Sistema di sperimentazione online interattivo e visualizzato per l'istruzione e la ricerca ingegneristica
Summary
Questo lavoro descrive un sistema di sperimentazione online che fornisce esperimenti visualizzati, tra cui la visualizzazione di teorie, concetti e formule, la visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali tridimensionali (3D) e la visualizzazione del sistema di controllo e monitoraggio utilizzando widget come grafici e telecamere.
Abstract
La sperimentazione è fondamentale nella formazione ingegneristica. Questo lavoro esplora esperimenti visualizzati in laboratori online per l’insegnamento e l’apprendimento e anche la ricerca. Vengono discusse le funzionalità interattive e di visualizzazione, tra cui l’implementazione di algoritmi guidati dalla teoria, la progettazione di algoritmi basati sul Web, l’interfaccia di monitoraggio personalizzabile e i banchi di test virtuali tridimensionali (3D). Per illustrare le caratteristiche e le funzionalità dei laboratori proposti, vengono forniti tre esempi, tra cui l’esplorazione del sistema di primo ordine utilizzando un sistema basato su circuito con elementi elettrici, la progettazione di algoritmi di controllo basati sul web per la sperimentazione virtuale e remota. Utilizzando algoritmi di controllo progettati dall’utente, non solo è possibile condurre simulazioni, ma anche esperimenti in tempo reale una volta che gli algoritmi di controllo progettati sono stati compilati in algoritmi di controllo eseguibili. Il laboratorio online proposto fornisce anche un’interfaccia di monitoraggio personalizzabile, con la quale gli utenti possono personalizzare la propria interfaccia utente utilizzando widget forniti come la casella di testo, il grafico, il 3D e il widget della fotocamera. Gli insegnanti possono utilizzare il sistema per la dimostrazione online in classe, gli studenti per la sperimentazione dopo le lezioni e i ricercatori per verificare le strategie di controllo.
Introduction
I laboratori sono un’infrastruttura vitale per la ricerca e l’istruzione. Quando i laboratori convenzionali non sono disponibili e/o accessibili a causa di cause diverse, ad esempio acquisti inaccessibili e costi di manutenzione, considerazioni sulla sicurezza e crisi come la pandemia di coronavirus 2019 (COVID-19), i laboratori online possono offrire alternative1,2,3. Come i laboratori convenzionali, nei laboratori online sono stati compiuti progressi significativi come le funzionalità interattive4 e gli esperimenti personalizzabili5. Prima e durante la pandemia di COVID-19, i laboratori online forniscono servizi sperimentali agli utenti di tutto il mondo6,7.
Tra i laboratori online, i laboratori remoti possono fornire agli utenti un’esperienza simile agli esperimenti pratici con il supporto di banchi di prova fisici e telecamere8. Con il progresso di Internet, della comunicazione, della computer grafica e delle tecnologie di rendering, i laboratori virtuali offrono anche alternative ai laboratori convenzionali1. L’efficacia dei laboratori remoti e virtuali a supporto della ricerca e dell’istruzione è stata convalidata nella letteratura correlata1,9,10.
Fornire esperimenti visualizzati è fondamentale per i laboratori online e la visualizzazione nella sperimentazione online è diventata una tendenza. Nei laboratori online si ottengono diverse tecniche di visualizzazione, ad esempio grafici di curve, banchi di prova bidimensionali (2D) e banchi di prova tridimensionali (3D)11. Nell’educazione al controllo, numerose teorie, concetti e formule sono oscuri da comprendere; pertanto, gli esperimenti visualizzati sono vitali per migliorare l’insegnamento, l’apprendimento degli studenti e la ricerca. La visualizzazione coinvolta può essere conclusa nelle seguenti tre categorie: (1) Visualizzare teorie, concetti e formule con progettazione e implementazione di algoritmi basati sul web, con cui è possibile condurre simulazione e sperimentazione; (2) Visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali 3D; (3) Visualizzazione del controllo e del monitoraggio utilizzando widget come un grafico e un widget della fotocamera.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato descrive un sistema di laboratorio online ibrido che integra banchi di prova fisici per la sperimentazione remota e banchi di prova virtuali 3D per la sperimentazione virtuale. Per il processo di progettazione dell’algoritmo sono disponibili diverse librerie di blocchi, come gli elementi elettrici per la progettazione basata su circuiti. Gli utenti provenienti da ambienti di controllo possono concentrarsi sull’apprendimento senza competenze di programmazione. Dovrebbe essere presa in considerazio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China nell’ambito di Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 e Grant 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).
