었습니다. 다양한 시각화 기술은 온라인 실험실에서 달성되며, 예를 들어 곡선 차트, 2차원(2차원) 테스트 리그 및 3차원(3차원) 테스트 리그11을 달성한다. 제어 교육에서 수많은 이론, 개념 및 수식은 이해하기 가 모호합니다. 따라서, 시각화 된 실험은 교육, 학생 학습 및 연구를 향상시키는 데 필수적입니다. 관련 시각화는 다음과 같은 세 가지 범주로 결론을 내릴 수 있습니다: (1) 시뮬레이션 및 실험을 수행할 수 있는 웹 기반 알고리즘 설계 및 구현을 통해 이론, 개념 및 수식을 시각화하는 단계; (2) 3D 가상 테스트 리그로 실험 프로세스를 시각화하는 행위; (3) 차트 및 카메라 위젯과 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링을 시각화합니다.

<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

실험은 엔지니어링 교육에서 매우 중요합니다. 이 작품은 교육 및 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 시각화 된 실험을 탐구합니다. 이론 유도 알고리즘 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원(3차원) 가상 테스트 리그를 포함한 대화형 및 시각화 기능에 대해 설명합니다. 제안된 실험실의 기능과 기능을 설명하기 위해 전기 요소가 있는 회로 기반 시스템을 이용한 1차 시스템 탐색, 가상 및 원격 실험을 위한 웹 기반 제어 알고리즘 설계 등 세 가지 예가 제공됩니다. 사용자가 설계한 제어 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 설계된 제어 알고리즘을 실행 가능한 제어 알고리즘으로 컴파일한 후에는 실시간 실험을 수행할 수도 있습니다. 또한 제안된 온라인 실험실에서는 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스를 제공하며, 사용자는 텍스트 박스, 차트, 3D 및 카메라 위젯과 같은 제공된 위젯을 사용하여 사용자 인터페이스를 사용자 지정할 수 있습니다. 교사는 교실에서 온라인 데모를 위해 시스템을 사용할 수 있습니다, 수업 후 실험을위한 학생, 제어 전략을 확인하기 위해 연구원.

제안 된 실험실 시스템은 자동화, 전력 및 에너지 공학, 기계 공학 및 허난 농업 대학6과 같은 다른 대학과 같은 우한 대학의 여러 다른 제자에서 사용되었습니다.
교사/학생/연구원은 다양한 가상 및/또는 물리적 테스트 리그를 사용하여 시스템을 탐색하고, 제어 알고리즘을 정의하며, 모니터링 인터페이스를 사용자 지정할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공합?...

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Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

이 작품은 이론, 개념 및 수식의 시각화, 3차원(3차원) 가상 테스트 리그로 실험 프로세스 시각화, 차트 및 카메라와 같은 위젯을 사용하여 제어 및 모니터링 시스템을 시각화하는 등 시각화된 실험을 제공하는 온라인 실험 시스템을 설명합니다.

엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템

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

우리의 프로토콜은 교육, 학습 및 연구를위한 온라인 실험실에서 원격 및 가상 실험을 실현합니다. 이론적 지식과 실험 연습은 우리의 프로토콜을 통해 교육과 학습을 향상시키기 위해 결합된다. 이론 유도 구현, 웹 기반 알고리즘 설계, 사용자 지정 가능한 모니터링 인터페이스 및 3차원 가상 및 원격 실험을 가능하게 하는 통합 프레임워크를 제공합니다.지지위와 선광예는 그 절차를 시연하는 데 도움이 될 것이다. 웨이는 석사 학위를 향해 노력하고 있으며, Ye는 박사 학위를 향해 노력하고 있습니다. 시작하려면 주류 웹 브라우저를 열고 URL www.powersim.whu.edu.cn/react 입력합니다.시작 실험 버튼을 클릭하고 W-H-U-T-E-S-T를 사용자 이름과 암호로 작성하여 시스템에 로그인합니다. 왼쪽 하위 실험실 목록에 WHU 랩을 입력하고 실험에 대한 WHU 일반적인 링크를 선택한 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다. 새 모델 만들기 단추를 클릭하고 웹 기반 알고리즘 인터페이스를 입력합니다.제공된 블록을 사용하여 회로 다이어그램을 빌드합니다. 해당 블록을 두 번 클릭하여 매개 변수를 설정한 다음 시작 시뮬레이션 버튼을 클릭합니다. 시뮬레이션 결과는 인터페이스에 제공됩니다.시작 컴파일 버튼을 클릭하고 설계 블록 다이어그램이 실행 가능한 제어 알고리즘으로 생성될 때까지 기다립니다. 이 제어 알고리즘은 제어 알고리즘을 구현하기 위해 작업 리그 측에 배포된 원격 컨트롤러에 다운로드하여 실행할 수 있습니다. 회로 시스템의 제어를 신청하려면 요청 제어 버튼을 클릭합니다.그런 다음 알고리즘 설계 하위 인터페이스에 반환 버튼을 클릭합니다. 개인 알고리즘 모델 패널에서 실행 가능한 제어 알고리즘을 찾습니다. 리모컨에 설계 제어 알고리즘을 다운로드하려면 실험 버튼을 클릭합니다.구성 하위 인터페이스를 입력하고 새 모니터 만들기 버튼을 클릭하여 모니터링 인터페이스를 구성합니다. 매개 변수 튜닝을 위한 텍스트 상자 4개와 신호 모니터링을 위한 커브 차트 1개를 포함합니다. 신호 및 매개 변수를 선택한 위젯과 연결하고 차트의 x축 범위를 8S로 설정합니다.시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다. 입력 전압을 0볼트로 설정하고 커패시터 C를 5개의 마이크로패라드로 조정한 다음 입력 전압을 하나의 볼트로 설정합니다. NCSLab 시스템에 로그인하고 공정 제어 하위 실험실을 입력합니다.이중 탱크 테스트 리그를 선택하고 알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력합니다. 예를 설명한 단계에 따라 비례 적분 유도체 또는 PID 제어 알고리즘을 설계합니다. PID 컨트롤러를 두 번 클릭하고 비례가 1.12와 같으며, 일체형은 0.008이고 파생상품은 6.6입니다.그런 다음 시작 시뮬레이션 버튼을 클릭합니다. 구성 매개 변수 버튼을 클릭하고 컴파일 구성 패널을 입력하여 솔버를 ODE4로 설정합니다. 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성하고 제어 알고리즘을 원격 컨트롤러에 다운로드합니다.설정점, P, I 및 D.에 대한 4개의 텍스트 상자로 모니터링 인터페이스를 구성하여 수위 및 해당 설정점을 모니터링하기 위한 차트를 포함합니다. 차트의 x축 범위를 200S로 설정합니다. 실시간 데이터와 연결된 수위 애니메이션의 모든 각도와 테스트 리그의 모든 각도를 제공할 수 있는 3D 위젯을 선택합니다.그런 다음 시작 버튼을 클릭합니다. 세트점을 10cm에서 5센티미터로 설정한 다음 제어 탱크의 수위 높이가 5센티미터로 안정될 때 0.1과 동일하게 설정합니다. 세트 점을 5cm에서 15cm로 재설정합니다.I를 0.1에서 0.01로 조정하고 세트 포인트를 15cm에서 25cm로 재설정합니다. 오버슈트가 제거되고 수위가 20cm의 설정점 값에서 안정화됩니다. NCSLab 시스템에 로그인하고 원격 실험실 하위 실험실에서 팬 속도 제어를 선택합니다.알고리즘 설계 하위 인터페이스를 입력하고 블록을 드래그하여 IMC 제어 알고리즘 다이어그램을 생성합니다. 그런 다음 실행 가능한 제어 알고리즘을 생성합니다. 팬 속도 제어 시스템을 사용하여 설계된 IMC 알고리즘을 확인합니다.모니터링 인터페이스를 구성하고 튜닝을 위해 설정점 및 착륙선이 있는 두 개의 텍스트 상자를 연결합니다. 그런 다음 실시간 차트를 모니터링을 위한 세트 점 및 속도와 연결합니다. 팬과 카메라 위젯의 3D 모델 위젯을 선택하고 시작 버튼을 클릭하여 실시간 실험을 활성화합니다.세트 점을 2, 000 RPM에서 1, 500 RPM으로 재설정합니다. 그리고 마지막으로 1, 500 RPM에서 2, 500 RPM으로 재설정합니다. 설계 제어 알고리즘을 가진 첫 번째 주문 시스템의 실시간 실험이 여기에 나와 있다.매개 변수는 튜닝가능하며 제공된 위젯으로 신호를 모니터링할 수 있습니다. 대표적인 이미지는 0.1에서 0.01까지의 일체형을 조정한 후 듀얼 탱크 시스템을 통한 실시간 실험을 보여줍니다. 세트점은 15cm에서 25cm로 재설정됩니다.오버슈트는 여기에서 제거되었습니다. 3D 가상 팬 시스템과 결합된 팬 스피드 컨트롤 리모컨 을 사용하여 팬 속도를 실시간으로 제어할 수 있으며 팬 속도를 모니터링할 수 있습니다. 물리적 팬 시스템은 우한 대학에 위치하고 전 세계 사용자에게 원격 실험실 서비스를 제공합니다.다중 에이전트에 대한 조정된 제어 실험도 수행할 수 있으며, 이는 원격 실험실에서 조정된 제어 성능 에이전트를 입증할 수 있습니다. 이 기술은 실험 장비의 온라인 공유를 실현하고 원격 및 3차원 가상 복합 실험실의 개발을위한 좋은 데모를 제공하는 실험 교육의 개발을 다양화합니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

소설 3D / MD 시뮬레이션, 시각화 및 분석을위한 VR 대화 형 환경

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

연구

공학

Research and Development of High-performance Explosives

고성능 폭발물의 연구 개발

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

연구 및 교육학에 대한 생명 모델의 3D 인쇄

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

에 대한 소설 방법<em&gt; 현장에서</em&gt; 나노 크기 시편의 전자 기계적 특성 분석

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

연구 반응 기에 대 한 사이 펀 브 레이 커 실험 및 시뮬레이션 연구

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

미국 육군 연구소에서 대량 Nanocrystalline 금속 처리

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

부분 최소 정사각형 회귀를 통한 근적외선 분광법에 기반한 O-cresol 농도 온라인 측정

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

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Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths

행성 레골리스에서 빛의 산란 및 흡수

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

폴리머 기반 나노 복합체의 유전체 특성을 개선하기 위한 커플링 에이전트 적용

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