엔지니어링 교육 및 연구를 위한 대화형 시각화 된 온라인 실험 시스템
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 그랜트 62103308, 그랜트 62173255, 그랜트 62073247, 그랜트 61773144 따라 중국의 국립 자연 과학 재단에 의해 지원되었다.
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).
