Con lắc ngược: Lý thuyết điều khiển và động lực học: 17 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Con lắc ngược là một bài toán kinh điển trong lý thuyết điều khiển và động lực học, thường được giải thích trong các khóa học vật lý hoặc toán ở trường trung học và đại học. Bản thân là một người đam mê toán học và khoa học, tôi quyết định thử và thực hiện các khái niệm mà tôi đã học được trong các lớp học của mình để chế tạo một con lắc ngược. Việc áp dụng các khái niệm như vậy trong cuộc sống thực không chỉ giúp củng cố sự hiểu biết của bạn về các khái niệm mà còn cho bạn thấy một khía cạnh hoàn toàn mới của các vấn đề và thách thức đối phó với thực tế và các tình huống thực tế mà bạn không bao giờ có thể gặp phải trong các lớp học lý thuyết.

Trong tài liệu hướng dẫn này, trước tiên tôi sẽ giới thiệu bài toán con lắc ngược, sau đó trình bày khía cạnh lý thuyết của bài toán, sau đó thảo luận về phần cứng và phần mềm cần thiết để đưa khái niệm này vào cuộc sống.

Tôi khuyên bạn nên xem video được đính kèm ở trên trong khi xem qua hướng dẫn sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn.

Và cuối cùng, đừng quên bỏ phiếu cho 'Cuộc thi Khoa học Lớp học' nếu bạn thích dự án này và đừng ngại để lại bất kỳ câu hỏi nào trong phần bình luận bên dưới. Chúc bạn làm vui vẻ!:)

Bước 1: Vấn đề

Bài toán con lắc ngược tương tự như việc giữ thăng bằng một cái chổi hoặc một cây sào dài trên lòng bàn tay của bạn, đây là điều mà hầu hết chúng ta đều đã thử khi còn nhỏ. Khi mắt chúng ta nhìn thấy cực rơi về một phía nào đó, chúng sẽ gửi thông tin này đến não thực hiện các phép tính nhất định và sau đó hướng dẫn cánh tay của bạn di chuyển đến một vị trí nhất định với một vận tốc nhất định để chống lại chuyển động của cực, hy vọng sẽ mang lại cực nghiêng trở lại theo phương thẳng đứng. Quá trình này được lặp lại vài trăm lần trong một giây để giữ cho cột hoàn toàn nằm trong tầm kiểm soát của bạn. Con lắc ngược hoạt động theo phương thức tương tự. Mục đích là để cân bằng một con lắc lộn ngược trên một xe đẩy được phép chuyển động. Thay vì mắt, một bộ cảm biến được sử dụng để phát hiện vị trí của con lắc để gửi thông tin đến một máy tính thực hiện các phép tính nhất định và hướng dẫn các bộ truyền động di chuyển xe đẩy theo cách làm cho con lắc thẳng đứng trở lại.

Bước 2: Giải pháp

Vấn đề cân bằng một con lắc lộn ngược này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các chuyển động và lực tác động trong hệ thống này. Cuối cùng, cái nhìn sâu sắc này sẽ cho phép chúng tôi đưa ra "phương trình chuyển động" của hệ thống có thể được sử dụng để tính toán các mối quan hệ giữa đầu ra đi đến bộ truyền động và đầu vào đến từ cảm biến.

Phương trình chuyển động có thể được suy ra theo hai cách tùy thuộc vào trình độ của bạn. Chúng có thể được suy ra bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của Newton và một số toán học cấp trung học hoặc sử dụng cơ học Lagrangian thường được giới thiệu trong các khóa học vật lý đại học. (Lưu ý: Việc lập phương trình chuyển động bằng định luật Newton thì đơn giản nhưng tẻ nhạt trong khi sử dụng cơ học Lagrangian thì đơn giản hơn nhiều nhưng đòi hỏi sự hiểu biết về cơ học Lagrang, mặc dù cả hai cách tiếp cận cuối cùng đều dẫn đến cùng một giải pháp).

Cả hai phương pháp tiếp cận và các dẫn xuất chính thức của chúng thường được đề cập trong các lớp trung học hoặc đại học về toán hoặc vật lý, mặc dù chúng có thể dễ dàng được tìm thấy bằng cách sử dụng tìm kiếm google đơn giản hoặc bằng cách truy cập liên kết này. Quan sát các phương trình cuối cùng của chuyển động, chúng ta nhận thấy mối quan hệ giữa bốn đại lượng:

• Góc của con lắc so với phương thẳng đứng
• Vận tốc góc của con lắc
• Gia tốc góc của con lắc
• Gia tốc tuyến tính của xe đẩy

Trong đó ba đại lượng đầu tiên là đại lượng sẽ được đo bởi cảm biến và đại lượng cuối cùng sẽ được gửi đến thiết bị truyền động để thực hiện.

Bước 3: Lý thuyết điều khiển

Lý thuyết điều khiển là một lĩnh vực toán học liên quan đến việc điều khiển và vận hành các hệ thống động lực học trong các quy trình và máy móc được thiết kế. Mục tiêu là phát triển một mô hình kiểm soát hoặc một vòng kiểm soát để đạt được sự ổn định nói chung. Trong trường hợp của chúng tôi, cân bằng con lắc lộn ngược.

Có hai loại vòng điều khiển chính: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Khi thực hiện điều khiển vòng hở, hành động điều khiển hoặc lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra của hệ thống. Một ví dụ điển hình về điều này là một lò nung, trong đó khoảng thời gian mà lò vẫn hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào bộ đếm thời gian.

Trong khi trong hệ thống vòng kín, lệnh của bộ điều khiển phụ thuộc vào phản hồi từ trạng thái của hệ thống. Trong trường hợp của chúng ta, phản hồi là góc của con lắc so với pháp tuyến, xác định tốc độ và vị trí của xe đẩy, do đó làm cho hệ thống này trở thành một hệ thống vòng kín. Đính kèm bên trên là hình ảnh thể hiện dưới dạng sơ đồ khối của hệ thống vòng kín.

Có một số kỹ thuật cơ chế phản hồi nhưng một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất là bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-đạo hàm (bộ điều khiển PID), đây là những gì chúng ta sẽ sử dụng.

Lưu ý: Việc hiểu hoạt động của các bộ điều khiển như vậy rất hữu ích trong việc phát triển một bộ điều khiển thành công mặc dù việc giải thích các hoạt động của bộ điều khiển như vậy nằm ngoài phạm vi của tài liệu hướng dẫn này. Trong trường hợp bạn chưa tìm thấy những loại bộ điều khiển này trong khóa học của mình, có rất nhiều tài liệu trực tuyến và một tìm kiếm đơn giản trên google hoặc một khóa học trực tuyến sẽ hữu ích.

Bước 4: Triển khai Dự án này trong Lớp học của Bạn

Nhóm tuổi: Dự án này chủ yếu dành cho học sinh trung học hoặc đại học, nhưng cũng có thể được trình bày cho trẻ nhỏ hơn chỉ đơn giản là một minh chứng bằng cách đưa ra một cái nhìn tổng quan về các khái niệm.

Các khái niệm được đề cập: Các khái niệm chính được đề cập trong dự án này là lý thuyết động lực học và lý thuyết điều khiển.

Thời gian cần thiết: Khi tất cả các bộ phận được tập hợp và chế tạo, việc lắp ráp sẽ mất từ 10 đến 15 phút. Việc tạo mô hình điều khiển cần thêm một khoảng thời gian, đối với việc này, học sinh có thể có từ 2 đến 3 ngày. Sau khi từng học sinh (hoặc các nhóm học sinh) đã phát triển các mô hình kiểm soát tương ứng của mình, một ngày khác có thể được sử dụng để các cá nhân hoặc các nhóm trình diễn.

Một cách để triển khai dự án này vào lớp học của bạn sẽ là xây dựng hệ thống (được mô tả trong các bước sau), trong khi nhóm đang làm việc trên các chủ đề phụ của vật lý liên quan đến động lực học hoặc trong khi họ đang nghiên cứu hệ thống điều khiển trong các lớp toán. Bằng cách này, các ý tưởng và khái niệm mà họ bắt gặp trong giờ học có thể được triển khai trực tiếp vào một ứng dụng trong thế giới thực, làm cho các khái niệm của họ trở nên rõ ràng hơn nhiều vì không có cách nào tốt hơn để học một khái niệm mới hơn là triển khai nó trong cuộc sống thực.

Một hệ thống duy nhất có thể được xây dựng, cùng nhau như một lớp và sau đó lớp có thể được chia thành các đội, mỗi đội xây dựng một mô hình điều khiển từ đầu. Sau đó, mỗi đội có thể thể hiện công việc của mình theo một định dạng cạnh tranh, trong đó mô hình điều khiển tốt nhất là mô hình có thể giữ thăng bằng lâu nhất và chịu được các cú thúc và đẩy mạnh mẽ.

Một cách khác để thực hiện dự án này trong lớp học của bạn là để những đứa trẻ lớn hơn (cấp trung học trở lên), phát triển dự án này và trình diễn nó cho những đứa trẻ nhỏ tuổi hơn đồng thời cung cấp cho chúng cái nhìn tổng quan về động lực và các biện pháp kiểm soát. Điều này có thể không chỉ khơi dậy niềm yêu thích đối với vật lý và toán học cho trẻ nhỏ mà còn giúp học sinh lớn hơn kết tinh các khái niệm lý thuyết của họ bởi vì một trong những cách tốt nhất để củng cố khái niệm của bạn là giải thích nó cho những người khác, đặc biệt là trẻ nhỏ hơn khi nó yêu cầu. bạn hình thành ý tưởng của mình một cách rất đơn giản và rõ ràng.

Bước 5: Các bộ phận và nguồn cung cấp

Xe sẽ được phép tự do di chuyển trên một bộ đường ray tạo cho nó một mức độ tự do duy nhất. Dưới đây là các bộ phận và vật tư cần thiết để tạo ra con lắc và hệ thống xe đẩy và đường ray:

Thiết bị điện tử:

• Một bảng tương thích Arduino, bất kỳ bảng nào cũng sẽ hoạt động. Tôi khuyên bạn nên sử dụng Uno trong trường hợp bạn không quá kinh nghiệm về điện tử vì nó sẽ đơn giản hơn để làm theo.
• Một động cơ bước Nema17, sẽ hoạt động như bộ truyền động cho xe đẩy.
• Một trình điều khiển động cơ bước, một lần nữa mọi thứ sẽ hoạt động, nhưng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình điều khiển động cơ bước A4988 vì nó sẽ đơn giản hơn để làm theo.
• Một MPU-6050 Sáu trục (Gyro + Gia tốc kế), sẽ phát hiện các thông số khác nhau như góc và vận tốc góc của con lắc.
• Một nguồn cung cấp điện 12v 10A, 10A thực sự là hơi quá mức cần thiết cho dự án cụ thể này, bất kỳ thứ gì trên 3A sẽ hoạt động, nhưng có khả năng kéo thêm dòng điện cho phép phát triển trong tương lai nơi có thể cần nhiều điện hơn.

Phần cứng:

• Vòng bi 16 x, tôi đã sử dụng vòng bi ván trượt và chúng hoạt động tốt
• 2 x ròng rọc GT2 và dây đai
• Khoảng 2,4 mét ống PVC 1,5 inch
• Bó đai ốc và bu lông 4mm

Một số bộ phận được sử dụng trong dự án này cũng được in 3D, do đó việc có một máy in 3D sẽ rất hữu ích, mặc dù các phương tiện in 3D trực tuyến hoặc địa phương thường có sẵn.

Tổng chi phí của tất cả các bộ phận chỉ dưới 50 đô la một chút (không bao gồm máy in 3D)

Bước 6: Các bộ phận in 3D

Một số bộ phận của hệ thống giỏ hàng và đường ray phải được làm tùy chỉnh, vì vậy tôi đã sử dụng Fusion360 miễn phí của Autodesk để tạo mô hình các tệp cad và in 3D chúng trên máy in 3D.

Một số bộ phận hoàn toàn là hình dạng 2D, chẳng hạn như con lắc và giường giàn, đã được cắt bằng laser vì nó nhanh hơn nhiều. Tất cả các tệp STL được đính kèm bên dưới trong thư mục nén. Đây là danh sách đầy đủ của tất cả các bộ phận:

• 2 x con lăn giàn
• 4 x Mũ kết thúc
• 1 x Giá đỡ bước
• 2 x Giá đỡ ròng rọc không hoạt động
• 1 x Giá đỡ con lắc
• 2 x Đính kèm đai
• 1 x Giá đỡ vòng bi con lắc (a)
• 1 x Giá đỡ vòng bi con lắc (b)
• 1 x Ròng rọc lỗ Spacer
• 4 x Bộ đệm lỗ bạc đạn
• 1 x Tấm giàn
• 1 x Tấm giữ bước
• 1 x Tấm đỡ ròng rọc không hoạt động
• 1 x Con lắc (a)
• 1 x Con lắc (b)

Tổng cộng có 24 phần, không mất quá nhiều thời gian để in vì các phần nhỏ và có thể được in cùng nhau. Trong quá trình hướng dẫn này, tôi sẽ đề cập đến các phần dựa trên tên trong danh sách này.

Bước 7: Lắp ráp con lăn giàn

Các con lăn của giàn giống như bánh xe của xe đẩy. Những thứ này sẽ lăn dọc theo rãnh PVC cho phép xe đẩy di chuyển trơn tru với ma sát tối thiểu. Đối với bước này, hãy lấy hai con lăn giàn in 3D, 12 vòng bi và một loạt các đai ốc và bu lông. Bạn sẽ cần 6 vòng bi cho mỗi con lăn. Gắn các vòng bi vào con lăn bằng đai ốc và bu lông (Sử dụng hình ảnh để tham khảo). Sau khi tạo xong mỗi con lăn, hãy trượt chúng lên ống PVC.

Bước 8: Lắp ráp hệ thống truyền động (Động cơ bước)

Xe sẽ được điều khiển bởi một động cơ bước Nema17 tiêu chuẩn. Kẹp động cơ vào khung bước bằng các vít đáng lẽ phải đi kèm với bộ bước. Sau đó vặn khung vào tấm giữ bước, căn chỉnh 4 lỗ trên khung với 4 lỗ trên tấm và sử dụng đai ốc và bu lông để cố định hai lỗ với nhau. Tiếp theo, gắn ròng rọc GT2 vào trục của động cơ và gắn 2 endcaps vào tấm giữ bước từ phía dưới bằng cách sử dụng thêm đai ốc và bu lông. Sau khi hoàn tất, bạn có thể trượt endcaps lên các đường ống. Trong trường hợp quá vừa vặn thay vì buộc endcaps vào đường ống, tôi khuyên bạn nên chà nhám bề mặt bên trong của endcap in 3D cho đến khi vừa khít.

Bước 9: Lắp ráp hệ thống truyền động (Ròng rọc không hoạt động)

Các đai ốc và bu lông mà tôi đang sử dụng có đường kính 4mm mặc dù lỗ khoan trên ròng rọc và vòng bi là 6mm, đó là lý do tại sao tôi phải in 3D bộ điều hợp và đẩy chúng vào các lỗ của ròng rọc và vòng bi để chúng không bị hỏng. lung lay trên bu lông. Nếu bạn có đai ốc và bu lông có kích thước phù hợp, bạn sẽ không yêu cầu bước này.

Lắp các ổ trục vào giá đỡ ổ trục ròng rọc không tải. Một lần nữa nếu khớp quá chặt, hãy sử dụng giấy nhám để chà nhám nhẹ thành bên trong của giá đỡ ổ trục ròng rọc không tải. Luồn một bu lông qua một trong các ổ trục, sau đó trượt một ròng rọc lên bu lông và đóng đầu kia của ổ trục thứ hai và bộ giữ ổ trục ròng rọc không tải.

Sau khi hoàn tất, hãy gắn cặp giá đỡ ổ trục ròng rọc không tải lên tấm giữ ròng rọc không tải và gắn các đầu cuối vào mặt dưới của tấm này, tương tự như bước trước. Cuối cùng, bịt đầu đối diện của hai ống PVC bằng cách sử dụng các nắp cuối này. Với điều này, các đường ray cho giỏ hàng của bạn đã hoàn thành.

Bước 10: Lắp ráp giàn

Bước tiếp theo là xây dựng giỏ hàng. Gắn hai con lăn với nhau bằng cách sử dụng tấm giàn và 4 đai ốc và bu lông. Các tấm giàn có các khe để bạn có thể điều chỉnh vị trí của tấm để điều chỉnh nhẹ.

Tiếp theo, gắn hai phần đính đai vào hai bên của tấm giàn. Đảm bảo gắn chúng từ phía dưới nếu không thắt lưng sẽ không ở cùng một mức độ. Đảm bảo cũng đưa bu lông vào từ phía dưới, vì nếu không, nếu bu lông quá dài, chúng có thể gây cản trở dây đai.

Cuối cùng, gắn giá đỡ con lắc vào mặt trước của xe đẩy bằng đai ốc và bu lông.

Bước 11: Lắp ráp con lắc

Con lắc được làm thành hai mảnh đơn giản để tiết kiệm vật liệu. Bạn có thể dán hai miếng với nhau bằng cách căn chỉnh các răng và dán chúng lại. Một lần nữa đẩy các miếng đệm lỗ ổ trục vào hai ổ trục để bù cho đường kính bu lông nhỏ hơn và sau đó đẩy các ổ trục vào các lỗ ổ trục của hai miếng ổ đỡ ổ trục con lắc. Kẹp hai bộ phận in 3D ở mỗi bên của đầu dưới cùng của con lắc và cố định 3 bộ phận với nhau bằng cách sử dụng 3 đai ốc và bu lông đi qua các giá đỡ của con lắc. Luồn một bu lông qua hai ổ trục và cố định đầu kia bằng đai ốc tương ứng.

Tiếp theo, lấy MPU6050 của bạn và gắn nó vào đầu đối diện của con lắc bằng cách sử dụng vít gắn.

Bước 12: Gắn Con lắc và Thắt lưng

Bước cuối cùng là lắp con lắc lên xe đẩy. Thực hiện việc này bằng cách luồn bu lông mà bạn đã lắp trước đó qua hai ổ trục con lắc, qua lỗ trên giá đỡ con lắc được gắn vào mặt trước của xe đẩy và sử dụng một đai ốc ở đầu kia để cố định con lắc vào xe.

Cuối cùng, lấy thắt lưng GT2 của bạn và trước tiên cố định một đầu vào một trong các phụ kiện của thắt lưng được kẹp vào xe đẩy. Đối với điều này, tôi đã sử dụng một chiếc kẹp thắt lưng có thể in 3D gọn gàng, kẹp vào phần cuối của thắt lưng và ngăn nó trượt qua khe hẹp. Các stls cho tác phẩm này có thể được tìm thấy trên Thingiverse bằng cách sử dụng liên kết này. Quấn đai hết cỡ xung quanh puli bước và puli không tải và cố định đầu kia của đai vào miếng gắn đai ở đầu đối diện của xe đẩy. Căng dây đai trong khi đảm bảo không thắt quá chặt hoặc để nó quá mất và với điều này là con lắc và xe đẩy của bạn đã hoàn thành!

Bước 13: Hệ thống dây điện và điện tử

Hệ thống dây bao gồm kết nối MPU6050 với Arduino và dây của hệ thống ổ đĩa. Thực hiện theo sơ đồ nối dây được đính kèm ở trên để kết nối từng thành phần.

MPU6050 đến Arduino:

• GND sang GND
• + 5v đến + 5v
• SDA sang A4
• SCL đến A5
• Vào D2

Động cơ bước đến trình điều khiển bước:

• Cuộn dây 1 (a) đến 1A
• Cuộn dây 1 (b) đến 1B
• Cuộn dây 2 (a) đến 2A
• Cuộn dây 2 (b) đến 2B

Trình điều khiển bước cho Arduino:

• GND sang GND
• VDD đến + 5v
• BƯỚC đến D3
• DIR đến D2
• VMOT đến thiết bị đầu cuối tích cực của nguồn cung cấp điện
• GND đến thiết bị đầu cuối nối đất của nguồn cung cấp điện

Các chân Sleep và Reset trên trình điều khiển bước cần được kết nối với một jumper. Và cuối cùng, bạn nên kết nối song song một tụ điện khoảng 100 uF với cực dương và cực nối đất của nguồn điện.

Bước 14: Kiểm soát hệ thống (Kiểm soát theo tỷ lệ)

Ban đầu, tôi quyết định thử một hệ thống điều khiển tỷ lệ cơ bản, đó là, vận tốc của xe tải chỉ đơn giản là tỷ lệ thuận với một yếu tố nhất định với góc mà con lắc tạo ra với phương thẳng đứng. Đây chỉ đơn giản là một bài kiểm tra để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận hoạt động chính xác. Mặc dù, hệ thống tỷ lệ cơ bản này đủ mạnh để làm cho con lắc đã cân bằng. Con lắc thậm chí có thể chống lại những cú đẩy và thúc nhẹ nhàng khá mạnh mẽ. Mặc dù hệ thống điều khiển này hoạt động rất tốt, nhưng nó vẫn có một số vấn đề. Nếu nhìn vào biểu đồ của các chỉ số IMU trong một thời gian nhất định, chúng ta có thể nhận thấy rõ ràng các dao động trong các kết quả đọc của cảm biến. Điều này ngụ ý rằng bất cứ khi nào bộ điều khiển cố gắng thực hiện hiệu chỉnh, nó luôn vượt quá mức nhất định, trên thực tế, đó là bản chất của một hệ thống điều khiển tỷ lệ. Lỗi nhỏ này có thể được sửa chữa bằng cách triển khai một loại bộ điều khiển khác có tính đến tất cả các yếu tố này.

Mã cho hệ thống điều khiển tỷ lệ được đính kèm bên dưới. Mã yêu cầu sự hỗ trợ của một số thư viện bổ sung là thư viện MPU6050, thư viện PID và thư viện AccelStepper. Chúng có thể được tải xuống bằng trình quản lý thư viện tích hợp của Arduino IDE. Chỉ cần truy cập Sketch >> Bao gồm Thư viện >> Quản lý Thư viện, sau đó chỉ cần tìm kiếm PID, MPU6050 và AccelStepper trong thanh tìm kiếm và cài đặt chúng bằng cách nhấp vào nút Cài đặt.

Mặc dù, lời khuyên của tôi dành cho tất cả các bạn là những người đam mê khoa học và toán học, là hãy thử và chế tạo một bộ điều khiển loại này từ đầu. Điều này sẽ không chỉ củng cố khái niệm của bạn về các lý thuyết động lực và điều khiển mà còn mang đến cho bạn cơ hội triển khai kiến thức của mình trong các ứng dụng thực tế.

Bước 15: Điều khiển hệ thống (Điều khiển PID)

Nói chung, trong cuộc sống thực, một khi hệ thống điều khiển chứng tỏ là đủ mạnh cho ứng dụng của nó, các kỹ sư thường chỉ hoàn thành dự án hơn là làm phức tạp hóa các tình huống bằng cách sử dụng các hệ thống điều khiển phức tạp hơn. Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi đang xây dựng con lắc ngược này hoàn toàn cho mục đích giáo dục. Do đó, chúng ta có thể cố gắng phát triển các hệ thống điều khiển phức tạp hơn như điều khiển PID, hệ thống này có thể tỏ ra mạnh mẽ hơn nhiều so với hệ thống điều khiển tỷ lệ cơ bản.

Mặc dù điều khiển PID phức tạp hơn nhiều để thực hiện, nhưng một khi được thực hiện chính xác và tìm ra các thông số điều chỉnh hoàn hảo, con lắc cân bằng tốt hơn đáng kể. Tại thời điểm này, nó cũng có thể chống lại những cú giật nhẹ. Các kết quả đọc từ IMU trong một thời gian nhất định (đính kèm ở trên) cũng chứng minh rằng các số đọc không bao giờ đi quá xa so với điểm đặt mong muốn, tức là theo chiều dọc, chứng tỏ rằng hệ thống điều khiển này hiệu quả và mạnh mẽ hơn nhiều so với điều khiển tỷ lệ cơ bản..

Một lần nữa, lời khuyên của tôi dành cho tất cả các bạn là những người đam mê khoa học và toán học, là hãy thử và xây dựng bộ điều khiển PID từ đầu trước khi sử dụng mã được đính kèm bên dưới. Đây có thể được coi là một thách thức, và không ai biết rằng, ai đó có thể nghĩ ra một hệ thống điều khiển mạnh mẽ hơn nhiều so với bất kỳ thứ gì đã được thử nghiệm cho đến nay. Mặc dù một thư viện PID mạnh mẽ đã có sẵn cho Arduino được phát triển bởi Brett Beauregard có thể được cài đặt từ trình quản lý thư viện trên Arduino IDE.

Lưu ý: Mỗi hệ thống điều khiển và kết quả của nó được minh họa trong video được đính kèm trong bước đầu tiên.

Bước 16: Cải tiến thêm

Một trong những thứ mà tôi muốn thử là chức năng "đu lên", trong đó ban đầu con lắc được treo bên dưới xe đẩy và xe đẩy thực hiện một vài chuyển động lên xuống nhanh chóng dọc theo đường ray để lắc con lắc khỏi bị treo. vị trí thành một vị trí đảo ngược lộn ngược. Nhưng điều này không thể thực hiện được với cấu hình hiện tại vì một sợi cáp dài phải kết nối đơn vị đo lường quán tính với Arduino, do đó, một vòng tròn đầy đủ do con lắc thực hiện có thể khiến cáp bị xoắn và bị kẹt. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một bộ mã hóa quay được gắn vào trục của con lắc thay vì một đơn vị đo lường quán tính ở đầu của nó. Với một bộ mã hóa, trục của nó là thứ duy nhất quay với con lắc, trong khi cơ thể đứng yên, có nghĩa là các dây cáp sẽ không bị xoắn.

Tính năng thứ hai mà tôi muốn thử, là cân bằng một con lắc đôi trên xe đẩy. Hệ thống này bao gồm hai con lắc nối tiếp nhau. Mặc dù động lực học của các hệ thống như vậy phức tạp hơn nhiều và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa.

Bước 17: Kết quả cuối cùng

Một thí nghiệm như thế này có thể biến đổi tâm trạng của cả lớp theo hướng tích cực. Nói chung, hầu hết mọi người thích có thể áp dụng các khái niệm và ý tưởng để kết tinh chúng, nếu không, các ý tưởng vẫn ở "trong không khí" khiến mọi người có xu hướng quên chúng nhanh hơn. Đây chỉ là một ví dụ về việc áp dụng một số khái niệm đã học trong lớp vào một ứng dụng trong thế giới thực, mặc dù điều này chắc chắn sẽ khơi dậy sự nhiệt tình trong học sinh để cuối cùng thử và đưa ra các thí nghiệm của riêng họ để kiểm tra lý thuyết, điều này sẽ làm cho các lớp học trong tương lai của họ nhiều hơn sinh động, điều này sẽ khiến chúng muốn tìm hiểu nhiều hơn, điều này sẽ khiến chúng nghĩ ra những thí nghiệm mới hơn và chu kỳ tích cực này sẽ tiếp tục cho đến khi các lớp học trong tương lai tràn ngập những thí nghiệm và dự án vui nhộn và thú vị như vậy.

Tôi hy vọng đây sẽ là sự khởi đầu của nhiều thử nghiệm và dự án hơn nữa! Nếu bạn thích hướng dẫn này và thấy nó hữu ích, vui lòng bỏ phiếu bình chọn bên dưới trong "Cuộc thi Khoa học Lớp học" và mọi nhận xét hoặc đề xuất đều được hoan nghênh! Cảm ơn bạn!:)

Về nhì trong Cuộc thi Khoa học Lớp học