البندول المقلوب: نظرية التحكم وديناميكياته: 17 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

البندول المقلوب هو مشكلة كلاسيكية في الديناميات ونظرية التحكم التي يتم وضعها بشكل عام في دورات الفيزياء أو الرياضيات في المدارس الثانوية والجامعية. كوني متحمسًا للرياضيات والعلوم ، قررت أن أحاول تطبيق المفاهيم التي تعلمتها خلال فصولي لبناء بندول مقلوب. إن تطبيق مثل هذه المفاهيم في الحياة الواقعية لا يساعد فقط على تعزيز فهمك للمفاهيم ، بل يعرضك أيضًا إلى بُعد جديد تمامًا من المشكلات والتحديات التي تتعامل مع مواقف الحياة العملية والواقعية التي لا يمكن للمرء أن يواجهها أبدًا في الفصول النظرية.

في هذا الدليل ، سأقدم أولاً مشكلة البندول المقلوب ، ثم أغطي الجانب النظري للمشكلة ، ثم أناقش الأجهزة والبرامج المطلوبة لإحياء هذا المفهوم.

أقترح عليك مشاهدة الفيديو المرفق أعلاه أثناء استعراض التعليمات التي ستمنحك فهمًا أفضل.

وأخيرًا ، لا تنسَ إسقاط تصويت في "Classroom Science Contest" إذا أعجبك هذا المشروع ولا تتردد في ترك أي أسئلة في قسم التعليقات أدناه. صنع سعيد!:)

الخطوة الأولى: المشكلة

مشكلة البندول المقلوب مشابهة لموازنة مكنسة أو عمود طويل على راحة يدك ، وهو أمر جربه معظمنا عندما كان طفلاً. عندما ترى أعيننا أن القطب يسقط إلى جانب معين ، فإنهم يرسلون هذه المعلومات إلى الدماغ الذي يقوم بإجراء حسابات معينة ثم يوجه ذراعك للانتقال إلى موضع معين بسرعة معينة لمواجهة حركة القطب ، والتي نأمل أن تجلب قلب القطب احتياطيًا إلى الوضع الرأسي. تتكرر هذه العملية عدة مئات من المرات في الثانية مما يبقي العمود تحت سيطرتك تمامًا. يعمل البندول المقلوب بطريقة مماثلة. الهدف هو موازنة بندول رأسًا على عقب على عربة يُسمح لها بالتحرك. بدلاً من العينين ، يتم استخدام جهاز استشعار لاكتشاف موضع البندول الذي يرسل المعلومات إلى جهاز كمبيوتر يقوم بحسابات معينة ويوجه المشغلات لتحريك العربة بطريقة تجعل البندول عموديًا مرة أخرى.

الخطوة الثانية: الحل

تتطلب مشكلة موازنة البندول رأسًا على عقب هذه نظرة ثاقبة للحركات والقوى التي تلعب في هذا النظام. في النهاية ، ستسمح لنا هذه البصيرة بالتوصل إلى "معادلات الحركة" للنظام والتي يمكن استخدامها لحساب العلاقات بين المخرجات التي تذهب إلى المشغلات والمدخلات القادمة من المستشعرات.

يمكن اشتقاق معادلات الحركة بطريقتين حسب مستواك. يمكن اشتقاقها إما باستخدام القوانين الأساسية لنيوتن وبعض الرياضيات على مستوى المدرسة الثانوية أو باستخدام ميكانيكا لاغرانج التي يتم تقديمها بشكل عام في دورات الفيزياء الجامعية. (ملاحظة: يعد اشتقاق معادلات الحركة باستخدام قوانين نيوتن أمرًا بسيطًا ولكنه ممل ، في حين أن استخدام ميكانيكا لاغرانج هو أكثر أناقة ولكنه يتطلب فهم ميكانيكا لاغرانج على الرغم من أن كلا النهجين يؤديان في النهاية إلى نفس الحل).

عادةً ما يتم تغطية كلا النهجين ومشتقاتهما الرسمية في فصول الدراسة الثانوية أو الجامعية في الرياضيات أو الفيزياء ، على الرغم من أنه يمكن العثور عليها بسهولة باستخدام بحث google بسيط أو عن طريق زيارة هذا الرابط. من خلال مراقبة المعادلات النهائية للحركة ، نلاحظ وجود علاقة بين أربع كميات:

• زاوية البندول للعمودي
• السرعة الزاوية للبندول
• التسارع الزاوي للبندول
• التسارع الخطي للعربة

حيث تكون الكميات الثلاثة الأولى عبارة عن كميات سيتم قياسها بواسطة المستشعر وسيتم إرسال الكمية الأخيرة إلى المشغل لأداءها.

الخطوة الثالثة: نظرية التحكم

نظرية التحكم هي حقل فرعي من الرياضيات يتعامل مع التحكم في الأنظمة الديناميكية وتشغيلها في العمليات والآلات المهندسة. الهدف هو تطوير نموذج تحكم أو حلقة تحكم لتحقيق الاستقرار بشكل عام. في حالتنا ، قم بموازنة البندول المقلوب.

هناك نوعان رئيسيان من حلقات التحكم: التحكم في الحلقة المفتوحة والتحكم في الحلقة المغلقة. عند تنفيذ عنصر تحكم الحلقة المفتوحة ، يكون إجراء التحكم أو الأمر الصادر من وحدة التحكم مستقلاً عن إخراج النظام. وخير مثال على ذلك هو الفرن ، حيث يعتمد مقدار الوقت الذي يبقى فيه الفرن تمامًا على المؤقت.

بينما في نظام الحلقة المغلقة ، يعتمد أمر وحدة التحكم على الملاحظات الواردة من حالة النظام. في حالتنا ، التغذية الراجعة هي زاوية البندول بالإشارة إلى الوضع الطبيعي الذي يحدد سرعة وموقع العربة ، وبالتالي يجعل هذا النظام نظام حلقة مغلقة. مرفق أعلاه تمثيل مرئي في شكل مخطط كتلة لنظام حلقة مغلقة.

هناك العديد من تقنيات آلية التغذية الراجعة ، ولكن واحدة من أكثر التقنيات المستخدمة على نطاق واسع هي وحدة التحكم النسبي - المتكامل - المشتق (وحدة التحكم PID) ، وهو ما سنستخدمه.

ملاحظة: يعد فهم طريقة عمل وحدات التحكم هذه مفيدًا جدًا في تطوير وحدة تحكم ناجحة على الرغم من أن شرح عمليات وحدة التحكم هذه خارج نطاق هذا التوجيه. في حال لم تصادف هذه الأنواع من وحدات التحكم في الدورة التدريبية الخاصة بك ، فهناك مجموعات من المواد عبر الإنترنت وسيساعدك بحث بسيط في google أو دورة تدريبية عبر الإنترنت.

الخطوة 4: تنفيذ هذا المشروع في فصلك الدراسي

الفئة العمرية: هذا المشروع مخصص في المقام الأول لطلاب المدارس الثانوية أو طلاب المرحلة الجامعية ، ولكن يمكن أيضًا تقديمه للأطفال الأصغر سنًا كعرض توضيحي من خلال تقديم نظرة عامة على المفاهيم.

المفاهيم التي تمت تغطيتها: المفاهيم الرئيسية التي يغطيها هذا المشروع هي الديناميات ونظرية التحكم.

الوقت المطلوب: بمجرد تجميع جميع الأجزاء وتصنيعها ، يستغرق التجميع من 10 إلى 15 دقيقة. يتطلب إنشاء نموذج التحكم مزيدًا من الوقت ، لذلك يمكن إعطاء الطلاب يومين إلى ثلاثة أيام. بمجرد أن يقوم كل طالب على حدة (أو مجموعة من الطلاب) بتطوير نماذج التحكم الخاصة به ، يمكن استخدام يوم آخر للأفراد أو الفرق للتوضيح.

تتمثل إحدى طرق تنفيذ هذا المشروع في فصلك الدراسي في بناء النظام (الموضح في الخطوات التالية) ، بينما تعمل المجموعة على الموضوعات الفرعية للفيزياء المتعلقة بالديناميكيات أو أثناء دراستهم لأنظمة التحكم في فصول الرياضيات. بهذه الطريقة ، يمكن تنفيذ الأفكار والمفاهيم التي تظهر خلال الفصل الدراسي مباشرةً في تطبيق واقعي مما يجعل مفاهيمهم أكثر وضوحًا لأنه لا توجد طريقة أفضل لتعلم مفهوم جديد من تطبيقه في الحياة الواقعية.

يمكن بناء نظام واحد ، معًا كصف دراسي ، وبعد ذلك يمكن تقسيم الفصل إلى فرق ، كل منها يبني نموذج تحكم من البداية. يمكن لكل فريق بعد ذلك عرض عملهم في شكل منافسة ، حيث يكون أفضل نموذج تحكم هو الذي يمكنه موازنة الأطول وتحمل التنبيهات والدفع بقوة.

هناك طريقة أخرى لتنفيذ هذا المشروع في فصلك الدراسي وهي جعل الأطفال الأكبر سنًا (مستوى المدرسة الثانوية أو ما شابه) ، وتطوير هذا المشروع وإثباته للأطفال الأصغر سنًا مع إعطائهم لمحة عامة عن الديناميكيات والضوابط. قد لا يثير هذا الاهتمام بالفيزياء والرياضيات للأطفال الأصغر سنًا فحسب ، بل سيساعد أيضًا الطلاب الأكبر سنًا على بلورة مفاهيمهم عن النظرية لأن إحدى أفضل الطرق لتقوية مفاهيمك هي شرحها للآخرين ، وخاصة الأطفال الأصغر سنًا كما تتطلب عليك أن تصوغ أفكارك بطريقة بسيطة وواضحة للغاية.

الخطوة 5: قطع الغيار والمستلزمات

سيسمح للعربة بالتحرك بحرية على مجموعة من القضبان مما يمنحها درجة واحدة من الحرية. فيما يلي الأجزاء واللوازم المطلوبة لصنع البندول ونظام العربة والسكك الحديدية:

الإلكترونيات:

• لوحة واحدة متوافقة مع Arduino ، ستعمل أي منها. أوصي بـ Uno في حال لم تكن خبيرًا في الإلكترونيات لأنه سيكون من الأسهل متابعتها.
• محرك متدرج Nema17 واحد ، والذي سيعمل كمشغل للعربة.
• سائق محرك متدرج واحد ، مرة أخرى سيعمل أي شيء ، لكنني أوصي بسائق محرك متدرج A4988 لأنه سيكون من الأسهل اتباعه.
• واحد MPU-6050 ستة محاور (الدوران + مقياس التسارع) ، والذي سيكتشف المعلمات المختلفة مثل الزاوية والسرعة الزاوية للبندول.
• مصدر طاقة واحد 12v 10A ، 10A هو في الواقع مبالغة طفيفة في هذا المشروع المحدد ، أي شيء أعلى من 3A سيعمل ، لكن وجود إمكانية لسحب تيار إضافي يسمح بالتطوير المستقبلي حيث قد تكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة.

المعدات:

• 16 × محامل ، استخدمت محامل لوح التزلج وعملوا بشكل رائع
• 2 × بكرات وحزام GT2
• حوالي 2.4 متر من الأنابيب البلاستيكية 1.5 بوصة
• مجموعة من الصواميل والمسامير 4 مم

تمت طباعة بعض الأجزاء التي تم استخدامها في هذا المشروع أيضًا بطباعة ثلاثية الأبعاد ، وبالتالي فإن وجود طابعة ثلاثية الأبعاد سيكون مفيدًا للغاية ، على الرغم من توفر مرافق الطباعة ثلاثية الأبعاد المحلية أو عبر الإنترنت بشكل شائع.

التكلفة الإجمالية لجميع الأجزاء أقل بقليل من 50 دولارًا (باستثناء الطابعة ثلاثية الأبعاد)

الخطوة 6: أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد

يجب أن تكون بعض أجزاء العربة ونظام القضبان مصنوعة خصيصًا ، لذلك استخدمت Autodesk مجانًا لاستخدام Fusion360 لتصميم ملفات cad وطباعتها ثلاثية الأبعاد على طابعة ثلاثية الأبعاد.

بعض الأجزاء التي كانت مجرد أشكال ثنائية الأبعاد ، مثل البندول والسرير القنطري ، كانت مقطوعة بالليزر لأنها كانت أسرع بكثير. يتم إرفاق جميع ملفات STL أدناه في المجلد المضغوط. فيما يلي قائمة كاملة بجميع الأجزاء:

• 2 × الأسطوانة العملاقة
• 4 × قبعات نهاية
• 1 × السائر قوس
• 2 × حامل البكرة الخاملة
• 1 × حامل البندول
• 2 × مرفق الحزام
• 1 × حامل البندول (أ)
• 1 × حامل البندول (ب)
• 1 × فاصل ثقب البكرة
• 4 × فاصل ثقب المحمل
• 1 × لوحة جسرية
• 1 × لوحة حامل السائر
• 1 × لوحة حامل بكرة الخمول
• 1 × البندول (أ)
• 1 × البندول (ب)

في المجموع ، هناك 24 جزءًا ، والتي لا تستغرق وقتًا طويلاً للطباعة لأن الأجزاء صغيرة ويمكن طباعتها معًا. في سياق هذه التعليمات ، سأشير إلى الأجزاء بناءً على الأسماء الموجودة في هذه القائمة.

الخطوة 7: تجميع بكرات جسرية

البكرات العملاقة مثل عجلات العربة. سوف تتدحرج هذه على طول مسار PVC مما يسمح للعربة بالتحرك بسلاسة مع الحد الأدنى من الاحتكاك. في هذه الخطوة ، احصل على بكرتين جسرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد و 12 محامل ومجموعة من الصواميل والمسامير. سوف تحتاج إلى 6 محامل لكل بكرة. قم بتوصيل المحامل بالأسطوانة باستخدام الصواميل والمسامير (استخدم الصور كمرجع). بمجرد صنع كل أسطوانة ، حركها على الأنبوب PVC.

الخطوة 8: تجميع نظام القيادة (محرك متدرج)

سيتم تشغيل العربة بواسطة محرك متدرج قياسي Nema17. ثبت المحرك في قوس السائر باستخدام البراغي التي يجب أن تأتي كمجموعة مع السائر. ثم قم بلف الدعامة على لوحة حامل السائر ، وقم بمحاذاة الفتحات الأربعة الموجودة على الحامل مع 4 الموجودة على اللوحة واستخدم الصواميل والمسامير لتأمين الاثنين معًا. بعد ذلك ، قم بتركيب بكرة GT2 على عمود المحرك وقم بإرفاق الغطاءين النهائيين بلوحة حامل السائر من الأسفل باستخدام المزيد من الصواميل والمسامير. بمجرد الانتهاء من ذلك ، يمكنك تحريك أغطية النهاية على الأنابيب. في حال كان الملاءمة مناسبًا جدًا بدلاً من فرض الأغطية النهائية على الأنابيب ، أوصي بصنفرة السطح الداخلي للغطاء النهائي المطبوع ثلاثي الأبعاد حتى يكون الملاءمة دافئًا.

الخطوة 9: تجميع نظام القيادة (بكرة الخمول)

كان قطر الصواميل والمسامير التي كنت أستخدمها 4 مم على الرغم من أن التجاويف الموجودة على البكرة والمحامل كانت 6 مم ، ولهذا السبب اضطررت إلى محولات الطباعة ثلاثية الأبعاد ودفعها في فتحات البكرة والمحامل حتى لا يفعلوا ذلك تذبذب على الترباس. إذا كان لديك صواميل ومسامير بالحجم المناسب ، فلن تحتاج إلى هذه الخطوة.

قم بتركيب المحامل في حامل محمل البكرة الخاملة. مرة أخرى ، إذا كانت الملاءمة ضيقة جدًا ، فاستخدم ورق الصنفرة لصنفرة الجدار الداخلي لحامل محمل البكرة الخامل برفق. قم بتمرير مسمار من خلال أحد المحامل ، ثم انزلق بكرة على الترباس وأغلق الطرف الآخر من المحمل الثاني ومجموعة حامل محمل البكرة الخاملة.

بمجرد الانتهاء من ذلك ، قم بإرفاق زوج حاملات محمل البكرة الخاملة على لوحة حامل البكرة الخاملة وقم بإرفاق أغطية النهاية بالوجه السفلي لهذه اللوحة ، على غرار الخطوة السابقة. أخيرًا ، قم بتغطية الطرف الآخر من الأنبوبين PVC باستخدام أغطية النهاية هذه. مع هذا القضبان لعربة التسوق الخاصة بك كاملة.

الخطوة 10: تجميع القنطرية

الخطوة التالية هي بناء العربة. قم بتوصيل البكرتين معًا باستخدام لوحة جسرية و 4 صواميل ومسامير. تحتوي الألواح العملاقة على فتحات بحيث يمكنك ضبط موضع اللوحة لإجراء تعديلات طفيفة.

بعد ذلك ، قم بتركيب مرفقي الحزامين على جانبي لوحة القنطرة. تأكد من إرفاقها من الأسفل وإلا فلن يكون الحزام في نفس المستوى. تأكد أيضًا من تمرير البراغي للداخل من الأسفل ، وإلا فقد تتسبب في انسداد الحزام إذا كانت المسامير طويلة جدًا.

أخيرًا ، قم بتثبيت حامل البندول في مقدمة العربة باستخدام الصواميل والمسامير.

الخطوة 11: تجميع البندول

صُنع البندول من قطعتين لتوفير المواد. يمكنك لصق القطعتين معًا عن طريق محاذاة الأسنان ودمجها بشكل كبير. مرة أخرى ، ادفع فواصل فتحة المحمل في المحمل للتعويض عن أقطار البرغي الأصغر ثم ادفع المحامل إلى فتحات المحمل لقطعتين حاملتي البندول. قم بربط الجزأين المطبوعين ثلاثي الأبعاد على كل جانب من الطرف السفلي للبندول وقم بتأمين الثلاثة معًا باستخدام 3 صواميل ومسامير تمر عبر حاملات البندول. قم بتمرير مسمار من خلال اثنين من المحامل وثبّت الطرف الآخر باستخدام صمولة مقابلة.

بعد ذلك ، أمسك MPU6050 الخاص بك وقم بتثبيته على الطرف المقابل من البندول باستخدام براغي التثبيت.

الخطوة 12: تركيب البندول والأحزمة

الخطوة الأخيرة هي تركيب البندول على العربة. افعل ذلك عن طريق تمرير البرغي الذي مررته سابقًا عبر محامل البندول ، من خلال الفتحة الموجودة على حامل البندول المتصل بمقدمة العربة واستخدم صامولة في الطرف الآخر لتأمين البندول على العربة.

أخيرًا ، أمسك حزام GT2 الخاص بك وقم أولاً بتأمين أحد طرفيه بأحد مرفقات الحزام المثبتة في العربة. لهذا ، استخدمت مشبك حزام أنيق قابل للطباعة ثلاثي الأبعاد يتم تثبيته في نهاية الحزام ويمنعه من الانزلاق عبر الفتحة الضيقة. يمكن العثور على stls لهذه القطعة على Thingiverse باستخدام هذا الرابط. لف الحزام على طول الطريق حول بكرة السائر والبكرة الخاملة وثبّت الطرف الآخر من الحزام بقطعة ربط الحزام على الطرف المقابل للعربة. شد الحزام مع التأكد من عدم إحكامه أكثر من اللازم أو تركه خاسرًا جدًا وبهذا اكتمل البندول والعربة!

الخطوة 13: الأسلاك والإلكترونيات

تتكون الأسلاك من توصيل MPU6050 بـ Arduino وأسلاك نظام القيادة. اتبع مخطط الأسلاك المرفق أعلاه لتوصيل كل مكون.

MPU6050 إلى Arduino:

• GND إلى GND
• + 5v إلى + 5v
• SDA إلى A4
• SCL إلى A5
• كثافة العمليات إلى D2

محرك متدرج إلى سائق السائر:

• الملف 1 (أ) إلى 1 أ
• الملف 1 (ب) إلى 1B
• الملف 2 (أ) إلى 2 أ
• الملف 2 (ب) إلى 2B

سائق السائر لاردوينو:

• GND إلى GND
• VDD إلى + 5 فولت
• الخطوة إلى D3
• DIR إلى D2
• VMOT للمحطة الموجبة لمصدر الطاقة
• GND للمحطة الأرضية لإمداد الطاقة

يجب توصيل دبابيس Sleep and Reset الموجودة على برنامج تشغيل السائر باستخدام وصلة مرور. وأخيرًا ، من الجيد توصيل مكثف إلكتروليتي بحوالي 100 درجة فهرنهايت بالتوازي مع المحطات الموجبة والأرضية لمصدر الطاقة.

الخطوة 14: التحكم في النظام (التحكم النسبي)

في البداية ، قررت تجربة نظام تحكم تناسبي أساسي ، أي أن سرعة العربة تتناسب ببساطة مع عامل معين مع الزاوية التي يصنعها البندول مع العمودي. كان من المفترض أن يكون هذا مجرد اختبار للتأكد من أن جميع الأجزاء تعمل بشكل صحيح. على الرغم من أن هذا النظام النسبي الأساسي كان قويًا بما يكفي لجعل البندول متوازنًا بالفعل. حتى أن البندول يمكنه مواجهة الدفعات والدفعات اللطيفة بقوة تامة. بينما كان نظام التحكم هذا يعمل بشكل جيد بشكل ملحوظ ، إلا أنه لا يزال يعاني من بعض المشاكل. إذا ألقى المرء نظرة على الرسم البياني لقراءات IMU خلال فترة زمنية معينة ، فيمكننا أن نلاحظ بوضوح التذبذبات في قراءات المستشعر. هذا يعني أنه كلما حاول المتحكم إجراء تصحيح ، فإنه دائمًا ما يكون تجاوزًا بمقدار معين ، وهو ، في الواقع ، طبيعة نظام التحكم النسبي. يمكن تصحيح هذا الخطأ الطفيف من خلال استخدام نوع مختلف من وحدة التحكم التي تأخذ في الاعتبار كل هذه العوامل.

تم إرفاق رمز نظام التحكم النسبي أدناه. يتطلب الكود دعم بعض المكتبات الإضافية وهي مكتبة MPU6050 ومكتبة PID ومكتبة AccelStepper. يمكن تنزيلها باستخدام مدير مكتبة Arduino IDE المتكامل. ما عليك سوى الانتقال إلى Sketch >> Include Library >> إدارة المكتبات ، ثم ابحث فقط عن PID و MPU6050 و AccelStepper في شريط البحث وقم بتثبيتها بمجرد النقر على زر التثبيت.

على الرغم من أن نصيحتي لكل من منكم من عشاق العلوم والرياضيات ، ستكون محاولة بناء وحدة تحكم من هذا النوع من البداية. لن يؤدي هذا إلى تقوية مفاهيمك حول الديناميكيات ونظريات التحكم فحسب ، بل سيعطيك أيضًا فرصة لتطبيق معرفتك في تطبيقات الحياة الواقعية.

الخطوة 15: التحكم في النظام (التحكم PID)

بشكل عام ، في الحياة الواقعية ، بمجرد أن يثبت نظام التحكم أنه قوي بما يكفي لتطبيقه ، عادةً ما يكمل المهندسون المشروع بدلاً من تعقيد المواقف باستخدام أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا. لكن في حالتنا ، نحن نبني هذا البندول المقلوب لأغراض تعليمية بحتة. لذلك يمكننا محاولة التقدم إلى أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا مثل التحكم PID ، والتي قد تكون أكثر قوة بكثير من نظام التحكم النسبي الأساسي.

على الرغم من أن التحكم في PID كان أكثر تعقيدًا في التنفيذ ، إلا أنه بمجرد تنفيذه بشكل صحيح وإيجاد معلمات الضبط المثالية ، كان البندول متوازنًا بشكل أفضل. في هذه المرحلة ، يمكنه أيضًا مواجهة الاهتزازات الضوئية. تثبت القراءات من IMU خلال وقت معين (مرفق أعلاه) أيضًا أن القراءات لا تذهب بعيدًا عن نقطة الضبط المرغوبة ، أي الرأسية ، مما يدل على أن نظام التحكم هذا أكثر فعالية وقوة بكثير من التحكم النسبي الأساسي.

مرة أخرى ، نصيحتي لجميع من هم من عشاق العلوم والرياضيات ، هي محاولة بناء وحدة تحكم PID من البداية قبل استخدام الكود المرفق أدناه. يمكن اعتبار هذا بمثابة تحدٍ ، ولا يعرف أحد أبدًا ، يمكن لأي شخص أن يأتي بنظام تحكم أقوى بكثير من أي شيء تمت تجربته حتى الآن.على الرغم من أن مكتبة PID القوية متاحة بالفعل لـ Arduino والتي تم تطويرها بواسطة Brett Beauregard والتي يمكن تثبيتها من مدير المكتبة على Arduino IDE.

ملاحظة: يتم عرض كل نظام تحكم ونتائجه في الفيديو المرفق في الخطوة الأولى.

الخطوة 16: مزيد من التحسينات

من الأشياء التي أردت تجربتها وظيفة "التأرجح لأعلى" ، حيث يكون البندول معلقًا في البداية أسفل العربة وتقوم العربة ببعض الحركات السريعة لأعلى ولأسفل على طول المسار لتأرجح البندول لأعلى من التعليق وضع مقلوب رأسا على عقب. لكن هذا لم يكن ممكنًا مع التكوين الحالي لأن كبلًا طويلًا كان عليه أن يربط وحدة القياس بالقصور الذاتي بـ Arduino ، وبالتالي قد تكون الدائرة الكاملة التي قام بها البندول قد تسببت في تحريف الكابل وعطله. يمكن التعامل مع هذه المشكلة باستخدام مشفر دوار متصل بمحور البندول بدلاً من وحدة قياس بالقصور الذاتي في طرفه. باستخدام جهاز التشفير ، يكون عمودها هو الشيء الوحيد الذي يدور مع البندول ، بينما يظل الجسم ثابتًا مما يعني أن الكابلات لن تلتف.

الميزة الثانية التي أردت تجربتها هي موازنة بندول مزدوج على العربة. يتكون هذا النظام من بندولين متصلين واحدًا تلو الآخر. على الرغم من أن ديناميكيات هذه الأنظمة أكثر تعقيدًا وتتطلب المزيد من البحث.

الخطوة 17: النتائج النهائية

يمكن لتجربة مثل هذه تغيير الحالة المزاجية للفصل بطريقة إيجابية. بشكل عام ، يفضل معظم الناس أن يكونوا قادرين على تطبيق المفاهيم والأفكار لبلورتها ، وإلا فإن الأفكار تظل "في الهواء" مما يجعل الناس يميلون إلى نسيانها بسرعة أكبر. كان هذا مجرد مثال واحد على تطبيق مفاهيم معينة تم تعلمها أثناء الفصل في تطبيق واقعي ، على الرغم من أن هذا سيثير بالتأكيد الحماس لدى الطلاب ليحاولوا في النهاية التوصل إلى تجاربهم الخاصة لاختبار النظريات ، مما سيجعل فصولهم المستقبلية أكثر بكثير. مفعمة بالحيوية ، مما سيجعلهم يرغبون في معرفة المزيد ، مما سيجعلهم يأتون بتجارب جديدة وستستمر هذه الدورة الإيجابية حتى تمتلئ الفصول الدراسية المستقبلية بهذه التجارب والمشاريع الممتعة والممتعة.

آمل أن تكون هذه بداية للعديد من التجارب والمشاريع! إذا أعجبك هذا التوجيه ووجدته مفيدًا ، فالرجاء ترك تصويت أدناه في "مسابقة علوم الفصل الدراسي" ونرحب بأي تعليقات أو اقتراحات! شكرا لك!:)

الوصيف في مسابقة Classroom Science