پاندول معکوس: نظریه کنترل و پویایی: 17 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

پاندول معکوس یک مشکل کلاسیک در نظریه پویایی و کنترل است که عموماً در دوره های فیزیک یا ریاضی در دبیرستان و مقطع کارشناسی تدریس می شود. من که از علاقه مندان به ریاضیات و علوم بودم ، تصمیم گرفتم مفاهیمی را که در کلاسهایم آموخته ام پیاده کنم و یک پاندول معکوس بسازم. استفاده از چنین مفاهیمی در زندگی واقعی نه تنها به تقویت درک مفاهیم کمک می کند ، بلکه شما را در معرض ابعاد کاملاً جدیدی از مشکلات و چالش ها قرار می دهد که با کاربردی بودن و موقعیت های واقعی زندگی که هرگز در کلاس های تئوری نمی توانید با آنها روبرو شوید ، سروکار دارد.

در این قسمت آموزشی ، ابتدا مشکل پاندول معکوس را معرفی می کنم ، سپس جنبه نظری مسئله را پوشش می دهم ، و سپس سخت افزار و نرم افزار مورد نیاز برای تحقق بخشیدن به این مفهوم را مورد بحث قرار می دهم.

به شما پیشنهاد می کنم ویدیویی را که در بالا ضمیمه شده است را تماشا کنید ، در حالی که مطالب آموزشی را درک می کنید که درک بهتری را برای شما به ارمغان می آورد.

و در نهایت ، لطفاً فراموش نکنید که اگر از این پروژه خوشتان آمده است در "مسابقه علمی کلاس درس" رأی دهید و هر گونه س questionsالی را در قسمت نظرات زیر مطرح کنید. ساخت خوشحالم!:)

مرحله 1: مشکل

مشکل پاندول معکوس شبیه تعادل جارو یا یک تیر بلند در کف دست است ، چیزی که اکثر ما در کودکی آن را امتحان کرده ایم. وقتی چشمان ما قطب را به طرفی می بیند ، این اطلاعات را به مغز می فرستد که محاسبات خاصی را انجام می دهد و سپس به بازوی شما دستور می دهد تا با سرعت خاصی به موقعیت خاصی حرکت کند تا با حرکت قطب مقابله کند. قطب برگشت به حالت عمودی این فرایند چند صد بار در ثانیه تکرار می شود که قطب را کاملاً تحت کنترل شما نگه می دارد. پاندول معکوس به شیوه ای مشابه عمل می کند. هدف این است که یک پاندول را به صورت وارونه بر روی چرخ دستی که اجازه حرکت دارد تعادل دهید. به جای چشم ، از یک سنسور برای تشخیص موقعیت پاندول استفاده می شود که اطلاعات را به رایانه ای ارسال می کند که محاسبات خاصی را انجام می دهد و به محرک ها دستور می دهد که چرخ دستی را به گونه ای حرکت دهند که پاندول دوباره عمودی شود.

مرحله 2: راه حل

این مشکل تعادل یک پاندول به صورت وارونه مستلزم بینش در مورد حرکات و نیروهایی است که در این سیستم بازی می کنند. در نهایت ، این بینش به ما امکان می دهد "معادلات حرکت" سیستم را ارائه دهیم که می تواند برای محاسبه روابط بین خروجی که به محرک ها می رود و ورودی های سنسورها استفاده شود.

بسته به سطح شما معادلات حرکت را می توان از دو طریق به دست آورد. آنها را می توان با استفاده از قوانین اساسی نیوتن و برخی از ریاضیات سطح دبیرستان یا با استفاده از مکانیک لاگرانژی که به طور کلی در دوره های فیزیک کارشناسی معرفی می شود ، استخراج کرد. (توجه: به دست آوردن معادلات حرکت با استفاده از قوانین نیوتن ساده اما خسته کننده است در حالی که استفاده از مکانیک لاگرانژی بسیار زیبا تر است اما نیاز به درک مکانیک لاگرانژی دارد هرچند هر دو رویکرد در نهایت به یک راه حل واحد منجر می شود).

هر دو رویکرد و مشتقات رسمی آنها معمولاً در کلاسهای دبیرستان یا لیسانس یا فیزیک در مقطع کارشناسی پوشش داده می شود ، اگرچه آنها را می توان با یک جستجوی ساده در گوگل یا با مراجعه به این پیوند به راحتی پیدا کرد. با مشاهده معادلات نهایی حرکت متوجه رابطه بین چهار کمیت می شویم:

• زاویه آونگ به عمود
• سرعت زاویه ای پاندول
• شتاب زاویه ای پاندول
• شتاب خطی چرخ دستی

جایی که سه مورد اول مقادیری هستند که توسط سنسور اندازه گیری می شوند و آخرین مقدار برای انجام به محرک ارسال می شود.

مرحله 3: نظریه کنترل

نظریه کنترل زیر شاخه ای از ریاضیات است که به کنترل و عملکرد سیستم های پویا در فرایندها و ماشین های مهندسی می پردازد. هدف این است که یک مدل کنترل یا یک حلقه کنترل ایجاد شود تا به طور کلی به ثبات برسد. در مورد ما ، پاندول وارونه را متعادل کنید.

دو نوع اصلی حلقه کنترل وجود دارد: کنترل حلقه باز و کنترل حلقه بسته. هنگام پیاده سازی کنترل حلقه باز ، عمل کنترل یا فرمان از کنترلر مستقل از خروجی سیستم است. یک مثال خوب در این مورد یک کوره است ، جایی که مدت زمان باقی ماندن کوره کاملاً به تایمر بستگی دارد.

در حالی که در یک سیستم حلقه بسته ، فرمان کنترل کننده بستگی به بازخورد از وضعیت سیستم دارد. در مورد ما ، بازخورد زاویه پاندول با اشاره به حالت عادی است که سرعت و موقعیت چرخ دستی را تعیین می کند ، بنابراین این سیستم را به یک سیستم حلقه بسته تبدیل می کند. در بالا ضمیمه شده است یک نمای بصری در قالب یک نمودار بلوک از یک سیستم حلقه بسته.

چندین تکنیک مکانیسم بازخورد وجود دارد ، اما یکی از پرکاربردترین آنها کنترل کننده مشتق نسبی - انتگرال (کنترل کننده PID) است ، چیزی که ما قصد داریم از آن استفاده کنیم.

توجه: درک نحوه عملکرد چنین کنترل کننده هایی در توسعه یک کنترل کننده موفق بسیار مفید است ، اگرچه توضیح عملکرد چنین کنترل کننده ای خارج از محدوده این دستورالعمل است. اگر در دوره خود با این نوع کنترل کننده ها برخورد نکرده اید ، دسته ای از مطالب آنلاین وجود دارد و یک جستجوی ساده در گوگل یا یک دوره آنلاین به شما کمک می کند.

مرحله 4: پیاده سازی این پروژه در کلاس درس

گروه سنی: این پروژه در درجه اول برای دانش آموزان دبیرستانی یا کارشناسی است ، اما می تواند به سادگی به عنوان نمایشی با ارائه یک نمای کلی از مفاهیم به کودکان کوچکتر ارائه شود.

مفاهیم تحت پوشش: مفاهیم اصلی مورد بحث در این پروژه نظریه پویایی و کنترل است.

زمان مورد نیاز: پس از جمع آوری و ساخت تمام قطعات ، مونتاژ 10 تا 15 دقیقه طول می کشد. ایجاد مدل کنترل به زمان بیشتری نیاز دارد ، برای این منظور می توان 2 تا 3 روز به دانش آموزان فرصت داد. هنگامی که هر یک از دانش آموزان (یا گروهی از دانش آموزان) مدل های کنترل مربوطه خود را ایجاد کردند ، می توان از روز دیگری برای نشان دادن افراد یا تیم ها استفاده کرد.

یکی از راه های پیاده سازی این پروژه در کلاس درس ، ایجاد سیستم (در مراحل زیر توضیح داده شده است) است ، در حالی که دسته روی زیرمجموعه های فیزیک مربوط به دینامیک یا در حال مطالعه سیستم های کنترل در کلاس های ریاضی کار می کند. به این ترتیب ، ایده ها و مفاهیمی که در طول کلاس با آنها روبرو می شوند می توانند مستقیماً در یک برنامه کاربردی در دنیای واقعی پیاده سازی شوند و مفاهیم آنها را بسیار واضح تر کند ، زیرا هیچ راهی بهتر از پیاده سازی آن در زندگی واقعی وجود ندارد.

یک سیستم واحد می تواند ساخته شود ، با هم به عنوان یک کلاس و سپس کلاس را می توان به تیم ها تقسیم کرد ، هر کدام یک مدل کنترل را از ابتدا می سازند. سپس هر تیم می تواند کار خود را در قالب مسابقه نشان دهد ، جایی که بهترین مدل کنترلی مدلی است که بتواند طولانی ترین حالت را متعادل کند و در برابر فشارها و فشارهای قوی مقاومت کند.

یکی دیگر از راه های اجرای این پروژه در کلاس درس این است که بچه های بزرگتر (سطح دبیرستان یا بیشتر) بسازید ، این پروژه را توسعه دهید و آن را در اختیار کودکان خردسال قرار دهید ، در حالی که به آنها نمای کلی از پویایی و کنترل می دهید. این ممکن است نه تنها باعث علاقه فیزیک و ریاضیات برای بچه های کوچکتر شود ، بلکه به دانش آموزان بزرگتر نیز کمک می کند تا مفاهیم نظریه خود را تبیین کنند ، زیرا یکی از بهترین راه ها برای تقویت مفاهیم شما توضیح آن برای دیگران ، به ویژه کودکان خردسال است. شما می توانید ایده های خود را به روشی بسیار ساده و واضح تنظیم کنید.

مرحله 5: قطعات و لوازم

این چرخ دستی مجاز به حرکت آزادانه روی مجموعه ای از ریل ها است که به آن یک درجه آزادی می دهد. در اینجا قطعات و لوازم مورد نیاز برای ساخت پاندول و سیستم چرخ دستی و ریل آمده است:

الکترونیک:

• یک برد سازگار با آردوینو ، هر کدام کار می کند. در صورت عدم تجربه زیاد در زمینه لوازم الکترونیکی ، Uno را توصیه می کنم ، زیرا پیگیری آن ساده تر خواهد بود.
• یک موتور پله Nema17 ، که به عنوان محرک برای چرخ دستی عمل می کند.
• یک راننده موتور پله ای ، یکبار دیگر همه چیز کار می کند ، اما من راننده موتور پله ای A4988 را توصیه می کنم زیرا دنبال کردن آن ساده تر خواهد بود.
• یک MPU-6050 شش محور (Gyro + Accelerometer) ، که پارامترهای مختلف مانند زاویه و سرعت زاویه ای پاندول را تشخیص می دهد.
• یک منبع تغذیه 12 ولت 10 آمپر ، 10A در واقع یک اضافه بار جزئی برای این پروژه خاص است ، هر چیزی بالاتر از 3A کار می کند ، اما داشتن امکان ایجاد جریان اضافی امکان توسعه آینده را فراهم می کند که ممکن است به قدرت بیشتری نیاز باشد.

سخت افزار:

• 16 بلبرینگ ، من از یاتاقان های اسکیت بورد استفاده کردم و آنها عالی کار کردند
• 2 عدد قرقره و کمربند GT2
• حدود 2.4 متر لوله 1.5 اینچی PVC
• یک دسته مهره و پیچ 4 میلی متری

برخی از قطعاتی که در این پروژه مورد استفاده قرار گرفتند نیز چاپ سه بعدی بودند ، بنابراین داشتن چاپگر سه بعدی بسیار مفید خواهد بود ، اگرچه امکانات چاپ سه بعدی محلی یا آنلاین معمولاً در دسترس است.

هزینه کل تمام قطعات فقط کمی کمتر از 50 دلار است (بدون احتساب چاپگر سه بعدی)

مرحله 6: قطعات چاپ سه بعدی

برخی از قسمت های سیستم چرخ دستی و ریل باید به صورت سفارشی ساخته شوند ، بنابراین من از Autodesk رایگان استفاده کردم تا از Fusion360 برای مدل سازی فایل های cad و چاپ سه بعدی آنها بر روی چاپگر سه بعدی استفاده کنم.

برخی از قطعاتی که کاملاً به صورت دو بعدی بودند ، مانند پاندول و تخت دروازه ، با سرعت بسیار بیشتری لیزری بریده شدند. همه فایلهای STL در زیر در پوشه فشرده ضمیمه شده است. در اینجا لیست کاملی از تمام قسمت ها آمده است:

• 2 عدد غلتک دروازه ای
• 4 عدد سرپوش انتهایی
• براکت استپر 1 عدد
• 2 عدد نگهدارنده بلبرینگ قرقره بیکار
• 1 عدد نگهدارنده پاندول
• 2 x ضمیمه کمربند
• 1 عدد دارنده بلبرینگ آونگ (a)
• 1 عدد دارنده بلبرینگ آونگ (ب)
• 1 عدد Spuler Hole Spacer
• 4 فاصله بلبرینگ سوراخ فاصله
• 1 عدد بشقاب دروازه ای
• 1 عدد بشقاب استپر نگهدارنده
• 1 عدد بشقاب نگهدارنده قرقره بیکار
• 1 x آونگ (a)
• 1 عدد آونگ (ب)

در مجموع 24 قسمت وجود دارد که چاپ آنها زیاد طول نمی کشد زیرا قطعات کوچک هستند و می توانند با هم چاپ شوند. در طی این دستورالعمل ، من به قسمتهایی بر اساس نامهای موجود در این لیست اشاره می کنم.

مرحله 7: مونتاژ غلتک های دروازه ای

غلتک های دروازه ای مانند چرخ های چرخ دستی هستند. اینها در امتداد مسیر PVC می چرخند که باعث می شود چرخ دستی با کمترین اصطکاک به آرامی حرکت کند. برای این مرحله ، دو غلتک دروازه ای چاپ سه بعدی ، 12 بلبرینگ و یک دسته مهره و پیچ را بگیرید. در هر غلتک به 6 بلبرینگ نیاز دارید. یاتاقان ها را با استفاده از مهره و پیچ به غلتک وصل کنید (از تصاویر به عنوان مرجع استفاده کنید). پس از ساختن هر غلتک ، آنها را روی لوله PVC بکشید.

مرحله 8: مونتاژ سیستم درایو (استپر موتور)

این چرخ دستی توسط یک موتور پله ای استاندارد Nema17 هدایت می شود. موتور را با استفاده از پیچ هایی که باید به صورت ست به همراه ستپر قرار می گرفتند ، به براکت استپر محکم کنید. سپس براکت را روی صفحه نگهدارنده پله پیچ کنید ، 4 سوراخ براکت را با 4 روی صفحه تراز کنید و از مهره ها و پیچ ها برای محکم کردن هر دو به هم استفاده کنید. در مرحله بعد ، قرقره GT2 را روی شفت موتور سوار کرده و با استفاده از مهره ها و پیچ های بیشتر 2 قسمت انتهایی را از پایین به صفحه نگهدارنده پله وصل کنید. پس از اتمام کار ، می توانید روکش ها را روی لوله ها بکشید. در صورتی که تناسب بسیار مناسب باشد بجای اینکه قسمت انتهایی را روی لوله ها فشار دهید ، توصیه می کنم سطح داخلی روکش انتهایی چاپ سه بعدی را سنباده بزنید تا تناسب آن محکم شود.

مرحله 9: مونتاژ سیستم درایو (قرقره بیکار)

مهره ها و پیچ و مهره هایی که من استفاده می کردم دارای قطر 4 میلی متر بودند ، اگرچه سوراخ های قرقره و بلبرینگ ها 6 میلی متر بود ، به همین دلیل مجبور شدم آداپتورهای سه بعدی را چاپ کنم و آنها را به سوراخ های قرقره و یاطاقان ها فشار دهم تا اینطور نشوند. تکان خوردن روی پیچ اگر مهره و پیچ با اندازه مناسب دارید ، نیازی به این مرحله ندارید.

یاتاقان ها را در نگهدارنده بلبرینگ قرقره بیکار قرار دهید. بار دیگر اگر سفت بسیار محکم است ، از کاغذ سنباده استفاده کنید تا دیوار داخلی نگهدارنده بلبرینگ قرقره را کمی ماساژ دهید. یک پیچ را از یکی از یاتاقان ها عبور دهید ، سپس یک قرقره را روی پیچ بکشید و انتهای دیگر را با دومین مجموعه نگهدارنده بلبرینگ و بلبرینگ بیکار ببندید.

پس از اتمام کار ، جفت نگهدارنده های قرقره بیکار را به صفحه نگهدارنده قرقره بیکار وصل کنید و سرپوش های انتهایی را مانند مرحله قبل به سطح زیرین این صفحه وصل کنید. در نهایت ، انتهای مخالف دو لوله PVC را با استفاده از این روکش ها بپوشانید. با این کار ریل های سبد خرید شما کامل شده است.

مرحله 10: مونتاژ دروازه

مرحله بعدی ساخت چرخ دستی است. دو غلتک را با استفاده از صفحه دروازه و 4 مهره و پیچ به هم وصل کنید. صفحات دروازه دارای شکاف هستند تا بتوانید موقعیت صفحه را برای تعدیل جزئی تنظیم کنید.

در مرحله بعد ، دو ضمیمه کمربند را در دو طرف صفحه دروازه نصب کنید. اطمینان حاصل کنید که آنها را از پایین وصل کنید ، در غیر این صورت کمربند در یک سطح نخواهد بود. اطمینان حاصل کنید که پیچ و مهره ها را نیز از پایین وارد کنید ، زیرا در غیر این صورت ، اگر پیچ و مهره ها بیش از حد طولانی باشند ، ممکن است باعث انسداد تسمه شوند.

در نهایت ، نگهدارنده پاندول را با استفاده از مهره و پیچ به جلوی چرخ دستی وصل کنید.

مرحله 11: جمع آوری پاندول

پاندول به منظور صرفه جویی در مواد در دو قسمت ساخته شد. شما می توانید این دو قطعه را با تراز کردن دندان ها و چسباندن فوق العاده به هم بچسبانید. مجدداً جداکننده های حفره بلبرینگ را به دو بلبرینگ فشار دهید تا قطر پیچ کوچکتر جبران شود و سپس بلبرینگ را به سوراخ های یاتاقان دو قطعه نگهدارنده بلبرینگ آونگ فشار دهید. دو قسمت چاپ شده سه بعدی را در هر طرف انتهای پایین پاندول محکم کرده و با استفاده از 3 مهره و پیچ که از دارنده های بلبرینگ پاندول عبور می کنند ، 3 قسمت را محکم کنید. یک پیچ را از دو یاتاقان رد کرده و انتهای دیگر را با مهره مربوطه محکم کنید.

در مرحله بعد ، MPU6050 خود را گرفته و با استفاده از پیچ های نصب ، آن را در انتهای مخالف پاندول وصل کنید.

مرحله 12: نصب پاندول و کمربندها

آخرین مرحله نصب پاندول بر روی گاری است. این کار را با عبور پیچ و مهره ای که قبلاً از دو یاتاقان پاندول عبور داده اید ، از طریق سوراخ نگهدارنده پاندول که در قسمت جلوی چرخ دستی وصل شده است ، انجام دهید و از مهره ای در انتهای دیگر آن استفاده کنید تا پاندول را بر روی گاری محکم کنید.

در نهایت ، کمربند GT2 خود را بگیرید و ابتدا یک سر آن را به یکی از اتصالات کمربندی که بر روی گیره چسبانده شده محکم کنید. برای این منظور ، من از یک گیره کمربند قابل چاپ سه بعدی استفاده کردم که به انتهای کمربند می چسبد و از سر خوردن آن در شکاف باریک جلوگیری می کند. Stls این قطعه را می توانید با استفاده از این پیوند در Thingiverse پیدا کنید. کمربند را تا دور قرقره پله ای و قرقره بیکار بپیچید و انتهای دیگر کمربند را به قطعه اتصال کمربند در سر مخالف چرخ دستی محکم کنید. کمربند را محکم کنید در حالی که مطمئن می شوید زیاد سفت نمی شود یا زیاد از بین نمی رود و با این کار پاندول و چرخ دستی شما کامل می شود!

مرحله 13: سیم کشی و الکترونیک

سیم کشی شامل اتصال MPU6050 به آردوینو و سیم کشی سیستم درایو است. برای اتصال هر جزء ، نمودار سیم کشی بالا را دنبال کنید.

MPU6050 به آردوینو:

• GND به GND
• +5 ولت تا +5 ولت
• SDA تا A4
• SCL تا A5
• Int به D2

استپر موتور به راننده استپر:

• سیم پیچ 1 (a) تا 1A
• سیم پیچ 1 (ب) تا 1B را بپیچید
• سیم پیچ 2 (a) تا 2A
• سیم پیچ 2 (ب) تا 2B

Stepper Driver به آردوینو:

• GND به GND
• VDD تا +5 ولت
• قدم به D3
• DIR تا D2
• VMOT به پایانه مثبت منبع تغذیه
• GND به پایانه زمینی منبع تغذیه

پین های Sleep و Reset در درایور stepper باید با یک بلوز متصل شوند. و در نهایت ، ایده خوبی است که یک خازن الکترولیتی حدود 100 uF به موازات پایانه های مثبت و زمین منبع تغذیه متصل کنید.

مرحله 14: کنترل سیستم (کنترل متناسب)

در ابتدا ، من تصمیم گرفتم یک سیستم کنترل نسبی اولیه را امتحان کنم ، یعنی سرعت چرخ دستی به سادگی با یک عامل خاص با زاویه ای که پاندول با عمود ایجاد می کند متناسب است. این فقط یک آزمایش برای اطمینان از عملکرد صحیح همه قطعات بود. اگرچه ، این سیستم تناسبی اساسی به اندازه کافی قوی بود تا پاندول را از قبل متعادل کند. آونگ حتی می تواند فشارها و حرکت های ملایم را به طور قوی مقابله کند. در حالی که این سیستم کنترل به طور قابل ملاحظه ای خوب کار می کرد ، هنوز چند مشکل داشت. اگر نگاهی به نمودار قرائت های IMU در یک زمان معین بیندازیم ، به وضوح متوجه نوسانات در قرائت سنسور می شویم. این بدان معناست که هر زمان که کنترل کننده سعی می کند تصحیح کند ، همیشه از مقدار مشخصی فراتر می رود ، که در واقع ماهیت یک سیستم کنترل متناسب است. این خطای جزئی را می توان با پیاده سازی نوع دیگری از کنترلر که همه این عوامل را در نظر می گیرد ، اصلاح کرد.

کد سیستم کنترل نسبی در زیر پیوست شده است. کد نیاز به پشتیبانی از چند کتابخانه دیگر دارد که عبارتند از کتابخانه MPU6050 ، کتابخانه PID و کتابخانه AccelStepper. اینها را می توان با استفاده از مدیر کتابخانه یکپارچه Arduino IDE بارگیری کرد. به سادگی به Sketch >> Include Library >> Manage Libraries بروید و سپس PID ، MPU6050 و AccelStepper را در نوار جستجو جستجو کرده و با کلیک بر روی دکمه Install آنها را نصب کنید.

اگرچه ، توصیه من برای همه شما علاقه مندان به علم و ریاضی این است که سعی کنید یک کنترلر از این دست را از ابتدا بسازید. این نه تنها مفاهیم شما در مورد نظریه های پویایی و کنترل را تقویت می کند ، بلکه به شما فرصتی می دهد تا دانش خود را در برنامه های کاربردی زندگی واقعی پیاده سازی کنید.

مرحله 15: کنترل سیستم (کنترل PID)

عموماً ، در زندگی واقعی ، هنگامی که یک سیستم کنترل به اندازه کافی برای استفاده از آن ثابت می شود ، مهندسان معمولاً پروژه را به اتمام می رسانند تا با استفاده از سیستم های کنترل پیچیده تر ، شرایط را بیش از حد پیچیده نکنند. اما در مورد ما ، ما این پاندول معکوس را صرفاً برای اهداف آموزشی می سازیم. بنابراین ما می توانیم به سیستم های کنترل پیچیده تری مانند کنترل PID پیشرفت کنیم ، که ممکن است بسیار قوی تر از یک سیستم کنترل نسبی اساسی باشد.

اگرچه اجرای PID بسیار پیچیده تر بود ، اما پس از اجرای صحیح و یافتن پارامترهای تنظیم کامل ، پاندول به طور قابل توجهی بهتر متعادل شد. در این مرحله ، می تواند با تکان های سبک نیز مقابله کند. قرائت های IMU در یک زمان معین (پیوست شده در بالا) همچنین ثابت می کند که قرائت ها هرگز برای نقطه تنظیم مورد نظر ، یعنی عمودی ، زیاد دور نمی شوند ، نشان می دهد که این سیستم کنترل بسیار م effectiveثرتر و قوی تر از کنترل نسبی اولیه است. به

یکبار دیگر ، توصیه من برای همه شما علاقه مندان به علم و ریاضی این است که قبل از استفاده از کدی که در زیر ضمیمه شده است ، از ابتدا یک کنترلر PID بسازید. این می تواند به عنوان یک چالش تلقی شود ، و هیچ کس نمی داند ، کسی می تواند یک سیستم کنترل را ارائه دهد که بسیار قوی تر از هر چیزی است که تا کنون تلاش شده است.اگرچه یک کتابخانه قوی PID در حال حاضر برای Arduino موجود است که توسط Brett Beauregard توسعه یافته است که می تواند از مدیر کتابخانه بر روی Arduino IDE نصب شود.

توجه: هر سیستم کنترل و نتیجه آن در ویدئویی نشان داده می شود که در اولین مرحله ضمیمه شده است.

مرحله 16: پیشرفت های بیشتر

یکی از مواردی که می خواستم امتحان کنم عملکرد "چرخش بالا" بود ، جایی که ابتدا پاندول در زیر چرخ دستی آویزان بود و چرخ دستی چند حرکت سریع بالا و پایین در طول مسیر انجام می دهد تا پاندول را از حالت حلق آویز به بالا بچرخاند. در موقعیت معکوس وارونه قرار بگیرید. اما با پیکربندی فعلی این کار امکان پذیر نیست زیرا یک کابل بلند باید واحد اندازه گیری اینرسی را به آردوینو متصل می کرد ، بنابراین یک دایره کامل که توسط پاندول انجام می شود ممکن است باعث پیچ خوردن و گیرکردن کابل شود. این مشکل را می توان با استفاده از رمزگذار چرخشی متصل به محور آونگ به جای واحد اندازه گیری اینرسی در انتهای آن حل کرد. با رمزگذار ، محور آن تنها چیزی است که با پاندول می چرخد ، در حالی که بدن ثابت می ماند ، بدین معنی که کابل ها نمی پیچند.

دومین ویژگی که می خواستم انجام دهم ، تعادل یک پاندول دوتایی روی سبد بود. این سیستم شامل دو پاندول است که یکی پس از دیگری به هم متصل شده اند. اگرچه پویایی چنین سیستم هایی بسیار پیچیده تر است و نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.

مرحله 17: نتایج نهایی

چنین آزمایشی می تواند روحیه کلاس را به شیوه ای مثبت تغییر دهد. به طور کلی ، اکثر مردم ترجیح می دهند که بتوانند مفاهیم و ایده ها را برای تبلور آنها به کار گیرند ، در غیر این صورت ، ایده ها "در هوا" باقی می مانند و باعث می شود مردم سریعتر آنها را فراموش کنند. این فقط یک مثال از بکارگیری مفاهیم خاص آموخته شده در طول کلاس در یک برنامه کاربردی در دنیای واقعی بود ، اگرچه این مطمئناً اشتیاق را در دانش آموزان ایجاد می کند تا در نهایت سعی کنند آزمایشات خود را برای آزمایش نظریه ها انجام دهند ، که باعث می شود کلاس های آینده آنها بسیار بیشتر شود. پر جنب و جوش ، که آنها را وادار به یادگیری بیشتر می کند ، و باعث می شود آزمایش های جدیدتری انجام دهند و این چرخه مثبت ادامه خواهد یافت تا اینکه کلاس های درس آینده پر از چنین آزمایش ها و پروژه های سرگرم کننده و لذت بخشی باشد.

امیدوارم این آغاز بسیاری از آزمایش ها و پروژه های دیگر باشد! اگر این دستورالعمل را دوست داشتید و مفید بود ، لطفاً در "مسابقه علمی کلاس درس" رأی دهید و هر گونه نظر یا پیشنهادی خوش آمدید! متشکرم!:)

نفر دوم در مسابقه علمی کلاس درس