מערכת ניסויים מקוונת אינטראקטיבית ומודמית לחינוך ומחקר הנדסי
Summary
עבודה זו מתארת מערכת ניסויים מקוונת המספקת ניסויים חזותיים, כולל הדמיה של תיאוריות, מושגים ונוסחאות, הדמיית התהליך הניסיוני עם אסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות), והדמיה של מערכת הבקרה והניטור באמצעות ווידג’טים כגון תרשימים ומצלמות.
Abstract
ניסויים חיוניים בחינוך הנדסי. עבודה זו בוחנת ניסויים חזותיים במעבדות מקוונות להוראה ולמידה וגם למחקר. תכונות אינטראקטיביות ומדמיות, כולל יישום אלגוריתם מונחה תיאוריה, עיצוב אלגוריתמים מבוסס אינטרנט, ממשק ניטור הניתן להתאמה אישית ואסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) נדונות. כדי להמחיש את התכונות והפונקציונליות של המעבדות המוצעות, מסופקות שלוש דוגמאות, כולל חקר המערכת מסדר ראשון באמצעות מערכת מבוססת מעגלים עם אלמנטים חשמליים, תכנון אלגוריתם בקרה מבוסס אינטרנט לניסויים וירטואליים ומרוחקים. באמצעות אלגוריתמי בקרה שתוכננו על ידי המשתמש, לא רק שניתן לבצע סימולציות, אלא שניתן לערוך ניסויים בזמן אמת גם לאחר שאלגוריתמי הבקרה המעוצבים הידור לאלגוריתמי בקרת הפעלה. המעבדה המקוונת המוצעת מספקת גם ממשק ניטור הניתן להתאמה אישית, שבאמצעותו משתמשים יכולים להתאים אישית את ממשק המשתמש שלהם באמצעות ווידג’טים שסופקו כגון תיבת הטקסט, התרשים, התלת-ממד ווידג’ט של המצלמה. מורים יכולים להשתמש במערכת להדגמה מקוונת בכיתה, לתלמידים לניסויים לאחר השיעור ולחוקרים כדי לאמת אסטרטגיות בקרה.
Introduction
מעבדות הן תשתית חיונית למחקר וחינוך. כאשר מעבדות קונבנציונליות אינן זמינות ו/או נגישות מסיבות שונות, למשל, רכישות בלתי ניתנות להפרדה ועלות תחזוקה, שיקולי בטיחות ומשברים כגון מגפת הקורונה 2019 (COVID-19), מעבדות מקוונות יכולות להציע חלופות 1,2,3. כמו מעבדות קונבנציונליות, התקדמות משמעותית כגון תכונות אינטראקטיביות4 וניסויים הניתנים להתאמה אישית5 הושגו במעבדות המקוונות. לפני מגפת COVID-19 ובמהלכה, מעבדות מקוונות מספקות שירותים ניסיוניים למשתמשים ברחבי העולם 6,7.
בין מעבדות מקוונות, מעבדות מרוחקות יכולות לספק למשתמשים חוויה דומה לניסויים מעשיים עם תמיכה באסדות בדיקה פיזיות ומצלמות8. עם התקדמות האינטרנט, התקשורת, הגרפיקה הממוחשבת וטכנולוגיות העיבוד, מעבדות וירטואליות מספקות גם חלופות למעבדות קונבנציונליות1. האפקטיביות של מעבדות מרוחקות ווירטואליות לתמיכה במחקר וחינוך אומתה בספרות קשורה1,9,10.
מתן ניסויים חזותיים הוא חיוני למעבדות מקוונות, והדמיה בניסויים מקוונים הפכה למגמה. טכניקות ויזואליזציה שונות מושגות במעבדות מקוונות, לדוגמה, תרשימי עקומות, אסדות בדיקה דו-ממדיות (דו-ממדיות) ואסדות בדיקה תלת-ממדיות (תלת-ממדיות)11. בחינוך השליטה, תיאוריות, מושגים ונוסחאות רבים אינם מובנים להבנה; לפיכך, ניסויים חזותיים חיוניים לשיפור ההוראה, לימוד התלמידים והמחקר. ניתן להסיק את ההדמיה המעורבת לשלוש הקטגוריות הבאות: (1) הדמיית תיאוריות, מושגים ונוסחאות עם תכנון ויישום אלגוריתמים מבוססי אינטרנט, שבאמצעותם ניתן לבצע סימולציה וניסויים; (2) הדמיה של התהליך הניסיוני עם אסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות; (3) הדמיה של שליטה וניטור באמצעות ווידג’טים כגון תרשים ווידג’ט מצלמה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג מתאר מערכת מעבדה מקוונת היברידית המשלבת אסדות בדיקה פיזיות לניסויים מרחוק ואסדות בדיקה וירטואליות תלת-ממדיות לניסויים וירטואליים. מספר ספריות בלוקים שונות מסופקות עבור תהליך תכנון האלגוריתם, כגון האלמנטים החשמליים לעיצוב מבוסס מעגלים. משתמשים מרקע שליטה יכולים להתמקד ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת גרנט 62103308, גרנט 62173255, גרנט 62073247 וגרנט 61773144.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
References
- De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
- Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699 (2019).
- Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. Virtual and remote labs in control education: A survey. Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).
- Lei, Z., et al. 3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education. IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).
- Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum. IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -. P. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).
- Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).
- Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
- Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).
- Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories. IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).
- Lei, Z., et al. Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).
- Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
- Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework. International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).
- Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
- De Keyser, R., Muresan, C. I. Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system. 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).
- Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. Improved filter design in internal model control. Industrial & Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).
