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

Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 och Grant 61773144.

I detta arbete ges tre separata visualiserade exempel för att förbättra undervisning och lärande och forskning, som kan nås via Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react).
1. Exempel 1: Första ordningens system med kretsbaserat experimentprotokoll
<ol><li>Få tillgång till NCSLab-systemet.<ol><li>Öppna en vanlig webbläsare och ange url-https://www.powersim.whu.edu.cn/react.</li>
		<li>Klicka på knappen Starta...

<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>

Det presenterade protokollet beskriver ett hybridlaboratoriumsystem online som integrerar fysiska testriggar för fjärrexperiment och 3D-virtuella testriggar för virtuella experiment. Flera olika blockbibliotek tillhandahålls för algoritmdesignprocessen, till exempel de elektriska elementen för kretsbaserad design. Användare från kontrollbakgrunder kan fokusera på lärande utan programmeringskunskaper. Korrekt design av en kontrollalgoritm som kan tillämpas på en lämplig testrigg bör övervägas. Det är ocks...

Laboratorier är viktig infrastruktur för forskning och utbildning. När konventionella laboratorier inte är tillgängliga och/eller tillgängliga på grund av olika orsaker, till exempel oöverkomliga inköp och underhållskostnader, säkerhetsöverväganden och kriser som coronasjukdomen 2019 (COVID-19) pandemin, kan onlinelaboratorier erbjuda alternativ1,2,3. Liksom konventionella laboratorier har betydande framsteg som interaktiva funktioner4 och anpassningsbara experiment5 uppnåtts i onlinelaboratorierna. Före och under COVID-19-pandemin tillhandahåller onlinelaboratorier experimentella tjänster till användare över hela världen6,7.
Bland onlinelaboratorier kan fjärrlaboratorier ge användarna en upplevelse som liknar praktiska experiment med stöd av fysiska testriggar och kameror8. Med utvecklingen av Internet, kommunikation, datorgrafik och renderingsteknik ger virtuella laboratorier också alternativ till konventionella laboratorier1. Effektiviteten hos fjärrlaboratorier och virtuella laboratorier för att stödja forskning och utbildning har validerats i relaterad litteratur1,9,10.
Att tillhandahålla visualiserade experiment är avgörande för onlinelaboratorier, och visualisering i onlineexperiment har blivit en trend. Olika visualiseringstekniker uppnås i onlinelaboratorier, till exempel kurvdiagram, tvådimensionella (2D) testriggar och tredimensionella (3D) testriggar11. I kontrollutbildning är många teorier, begrepp och formler dunkla att förstå; Således är visualiserade experiment avgörande för att förbättra undervisning, studentinlärning och forskning. Den involverade visualiseringen kan avslutas i följande tre kategorier: (1) Visualisera teorier, begrepp och formler med webbaserad algoritmdesign och implementering, med vilken simulering och experiment kan utföras; (2) Visualisera den experimentella processen med virtuella 3D-testriggar. (3) Visualisera kontroll och övervakning med widgetar som ett diagram och en kamerawidget.

<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

Experiment är avgörande för ingenjörsutbildningen. Detta arbete utforskar visualiserade experiment i onlinelaboratorier för undervisning och lärande och även forskning. Interaktiva och visualiserande funktioner, inklusive teoristyrd algoritmimplementering, webbaserad algoritmdesign, anpassningsbart övervakningsgränssnitt och tredimensionella (3D) virtuella testriggar diskuteras. För att illustrera funktionerna och funktionerna i de föreslagna laboratorierna ges tre exempel, inklusive första ordningens systemutforskning med hjälp av ett kretsbaserat system med elektriska element, webbaserad kontrollalgoritmdesign för virtuella experiment och fjärrexperiment. Med hjälp av användardesignade kontrollalgoritmer kan simuleringar inte bara utföras, utan realtidsexperiment kan också utföras när de utformade kontrollalgoritmerna har sammanställts i körbara kontrollalgoritmer. Det föreslagna onlinelaboratoriet ger också ett anpassningsbart övervakningsgränssnitt, med vilket användare kan anpassa sitt användargränssnitt med hjälp av medföljande widgets som textlåda, diagram, 3D och kamerawidget. Lärare kan använda systemet för onlinedemonstration i klassrummet, elever för experiment efter klassen och forskare för att verifiera kontrollstrategier.

Det föreslagna laboratoriesystemet har använts i flera olika lärjungar vid Wuhan University, såsom Automation, Power and Energy Engineering, Mechanical Engineering och andra universitet, till exempel Henan Agricultural University6.
Lärare/studenter/forskare ges stor flexibilitet att utforska systemet med hjälp av olika virtuella och/eller fysiska testriggar, definiera sina kontrollalgoritmer och anpassa sitt övervakningsgränssnitt. Användare på olika nivåer k...

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

Det här arbetet beskriver ett onlineexperimentsystem som tillhandahåller visualiserade experiment, inklusive visualisering av teorier, begrepp och formler, visualisering av den experimentella processen med tredimensionella (3D) virtuella testriggar och visualisering av kontroll- och övervakningssystemet med hjälp av widgets som diagram och kameror.

Interaktivt och visualiserat onlineexperimentsystem för teknisk utbildning och forskning

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

Vårt protokoll förverkligar avlägsna och virtuella experiment i onlinelaboratorier för undervisning, lärande och även forskning. Teoretisk kunskap och experimentpraktik kombineras för att förbättra undervisningen och lärandet genom vårt protokoll. Det ger ett enhetligt ramverk som möjliggör teoristyrd implementering, webbaserad algoritmdesign, anpassningsbart övervakningsgränssnitt och tredimensionella virtuella och fjärrexperiment.Zijie Wie och Shengwang Ye kommer att hjälpa till att demonstrera proceduren. Wei arbetar mot sin magisterexamen och Ye arbetar mot sin doktorsexamen. Till att börja med öppnar du en vanlig webbläsare och anger url-www.powersim.whu.edu.cn/react.Klicka på startexperimentknappen och skriv W-H-U-T-E-S-T som användarnamn och lösenord för att logga in i systemet. Ange WHU-labbet i listan över underlaboratorium till vänster och välj WHU-typiska länkar för experimentet och ange sedan undergränssnittet för algoritmdesign. Klicka på knappen Skapa ny modell och ange det webbaserade algoritmgränssnittet.Skapa ett kretsdiagram med hjälp av de medföljande blocken. Dubbelklicka på motsvarande block för att ställa in parametrarna och klicka sedan på startsimuleringsknappen. Simuleringsresultatet kommer att tillhandahållas i gränssnittet.Klicka på startkompileringsknappen och vänta tills designblockdiagrammet genereras till en körbar kontrollalgoritm. Den här kontrollalgoritmen kan laddas ned och köras till fjärrkontrollen som distribueras på uppgiftsriggens sida för att implementera styralgoritmer. Klicka på kontrollknappen för begäran för att ansöka om styrning av kretssystemet.Klicka sedan på returknappen till undergränssnittet för algoritmdesign. Hitta den körbara kontrollalgoritmen under panelen privata algoritmmodeller. Klicka på en experimentknapp för att ladda ner designkontrollalgoritmen till en fjärrkontroll.Ange undergränssnittet för konfigurationen och klicka på knappen Skapa en ny bildskärm för att konfigurera ett övervakningsgränssnitt. Inkludera fyra textrutor för parameterjustering och ett kurvdiagram för signalövervakning. Länka signalerna och parametrarna med de valda widgetarna och ställ in diagrammets x-axelintervall till 8S.Klicka på startknappen för att starta experimentet. Ställ in ingångsspänningen på noll volt och justera kondensatorn C till fem mikrofarader och ställ sedan in ingångsspänningen på en volt. Logga in i NCSLab-systemet och gå in i dellaboratoriet för processkontroll.Välj testriggen för dubbel tank och ange undergränssnittet för algoritmdesign. Utforma en proportionell integralderivat- eller PID-kontrollalgoritm enligt stegen som beskrivs i exempel ett. Dubbelklicka på PID-styrenheten och ställ in proportionella är lika med 1,12, integralen är lika med 0,008 och derivatet är lika med 6,6.Klicka sedan på startsimuleringsknappen. Klicka på knappen konfigurationsparametrar och ange kompileringskonfigurationspanelen för att ställa in problemlösaren på ODE4. Generera den körbara styralgoritmen och ladda ner styralgoritmen till fjärrkontrollen.Konfigurera ett övervakningsgränssnitt med fyra textrutor för börspunkt, P, I och D.Inkludera ett diagram för övervakning av vattennivån och motsvarande börspunkt. Ange diagrammets x-axelintervall till 200S. Välj en 3D-widget som kan ge alla vinklar på testriggarna och animeringar av vattennivå som är kopplade till realtidsdata.Klicka sedan på startknappen. Ställ in börspunkten från 10 centimeter till fem centimeter och ställ sedan in I är lika med 0,1 när höjden på vattennivån i den kontrollerade tanken når och stabiliseras på fem centimeter. Återställ börspunkten från fem centimeter till 15 centimeter.Justera I från 0,1 till 0,01 och återställ börtet från 15 centimeter till 25 centimeter. Överskridandet elimineras och vattennivån stabiliseras vid videlsevärdet 20 centimeter. Logga in på NCSLab-systemet och välj fläkthastighetskontroll i fjärrlaboratoriets dellaboratorium.Ange undergränssnittet för algoritmdesign och dra blocken för att konstruera IMC-kontrollalgoritmdiagrammet. Generera sedan den körbara kontrollalgoritmen. Använd fläkthastighetskontrollsystemet för att verifiera den designade IMC-algoritmen.Konfigurera ett övervakningsgränssnitt och länka två textrutor med inställningspunkt och landare för justering. Länka sedan ett realtidsdiagram med börspunkten och hastigheten för övervakning. Välj 3D-modellwidgeten för fläkten och kamerawidgeten och klicka på startknappen för att aktivera experimentet i realtid.Återställ börtet från 2 000 varv/min till 1 500 varv/min. Och slutligen återställa den från 1 500 RPM till 2 500 RPM. Realtidsexperimentet för det första ordersystemet med designkontrollalgoritmen visas här.Parametrarna är trimbara och signalerna kan övervakas med de medföljande widgetarna. De representativa bilderna visar realtidsexperiment med det dubbla tanksystemet efter att ha justerat den integrerade termen från 0,1 till 0,01. Börspunkten återställs från 15 centimeter till 25 centimeter.Överskridandet har eliminerats här. Realtidskontroll kan uppnås och fläkthastigheten kan övervakas med hjälp av fläktens hastighetskontrollfårande fjärrlaboratorium kombinerat med ett virtuellt 3D-fläktsystem. Det fysiska fläktsystemet finns vid Wuhan University och tillhandahåller fjärrlaboratoriumtjänster till användare över hela världen.samordnat kontrollexperiment för multiagenter kan också göras, vilket kan demonstrera de samordnade styrprestandaagenterna i fjärrlaboratoriet. Denna teknik förverkligar onlinedelning av experimentell utrustning och diversifierar utvecklingen av experimentell undervisning som ger en bra demonstration för utvecklingen av avlägsna och tredimensionella virtuella kombinerade laboratorier.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Novel 3D / VR Interactive Miljö för MD simuleringar, visualisering och analys

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 och utveckling av högpresterande Sprängämnen

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 Printing av biomolekylära modeller för forskning och pedagogik

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 metod för<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karaktärisering av nanoskalaprover

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 med sifon Breaker Experiment och simuleringar för en forskningsreaktor

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

Bearbetning av Bulk nanokristallin metaller vid 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-kresol koncentration online mätning baserad på nära infraröd spektroskopi via partiell minst kvadrat regression

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 snabb metod för modellering av en variabel cykel 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

Spridning och absorption av ljus i planetariska 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

Tillämpning av ett kopplingsombud för att förbättra de dielektriska egenskaperna hos Polymerbaserade 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 ...