工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム
Summary
この研究では、理論、概念、式の可視化、3次元(3次元)仮想試験装置による実験プロセスの可視化、チャートやカメラなどのウィジェットを用いた制御・監視システムの可視化など、可視化された実験を提供するオンライン実験システムについて説明する。
Abstract
実験は工学教育において極めて重要です。本研究では、教育・学習、研究のためのオンライン研究所での可視化実験を探る。理論ガイド付きアルゴリズムの実装、Webベースのアルゴリズム設計、カスタマイズ可能な監視インターフェース、3次元(3次元)仮想テストリグなどのインタラクティブで視覚化された機能について説明します。提案された研究室の特徴と機能を説明するために、電気要素を有する回路系システムを用いた一次システム探査、仮想および遠隔実験のためのウェブベース制御アルゴリズム設計を含む3つの例が提供される。ユーザー設計の制御アルゴリズムを使用して、シミュレーションを行うことができるだけでなく、設計された制御アルゴリズムを実行可能制御アルゴリズムにコンパイルした後にリアルタイム実験を行うこともできます。提案されたオンラインラボはまた、ユーザーがテキストボックス、チャート、3-D、カメラウィジェットなどの提供されたウィジェットを使用して、ユーザーインターフェイスをカスタマイズすることができるカスタマイズ可能な監視インターフェイスを提供します。教師は、教室でのオンラインデモンストレーションにシステムを使用し、クラス後の実験のための学生、および研究者を使用して制御戦略を検証することができます。
Introduction
研究所は、研究と教育のための重要なインフラです。従来の研究所が利用可能でない場合や、さまざまな原因(例えば、手に入らない購入やメンテナンスコスト、安全上の考慮事項、コロナウイルス病2019(COVID-19)パンデミックなどの危機など、オンラインラボは選択肢を提供することができます1,2,3。従来の研究所と同様に、インタラクティブな機能4やカスタマイズ可能な実験などの重要な進歩は、オンライン研究所で達成されています。COVID-19パンデミックの前と中に、オンライン研究所は、世界中のユーザーに実験的なサービスを提供しています6,7。
オンラインラボの中でも、リモートラボは、物理テストリグとカメラ8のサポートを受けて、ハンズオン実験と同様の体験をユーザーに提供できます。インターネット、通信、コンピュータグラフィックス、レンダリング技術の進歩に伴い、仮想研究所は従来のラボに代わるものも提供します1。研究と教育を支援する遠隔および仮想研究所の有効性は、関連文献で検証されています 1,9,10.
可視化された実験はオンラインラボにとって非常に重要であり、オンライン実験における可視化はトレンドとなっています。オンラインラボでは、カーブチャート、2次元(2次元)テストリグ、3次元(3次元)テストリグ11など、さまざまな可視化技術が実現されます。制御教育では、多くの理論、概念、および式が理解できない。したがって、教育、学生の学習、研究を強化するためには、可視化された実験が不可欠です。関連する視覚化は、次の3つのカテゴリに終わることができます: (1) シミュレーションと実験を行うことができるウェブベースのアルゴリズムの設計と実装による理論、概念、および数式を視覚化します。(2) 3D仮想テストリグによる実験プロセスの可視化(3)チャートやカメラウィジェットなどのウィジェットを使って、コントロールやモニタリングを可視化する。
Protocol
Representative Results
Discussion
提示されたプロトコルは、リモート実験用の物理テストリグと仮想実験用の3D仮想テストリグを統合するハイブリッドオンラインラボシステムを記述しています。回路ベースの設計の電気要素など、アルゴリズム設計プロセスには、いくつかの異なるブロックライブラリが用意されています。コントロールのバックグラウンドを持つユーザーは、プログラミングスキルを持たずに学習に集中?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国立自然科学財団の助成62103308、グラント62173255、グラント62073247、グラント61773144の下で支援されました。
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
Referências
- 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).
