Turinys:

Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika: 17 žingsnių (su paveikslėliais)
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika: 17 žingsnių (su paveikslėliais)

Video: Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika: 17 žingsnių (su paveikslėliais)

Video: Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika: 17 žingsnių (su paveikslėliais)
Video: CS50 2015 – неделя 0, продолжение 2024, Liepa
Anonim
Image
Image
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika
Apversta švytuoklė: valdymo teorija ir dinamika

Apversta švytuoklė yra klasikinė dinamikos ir valdymo teorijos problema, kuri paprastai yra rengiama vidurinės mokyklos ir bakalauro fizikos ar matematikos kursuose. Būdamas matematikos ir gamtos mokslų entuziastas, nusprendžiau išbandyti ir įgyvendinti pamokų metu išmoktas koncepcijas, kad galėčiau sukurti apverstą švytuoklę. Tokių sąvokų taikymas realiame gyvenime ne tik padeda geriau suprasti šias sąvokas, bet ir atskleidžia visiškai naują problemų ir iššūkių dimensiją, susijusią su praktiškumu ir realiomis situacijomis, su kuriomis niekada negalima susidurti teorijos pamokose.

Šioje pamokoje pirmiausia pristatysiu apverstos švytuoklės problemą, tada aptarsiu teorinį problemos aspektą, o tada aptarsiu aparatinę ir programinę įrangą, reikalingą šiai koncepcijai įgyvendinti.

Siūlau žiūrėti vaizdo įrašą, pridėtą aukščiau, peržiūrėdami instrukcijas, kurios padės geriau suprasti.

Ir galiausiai, nepamirškite atsisakyti balsavimo „Klasės mokslo konkurse“, jei jums patiko šis projektas, ir nedvejodami palikite visus klausimus komentarų skiltyje žemiau. Laimingas kūrimas!:)

1 žingsnis: problema

Problema
Problema

Apverstos švytuoklės problema yra analogiška šluotos ar ilgo poliaus balansavimui ant delno, ką daugelis iš mūsų bandėme vaikystėje. Kai mūsų akys mato polių, nukritusį į tam tikrą pusę, jie siunčia šią informaciją smegenims, kurios atlieka tam tikrus skaičiavimus, ir tada nurodo jūsų rankai tam tikru greičiu judėti į tam tikrą padėtį, kad būtų atremtas poliaus judėjimas. pasvirimo stulpas atgal į vertikalią. Šis procesas kartojamas kelis šimtus kartų per sekundę, todėl jūs visiškai kontroliuojate stulpą. Apversta švytuoklė veikia panašiai. Tikslas yra subalansuoti švytuoklę aukštyn kojomis ant vežimėlio, kuriam leidžiama judėti. Vietoj akių švytuoklės padėčiai nustatyti naudojamas jutiklis, kuris siunčia informaciją į kompiuterį, kuris atlieka tam tikrus skaičiavimus, ir nurodo pavaras perkelti vežimėlį taip, kad švytuoklė vėl taptų vertikali.

2 žingsnis: sprendimas

Sprendimas
Sprendimas

Ši švytuoklės aukštyn kojomis pusiausvyros problema reikalauja suvokti judesius ir jėgas, kurios veikia šioje sistemoje. Galų gale, ši įžvalga leis mums sugalvoti sistemos „judesio lygtis“, kuriomis galima apskaičiuoti ryšius tarp išvesties, kuri eina į pavaras, ir įvesties, gaunamos iš jutiklių.

Judėjimo lygtys gali būti išvestos dviem būdais, priklausomai nuo jūsų lygio. Jie gali būti išvesti naudojant pagrindinius Niutono įstatymus ir kai kurias aukštosios mokyklos matematikos priemones arba naudojant Lagrango mechaniką, kuri paprastai pristatoma bakalauro fizikos kursuose. (Pastaba: judesio lygčių išvedimas naudojant Niutono dėsnius yra paprastas, bet varginantis, tuo tarpu Lagrango mechanikos naudojimas yra daug elegantiškesnis, tačiau reikalaujantis Lagrango mechanikos supratimo, nors abu metodai galiausiai lemia tą patį sprendimą).

Abu metodai ir jų oficialūs išvestiniai dalykai paprastai pateikiami vidurinės mokyklos ar bakalauro studijų matematikos ar fizikos pamokose, nors juos galima lengvai rasti naudojant paprastą „Google“paiešką arba apsilankę šioje nuorodoje. Stebėdami galutines judesio lygtis, pastebime ryšį tarp keturių dydžių:

  • Švytuoklės kampas vertikalės atžvilgiu
  • Švytuoklės kampinis greitis
  • Švytuoklės kampinis pagreitis
  • Linijinis vežimėlio pagreitis

Kur pirmieji trys yra kiekiai, kuriuos matuos jutiklis, o paskutinis kiekis bus siunčiamas į pavarą atlikti.

3 žingsnis: valdymo teorija

Kontrolės teorija
Kontrolės teorija

Kontrolės teorija yra matematikos pogrupis, susijęs su dinaminių sistemų valdymu ir valdymu inžineriniuose procesuose ir mašinose. Tikslas yra sukurti valdymo modelį arba valdymo kilpą, kad apskritai būtų pasiektas stabilumas. Mūsų atveju subalansuokite apverstą švytuoklę.

Yra du pagrindiniai valdymo kilpų tipai: atviros kilpos valdymas ir uždarojo ciklo valdymas. Įgyvendinant atvirojo ciklo valdymą, valdymo veiksmas arba valdiklio komanda nepriklauso nuo sistemos išvesties. Geras to pavyzdys yra krosnis, kurioje krosnies veikimo laikas priklauso tik nuo laikmačio.

Nors uždaro ciklo sistemoje valdiklio komanda priklauso nuo sistemos būsenos. Mūsų atveju grįžtamasis ryšys yra švytuoklės kampas, palyginti su normaliu, kuris lemia vežimėlio greitį ir padėtį, todėl ši sistema yra uždaro ciklo sistema. Aukščiau pridedamas vizualus uždarojo ciklo sistemos schemos pavidalas.

Yra keletas grįžtamojo ryšio mechanizmų metodų, tačiau vienas iš plačiausiai naudojamų yra proporcingas -vientisas išvestinis valdiklis (PID valdiklis), kurį mes ketiname naudoti.

Pastaba: Tokių valdiklių veikimo supratimas yra labai naudingas kuriant sėkmingą valdiklį, nors tokio valdiklio veiksmų paaiškinimas nepatenka į šios instrukcijos taikymo sritį. Jei savo kursuose nesate susidūrę su tokio tipo valdikliais, internete yra daugybė medžiagų ir padės paprasta „Google“paieška arba internetinis kursas.

4 žingsnis: Įgyvendinkite šį projektą savo klasėje

Amžiaus grupė: Šis projektas visų pirma skirtas aukštųjų mokyklų ar bakalauro studijų studentams, tačiau taip pat gali būti pristatytas jaunesniems vaikams tiesiog kaip demonstracija, pateikiant sąvokų apžvalgą.

Apimtos sąvokos: Pagrindinės šio projekto sąvokos yra dinamika ir valdymo teorija.

Reikalingas laikas: Surinkus ir pagaminus visas dalis, surinkimas užtrunka nuo 10 iki 15 minučių. Kontrolės modeliui sukurti reikia šiek tiek daugiau laiko, tam studentai gali būti skiriami nuo 2 iki 3 dienų. Kai kiekvienas mokinys (ar studentų grupės) sukuria atitinkamus kontrolės modelius, asmenys arba komandos gali parodyti kitą dieną.

Vienas iš būdų įgyvendinti šį projektą savo klasėje būtų sukurti sistemą (aprašyta tolesniuose žingsniuose), kol partija dirba su fizikos potemėmis, susijusiomis su dinamika, arba kol jie mokosi valdymo sistemų matematikos pamokose. Tokiu būdu idėjos ir koncepcijos, su kuriomis jie susiduria pamokų metu, gali būti tiesiogiai pritaikytos realiame pasaulyje, todėl jų sąvokos tampa daug aiškesnės, nes nėra geresnio būdo išmokti naujos koncepcijos nei ją įgyvendinti realiame gyvenime.

Galima sukurti vieną sistemą kartu, kaip klasę, o tada klasę galima suskirstyti į komandas, kiekviena sukurdama valdymo modelį nuo nulio. Tada kiekviena komanda gali pademonstruoti savo darbą varžybų formatu, kur geriausias valdymo modelis yra tas, kuris gali išlaikyti pusiausvyrą ilgiausiai, atlaikyti smūgius ir tvirtai stumti.

Kitas būdas įgyvendinti šį projektą savo klasėje būtų priversti vyresnius vaikus (vidurinės mokyklos lygmenį), sukurti šį projektą ir pademonstruoti jį jaunesniems vaikams, kartu suteikiant jiems dinamikos ir valdymo apžvalgą. Tai gali ne tik sukelti susidomėjimą fizika ir matematika jaunesniems vaikams, bet ir padėti vyresniems studentams susisteminti savo teorijos sampratą, nes vienas iš geriausių būdų sustiprinti savo sampratą yra tai paaiškinti kitiems, ypač jaunesniems vaikams, kai to reikia labai paprastai ir aiškiai suformuluoti savo idėjas.

5 žingsnis: dalys ir reikmenys

Dalys ir reikmenys
Dalys ir reikmenys
Dalys ir reikmenys
Dalys ir reikmenys
Dalys ir reikmenys
Dalys ir reikmenys

Vežimėlis galės laisvai judėti bėgių rinkiniu, suteikdamas jam vieną laisvės laipsnį. Štai dalys ir reikmenys, reikalingi švytuoklei, vežimėlio ir bėgių sistemai gaminti:

Elektronika:

  • Veiks viena su „Arduino“suderinama plokštė. Aš rekomenduoju „Uno“, jei nesate pernelyg patyręs elektronikos srityje, nes bus lengviau sekti.
  • Vienas „Nema17“žingsninis variklis, kuris veiks kaip vežimėlio pavara.
  • Vienas žingsninio variklio vairuotojas, dar kartą viskas veiks, bet aš rekomenduoju „A4988“žingsninio variklio vairuotoją, nes tai bus paprasčiau sekti.
  • Vienas MPU-6050 šešių ašių (Gyro + akselerometras), kuris aptiks įvairius parametrus, tokius kaip švytuoklės kampas ir kampinis greitis.
  • Vienas 12v 10A maitinimo šaltinis, 10A, iš tikrųjų yra nedidelis šio konkretaus projekto pranašumas, viskas, kas viršija 3A, veiks, tačiau turint galimybę pritraukti papildomą srovę, galima ateityje plėtoti, kur gali prireikti daugiau energijos.

Techninė įranga:

  • 16 x guoliai, aš naudoju riedlenčių guolius ir jie puikiai veikė
  • 2 x GT2 skriemuliai ir diržas
  • Apie 2,4 metro 1,5 colio PVC vamzdžio
  • 4 mm veržlių ir varžtų krūva

Kai kurios dalys, kurios buvo naudojamos šiame projekte, taip pat buvo atspausdintos 3D, todėl turėti 3D spausdintuvą bus labai naudinga, nors dažniausiai yra vietinės ar internetinės 3D spausdinimo galimybės.

Bendra visų dalių kaina yra šiek tiek mažesnė nei 50 USD (neįskaitant 3D spausdintuvo)

6 žingsnis: 3D spausdintos dalys

3D spausdintos dalys
3D spausdintos dalys
3D spausdintos dalys
3D spausdintos dalys
3D spausdintos dalys
3D spausdintos dalys

Kai kurios vežimėlio ir bėgių sistemos dalys turėjo būti pagamintos pagal individualų užsakymą, todėl aš panaudojau nemokamą „Autodesk“funkciją „Fusion360“, kad galėčiau modeliuoti cad failus ir 3D spausdinti juos 3D spausdintuvu.

Kai kurios dalys, kurios buvo tik 2D formos, pvz., Švytuoklė ir portalas, buvo supjaustytos lazeriu, nes tai buvo daug greičiau. Visi STL failai pridedami žemiau esančiame aplanke. Čia yra visas visų dalių sąrašas:

  • 2 x vartų volas
  • 4 x galiniai dangteliai
  • 1 x žingsninis laikiklis
  • 2 x tuščiosios eigos skriemulio guolio laikiklis
  • 1 x švytuoklės laikiklis
  • 2 x diržo tvirtinimas
  • 1 x švytuoklinio guolio laikiklis (a)
  • 1 x švytuoklinio guolio laikiklis (b)
  • 1 x skriemulio skylės tarpiklis
  • 4 x guolių skylių tarpiklis
  • 1 x vartų plokštė
  • 1 x žingsninio laikiklio plokštė
  • 1 x tuščiosios eigos skriemulio laikiklio plokštė
  • 1 x švytuoklė (a)
  • 1 x švytuoklė (b)

Iš viso yra 24 dalys, kurių spausdinti nereikia per ilgai, nes dalys yra mažos ir jas galima atspausdinti kartu. Vykdydamas šią pamoką, aš kalbėsiu apie dalis, pagrįstas šio sąrašo pavadinimais.

7 žingsnis: statymo ritinėlių surinkimas

Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas
Stogo ritinėlių surinkimas

Portalo volai yra kaip vežimėlio ratai. Jie riedės išilgai PVC takelio, o tai leis vežimėliui sklandžiai judėti su minimalia trintimi. Norėdami tai padaryti, paimkite du 3D spausdintus portalo ritinėlius, 12 guolių ir krūvą veržlių ir varžtų. Vienam ritiniui jums reikės 6 guolių. Pritvirtinkite guolius prie volelio veržlėmis ir varžtais (naudokite paveikslėlius kaip nuorodą). Pagaminus kiekvieną volelį, pastumkite juos ant PVC vamzdžio.

8 žingsnis: pavaros sistemos (žingsninio variklio) surinkimas

Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas
Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas
Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas
Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas
Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas
Pavaros sistemos (žingsninis variklis) surinkimas

Vežimėlį vairuos standartinis „Nema17“žingsninis variklis. Užsukite variklį prie žingsninio laikiklio varžtais, kurie turėjo būti komplekte su žingsniniu. Tada prisukite laikiklį prie žingsninio laikiklio plokštės, sulygiuokite 4 laikiklio skyles su 4 plokštelėje esančiomis skylėmis ir naudokite veržles ir varžtus, kad pritvirtintumėte abu. Tada pritvirtinkite GT2 skriemulį ant variklio veleno ir pritvirtinkite 2 galinius dangtelius prie žingsninio laikiklio plokštės iš apačios, naudodami daugiau veržlių ir varžtų. Baigę galite uždėti galinius dangtelius ant vamzdžių. Jei prigludimas yra per daug teisingas, o ne verčiamas galiniais gaubtais ant vamzdžių, rekomenduoju šlifuoti 3D atspausdinto galinio dangtelio vidinį paviršių, kol priglunda.

9 veiksmas: pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulio) surinkimas

Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas
Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas
Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas
Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas
Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas
Pavaros sistemos (tuščiosios eigos skriemulys) surinkimas

Veržlės ir varžtai, kuriuos naudojau, buvo 4 mm skersmens, nors skriemulio ir guolių skylės buvo 6 mm, todėl turėjau 3D spausdinimo adapterius ir įstumti juos į skriemulio ir guolių skyles, kad klibėti ant varžto. Jei turite tinkamo dydžio veržles ir varžtus, šio žingsnio nereikės.

Įdėkite guolius į tuščiosios eigos skriemulio guolio laikiklį. Dar kartą, jei tvirtinimas yra per griežtas, naudokite švitrinį popierių, kad lengvai nušlifuotumėte tuščiosios eigos skriemulio guolio laikiklio vidinę sienelę. Perkiškite varžtą per vieną iš guolių, tada užmaukite skriemulį ant varžto ir uždarykite kitą galą su antruoju guolio ir tuščiosios eigos skriemulio guolio laikiklio rinkiniu.

Kai tai bus padaryta, pritvirtinkite porą tuščiosios eigos skriemulio guolių laikiklių prie tuščiosios eigos skriemulio laikiklio plokštės ir pritvirtinkite galinius dangtelius prie apatinės šios plokštės pusės, kaip ir ankstesniame žingsnyje. Galiausiai, naudodami šiuos galinius dangtelius, uždenkite priešingą dviejų PVC vamzdžių galą. Tokiu būdu jūsų krepšelio bėgeliai yra baigti.

10 žingsnis: Gatvės surinkimas

Portalo surinkimas
Portalo surinkimas
Portalo surinkimas
Portalo surinkimas
Portalo surinkimas
Portalo surinkimas

Kitas žingsnis - sukurti vežimėlį. Pritvirtinkite du ritinius kartu, naudodami portalo plokštę ir 4 veržles ir varžtus. Portalo plokštės turi angas, kad galėtumėte šiek tiek pakoreguoti plokštės padėtį.

Tada sumontuokite du diržo tvirtinimus abiejose portalo plokštės pusėse. Būtinai pritvirtinkite juos iš apačios, kitaip diržas nebus to paties lygio. Taip pat būtinai įsukite varžtus iš apačios, nes priešingu atveju, jei varžtai yra per ilgi, jie gali trukdyti diržui.

Galiausiai veržlėmis ir varžtais pritvirtinkite švytuoklės laikiklį prie vežimėlio priekio.

11 žingsnis: švytuoklės surinkimas

Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas
Švytuoklės surinkimas

Švytuoklė buvo pagaminta iš dviejų dalių, kad būtų taupoma medžiaga. Galite sujungti abi dalis, sulygiuodami dantis ir juos priklijuodami. Dar kartą įstumkite guolių skylių tarpiklius į du guolius, kad kompensuotumėte mažesnius varžtų skersmenis, tada įstumkite guolius į dviejų švytuoklinių guolių laikiklio dalių guolių skyles. Užspauskite dvi 3D spausdintas dalis abiejose švytuoklės apatinio galo pusėse ir pritvirtinkite 3 kartu, naudodami 3 veržles ir varžtus, einančius per švytuoklės guolio laikiklius. Perverkite varžtą per du guolius, o kitą galą užfiksuokite atitinkama veržle.

Tada paimkite MPU6050 ir pritvirtinkite jį priešingame švytuoklės gale, naudodami tvirtinimo varžtus.

12 žingsnis: švytuoklės ir diržų montavimas

Švytuoklės ir diržų montavimas
Švytuoklės ir diržų montavimas
Švytuoklės ir diržų montavimas
Švytuoklės ir diržų montavimas
Švytuoklės ir diržų montavimas
Švytuoklės ir diržų montavimas

Paskutinis žingsnis yra pritvirtinti švytuoklę ant vežimėlio. Padarykite tai praleisdami varžtą, kurį anksčiau buvote perleidę per du švytuoklinius guolius, per skylę, esančią švytuoklės laikiklyje, pritvirtintą prie vežimėlio priekio, ir naudodami veržlę kitame gale pritvirtinkite švytuoklę prie vežimėlio.

Galiausiai paimkite GT2 diržą ir pirmiausia pritvirtinkite vieną jo galą prie vieno iš diržo tvirtinimo elementų, pritvirtintų prie vežimėlio. Tam naudojau tvarkingą 3D spausdinamą diržo spaustuką, kuris užsisega ant diržo galo ir neleidžia jam slysti per siaurą angą. Šio kūrinio stlus galite rasti „Thingiverse“naudodami šią nuorodą. Apvyniokite diržą aplink žingsninį skriemulį ir tuščiosios eigos skriemulį, o kitą diržo galą pritvirtinkite prie diržo tvirtinimo detalės, esančios priešingame vežimėlio gale. Įtempkite diržą, stengdamiesi, kad jis nebūtų per daug priveržtas ar per daug prarastas, ir švytuoklė bei vežimėlis bus baigti!

13 žingsnis: laidai ir elektronika

Laidai ir elektronika
Laidai ir elektronika
Laidai ir elektronika
Laidai ir elektronika
Laidai ir elektronika
Laidai ir elektronika

Laidai susideda iš MPU6050 prijungimo prie „Arduino“ir pavaros sistemos laidų. Norėdami prijungti kiekvieną komponentą, vadovaukitės aukščiau pateikta prijungimo schema.

MPU6050 į Arduino:

  • GND į GND
  • Nuo +5v iki +5v
  • SDA į A4
  • SCL iki A5
  • Nuo D2

Žingsninis variklis iki žingsninio vairuotojo:

  • 1 ritės a) į 1A
  • 1 ritės b) 1B
  • Ritė 2 a) į 2A
  • Ritė 2 (b) - 2B

Žingsninis vairuotojas į „Arduino“:

  • GND į GND
  • VDD iki +5v
  • ŽINGSNIS iki D3
  • DIR į D2
  • VMOT į maitinimo šaltinio teigiamą gnybtą
  • GND į maitinimo šaltinio įžeminimo gnybtą

Stepper vairuotojo „Sleep“ir „Reset“kaiščiai turi būti sujungti su trumpikliu. Ir galiausiai, gera idėja lygiagrečiai prijungti maždaug 100 uF elektrolitinį kondensatorių su teigiamais ir įžemintais maitinimo šaltinio gnybtais.

14 žingsnis: Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)

Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)
Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)
Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)
Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)
Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)
Sistemos valdymas (proporcingas valdymas)

Iš pradžių nusprendžiau išbandyti pagrindinę proporcingo valdymo sistemą, tai yra, vežimėlio greitis yra tiesiog proporcingas tam tikru veiksniu kampu, kurį švytuoklė sukuria su vertikale. Tai turėjo būti tik bandymas, siekiant įsitikinti, kad visos dalys veikia tinkamai. Nors ši pagrindinė proporcinė sistema buvo pakankamai tvirta, kad švytuoklė jau būtų subalansuota. Švytuoklė netgi galėjo atlaikyti švelnius stūmimus ir smūgius. Nors ši valdymo sistema veikė nepaprastai gerai, ji vis tiek turėjo keletą problemų. Pažvelgus į tam tikro laiko IMU rodmenų grafiką, galime aiškiai pastebėti jutiklių rodmenų svyravimus. Tai reiškia, kad kiekvieną kartą, kai valdytojas bando atlikti pataisymą, jis visada viršija tam tikrą sumą, o tai iš tikrųjų yra proporcingos kontrolės sistemos pobūdis. Šią nedidelę klaidą galima ištaisyti įdiegiant kitokio tipo valdiklį, kuriame atsižvelgiama į visus šiuos veiksnius.

Toliau pridedamas proporcingos valdymo sistemos kodas. Norint gauti kodą, reikia kelių papildomų bibliotekų, kurios yra MPU6050 biblioteka, PID biblioteka ir „AccelStepper“biblioteka. Juos galima atsisiųsti naudojant integruotą „Arduino IDE“bibliotekos tvarkyklę. Tiesiog eikite į eskizą >> Įtraukti biblioteką >> Tvarkyti bibliotekas, tada tiesiog ieškokite PID, MPU6050 ir „AccelStepper“paieškos juostoje ir įdiekite juos tiesiog spustelėdami mygtuką Įdiegti.

Nors mano patarimas visiems tiems, kurie yra mokslo ir matematikos entuziastai, būtų pabandyti sukurti tokio tipo valdiklį nuo nulio. Tai ne tik sustiprins jūsų supratimą apie dinamiką ir valdymo teorijas, bet ir suteiks jums galimybę įgyvendinti savo žinias realiame gyvenime.

15 veiksmas: sistemos valdymas (PID valdymas)

Sistemos valdymas (PID valdymas)
Sistemos valdymas (PID valdymas)
Sistemos valdymas (PID valdymas)
Sistemos valdymas (PID valdymas)
Sistemos valdymas (PID valdymas)
Sistemos valdymas (PID valdymas)

Paprastai realiame gyvenime, kai valdymo sistema pasirodo pakankamai tvirta, kad ją būtų galima pritaikyti, inžinieriai paprastai tiesiog užbaigia projektą, o ne per daug komplikuoja situacijas naudodami sudėtingesnes valdymo sistemas. Bet mūsų atveju mes statome šią apverstą švytuoklę tik švietimo tikslais. Todėl galime pabandyti pereiti prie sudėtingesnių valdymo sistemų, tokių kaip PID valdymas, kuris gali pasirodyti daug patikimesnis nei pagrindinė proporcinė valdymo sistema.

Nors PID valdymas buvo kur kas sudėtingesnis, tinkamai įgyvendinus ir suradus idealius derinimo parametrus, švytuoklė subalansavo žymiai geriau. Šiuo metu jis taip pat gali atremti lengvus smūgius. IMU rodmenys per tam tikrą laiką (pridedami aukščiau) taip pat įrodo, kad rodmenys niekada nenutolsta nuo norimos nustatytos vertės, ty vertikalės, parodydami, kad ši valdymo sistema yra daug veiksmingesnė ir tvirtesnė nei pagrindinė proporcinė kontrolė.

Dar kartą patariu visiems tiems, kurie yra mokslo ir matematikos entuziastai, prieš naudodami kodą, kuris pridėtas žemiau, pabandyti sukurti PID valdiklį nuo nulio. Tai galima priimti kaip iššūkį, ir niekada nežinai, kad kas nors galėtų sugalvoti kur kas tvirtesnę valdymo sistemą nei bet kas, kas buvo bandoma iki šiol. Nors „Arduino“jau yra patikima PID biblioteka, kurią sukūrė „Brett Beauregard“, kurią galima įdiegti iš „Arduino IDE“bibliotekos valdytojo.

Pastaba: kiekviena valdymo sistema ir jos rezultatai parodomi vaizdo įraše, kuris pridedamas prie pirmo žingsnio.

16 žingsnis: tolesni patobulinimai

Tolesni patobulinimai
Tolesni patobulinimai

Vienas iš dalykų, kuriuos norėjau išbandyti, buvo „pakėlimo į viršų“funkcija, kai švytuoklė iš pradžių kabo žemiau vežimėlio, o vežimėlis atlieka kelis greitus judesius aukštyn ir žemyn, kad pakeltų švytuoklę nuo pakabinimo. padėtis aukštyn kojomis apversta. Tačiau tai nebuvo įmanoma su dabartine konfigūracija, nes ilgas kabelis turėjo prijungti inercinį matavimo įrenginį prie „Arduino“, todėl visas švytuoklės ratas galėjo sukelti kabelio sukimąsi ir užsikimšimą. Ši problema gali būti išspręsta naudojant sukamąjį kodavimo įrenginį, pritvirtintą prie švytuoklės šarnyro, o ne inercinį matavimo įrenginį pačiame jo gale. Naudojant koduotuvą, jo velenas yra vienintelis dalykas, kuris sukasi su švytuokle, o korpusas lieka nejudantis, o tai reiškia, kad kabeliai nesisuks.

Antra savybė, kurią norėjau išbandyti, buvo subalansuoti dvigubą švytuoklę ant vežimėlio. Šią sistemą sudaro dvi viena po kitos sujungtos švytuoklės. Nors tokių sistemų dinamika yra daug sudėtingesnė ir reikalauja daug daugiau tyrimų.

17 žingsnis: galutiniai rezultatai

Galutiniai rezultatai
Galutiniai rezultatai
Galutiniai rezultatai
Galutiniai rezultatai
Galutiniai rezultatai
Galutiniai rezultatai

Toks eksperimentas gali teigiamai pakeisti klasės nuotaiką. Paprastai dauguma žmonių nori, kad jie galėtų pritaikyti sąvokas ir idėjas, kad jas kristalizuotų, kitaip idėjos lieka „ore“, todėl žmonės linkę greičiau jas pamiršti. Tai buvo tik vienas pavyzdys, kaip pritaikyti tam tikras pamokų, išmoktų pamokų metu, taikymą realiame pasaulyje, nors tai neabejotinai sužadins mokinių entuziazmą galiausiai pabandyti ir sugalvoti savo eksperimentus, kad būtų galima išbandyti teorijas, o tai lems jų būsimas klases gyvas, todėl jie norės daugiau sužinoti, o tai paskatins juos sugalvoti naujus eksperimentus ir šis teigiamas ciklas tęsis tol, kol būsimos klasės bus kupinos tokių smagių ir malonių eksperimentų bei projektų.

Tikiuosi, kad tai bus daugelio eksperimentų ir projektų pradžia! Jei jums patiko ši pamoka ir ji buvo naudinga, prašome numesti balsą žemiau „Klasės mokslo konkurse“ir laukiame bet kokių pastabų ar pasiūlymų! Ačiū!:)

Mokslo konkursas klasėje
Mokslo konkursas klasėje
Mokslo konkursas klasėje
Mokslo konkursas klasėje

Mokslo konkurso „Classroom“vicečempionas

Rekomenduojamas: