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

Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China under Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 og Grant 61773144.

I dette arbeidet gis tre separate visualiserte eksempler for å forbedre undervisning og læring og forskning, som du kan få tilgang til via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Eksempel 1: Førsteordenssystem ved hjelp av kretsbasert eksperimenteringsprotokoll
<ol><li>Få tilgang til NCSLab-systemet.<ol><li>Åpne en vanlig nettleser og skriv inn URL-https://www.powersim.whu.edu.cn/react.</li>
		<li>Klikk på <stron...

<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>

Den presenterte protokollen beskriver et hybrid online laboratoriesystem som integrerer fysiske testrigger for fjerneksperimentering og 3D virtuelle testrigger for virtuell eksperimentering. Flere forskjellige blokkbiblioteker er gitt for algoritmedesignprosessen, for eksempel de elektriske elementene for kretsbasert design. Brukere med kontrollbakgrunn kan fokusere på læring uten programmeringsferdigheter. Riktig utforming av en kontrollalgoritme som kan brukes på en passende testrigg, bør vurderes. Det er også utf...

Laboratorier er viktig infrastruktur for forskning og utdanning. Når konvensjonelle laboratorier ikke er tilgjengelige og/eller tilgjengelige på grunn av ulike årsaker, for eksempel uoverkommelige kjøps- og vedlikeholdskostnader, sikkerhetshensyn og kriser som koronavirussykdommen 2019 (COVID-19), kan nettlaboratorier tilby alternativer1,2,3. I likhet med konvensjonelle laboratorier har betydelig fremgang som interaktive funksjoner4 og tilpassbare eksperimenter5 blitt oppnådd i de elektroniske laboratoriene. Før og under COVID-19-pandemien tilbyr online laboratorier eksperimentelle tjenester til brukere over hele verden6,7.
Blant online laboratorier kan eksterne laboratorier gi brukerne en opplevelse som ligner på praktiske eksperimenter med støtte fra fysiske testrigger og kameraer8. Med utviklingen av Internett, kommunikasjon, datagrafikk og gjengivelsesteknologier, gir virtuelle laboratorier også alternativer til konvensjonelle laboratorier1. Effektiviteten av eksterne og virtuelle laboratorier for å støtte forskning og utdanning har blitt validert i relatert litteratur1,9,10.
Å tilby visualiserte eksperimenter er avgjørende for online laboratorier, og visualisering i online eksperimentering har blitt en trend. Ulike visualiseringsteknikker oppnås i nettbaserte laboratorier, for eksempel kurvediagrammer, todimensjonale (2D) testrigger og tredimensjonale (3D) testrigger11. I kontrollutdanning er mange teorier, konsepter og formler uklare å forstå; Visualiserte eksperimenter er derfor avgjørende for å forbedre undervisning, studentlæring og forskning. Den involverte visualiseringen kan avsluttes i følgende tre kategorier: (1) Visualisere teorier, konsepter og formler med nettbasert algoritmedesign og implementering, med hvilken simulering og eksperimentering kan gjennomføres; (2) Visualisere den eksperimentelle prosessen med 3D virtuelle testrigger; (3) Visualisere kontroll og overvåking ved hjelp av widgets som et diagram og en 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

Eksperimentering er avgjørende i ingeniørutdanningen. Dette arbeidet utforsker visualiserte eksperimenter i online laboratorier for undervisning og læring og også forskning. Interaktive og visualiserende funksjoner, inkludert teoristyrt algoritmeimplementering, nettbasert algoritmedesign, tilpassbart overvåkingsgrensesnitt og tredimensjonale (3D) virtuelle testrigger diskuteres. For å illustrere funksjonene og funksjonaliteten til de foreslåtte laboratoriene, leveres tre eksempler, inkludert førsteordens systemutforskning ved hjelp av et kretsbasert system med elektriske elementer, nettbasert kontrollalgoritmedesign for virtuell og ekstern eksperimentering. Ved hjelp av brukerdesignede kontrollalgoritmer kan ikke bare simuleringer utføres, men sanntidseksperimenter kan også utføres når de designede kontrollalgoritmene er kompilert til kjørbare kontrollalgoritmer. Det foreslåtte online laboratoriet gir også et tilpassbart overvåkingsgrensesnitt, som brukere kan tilpasse brukergrensesnittet sitt ved hjelp av gitte widgets som tekstboks, diagram, 3D og kamerawidget. Lærere kan bruke systemet til online demonstrasjon i klasserommet, studenter for eksperimentering etter leksjonen og forskere for å verifisere kontrollstrategier.

Det foreslåtte laboratoriesystemet har blitt brukt i flere forskjellige disipler ved Wuhan University, for eksempel automatisering, kraft- og energiteknikk, maskinteknikk og andre universiteter, for eksempel Henan Agricultural University6.
Lærere/studenter/forskere får stor fleksibilitet til å utforske systemet ved hjelp av ulike virtuelle og/eller fysiske testrigger, definere sine kontrollalgoritmer og tilpasse overvåkingsgrensesnittet; Dermed kan brukere på fors...

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

Dette arbeidet beskriver et online eksperimenteringssystem som gir visualiserte eksperimenter, inkludert visualisering av teorier, konsepter og formler, visualisering av eksperimentell prosess med tredimensjonale (3D) virtuelle testrigger, og visualisering av kontroll- og overvåkingssystemet ved hjelp av widgets som diagrammer og kameraer.

Interaktivt og visualisert online eksperimenteringssystem for ingeniørutdanning og forskning

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

Vår protokoll realiserer eksterne og virtuelle eksperimenter i online laboratorier for undervisning, læring og forskning. Teoretisk kunnskap og eksperimenteringspraksis kombineres for å forbedre undervisningen og læringen gjennom vår protokoll. Det gir et enhetlig rammeverk som muliggjør teoristyrt implementering, nettbasert algoritmedesign, tilpassbart overvåkingsgrensesnitt og tredimensjonal virtuell og ekstern eksperimentering.Zijie Wie og Shengwang Ye vil bidra til å demonstrere prosedyren. Wei jobber mot sin mastergrad og Ye jobber mot sin ph.d.-grad. Til å begynne med åpner du en vanlig nettleser og skriver inn URL-www.powersim.whu.edu.cn/react.Klikk på starteksperimentknappen og skriv W-H-U-T-E-S-T som brukernavn og passord for å logge på systemet. Skriv inn WHU-laboratoriet i underlaboratoriumslisten til venstre og velg WHU typiske lenker for eksperimenteringen, og skriv deretter inn undergrensesnittet for algoritmedesign. Klikk på opprett ny modell-knappen og skriv inn det nettbaserte algoritmegrensesnittet.Bygg et kretsdiagram ved hjelp av de medfølgende blokkene. Dobbeltklikk på de tilsvarende blokkene for å angi parametrene, og klikk deretter på startsimuleringsknappen. Simuleringsresultatet vil bli gitt i grensesnittet.Klikk på startkompileringsknappen og vent til designblokkdiagrammet genereres til en kjørbar kontrollalgoritme. Denne kontrollalgoritmen kan lastes ned og utføres til fjernkontrollen som distribueres på oppgaveriggsiden for å implementere kontrollalgoritmer. Klikk på forespørselskontrollknappen for å søke om kontroll av kretssystemet.Klikk deretter på returknappen til algoritmedesignundergrensesnittet. Finn den kjørbare kontrollalgoritmen under panelet for private algoritmemodeller. Klikk på utfør en eksperimentknapp for å laste ned designkontrollalgoritmen til en fjernkontroll.Gå inn i konfigurasjonsundergrensesnittet og klikk på opprett ny skjerm-knappen for å konfigurere et overvåkingsgrensesnitt. Inkluder fire tekstbokser for parameterjustering og ett kurvediagram for signalovervåking. Koble signalene og parameterne til de valgte widgetene og sett x-akseområdet for diagrammet til 8S.Klikk på startknappen for å starte eksperimentet. Sett inngangsspenningen til null volt og still kondensatoren C til fem mikrofarader, Sett deretter inngangsspenningen til en volt. Logg inn på NCSLab-systemet og gå inn i prosesskontrollunderlaboratoriet.Velg dobbel tank testrigg og skriv inn algoritmedesignundergrensesnittet. Utform en proporsjonal integralderivat eller PID-kontrollalgoritme ved å følge trinnene som er beskrevet i eksempel én. Dobbeltklikk på PID-kontrolleren og sett proporsjonal er lik 1,12, integral er lik 0,008 og derivat er lik 6,6.Klikk deretter på startsimuleringsknappen. Klikk på konfigurasjonsparameterknappen og gå inn i kompileringskonfigurasjonspanelet for å sette problemløseren til ODE4. Generer den kjørbare kontrollalgoritmen og last ned kontrollalgoritmen til fjernkontrollen.Konfigurer et overvåkingsgrensesnitt med fire tekstbokser for set point, P, I og D.Include et diagram for overvåking av vannstanden og det tilsvarende settpunktet. Sett x-akseområdet for diagrammet til 200S. Velg en 3D-widget som kan gi alle vinkler på testriggene og animasjonene av vannstand koblet til sanntidsdataene.Klikk deretter på startknappen. Sett settpunktet fra 10 centimeter til fem centimeter og sett deretter jeg tilsvarer 0,1 når høyden på vannstanden i den kontrollerte tanken når og stabiliserer seg på fem centimeter. Tilbakestill settpunktet fra fem centimeter til 15 centimeter.Still inn I fra 0,1 til 0,01 og tilbakestill settpunktet fra 15 centimeter til 25 centimeter. Overshoot blir eliminert og vannstanden stabiliserer seg ved den angitte punktverdien på 20 centimeter. Logg inn på NCSLab-systemet og velg viftehastighetskontroll i det eksterne laboratoriets underlaboratorium.Angi delgrensesnittet for algoritmeutforming, og dra blokkene for å konstruere IMC-kontrollalgoritmediagrammet. Generer deretter den kjørbare kontrollalgoritmen. Bruk viftehastighetskontrollsystemet for å bekrefte den designede IMC-algoritmen.Konfigurer et overvåkingsgrensesnitt og koble to tekstbokser med settpunkt og lander for justering. Koble deretter et sanntidsdiagram med det angitte punktet og hastigheten for overvåking. Velg 3D-modellwidgeten til viften og kamerawidgeten og klikk på startknappen for å aktivere sanntidseksperimenteringen.Tilbakestill innstilt punkt fra 2000 RPM til 1500 RPM. Og til slutt tilbakestiller du den fra 1500 RPM til 2500 RPM. Sanntidseksperimentet til det første ordresystemet med designkontrollalgoritmen vises her.Parametrene er justerbare og signalene kan overvåkes med de medfølgende widgetene. De representative bildene viser eksperimentering i sanntid med det doble tanksystemet etter å ha stilt inn integraltermen fra 0,1 til 0,01. Settpunktet tilbakestilles fra 15 centimeter til 25 centimeter.Overshooten er eliminert her. Sanntidskontroll kan oppnås, og viftehastigheten kan overvåkes ved hjelp av viftehastighetskontrollfjernerlaboratoriet kombinert med et 3D virtuelt viftesystem. Det fysiske viftesystemet ligger ved Wuhan University og tilbyr eksterne laboratorietjenester til brukere over hele verden.koordinert kontrolleksperiment for multiagent kan også gjøres, noe som kan demonstrere de koordinerte kontrollytelsesmidlene i det eksterne laboratoriet. Denne teknologien realiserer online deling av eksperimentelt utstyr og diversifiserer utviklingen av eksperimentell undervisning som gir en god demonstrasjon for utvikling av eksterne og tredimensjonale virtuelle kombinerte laboratorier.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD Simuleringer, visualisering og 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

Forskning og utvikling av høy ytelse Sprengstoff

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-utskrift av biomolekylære Modeller for forskning og pedagogikk

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

En ny metode for<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering av nanoskalaeksempler

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 av Hevert Breaker eksperiment og simulering for forskning reaktoren

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

Behandling av Bulk Nanocrystalline metaller ved 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 konsentrasjon online måling basert på nær infrarød spektroskopi via delvis minst firkantet regresjon

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

En rask metode for modellering en variabel syklus 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

Spredning og absorpsjon av lys i planetariske 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

Anvendelse av et koblingsmiddel for å forbedre de dielektriske egenskapene til polymerbaserte nanokompositer

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