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

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China sob Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 e Grant 61773144.

Neste trabalho, são fornecidos três exemplos visualizados separados para aprimorar o ensino e a aprendizagem e a pesquisa, que podem ser acessados através do Laboratório do Sistema de Controle em Rede (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Exemplo 1: Sistema de primeira ordem usando protocolo de experimentação baseado em circuito
<ol><li>Acesse o sistema NCSLab.<ol><li>Abra um navegador da Web e insira o url https://www.powersim.whu.edu.cn/react.</...

<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>

O protocolo apresentado descreve um sistema de laboratório online híbrido que integra plataformas de teste físico para experimentação remota e plataformas de teste virtuais 3D para experimentação virtual. Várias bibliotecas de blocos diferentes são fornecidas para o processo de design de algoritmos, como os elementos elétricos para o design baseado em circuitos. Usuários de origens de controle podem se concentrar em aprender sem habilidades de programação. O design adequado de um algoritmo de controle que po...

Laboratórios são infraestrutura vital para pesquisa e educação. Quando os laboratórios convencionais não estão disponíveis e/ou acessíveis devido a diferentes causas, por exemplo, compras inacessíveis e custo de manutenção, considerações de segurança e crises como a pandemia da doença coronavírus 2019 (COVID-19), laboratórios online podem oferecer alternativas1,2,3. Assim como os laboratórios convencionais, progressos significativos, como recursos interativos4 e experimentos personalizáveis5, foram alcançados nos laboratórios online. Antes e durante a pandemia COVID-19, laboratórios online estão fornecendo serviços experimentais para usuários em todo o mundo6,7.
Entre os laboratórios online, laboratórios remotos podem fornecer aos usuários uma experiência semelhante a experimentos práticos com o suporte de plataformas de teste físico e câmeras8. Com o avanço da Internet, comunicação, computação gráfica e tecnologias de renderização, os laboratórios virtuais também oferecem alternativas aos laboratórios convencionais1. A eficácia dos laboratórios remotos e virtuais para apoiar a pesquisa e a educação foi validada na literatura relacionada1,9,10.
Fornecer experimentos visualizados é crucial para laboratórios online, e a visualização em experimentação online tornou-se uma tendência. Diferentes técnicas de visualização são alcançadas em laboratórios online, por exemplo, gráficos de curvas, plataformas de teste bidimensionais (2D) e plataformas de teste tridimensionais (3D)11. Na educação de controle, inúmeras teorias, conceitos e fórmulas são obscuras para compreender; assim, experimentos visualizados são vitais para melhorar o ensino, a aprendizagem dos alunos e a pesquisa. A visualização envolvida pode ser concluída nas três categorias seguintes: (1) Visualizar teorias, conceitos e fórmulas com design e implementação de algoritmos baseados na Web, com as quais a simulação e a experimentação podem ser conduzidas; (2) Visualizar o processo experimental com plataformas de teste virtuais 3D; (3) Visualizar o controle e o monitoramento usando widgets como um gráfico e um widget de câmera.

<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

A experimentação é crucial na educação em engenharia. Este trabalho explora experimentos visualizados em laboratórios online para ensino e aprendizagem e também pesquisas. Recursos interativos e visualizadores, incluindo implementação de algoritmos guiados pela teoria, design de algoritmo baseado na Web, interface de monitoramento personalizável e plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) são discutidos. Para ilustrar as características e funcionalidades dos laboratórios propostos, três exemplos, incluindo a exploração do sistema de primeira ordem usando um sistema baseado em circuito com elementos elétricos, design de algoritmo de controle baseado na Web para experimentação virtual e remota, são fornecidos. Usando algoritmos de controle projetados pelo usuário, não só as simulações podem ser conduzidas, mas também experimentos em tempo real também podem ser conduzidos uma vez que os algoritmos de controle projetados tenham sido compilados em algoritmos de controle executáveis. O laboratório on-line proposto também fornece uma interface de monitoramento personalizável, com a qual os usuários podem personalizar sua interface de usuário usando widgets fornecidos, como a caixa de texto, gráfico, 3D e widget da câmera. Os professores podem usar o sistema para demonstração online em sala de aula, alunos para experimentação pós-aula e pesquisadores para verificar estratégias de controle.

O sistema de laboratório proposto tem sido usado em vários discípulos diferentes na Universidade de Wuhan, como a Engenharia de Automação, Energia e Energia, Engenharia Mecânica e outras universidades, como a Henan Agricultural University6.
Professores/alunos/pesquisadores recebem grande flexibilidade para explorar o sistema usando diferentes plataformas de teste virtuais e/ou físicos, definir seus algoritmos de controle e personalizar sua interface de monitorame...

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Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Este trabalho descreve um sistema de experimentação on-line que fornece experimentos visualizados, incluindo a visualização de teorias, conceitos e fórmulas, visualizando o processo experimental com plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) e visualizando o sistema de controle e monitoramento usando widgets como gráficos e câmeras.

Sistema de experimentação online interativo e visualizado para educação e pesquisa de engenharia

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

Nosso protocolo realiza experimentos remotos e virtuais em laboratórios online para ensino, aprendizagem e também pesquisa. O conhecimento teórico e a prática de experimentação são combinados para aprimorar o ensino e a aprendizagem através do nosso protocolo. Ele fornece uma estrutura unificada que permite a implementação guiada pela teoria, o design de algoritmos baseados na Web, a interface de monitoramento personalizável e a experimentação virtual e remota tridimensional.Zijie Wie e Shengwang Ye ajudarão a demonstrar o procedimento. Wei está trabalhando para seu mestrado e Ye está trabalhando para seu doutorado. Para começar, abra um navegador da Web e insira a URL www.powersim.whu.edu.cn/react.Clique no botão iniciar o experimento e escreva W-H-U-T-E-S-T como nome de usuário e senha para entrar no sistema. Digite o laboratório WHU na lista de sub-laboratórios do lado esquerdo e escolha links típicos da WHU para a experimentação e, em seguida, digite a sub-interface de design do algoritmo. Clique no novo botão de modelo e insira a interface de algoritmo baseada na Web.Construa um diagrama de circuito usando os blocos fornecidos. Clique duas vezes nos blocos correspondentes para definir os parâmetros e clique no botão de simulação iniciar. O resultado da simulação será fornecido na interface.Clique no botão de compilação iniciar e aguarde até que o diagrama do bloco de design seja gerado em um algoritmo de controle executável. Este algoritmo de controle pode ser baixado e executado no controlador remoto implantado no lado da plataforma de tarefas para implementar algoritmos de controle. Clique no botão de controle de solicitação para solicitar o controle do sistema de circuito.Em seguida, clique no botão de retorno para a sub-interface de design do algoritmo. Encontre o algoritmo de controle executável sob o painel de modelos de algoritmo privado. Clique no conduct um botão de experimento para baixar o algoritmo de controle de design para um controlador remoto.Digite a subcosação de configuração e clique no novo botão criar monitor para configurar uma interface de monitoramento. Inclua quatro caixas de texto para ajuste de parâmetros e um gráfico de curvas para monitoramento de sinais. Vincule os sinais e parâmetros com os widgets selecionados e defina a faixa do eixo x do gráfico para 8S.Clique no botão iniciar para iniciar o experimento. Ajuste a tensão de entrada a zero volts e ajuste o capacitor C a cinco microfarádes, em seguida, ajuste a tensão de entrada em um volt. Entre no sistema NCSLab e insira o sub-laboratório de controle de processos.Escolha a plataforma de teste de tanque duplo e digite a sub-interface de design do algoritmo. Projete um algoritmo de controle de derivativo integral proporcional ou PID seguindo as etapas descritas no exemplo um. Clique duas vezes no controlador PID e defina proporcionalmente 1,12, integral é igual a 0,008 e derivativos equivalem a 6,6.Em seguida, clique no botão de simulação iniciar. Clique no botão parâmetros de configuração e digite o painel de configuração do compilado para definir o solucionador para ODE4. Gere o algoritmo de controle executável e baixe o algoritmo de controle para o controlador remoto.Configure uma interface de monitoramento com quatro caixas de texto para definir ponto, P, I e D.Inclua um gráfico para monitorar o nível da água e o ponto de configuração correspondente. Defina a faixa do eixo x do gráfico para 200S. Escolha um widget 3D que possa fornecer todos os ângulos das plataformas de teste e animações do nível da água conectadas com os dados em tempo real.Em seguida, clique no botão iniciar. Defina o ponto de ajuste de 10 centímetros a cinco centímetros e, em seguida, ajuste eu é igual a 0,1 quando a altura do nível de água no tanque controlado atinge e estabiliza a cinco centímetros. Reinicie o ponto de partida de cinco centímetros para 15 centímetros.Sintonize I de 0,1 a 0,01 e reinicie o ponto de ajuste de 15 centímetros para 25 centímetros. A ultrapassagem é eliminada e o nível de água estabiliza-se no valor de ponto definido de 20 centímetros. Entre no sistema NCSLab e escolha o controle de velocidade do ventilador no sub-laboratório de laboratório remoto.Digite a sub-interface de design do algoritmo e arraste os blocos para construir o diagrama do algoritmo de controle IMC. Em seguida, gere o algoritmo de controle executável. Empregue o sistema de controle de velocidade do ventilador para verificar o algoritmo IMC projetado.Configure uma interface de monitoramento e conecte duas caixas de texto com set point e lander para afinação. Em seguida, vincule um gráfico em tempo real com o ponto de configuração e velocidade para monitoramento. Selecione o widget modelo 3D do ventilador e o widget da câmera e clique no botão iniciar para ativar a experimentação em tempo real.Reinicie o ponto de partida de 2.000 RPM para 1.500 RPM. E então, finalmente, redefini-lo de 1.500 RPM para 2.500 RPM. O experimento em tempo real do sistema de primeira ordem com o algoritmo de controle de design é mostrado aqui.Os parâmetros são ajustáveis e os sinais podem ser monitorados com os widgets fornecidos. As imagens representativas mostram experimentação em tempo real com o sistema dual tank após ajuste do termo integral de 0,1 a 0,01. O ponto de partida é redefinido de 15 centímetros a 25 centímetros.A superação foi eliminada aqui. O controle em tempo real pode ser alcançado e a velocidade do ventilador pode ser monitorada usando o laboratório remoto de controle de velocidade do ventilador combinado com um sistema de ventilador virtual 3D. O sistema de ventiladores físicos está localizado na Universidade de Wuhan e fornece serviços de laboratório remotos para usuários em todo o mundo.também pode ser feito experimento de controle coordenado para multi-agente, o que pode demonstrar os agentes de desempenho de controle coordenados no laboratório remoto. Essa tecnologia realiza o compartilhamento on-line de equipamentos experimentais e diversifica o desenvolvimento do ensino experimental proporcionando uma boa demonstração para o desenvolvimento de laboratórios virtuais combinados remotos e tridimensionais.

Research

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