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Desarrollo de laboratorios virtuales y remotos con Easy Java Simulations (Ejs) El proyecto Automat.L@bs una experiencia singular de innovación docente S. Dormido Dpto. Informática y Automática E.T.S. Ingeniería Informática UNED, Madrid sdormido@dia.uned.es Madrid 10 de abril de 2008 S. Dormido Minicurso Ejs – Sesión 1 Programa 1ª Parte Introducción a la simulación dinámica interactiva con Ejs 2ª Parte Laboratorios remotos: ¿Qué es el Proyecto Automat.L@bs? 3ª Parte Coloquio con los asistentes S. Dormido Minicurso Ejs – Sesión 1 1 Contenido 1ª Parte 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs Contenido 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2 1. Introducción Educación y aprendizaje en ciencias e ingeniería • La formación de un buen científico y/o ingeniero no es una tarea fácil. • El “toolbox” de herramientas que necesitan para su trabajo parece cada vez más grande • Hay que combinar una formación de base conceptualmente sólida con un “know how” que lo capacite para el ejercicio profesional • Hay que mantener un equilibrio en la formación teórico-experimental S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción Educación y aprendizaje en ciencias e ingeniería fundamentos experimentación simulación modelo realidad (sistema) S. Dormido modelado Ejs – Automat.L@bs 3 Introducción Ingeniería Mecánica Ingeniería Nuclear Biongeniería Ingeniería Eléctrica Transversalidad de la Automática Ingeniería Aeronaútica Ingeniería Química Ingeniería Civil Ingeniería Naval S. Dormido Ejs – Automat.L@bs Contenido 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 4 2. Sistemas y modelos Noción de sistema, experimento, modelo y simulación Sistema (I): Viene caracterizado por los hechos siguientes: 1. Es posible decir lo que pertenece y lo que no pertenece al sistema 2. Se puede especificar como interacciona con su entorno 3. Admite un principio ordenación jerárquica de Sistema (II): Su propiedad básica es que pueden ser "controlados" y "observados". Sistema (III): Fuente de datos Experimento: Proceso de extraer datos de un sistema mediante la activación de sus entradas Modelo: Un modelo (M) para un sistema (S) y un experimento (E) es cualquier cosa a la que se le puede aplicar E para responder a preguntas que hagamos sobre S (Marvin Minsky) Simulación: Es un experimento realizado sobre un modelo. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2. Sistemas y modelos Tipos de modelos SISTEMA Experimentar con el Sistema Real Modelo Mental Modelo Verbal S. Dormido Experimentar con el Modelo del Sistema Modelo Físico Modelo Matemático Solución Analítica Simulación Ejs – Automat.L@bs 5 2. Sistemas y modelos Espectro de la modelización y simulación Sistemas Biológicos Sistemas Económicos Sistemas Sociales Análisis · Predicción · Sistemas Químicos Sistemas Mecánicos Control · Diseño Especulación · EDO’s Sistemas Psicológicos EDif’s Circuitos Eléctricos EDP’s EDO’s EA’s Arco iris de Walter Karplus S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2. Sistemas y modelos Tipos de problemas: Directo e inverso u S y Problema directo 1. u, S conocidas; y desconocida análisis (¿qué pasa si ...?) Problema inverso 2. u, y conocidas; S desconocida identificación 3. S, y conocidas; u desconocida control (¿qué debo hacer para ...?) S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 6 Contenido 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? Es un entorno de simulación dinámica que ha sido diseñado y desarrollado por el Prof. Francisco Esquembre de la Universidad de Murcia. Especialmente concebido para el desarrollo de aplicaciones docentes. Permite a profesores y alumnos crear de forma sencilla sus propios laboratorios virtuales y/o remotos. No requiere conocimientos avanzados de programación y su aprendizaje es muy fácil. Es un software libre que puede ser descargado gratuitamente del sitio web http://fem.um.es/Ejs Tiene unas excelentes capacidades de visualización dinámica y permite el desarrollo de aplicaciones interactivas. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 7 3. ¿Qué es Ejs? Modelo Vista + Control + Simulación S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? El paradigma modelo-vista-control Vista Control Modelo Interacciones Canal de Comunicación Interfaz gráfica S. Dormido Interacción con el modelo Didactical set-up External Equations Simulation Engine Real o Simulado Ejs – Automat.L@bs 8 3. ¿Qué es Ejs? Ejs adopta el paradigma Modelo-Control-Vista. 1. El modelo: describe el fenómeno bajo estudio. Está compuesto por un conjunto de variables y por las relaciones entre estas variables. 2. El control: define las acciones que el usuario puede realizar sobre la simulación 3. La vista: representación gráfica de los aspectos más relevantes del fenómeno simulado. x& = f (x, u, t ) Control Modelo S. Dormido Vista Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? Interfaz de usuario de Ejs Botones para la selección del panel: Introducción, Modelo, Vista Crear una simulación nueva Abrir una simulación existente Grabar a disco Grabar con un nombre distinto Ejecutar la simulación Cambiar la fuente Editar opciones Versión y autores Ventana en la que Ejs muestra los mensajes al usuario S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 9 3. ¿Qué es Ejs? Panel para la definición del modelo Botones para la selección de los paneles de definición del modelo S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? Panel para la definición de la vista S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 10 3. ¿Qué es Ejs? Interrelación entre Modelo-Control-Vista. Modelo Las acciones ejercidas por el usuario pueden modificar el valor de las variables del modelo Debe mostrarse al usuario cual es el valor de las variables del modelo Vista Control La interfaz gráfica puede contener elementos que permitan al usuario modificar el valor de las variables o realizar ciertas acciones S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? Un modelo interactivo en Ejs requiere la información siguiente: 1. Declarar las variables que intervienen en el modelo En el panel de variables 2. Describir los algoritmos necesarios para calcular el valor de las variables: • En el instante inicial. En los paneles de variables e inicialización • En función del tiempo. En los paneles de evolución y ligaduras • Cuando el usuario interac- En el panel propio ciona sobre la vista. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 11 3. ¿Qué es Ejs? Clasificación de las variables del modelo 1. Variables conocidas • La variable tiempo. • Los parámetros del modelo. • Las entradas globales al modelo. • Las variables de estado del modelo 2. Variables desconocidas • Las variables auxiliares. • Las variables algebraicas. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. ¿Qué es Ejs? Algoritmo de Ejs. Inicio Declaración de variables (panel Variables) Inicialización de variables (columnaValor del panel Variables) Ejecución de los algoritmos del panel Inicialización Ejecución de los algoritmos del panel Ligaduras Representación gráfica de resultados (comunicación modelo vista) sí ¿Interacción del usuario? (comunicación vista modelo) Ejecución de la acción ejercida por el usuario S. Dormido no Ejecución de los algoritmos del panel Evolución Ejs – Automat.L@bs 12 Contenido 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 4. Laboratorio en Ejs El péndulo simple (v x1 x ,v y ) (x, y ) Modelo dinámico dx1 = x2 dt dx 2 = − sin(x1 ) dt S. Dormido Variables básicas: t , dt , x1, x 2 Variables de visualización: x, y ,v x ,v y Restricciones x = sin(x1 ) y = − cos(x1 ) v x = x 2 cos(x1 ) v y = x 2 sin(x1 ) Ejs – Automat.L@bs 13 4. Laboratorio en Ejs Sistema masa-resorte A sin(ωt ) l A sin(ωt ) Variables básicas: t , dt , x,v x Variables de visualización: x Parámetros: m, k , b, l , A,ω x Modelo dinámico Restricciones dx = vx dt dv x b k A = − v x − (x − l ) + sin(ωt ) m dt m m Ep = S. Dormido 1 2 k (x − l ) 2 1 Ec = mv x2 2 Et = E p + Ec Ejs – Automat.L@bs Contenido 1 Introducción 2 Sistemas y modelos 3 ¿Qué es Easy Java Simulations (Ejs)? 4 Como construir un laboratorio virtual en Ejs 5 Ejemplos de laboratorios virtuales en Ejs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 14 5. Ejemplos en Ejs Leyes de la palanca Leyes de los gases Curvas 2D y 3D Péndulo interrumpido Botando una pelota Cargas electrostáticas S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 5. Ejemplos en Ejs Movimiento de n cuerpos Movimiento giroscópico Colisión de partículas S. Dormido Partículas en una caja Máquina de Newton Péndulo caótico Ejs – Automat.L@bs 15 5. Ejemplos en Ejs (De control) Control de un tanque Bola y viga Control de dos tanque Control de tres tanques Bola y placa S. Dormido Control de temperatura Ejs – Automat.L@bs Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 16 Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción ACCESO AL RECURSO Una taxonomía de entornos de experimentación S. Dormido Local Remoto Ejs – Automat.L@bs 17 1. Introducción Una taxonomía de entornos de experimentación Real Simulado NATURALEZA DEL RECURSO S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción ACCESO AL RECURSO Remoto Local Una taxonomía de entornos de experimentación Lab. Lab. Tradicional Virtual Local Lab. Remoto Lab. WWW Real Simulado NATURALEZA DEL RECURSO S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 18 1. Introducción Simulación basada en Web (WBS): Uso de recursos y tecnologías ofrecidas por el WWW para interaccionar con herramientas de modelado y simulación. Computador cliente Computador cliente WWW browser WWW browser Interfaz Interfaz Computador servidor Computador cliente WWW browser Interfaz Simulación Simulación Simulación Monolítica Semi-distribuida S. Dormido Distribuida Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción Educación tradicional en ciencias e ingeniería • Trabajo presencial (estudiantes y asistentes). • Manipulación directa de los recursos físicos. • Anotación de resultados en papel o en disco duro local. • Restricciones de espacio y tiempo. Anotaciones S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 19 1. Introducción Plantas didácticas del laboratorio S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción Elementos de una sesión de experimentación • Usuarios: Profesores, asistentes y estudiantes. • Recursos: Equipamiento de laboratorio. • Interacción: Preguntas directas realimentación entre estudiantes. • Colaboración: resultados. Cooperación e al profesor intercambio y de Colaboración Interacción S. Dormido Recursos del laboratorio Ejs – Automat.L@bs 20 1. Introducción Experimentación remota a través de Internet a. Cliente b. Servidor c. Cámara de video Red de Comunicaciones Planta d. Modelo experimental de laboratorio e. Tarjeta de adquisición de datos f. r net Inte Cámara de video Clientes A/D D/A Servidor S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción Laboratorios remotos usando Ejs/LabVIEW • Ventajas de usar ambas herramientas de software: Posibilidad de generar agradables simulaciones interactivas en Java junto a la flexibilidad que LabVIEW provee para conectar con instrumentación externa. • Es posible simplificar el proceso de crear laboratorios virtuales y remotos de control ocultando los detalles de implementación TCP/IP. Cliente Internet TCP/IP Servidor Easy Java Simulations LabVIEW • Generador de aplicaciones Java • Paradigma Modelo, Vista y Controlador. • Applets Java embebidos en páginas HTML. • Aplicación servidor (basado en TCP/IP). • Adquisición de datos y control de lazo cerrado. • Intercambio de datos con el cliente Ejs. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 21 1. Introducción Arquitectura de un laboratorios remoto 1 Descarga applet Java 4 Gestión de usuarios 7 Adquisición de datos y control local 2 Trabajo modo simulación 5 Control de acceso 8 Adquisición de imágenes de vídeo 3 Trabajo modo remoto 6 Comunicación Jil Server - VI de Control S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 1. Introducción Resumen de pasos a seguir usando JiL Server • Programar la simulación del sistema usando Ejs. • Desarrollar un programa LabVIEW para controlar el sistema localmente. • Localizar el programa LabVIEW anterior en el directorio provisto por JiL Server para las aplicaciones cliente y luego abrir e iniciar el servidor. • Finalmente, modificar la versión virtual del laboratorio creado con Ejs para agregar la conexión con el servidor usando los métodos internos. Servidor Cliente Lazo de Control.vi JiL Internet S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 22 1. Introducción Sistema de control en red Ubicación Ubicacióndel delcontrolador controladoren enelelservidor cliente S. Dormido Ejs – Automat.L@bs Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 23 2. El entorno de eMersion Organización eMersion “Entorno de servicios Web colaborativos donde los estudiantes encuentran todos los recursos necesarios para completar una sesión de experimentación virtual y/o remota a distancia”. Barra de navegación: Objetivos y estado Documentación en línea: Guión de prácticas, protocolo de tareas Complementary web-based applications E-Journal: Consola de experimentación: Applet de Java en el lado del cliente Servicios colaborativos Servicios de mensajería Foros en línea Interaccioón profesor-estudiante. Java Applet Java Applet Java Applet Recursos de aprendizaje S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2. El entorno de eMersion S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 24 2. El entorno de eMersion Características de la consola de Tele-manipulación • Permite manipulación en tiempo real • Proporciona realidad aumentada • Está integrada con e-Journal • Acepta experiencias en modo simulación y remoto en la misma interfaz S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2. El entorno de eMersion Documentación en línea Guía de acceso Manual de la interfaz S. Dormido Protocolo de tareas Guión de prácticas Ejs – Automat.L@bs 25 2. El entorno de eMersion e-Journal Fragmentos de datos. Manejo de fragmentos. Filtros. Funciones de interacción. Compartir fragmentos (colaboración). Fragmentos etiquetados (relacionados a tareas). S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 2. El entorno de eMersion Emersion está desarrollado como una aplicación web. Da soporte a la gestión de laboratorios y servicios colaborativos. Permite la planificación continua de actividades. Hay una integración completa de aplicaciones Ejs en el entorno de eMersion. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 26 Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. Administración de eMersion Conceptos y uso de la herramienta de administración Una Universidad contiene “laboratorios”. Cada laboratorio tiene un profesor y asistentes. Estudiantes realizan las prácticas de laboratorio. Universidad Laboratorio Laboratorio Laboratorio Profesor Profesor Profesor Tutor y/o asistentes Tutor y/o asistentes Tutor y/o asistentes Estudiantes S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 27 3. Administración de eMersion Conceptos y uso de la herramienta de administración Administrador Global (super - usuario) Espacio (laboratorio) Administrador del Espacio Profesores T.A Estudiantes Espacio Espacio Administrador Prof. T.A. Administrador Estudiantes Prof. T.A Estudiantes Usuarios compartidos S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 3. Administración de eMersion Conceptos y uso de la herramienta de administración Administrador Global Administrador Espacio Curso Curso Curso 1 grupo de Profesores 1 grupo de Profesores 1 grupo de Profesores 1 grupo de asistentes 1 grupo de T.A. 1 grupo de T.A. Grupos de Estudiantes S. Dormido Grupos de Estudiantes Grupos de Estudiantes Ejs – Automat.L@bs 28 3. Administración de eMersion Conceptos y uso de la herramienta de administración Profesor Administrador Global Administrador Espacio Módulo (para un curso) Módulo grupos de estudiantes seleccionados grupos de estudiantes seleccionados Protocolo Módulo grupos de estudiantes seleccionados Protocolo S. Dormido Protocolo Ejs – Automat.L@bs Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 29 4. Nuestra experiencia Motor de corriente continua Sistema de tres tanques Sistema heatflow S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 4. Nuestra experiencia Arquitectura de la red de laboratorios remoto de la UNED Laboratorio Virtual y Remoto (Lado servidor) Applet • MySQL Server Internet • Apache Tomcat Web Server • Emersion environment Exp 1 Ej: Tres Tanques Ídem Exp 2 Ídem Exp n Usuario remoto: • Estudiantes • Profesores • Otros usuarios LAN Universidad LabVIEW S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 30 4. Nuestra experiencia S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 4. Nuestra experiencia Algunos comentarios de nuestros alumnos • Las simulaciones interactivas son unas magníficas herramientas de aprendizaje y práctica sobre sistemas de control. • Las guías y el resto de la documentación están muy bien preparadas. • El entorno de trabajo es muy estable . • Evita los desplazamientos. • Comodidad en la preparación de las practicas al tener la oportunidad de simularlas. • Experiencia enriquecedora al aprender a utilizar medios remotos. • Gran apoyo textual de la aplicación y del equipo docente. • Me ha resultado muy interesante utilizar el sistema remoto. • Te das cuenta cómo se modifica la respuesta del sistema. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 31 4. Nuestra experiencia Algunas sugerencias de nuestros alumnos • Animo al equipo docente a seguir por el camino que ha iniciado, ya que supone un acercamiento muy positivo a la asignatura el poder realizar las prácticas de control automático de forma remota • Excelente trabajo el que han realizado. Quizás habría que desarrollarlas para facilitar trabajos colaborativos en grupo. • ¿Por qué no hacemos todas las prácticas utilizando este mismo esquema? • Estas son las cosas que hacen interesante y único estudiar en la UNED S. Dormido Ejs – Automat.L@bs Contenido 2ª Parte 1 Introducción 2 El entorno de eMersion 3 Administración de eMersion 4 Nuestra experiencia 5 El proyecto AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 32 5. Automat.L@bs ¿Qué es Automat.L@bs? Automat.L@bs es una red de laboratorios virtuales/remotos para la enseñanza de la Automática que se constituye mediante la integración de los recursos que aportan las universidades que participan en el proyecto. ¿Qué proporciona Automat.L@bs? 1. Un sistema de reserva para los experimentos 2. Un entorno de trabajo común S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 5. Automat.L@bs Objetivo de Automat.L@bs Automat.L@bs pretende ser algo más que la suma de las partes que la constituyen ya que debe ser percibida por sus usuarios como un laboratorio con una estructura uniforme independientemente de donde se encuentre la localización física de las plantas. ¿Qué necesitan los alumnos? 1. Hardware: Un ordenador con unos requisitos mínimos 2. Software: Un navegador web 3. Estar dado de alta en el sistema S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 33 5. Automat.L@bs Universidades participantes en Automat.L@bs 1. Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) 2. Universidad de Alicante (UA) 3. Universidad de Almería (UAL) 4. Universidad Politécnica de Valencia (UPV) 5. Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) 6. Universidad Miguel Hernández (UMH) 7. Universidad de León (UL) S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 5. Automat.L@bs Compromisos de los grupos participantes 1. Poner a disposición de la red, al menos, un experimento de laboratorio. 2. Preparar la estructura del laboratorio virtual/remoto de acuerdo con el estándar que se establezca. 3. Generar todo el material necesario 4. Mantener en estado operativo la planta 5. Dar soporte de la práctica desarrollada. 6. Evaluar el trabajo de los alumnos de su universidad que realicen las prácticas. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 34 5. Automat.L@bs Beneficios para los grupos participantes 1. Participar en una experiencia piloto innovadora en la que se coordinan varios centros universitarios para realizar un laboratorio de prácticas remotas. 2. Obtener una experiencia que pueden trasladar con carácter general a otros laboratorios de prácticas. 3. Ampliar el conjunto de prácticas que pueden desarrollar sus alumnos, mediante la utilización de recursos con otras instituciones académicas. S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 5. Automat.L@bs Arquitectura de la red AutomatL@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 35 5. Automat.L@bs S. Dormido Ejs – Automat.L@bs Contenido 3ª Parte 1 Coloquio con los asistentes S. Dormido Ejs – Automat.L@bs 36