Isi kandungan:

Pendulum Terbalik: Teori Kawalan dan Dinamika: 17 Langkah (dengan Gambar)
Pendulum Terbalik: Teori Kawalan dan Dinamika: 17 Langkah (dengan Gambar)

Video: Pendulum Terbalik: Teori Kawalan dan Dinamika: 17 Langkah (dengan Gambar)

Video: Pendulum Terbalik: Teori Kawalan dan Dinamika: 17 Langkah (dengan Gambar)
Video: Ep 104 The Family Flywheel - Surviving in a New World: Insights from Entrepreneur Aaron Shelley 2024, Disember
Anonim
Image
Image
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamika Kawalan
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamika Kawalan
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamika Kawalan
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamika Kawalan
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamik Kawalan
Pendulum Terbalik: Teori dan Dinamik Kawalan

Pendulum terbalik adalah masalah klasik dalam teori dinamika dan kawalan yang secara umum dihuraikan dalam kursus fizik atau matematik sekolah menengah dan sarjana. Sebagai peminat matematik dan sains sendiri, saya memutuskan untuk mencuba dan menerapkan konsep yang saya pelajari semasa kelas untuk membina bandul terbalik. Menerapkan konsep sedemikian dalam kehidupan nyata bukan sahaja dapat membantu memperkukuhkan pemahaman anda terhadap konsep tersebut tetapi juga memberi anda dimensi baru kepada masalah dan cabaran yang menangani praktikal dan situasi kehidupan sebenar yang tidak pernah dapat dihadapi dalam kelas teori.

Dalam arahan ini, pertama saya akan memperkenalkan masalah pendulum terbalik, kemudian merangkumi aspek teori masalah, dan kemudian membincangkan perkakasan dan perisian yang diperlukan untuk menghidupkan konsep ini.

Saya cadangkan anda menonton video yang dilampirkan di atas sambil membaca arahan yang akan memberi anda pemahaman yang lebih baik.

Dan akhirnya, jangan lupa untuk memberikan undi dalam 'Classroom Science Contest' jika anda menyukai projek ini dan jangan ragu untuk meninggalkan sebarang pertanyaan di bahagian komen di bawah. Selamat membuat!:)

Langkah 1: Masalahnya

Masalah
Masalah

Masalah pendulum terbalik serupa dengan menyeimbangkan penyapu atau tiang panjang di telapak tangan anda, yang merupakan sesuatu yang telah dicuba oleh kebanyakan kita semasa kecil. Apabila mata kita melihat tiang jatuh ke sisi tertentu, mereka menghantar maklumat ini ke otak yang melakukan pengiraan tertentu dan kemudian mengarahkan lengan anda untuk bergerak ke posisi tertentu dengan kecepatan tertentu untuk melawan pergerakan tiang, yang diharapkan dapat membawa menconteng tiang ke belakang hingga menegak. Proses ini diulang beberapa ratus kali sesaat yang menjadikan tiang sepenuhnya di bawah kawalan anda. Pendulum terbalik berfungsi dengan cara yang serupa. Tujuannya adalah untuk mengimbangkan bandul terbalik pada troli yang dibenarkan bergerak. Sebagai ganti mata, sensor digunakan untuk mengesan kedudukan bandul yang menghantar maklumat ke komputer yang melakukan pengiraan tertentu dan memerintahkan penggerak untuk menggerakkan gerobak dengan cara membuat pendulum menegak kembali.

Langkah 2: Penyelesaiannya

Penyelesaian
Penyelesaian

Masalah mengimbangi bandul ini terbalik memerlukan pandangan tentang pergerakan dan daya yang sedang berlaku dalam sistem ini. Akhirnya, pandangan ini akan memungkinkan kita untuk menghasilkan "persamaan gerakan" sistem yang dapat digunakan untuk menghitung hubungan antara output yang menuju ke penggerak dan input yang datang dari sensor.

Persamaan gerakan boleh dihasilkan dalam dua cara bergantung pada tahap anda. Mereka boleh diambil menggunakan undang-undang asas Newton dan beberapa matematik peringkat sekolah menengah atau menggunakan mekanik Lagrangian yang umumnya diperkenalkan dalam kursus fizik sarjana. (Catatan: Memperoleh persamaan gerakan menggunakan undang-undang Newton adalah mudah tetapi membosankan sedangkan menggunakan mekanik Lagrangian jauh lebih elegan tetapi memerlukan pemahaman mekanik Lagrangian walaupun kedua-dua pendekatan akhirnya membawa kepada penyelesaian yang sama).

Kedua-dua pendekatan dan penggabungan formal mereka biasanya diliputi di sekolah menengah atau kelas sarjana matematik atau fizik, walaupun mereka mudah dijumpai menggunakan carian google yang mudah atau dengan melayari pautan ini. Dengan memerhatikan persamaan pergerakan terakhir, kita melihat hubungan antara empat kuantiti:

  • Sudut bandul ke menegak
  • Halaju sudut bandul
  • Pecutan sudut pendulum
  • Pecutan linier kereta

Di mana tiga yang pertama adalah kuantiti yang akan diukur oleh sensor dan kuantiti terakhir akan dihantar ke penggerak untuk melakukan.

Langkah 3: Teori Kawalan

Teori Kawalan
Teori Kawalan

Teori kawalan adalah bidang matematik yang berkaitan dengan pengendalian dan pengendalian sistem dinamik dalam proses dan mesin yang direkayasa. Objektifnya adalah untuk mengembangkan model kawalan atau gelung kawalan untuk mencapai kestabilan secara amnya. Dalam kes kami, seimbangkan bandul terbalik.

Terdapat dua jenis gelung kawalan utama: kawalan gelung terbuka dan kawalan gelung tertutup. Semasa melaksanakan kawalan gelung terbuka, tindakan kawalan atau arahan dari pengawal tidak bergantung pada output sistem. Contoh yang baik dari ini adalah tungku, di mana jumlah masa yang tinggal di atasnya bergantung sepenuhnya pada pemasa.

Manakala dalam sistem gelung tertutup, perintah pengawal bergantung pada maklum balas dari keadaan sistem. Dalam kes kami, maklum balas adalah sudut pendulum dengan merujuk kepada normal yang menentukan kelajuan dan kedudukan kereta, oleh itu menjadikan sistem ini sebagai sistem gelung tertutup. Dilampirkan di atas adalah representasi visual dalam bentuk gambarajah blok dari sistem gelung tertutup.

Terdapat beberapa teknik mekanisme maklum balas tetapi salah satu yang paling banyak digunakan adalah pengawal derivatif proportional – integral – derivative (PID controller), yang akan kita gunakan.

Catatan: Memahami cara kerja pengawal seperti itu sangat berguna dalam mengembangkan pengawal yang berjaya walaupun menjelaskan operasi pengawal tersebut berada di luar ruang lingkup arahan ini. Sekiranya anda tidak menemui jenis pengawal ini dalam kursus anda, terdapat banyak bahan dalam talian dan carian google yang mudah atau kursus dalam talian akan membantu.

Langkah 4: Melaksanakan Projek ini di Bilik Darjah Anda

Kumpulan Umur: Projek ini terutama untuk pelajar sekolah menengah atau sarjana, tetapi juga dapat disampaikan kepada anak-anak yang lebih muda hanya sebagai demonstrasi dengan memberikan gambaran keseluruhan konsep.

Konsep yang Diliputi: Konsep utama yang diliputi dalam projek ini adalah teori dinamik dan kawalan.

Masa yang diperlukan: Setelah semua bahagian dikumpulkan dan dibuat, pemasangan memerlukan masa 10 hingga 15 minit. Membuat model kawalan memerlukan lebih banyak masa, untuk ini, pelajar boleh diberi masa 2 hingga 3 hari. Setelah setiap pelajar (atau kumpulan pelajar) mengembangkan model kawalan masing-masing, hari lain dapat digunakan untuk ditunjukkan oleh individu atau pasukan.

Salah satu cara untuk melaksanakan projek ini ke dalam kelas anda adalah dengan membina sistem (diterangkan dalam langkah-langkah berikut), sementara kumpulan ini bekerja pada subtopik fizik yang berkaitan dengan dinamika atau semasa mereka mempelajari sistem kawalan di kelas matematik. Dengan cara ini, idea dan konsep yang mereka temui semasa kelas dapat diterapkan secara langsung ke dalam aplikasi dunia nyata menjadikan konsep mereka jauh lebih jelas kerana tidak ada cara yang lebih baik untuk mempelajari konsep baru daripada dengan menerapkannya dalam kehidupan nyata.

Satu sistem boleh dibina, bersama-sama sebagai kelas dan kemudian kelas dapat dibahagikan kepada pasukan, masing-masing membina model kawalan dari awal. Setiap pasukan kemudian dapat menunjukkan kerja mereka dalam format pertandingan, di mana model kawalan terbaik adalah yang dapat mengimbangi yang terpanjang dan menahan dorongan dan dorongan dengan kuat.

Cara lain untuk melaksanakan projek ini di bilik darjah anda ialah dengan membuat anak-anak yang lebih tua (peringkat sekolah menengah atau lebih), mengembangkan projek ini dan menunjukkannya kepada anak-anak yang lebih muda sambil memberi mereka gambaran umum mengenai dinamika dan kawalan. Ini bukan sahaja dapat menimbulkan minat untuk fizik dan matematik untuk anak-anak yang lebih muda tetapi juga akan membantu pelajar yang lebih tua mengkristal konsep konsep mereka kerana salah satu kaedah terbaik untuk memperkuat konsep anda adalah dengan menerangkannya kepada orang lain, terutama kanak-kanak yang lebih muda kerana ia memerlukan anda untuk merumuskan idea anda dengan cara yang sangat mudah dan jelas.

Langkah 5: Bahagian dan Bekalan

Bahagian dan Bekalan
Bahagian dan Bekalan
Bahagian dan Bekalan
Bahagian dan Bekalan
Bahagian dan Bekalan
Bahagian dan Bekalan

Kereta akan dibenarkan bergerak dengan bebas di atas rel yang memberikan satu tahap kebebasan. Berikut adalah bahagian dan bekalan yang diperlukan untuk membuat pendulum dan sistem kereta dan rel:

Elektronik:

  • Satu papan serasi Arduino, semuanya akan berfungsi. Saya mengesyorkan Uno sekiranya anda tidak terlalu berpengalaman dengan elektronik kerana akan lebih mudah diikuti.
  • Satu motor stepper Nema17, yang akan berfungsi sebagai penggerak kereta.
  • Pemandu motor stepper, sekali lagi semuanya akan berfungsi, tetapi saya mengesyorkan pemandu motor stepper A4988 kerana ia akan lebih mudah diikuti.
  • Satu MPU-6050 Six-Axis (Gyro + Accelerometer), yang akan mengesan pelbagai parameter seperti sudut dan halaju pendulum.
  • Satu bekalan kuasa 12v 10A, 10A sebenarnya sedikit berlebihan untuk projek khusus ini, apa-apa di atas 3A akan berfungsi, tetapi mempunyai kemungkinan untuk mendapatkan arus tambahan memungkinkan untuk pembangunan masa depan di mana lebih banyak kuasa mungkin diperlukan.

Perkakasan:

  • 16 x galas, saya menggunakan galas papan selaju dan ia berfungsi dengan baik
  • 2 x GT2 takal dan tali pinggang
  • Lebih kurang 2.4 meter paip PVC berukuran 1.5 inci
  • Sekumpulan kacang dan selak 4mm

Beberapa bahagian yang digunakan dalam projek ini juga dicetak 3D, oleh itu mempunyai pencetak 3D akan sangat berguna, walaupun kemudahan percetakan 3D tempatan atau dalam talian biasanya tersedia.

Jumlah kos semua bahagian hanya kurang dari 50 $ (tidak termasuk pencetak 3D)

Langkah 6: Bahagian Bercetak 3D

Bahagian Bercetak 3D
Bahagian Bercetak 3D
Bahagian Bercetak 3D
Bahagian Bercetak 3D
Bahagian Bercetak 3D
Bahagian Bercetak 3D

Beberapa bahagian sistem kereta dan rel mesti dibuat khusus, jadi saya menggunakan Autodesk secara percuma untuk menggunakan Fusion360 untuk memodelkan fail cad dan mencetak 3D pada pencetak 3D.

Beberapa bahagian yang berbentuk murni 2D, seperti pendulum dan tempat tidur gantri, dipotong dengan laser kerana jauh lebih cepat. Semua fail STL dilampirkan di bawah di folder zip. Berikut adalah senarai lengkap semua bahagian:

  • 2 x Roller Gantry
  • 4 x penutup akhir
  • 1 x Pendakap Stepper
  • 2 x Pemegang Galas Idle Pulley
  • 1 x Pemegang Pendulum
  • 2 x Lekapan Tali Pinggang
  • 1 x Pemegang Bantalan Pendulum (a)
  • 1 x Pemegang Bantalan Pendulum (b)
  • 1 x Pulley Hole Spacer
  • 4 x Spacer Lubang Galas
  • 1 x Plat Gantry
  • 1 x Plat Pemegang Stepper
  • 1 x Plat Pemegang Pulley Idle
  • 1 x Pendulum (a)
  • 1 x Pendulum (b)

Secara keseluruhan ada 24 bahagian, yang tidak terlalu lama untuk dicetak kerana bahagiannya kecil dan dapat dicetak bersama. Dalam pengajaran ini, saya akan merujuk kepada bahagian berdasarkan nama dalam senarai ini.

Langkah 7: Memasang Roller Gantry

Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry
Memasang Roller Gantry

Roller gantry seperti roda untuk kereta. Ini akan berpusing di sepanjang landasan PVC yang akan membolehkan kereta bergerak dengan lancar dengan geseran minimum. Untuk langkah ini, ambil dua penggelek gantri bercetak 3D, 12 galas dan sekumpulan kacang dan baut. Anda memerlukan 6 galas setiap roller. Pasang galas ke roller menggunakan mur dan bolt (Gunakan gambar sebagai rujukan). Setelah setiap roller dibuat, luncurkannya ke paip PVC.

Langkah 8: Memasang Sistem Pemacu (Stepper Motor)

Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)
Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)
Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)
Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)
Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)
Memasang Sistem Pemacu (Motor Stepper)

Kereta akan dipacu oleh motor stepper Nema17 standard. Pasangkan motor ke dalam braket stepper dengan menggunakan skru yang seharusnya disertakan dengan set dengan stepper. Kemudian skru braket ke plat pemegang stepper, sejajarkan 4 lubang pada braket dengan 4 di atas piring dan gunakan mur dan baut untuk menahan keduanya. Seterusnya, pasangkan katrol GT2 ke poros motor dan pasangkan 2 penutup ke plat pemegang stepper dari bawah menggunakan lebih banyak kacang dan baut. Setelah selesai, anda boleh memasukkan penutup akhir ke paip. Sekiranya pemasangannya terlalu betul dan bukannya memaksa penutup akhir ke paip, saya cadangkan agar permukaan permukaan penutup akhir 3D dicetak hingga pas.

Langkah 9: Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)

Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)
Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)
Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)
Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)
Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)
Memasang Sistem Pemacu (Idle Pulley)

Mur dan baut yang saya gunakan berdiameter 4mm walaupun lubang pada takal dan galasnya adalah 6mm, sebab itulah saya harus menggunakan penyesuai cetak 3D dan mendorongnya ke lubang takal dan galas supaya tidak goyang pada selak. Sekiranya anda mempunyai mur dan baut dengan ukuran yang betul, anda tidak memerlukan langkah ini.

Pasangkan galas ke dalam pemegang galas pulley yang tidak berfungsi. Sekali lagi jika pemasangan terlalu ketat, gunakan kertas pasir untuk menggosokkan dinding dalaman pemegang galas pulley terbiar dengan ringan. Hantarkan bolt melalui salah satu galas, kemudian masukkan pulley ke bolt dan tutup hujung yang lain dengan set pemegang galas kedua dan galas idle yang tidak aktif.

Setelah selesai pasangkan sepasang pemegang galas katrol idle ke plat pemegang pulley idle dan pasangkan penutup akhir ke bahagian bawah plat ini, sama dengan langkah sebelumnya. Akhirnya, tutup hujung kedua paip PVC menggunakan penutup akhir ini. Dengan ini rel kereta anda sudah lengkap.

Langkah 10: Memasang Gantry

Menyusun Gantry
Menyusun Gantry
Menyusun Gantry
Menyusun Gantry
Menyusun Gantry
Menyusun Gantry

Langkah seterusnya adalah membina troli. Pasangkan kedua penggelek itu bersama-sama menggunakan plat gantri dan 4 kacang dan baut. Plat gantri mempunyai slot sehingga anda dapat menyesuaikan kedudukan plat untuk sedikit penyesuaian.

Seterusnya, pasangkan dua pelekat tali pinggang di kedua-dua sisi plat gantri. Pastikan untuk memasangkannya dari bahagian bawah jika tidak, tali pinggang tidak akan berada pada tahap yang sama. Pastikan juga memasukkan bolt dari bawah, kerana jika tidak, jika bolt terlalu panjang boleh menyebabkan halangan pada tali pinggang.

Akhir sekali, pasangkan pemegang bandul ke bahagian depan troli menggunakan mur dan bolt.

Langkah 11: Menyusun Pendulum

Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum
Menyusun Pendulum

Pendulum dibuat dalam dua kepingan hanya untuk menjimatkan bahan. Anda boleh melekatkan kedua-dua kepingan itu dengan meluruskan gigi dan melekatkannya. Sekali lagi tolak spacer lubang galas ke dalam dua galas untuk mengimbangi diameter bolt yang lebih kecil dan kemudian tolak galas ke dalam lubang galas dari dua kepingan pemegang pendulum. Pasangkan dua bahagian 3D yang dicetak pada setiap sisi hujung bawah bandul dan selamatkan 3 bersama-sama menggunakan 3 mur dan baut yang melewati pemegang galas pendulum. Hantarkan selak melalui dua galas dan pasangkan hujung yang lain dengan mur yang sesuai.

Seterusnya, ambil MPU6050 anda dan pasangkannya di hujung bandul yang berlawanan menggunakan skru pemasangan.

Langkah 12: Memasang Pendulum dan Tali Pinggang

Memasang Pendulum dan Tali Pinggang
Memasang Pendulum dan Tali Pinggang
Memasang Pendulum dan Tali Pinggang
Memasang Pendulum dan Tali Pinggang
Memasang Pendulum dan Tali Pinggang
Memasang Pendulum dan Tali Pinggang

Langkah terakhir adalah memasang bandul ke troli. Lakukan ini dengan melewati baut yang sebelumnya anda lalui melalui dua bantalan pendulum, melalui lubang pada pemegang bandul yang dipasang di bahagian depan gerobak dan gunakan mur di hujung yang lain untuk menahan pendulum ke troli.

Akhirnya, ambil tali pinggang GT2 anda dan selamatkan terlebih dahulu salah satu hujungnya ke salah satu pelekap tali pinggang yang terpaut pada troli. Untuk ini, saya menggunakan klip tali pinggang yang boleh dicetak 3D yang kemas yang menjepit ke hujung tali pinggang dan menghalangnya daripada tergelincir melalui slot sempit. Stls untuk bahagian ini boleh didapati di Thingiverse menggunakan pautan ini. Balut tali pinggang sepanjang katrol stepper dan takal idle dan pasangkan hujung tali pinggang yang lain ke bahagian pelekat tali pinggang di hujung gerabak yang bertentangan. Ketatkan tali pinggang sambil pastikan untuk tidak mengetatkan terlalu banyak atau membiarkannya terlalu hilang dan dengan ini bandul dan kereta anda lengkap!

Langkah 13: Pendawaian dan Elektronik

Pendawaian dan Elektronik
Pendawaian dan Elektronik
Pendawaian dan Elektronik
Pendawaian dan Elektronik
Pendawaian dan Elektronik
Pendawaian dan Elektronik

Pendawaian terdiri daripada menghubungkan MPU6050 ke Arduino dan pendawaian sistem pemacu. Ikuti rajah pendawaian yang dilampirkan di atas untuk menyambungkan setiap komponen.

MPU6050 ke Arduino:

  • GND ke GND
  • + 5v hingga + 5v
  • SDA hingga A4
  • SCL hingga A5
  • Int ke D2

Motor stepper ke pemandu stepper:

  • Gegelung 1 (a) hingga 1A
  • Gegelung 1 (b) hingga 1B
  • Gegelung 2 (a) hingga 2A
  • Gegelung 2 (b) hingga 2B

Pemandu Stepper ke Arduino:

  • GND ke GND
  • VDD hingga + 5v
  • LANGKAH ke D3
  • DIR hingga D2
  • VMOT ke terminal positif bekalan kuasa
  • GND ke terminal darat bekalan kuasa

Pin Sleep and Reset pada pemacu stepper perlu disambungkan dengan pelompat. Dan akhirnya, adalah idea yang baik untuk menyambungkan kapasitor elektrolitik sekitar 100 uF selari dengan terminal positif dan ground dari bekalan kuasa.

Langkah 14: Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadar)

Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadaran)
Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadaran)
Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadar)
Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadar)
Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadaran)
Mengendalikan Sistem (Kawalan Berkadaran)

Pada mulanya, saya memutuskan untuk mencuba sistem kawalan berkadar asas, iaitu, kecepatan gerobak hanya sebanding dengan faktor tertentu dengan sudut yang dibuat pendulum dengan menegak. Ini dimaksudkan hanya sebagai ujian untuk memastikan semua bahagian berfungsi dengan baik. Walaupun, sistem perkadaran asas ini cukup kuat untuk membuat bandul sudah seimbang. Pendulum dapat menahan dorongan dan dorongan lembut dengan kuat. Walaupun sistem kawalan ini berfungsi dengan baik, ia masih mempunyai beberapa masalah. Sekiranya seseorang melihat grafik pembacaan IMU dalam jangka masa tertentu, kita dapat melihat dengan jelas pergerakkan dalam bacaan sensor. Ini menunjukkan bahawa setiap kali pengawal berusaha untuk membuat pembetulan, ia selalu mengatasi dengan jumlah tertentu, yang sebenarnya adalah sifat sistem kawalan berkadar. Kesalahan kecil ini dapat diperbaiki dengan menerapkan jenis pengawal yang berbeza yang mengambil kira semua faktor ini.

Kod untuk sistem kawalan berkadar dilampirkan di bawah. Kod ini memerlukan sokongan dari beberapa perpustakaan tambahan yang merupakan perpustakaan MPU6050, perpustakaan PID, dan perpustakaan AccelStepper. Ini boleh dimuat turun menggunakan pengurus perpustakaan bersepadu Arduino IDE. Cukup pergi ke Sketsa >> Sertakan Perpustakaan >> Kelola Perpustakaan, dan kemudian cari PID, MPU6050 dan AccelStepper di bar carian dan pasangnya dengan hanya mengklik butang Pasang.

Walaupun begitu, nasihat saya untuk anda semua yang gemar sains dan matematik, adalah berusaha dan membina pengawal seperti ini dari awal. Ini bukan sahaja dapat memperkuat konsep anda mengenai teori dinamika dan kawalan tetapi juga memberi anda peluang untuk menerapkan pengetahuan anda dalam aplikasi kehidupan sebenar.

Langkah 15: Mengendalikan Sistem (PID Control)

Mengendalikan Sistem (PID Control)
Mengendalikan Sistem (PID Control)
Mengendalikan Sistem (PID Control)
Mengendalikan Sistem (PID Control)
Mengendalikan Sistem (PID Control)
Mengendalikan Sistem (PID Control)

Secara amnya, dalam kehidupan nyata, setelah sistem kawalan terbukti cukup kuat untuk aplikasinya, para jurutera biasanya hanya menyelesaikan projek dan bukannya menyulitkan keadaan dengan menggunakan sistem kawalan yang lebih kompleks. Tetapi dalam kes kami, kami membina pendulum terbalik ini semata-mata untuk tujuan pendidikan. Oleh itu, kita boleh berusaha untuk maju ke sistem kawalan yang lebih kompleks seperti kawalan PID, yang mungkin terbukti jauh lebih mantap daripada sistem kawalan berkadar asas.

Walaupun kawalan PID jauh lebih kompleks untuk dilaksanakan, setelah dilaksanakan dengan betul dan mencari parameter penalaan yang sempurna, bandul seimbang dengan lebih baik. Pada ketika ini, ia juga dapat mengatasi getaran ringan. Pembacaan dari IMU dalam jangka masa tertentu (dilampirkan di atas) juga membuktikan bahawa pembacaan tidak pernah terlalu jauh untuk setpoint yang diinginkan, iaitu menegak, menunjukkan bahawa sistem kawalan ini jauh lebih berkesan dan kuat daripada kawalan berkadar asas.

Sekali lagi, nasihat saya untuk anda semua yang gemar sains dan matematik, adalah mencuba dan membina pengawal PID dari awal sebelum menggunakan kod yang dilampirkan di bawah. Ini dapat dianggap sebagai suatu tantangan, dan seseorang tidak pernah tahu, seseorang dapat hadir dengan sistem kontrol yang jauh lebih kuat daripada apa pun yang telah dicoba hingga sekarang. Walaupun perpustakaan PID yang kuat sudah tersedia untuk Arduino yang dikembangkan oleh Brett Beauregard yang boleh dipasang dari pengurus perpustakaan di Arduino IDE.

Catatan: Setiap sistem kawalan dan hasilnya ditunjukkan dalam video yang dilampirkan pada langkah pertama.

Langkah 16: Penambahbaikan Lanjut

Penambahbaikan Lanjutan
Penambahbaikan Lanjutan

Salah satu perkara yang ingin saya cuba ialah fungsi "swing-up", di mana bandul pada mulanya tergantung di bawah troli dan gerobak melakukan beberapa pergerakan naik dan turun di sepanjang trek untuk mengayunkan bandul dari gantung kedudukan ke kedudukan terbalik terbalik. Tetapi ini tidak dapat dilakukan dengan konfigurasi semasa kerana kabel panjang harus menghubungkan unit pengukuran inersia ke Arduino, oleh itu bulatan penuh yang dilakukan oleh bandul mungkin menyebabkan kabel berpusing dan tersangkut. Masalah ini dapat ditangani dengan menggunakan pengekod putar yang terpasang pada pangsi pendulum dan bukannya unit pengukuran inersia di hujungnya. Dengan pengekod, porosnya adalah satu-satunya perkara yang berputar dengan bandul, sementara badan tetap tidak bergerak yang bermaksud bahawa kabel tidak akan berpusing.

Ciri kedua yang ingin saya cuba, adalah mengimbangkan bandul berganda di troli. Sistem ini terdiri daripada dua bandul yang dihubungkan satu demi satu. Walaupun dinamika sistem sedemikian jauh lebih kompleks dan memerlukan lebih banyak kajian.

Langkah 17: Keputusan Akhir

Keputusan Akhir
Keputusan Akhir
Keputusan Akhir
Keputusan Akhir
Keputusan Akhir
Keputusan Akhir

Eksperimen seperti ini dapat mengubah suasana kelas secara positif. Secara amnya, kebanyakan orang lebih gemar mengaplikasikan konsep dan idea untuk mengkristalnya, jika tidak, idea itu tetap "di udara" yang membuat orang cenderung melupakannya dengan lebih cepat. Ini adalah salah satu contoh menerapkan konsep tertentu yang dipelajari semasa kelas menjadi aplikasi dunia nyata, walaupun ini tentu akan menimbulkan semangat pada pelajar untuk akhirnya mencuba dan membuat eksperimen mereka sendiri untuk menguji teori, yang akan menjadikan kelas masa depan mereka jauh lebih banyak meriah, yang akan menjadikan mereka ingin belajar lebih banyak, yang akan menjadikan mereka datang dengan eksperimen yang lebih baru dan kitaran positif ini akan berterusan sehingga bilik darjah masa depan penuh dengan eksperimen dan projek yang menyeronokkan dan menyeronokkan.

Saya harap ini akan menjadi permulaan banyak lagi eksperimen dan projek! Sekiranya anda menyukai arahan ini dan menganggapnya bermanfaat, sila undi di bawah ini dalam "Peraduan Sains Bilik Darjah" dan sebarang komen atau cadangan dialu-alukan! Terima kasih!:)

Pertandingan Sains Bilik Darjah
Pertandingan Sains Bilik Darjah
Pertandingan Sains Bilik Darjah
Pertandingan Sains Bilik Darjah

Naib Johan dalam Pertandingan Sains Bilik Darjah

Disyorkan: