उलटा पेंडुलम: नियंत्रण सिद्धांत और गतिशीलता: 17 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

उलटा पेंडुलम गतिशीलता और नियंत्रण सिद्धांत में एक क्लासिक समस्या है जिसे आम तौर पर हाई-स्कूल और स्नातक भौतिकी या गणित पाठ्यक्रमों में विस्तृत किया जाता है। एक गणित और विज्ञान के प्रति उत्साही होने के नाते, मैंने एक उल्टा पेंडुलम बनाने के लिए अपनी कक्षाओं के दौरान सीखी गई अवधारणाओं को आजमाने और लागू करने का फैसला किया। वास्तविक जीवन में इस तरह की अवधारणाओं को लागू करने से न केवल अवधारणाओं की आपकी समझ को मजबूत करने में मदद मिलती है, बल्कि आपको व्यावहारिकता और वास्तविक जीवन की स्थितियों से निपटने वाली समस्याओं और चुनौतियों के एक नए आयाम के बारे में भी पता चलता है, जिनका सामना सैद्धांतिक कक्षाओं में कभी नहीं किया जा सकता है।

इस निर्देश में, मैं पहले उल्टे पेंडुलम समस्या का परिचय दूंगा, फिर समस्या के सिद्धांत पहलू को कवर करूंगा, और फिर इस अवधारणा को जीवन में लाने के लिए आवश्यक हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर पर चर्चा करूंगा।

मेरा सुझाव है कि आप निर्देश के माध्यम से ऊपर दिए गए वीडियो को देखें जो आपको बेहतर समझ देगा।

और अंत में, कृपया 'कक्षा विज्ञान प्रतियोगिता' में वोट देना न भूलें, अगर आपको यह प्रोजेक्ट पसंद आया है और नीचे टिप्पणी अनुभाग में कोई भी प्रश्न छोड़ने के लिए स्वतंत्र महसूस करें। हैप्पी मेकिंग!:)

चरण 1: समस्या

उल्टे पेंडुलम की समस्या आपके हाथ की हथेली पर झाड़ू या लंबे पोल को संतुलित करने के समान है, जिसे हम में से अधिकांश ने एक बच्चे के रूप में आजमाया है। जब हमारी आंखें ध्रुव को एक निश्चित तरफ गिरते हुए देखती हैं, तो वे इस जानकारी को मस्तिष्क को भेजती हैं जो कुछ गणना करता है और फिर आपके हाथ को ध्रुव की गति का मुकाबला करने के लिए एक निश्चित वेग के साथ एक निश्चित स्थिति में जाने का निर्देश देता है, जिससे उम्मीद है कि टिपिंग पोल बैक अप टू वर्टिकल। यह प्रक्रिया एक सेकंड में कई सौ बार दोहराई जाती है जिससे पोल पूरी तरह से आपके नियंत्रण में रहता है। उलटा पेंडुलम एक समान तरीके से कार्य करता है। उद्देश्य एक गाड़ी पर उल्टा एक पेंडुलम को संतुलित करना है जिसे आगे बढ़ने की अनुमति है। आंखों के बजाय, एक सेंसर का उपयोग पेंडुलम की स्थिति का पता लगाने के लिए किया जाता है जो एक कंप्यूटर को सूचना भेजता है जो कुछ गणना करता है और एक्ट्यूएटर्स को पेंडुलम को फिर से लंबवत बनाने के लिए गाड़ी को स्थानांतरित करने का निर्देश देता है।

चरण 2: समाधान

एक पेंडुलम को उल्टा संतुलित करने की इस समस्या के लिए इस प्रणाली में चल रहे आंदोलनों और ताकतों की अंतर्दृष्टि की आवश्यकता होती है। आखिरकार, यह अंतर्दृष्टि हमें सिस्टम के "गति के समीकरण" के साथ आने की अनुमति देगी जिसका उपयोग एक्ट्यूएटर्स और सेंसर से आने वाले इनपुट के आउटपुट के बीच संबंधों की गणना करने के लिए किया जा सकता है।

गति के समीकरण आपके स्तर के आधार पर दो तरह से निकाले जा सकते हैं। उन्हें या तो न्यूटन के बुनियादी नियमों और कुछ हाई स्कूल स्तर के गणित का उपयोग करके या लैग्रेंजियन यांत्रिकी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है जिसे आमतौर पर स्नातक भौतिकी पाठ्यक्रमों में पेश किया जाता है। (नोट: न्यूटन के नियमों का उपयोग करते हुए गति के समीकरणों को प्राप्त करना सरल लेकिन थकाऊ है जबकि लैग्रैन्जियन यांत्रिकी का उपयोग करना अधिक सुरुचिपूर्ण है, लेकिन लैग्रेंजियन यांत्रिकी की समझ की आवश्यकता होती है, हालांकि दोनों दृष्टिकोण अंततः एक ही समाधान की ओर ले जाते हैं)।

दोनों दृष्टिकोण और उनकी औपचारिक व्युत्पत्ति आमतौर पर गणित या भौतिकी पर हाई स्कूल या स्नातक कक्षाओं में शामिल हैं, हालांकि उन्हें आसानी से एक साधारण Google खोज का उपयोग करके या इस लिंक पर जाकर पाया जा सकता है। गति के अंतिम समीकरणों को देखने पर हमें चार राशियों के बीच संबंध दिखाई देता है:

• लंबवत से लोलक का कोण
• लोलक का कोणीय वेग
• लोलक का कोणीय त्वरण
• गाड़ी का रैखिक त्वरण

जहां पहले तीन मात्राएं हैं जिन्हें सेंसर द्वारा मापा जा रहा है और अंतिम मात्रा को एक्चुएटर को प्रदर्शन करने के लिए भेजा जा रहा है।

चरण 3: नियंत्रण सिद्धांत

नियंत्रण सिद्धांत गणित का एक उपक्षेत्र है जो इंजीनियर प्रक्रियाओं और मशीनों में गतिशील प्रणालियों को नियंत्रित करने और संचालित करने से संबंधित है। इसका उद्देश्य आम तौर पर स्थिरता प्राप्त करने के लिए नियंत्रण मॉडल या नियंत्रण लूप विकसित करना है। हमारे मामले में, उल्टा पेंडुलम को संतुलित करें।

दो मुख्य प्रकार के नियंत्रण लूप हैं: खुला लूप नियंत्रण और बंद लूप नियंत्रण। ओपन लूप कंट्रोल को लागू करते समय, कंट्रोल एक्शन या कंट्रोलर से कमांड सिस्टम के आउटपुट से स्वतंत्र होता है। इसका एक अच्छा उदाहरण एक भट्टी है, जहां भट्टी में जितना समय रहता है वह पूरी तरह से टाइमर पर निर्भर करता है।

जबकि क्लोज्ड लूप सिस्टम में, कंट्रोलर का कमांड सिस्टम की स्थिति से फीडबैक पर निर्भर होता है। हमारे मामले में, फीडबैक सामान्य के संदर्भ में पेंडुलम का कोण है जो गाड़ी की गति और स्थिति को निर्धारित करता है, इसलिए इस प्रणाली को एक बंद लूप सिस्टम बना देता है। ऊपर संलग्न एक बंद लूप सिस्टम के ब्लॉक आरेख के रूप में एक दृश्य प्रतिनिधित्व है।

कई प्रतिक्रिया तंत्र तकनीकें हैं लेकिन सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एक आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न नियंत्रक (पीआईडी नियंत्रक) है, जिसका हम उपयोग करने जा रहे हैं।

नोट: ऐसे नियंत्रकों के कामकाज को समझना एक सफल नियंत्रक को विकसित करने में बहुत उपयोगी है, हालांकि इस तरह के नियंत्रक के संचालन की व्याख्या करना इस निर्देश के दायरे से बाहर है। यदि आप अपने पाठ्यक्रम में इस प्रकार के नियंत्रकों के सामने नहीं आए हैं तो ऑनलाइन सामग्री का एक गुच्छा है और एक साधारण Google खोज या एक ऑनलाइन पाठ्यक्रम मदद करेगा।

चरण 4: इस परियोजना को अपनी कक्षा में लागू करना

आयु समूह: यह परियोजना मुख्य रूप से हाई-स्कूल या स्नातक छात्रों के लिए है, लेकिन छोटे बच्चों को केवल अवधारणाओं का एक सिंहावलोकन देकर एक प्रदर्शन के रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है।

कवर की गई अवधारणाएं: इस परियोजना में शामिल मुख्य अवधारणाएं गतिकी और नियंत्रण सिद्धांत हैं।

समय की आवश्यकता: एक बार सभी भागों को इकट्ठा कर लेने के बाद, कोडांतरण में १० से १५ मिनट का समय लगता है। नियंत्रण मॉडल बनाने में कुछ और समय लगता है, इसके लिए छात्रों को 2 से 3 दिन का समय दिया जा सकता है। एक बार प्रत्येक व्यक्तिगत छात्र (या छात्रों के समूह) ने अपने संबंधित नियंत्रण मॉडल विकसित कर लिए हैं, तो व्यक्तियों या टीमों के प्रदर्शन के लिए एक और दिन का उपयोग किया जा सकता है।

इस परियोजना को अपनी कक्षा में लागू करने का एक तरीका सिस्टम का निर्माण करना होगा (निम्न चरणों में वर्णित), जबकि बैच गतिकी से संबंधित भौतिकी के उप-विषयों पर काम कर रहा है या जब वे गणित की कक्षाओं में नियंत्रण प्रणाली का अध्ययन कर रहे हैं। इस तरह, कक्षा के दौरान उनके सामने आने वाले विचारों और अवधारणाओं को सीधे वास्तविक दुनिया में लागू किया जा सकता है जिससे उनकी अवधारणाएं और अधिक स्पष्ट हो जाती हैं क्योंकि वास्तविक जीवन में इसे लागू करने की तुलना में कोई नई अवधारणा सीखने का कोई बेहतर तरीका नहीं है।

एक एकल प्रणाली को एक साथ एक वर्ग के रूप में बनाया जा सकता है और फिर वर्ग को टीमों में विभाजित किया जा सकता है, प्रत्येक खरोंच से एक नियंत्रण मॉडल का निर्माण करता है। प्रत्येक टीम तब अपने काम को एक प्रतियोगिता प्रारूप में प्रदर्शित कर सकती है, जहां सबसे अच्छा नियंत्रण मॉडल वह होता है जो सबसे लंबे समय तक संतुलन बना सकता है और कुहनी का सामना कर सकता है और मजबूती से धक्का दे सकता है।

इस परियोजना को अपनी कक्षा में लागू करने का एक और तरीका यह होगा कि बड़े बच्चों (हाई स्कूल स्तर या तो) को इस परियोजना को विकसित किया जाए और छोटे बच्चों को गतिशीलता और नियंत्रण का अवलोकन देते हुए इसे प्रदर्शित किया जाए। यह न केवल छोटे बच्चों के लिए भौतिकी और गणित के लिए रुचि जगा सकता है, बल्कि बड़े छात्रों को सिद्धांत की अपनी अवधारणाओं को स्पष्ट करने में भी मदद करेगा क्योंकि अपनी अवधारणाओं को मजबूत करने के सर्वोत्तम तरीकों में से एक इसे दूसरों को समझाना है, विशेष रूप से छोटे बच्चों को इसकी आवश्यकता है आप अपने विचारों को बहुत ही सरल और स्पष्ट तरीके से तैयार करते हैं।

चरण 5: पुर्जे और आपूर्ति

गाड़ी को एक ही डिग्री की स्वतंत्रता देते हुए रेल के एक सेट पर स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति होगी। पेंडुलम और गाड़ी और रेल प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक भागों और आपूर्ति यहां दी गई हैं:

इलेक्ट्रॉनिक्स:

• एक Arduino संगत बोर्ड, कोई भी काम करेगा। यदि आप इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ बहुत अनुभवी नहीं हैं तो मैं एक ऊनो की सलाह देता हूं क्योंकि इसका पालन करना आसान होगा।
• एक Nema17 स्टेपर मोटर, जो गाड़ी के लिए एक्चुएटर के रूप में कार्य करेगी।
• एक स्टेपर मोटर ड्राइवर, एक बार फिर कुछ भी काम करेगा, लेकिन मैं A4988 स्टेपर मोटर ड्राइवर की सलाह देता हूं क्योंकि इसका पालन करना आसान होगा।
• एक MPU-6050 सिक्स-एक्सिस (Gyro + Accelerometer), जो पेंडुलम के कोण और कोणीय वेग जैसे विभिन्न मापदंडों का पता लगाएगा।
• एक 12v 10A बिजली की आपूर्ति, 10A वास्तव में इस विशिष्ट परियोजना के लिए एक मामूली ओवरकिल है, 3A से ऊपर कुछ भी काम करेगा, लेकिन अतिरिक्त वर्तमान को आकर्षित करने की संभावना होने से भविष्य के विकास की अनुमति मिलती है जहां अधिक बिजली की आवश्यकता हो सकती है।

हार्डवेयर:

• 16 x बीयरिंग, मैंने स्केटबोर्ड बीयरिंग का उपयोग किया और उन्होंने बहुत अच्छा काम किया
• 2 x GT2 पुली और बेल्ट
• 1.5-इंच पीवीसी पाइप के लगभग 2.4 मीटर
• 4 मिमी नट और बोल्ट का गुच्छा

इस परियोजना में उपयोग किए गए कुछ हिस्से 3डी प्रिंटेड भी थे, इसलिए 3डी प्रिंटर का होना बहुत उपयोगी होगा, हालांकि स्थानीय या ऑनलाइन 3डी प्रिंटिंग सुविधाएं आमतौर पर उपलब्ध हैं।

सभी भागों की कुल लागत 50$ से थोड़ी ही कम है (3D प्रिंटर को छोड़कर)

चरण 6: 3डी प्रिंटेड पार्ट्स

कार्ट और रेल सिस्टम के कुछ हिस्सों को कस्टम बनाया जाना था, इसलिए मैंने कैड फाइलों को मॉडल करने के लिए फ़्यूज़न 360 का उपयोग करने के लिए ऑटोडेस्क का उपयोग किया और उन्हें 3 डी प्रिंटर पर 3 डी प्रिंट किया।

कुछ हिस्से जो विशुद्ध रूप से 2D आकार के थे, जैसे कि पेंडुलम और गैन्ट्री बेड, लेजर-कट थे क्योंकि यह बहुत तेज था। सभी एसटीएल फाइलें नीचे ज़िप्ड फोल्डर में संलग्न हैं। यहां सभी भागों की पूरी सूची दी गई है:

• 2 एक्स गैन्ट्री रोलर
• 4 एक्स एंड कैप्स
• 1 एक्स स्टेपर ब्रैकेट
• 2 एक्स निष्क्रिय चरखी असर धारक
• 1 एक्स पेंडुलम धारक
• 2 एक्स बेल्ट अटैचमेंट
• 1 एक्स पेंडुलम असर धारक (ए)
• 1 एक्स पेंडुलम असर धारक (बी)
• 1 एक्स चरखी होल स्पेसर
• 4 एक्स असर होल स्पेसर
• 1 एक्स गैन्ट्री प्लेट
• 1 एक्स स्टेपर धारक प्लेट
• 1 एक्स निष्क्रिय चरखी धारक प्लेट
• 1 एक्स पेंडुलम (ए)
• 1 एक्स पेंडुलम (बी)

कुल मिलाकर 24 भाग हैं, जिन्हें प्रिंट होने में अधिक समय नहीं लगता है क्योंकि भाग छोटे होते हैं और एक साथ मुद्रित किए जा सकते हैं। इस निर्देश के दौरान, मैं इस सूची में नामों के आधार पर भागों का उल्लेख करूंगा।

चरण 7: गैन्ट्री रोलर्स को असेंबल करना

गैन्ट्री रोलर्स गाड़ी के पहियों की तरह होते हैं। ये पीवीसी ट्रैक के साथ लुढ़केंगे जो गाड़ी को न्यूनतम घर्षण के साथ आसानी से चलने देगा। इस चरण के लिए, दो ३डी प्रिंटेड गैन्ट्री रोलर्स, १२ बियरिंग्स और नट और बोल्ट का एक गुच्छा लें। आपको प्रति रोलर 6 बियरिंग्स की आवश्यकता होगी। नट और बोल्ट का उपयोग करके रोलर को बीयरिंग संलग्न करें (संदर्भ के रूप में चित्रों का उपयोग करें)। एक बार प्रत्येक रोलर बन जाने के बाद, उन्हें पीवीसी पाइप पर स्लाइड करें।

चरण 8: ड्राइव सिस्टम को असेंबल करना (स्टेपर मोटर)

गाड़ी एक मानक Nema17 स्टेपर मोटर द्वारा संचालित होने जा रही है। स्टेपर के साथ एक सेट के रूप में आने वाले शिकंजा का उपयोग करके मोटर को स्टेपर ब्रैकेट में जकड़ें। फिर स्टेपर होल्डर प्लेट पर ब्रैकेट को स्क्रू करें, प्लेट पर 4 के साथ ब्रैकेट पर 4 छेदों को संरेखित करें और दोनों को एक साथ सुरक्षित करने के लिए नट और बोल्ट का उपयोग करें। इसके बाद, मोटर के शाफ्ट पर GT2 चरखी को माउंट करें और अधिक नट और बोल्ट का उपयोग करके नीचे से स्टेपर धारक प्लेट में 2 एंडकैप संलग्न करें। एक बार हो जाने के बाद, आप पाइपों पर एंडकैप्स को स्लाइड कर सकते हैं। यदि पाइप पर एंडकैप लगाने के बजाय फिट बहुत सही है, तो मैं 3 डी प्रिंटेड एंडकैप की आंतरिक सतह को तब तक सैंड करने की सलाह देता हूं जब तक कि फिट ठीक न हो जाए।

चरण 9: ड्राइव सिस्टम को असेंबल करना (निष्क्रिय चरखी)

मैं जिन नट और बोल्ट का उपयोग कर रहा था, वे 4 मिमी व्यास के थे, हालांकि चरखी और बियरिंग्स पर छेद 6 मिमी थे, यही वजह है कि मुझे 3 डी प्रिंट एडेप्टर और उन्हें चरखी और बीयरिंग के छेद में धकेलना पड़ा ताकि वे न करें बोल्ट पर डगमगाना। यदि आपके पास सही आकार के नट और बोल्ट हैं, तो आपको इस चरण की आवश्यकता नहीं होगी।

बेयरिंग को निष्क्रिय चरखी असर धारक में फिट करें। एक बार फिर अगर फिट बहुत तंग है, तो निष्क्रिय चरखी असर धारक की भीतरी दीवार को हल्के से रेत करने के लिए सैंडपेपर का उपयोग करें। बीयरिंगों में से एक के माध्यम से एक बोल्ट पास करें, फिर बोल्ट पर एक चरखी पर्ची करें और दूसरे असर और निष्क्रिय चरखी असर धारक सेट के साथ दूसरे छोर को बंद करें।

एक बार यह हो जाने के बाद निष्क्रिय चरखी धारक धारकों की जोड़ी को निष्क्रिय चरखी धारक प्लेट पर संलग्न करें और पिछले चरण के समान, इस प्लेट के निचले हिस्से में एंडकैप संलग्न करें। अंत में, इन एंडकैप्स का उपयोग करके दो पीवीसी पाइपों के विपरीत छोर को कैप करें। इससे आपकी गाड़ी की रेलिंग पूरी हो जाती है।

चरण 10: गैन्ट्री को असेंबल करना

अगला कदम गाड़ी का निर्माण करना है। गैन्ट्री प्लेट और 4 नट और बोल्ट का उपयोग करके दो रोलर्स को एक साथ संलग्न करें। गैन्ट्री प्लेटों में स्लॉट होते हैं ताकि आप प्लेट की स्थिति को मामूली समायोजन के लिए समायोजित कर सकें।

इसके बाद, गैन्ट्री प्लेट के दोनों किनारों पर दो बेल्ट अटैचमेंट माउंट करें। उन्हें नीचे से संलग्न करना सुनिश्चित करें अन्यथा बेल्ट समान स्तर पर नहीं होगा। बोल्ट को नीचे से भी पास करना सुनिश्चित करें, क्योंकि अन्यथा, यदि बोल्ट बहुत लंबे हैं, तो वे बेल्ट के लिए रुकावट पैदा कर सकते हैं।

अंत में, नट और बोल्ट का उपयोग करके पेंडुलम धारक को गाड़ी के सामने से जोड़ दें।

चरण 11: पेंडुलम को इकट्ठा करना

सामग्री को बचाने के लिए पेंडुलम को दो टुकड़ों में बनाया गया था। आप दांतों को संरेखित करके और उन्हें सुपरग्लू करके दो टुकड़ों को एक साथ चिपका सकते हैं। छोटे बोल्ट व्यास की भरपाई करने के लिए फिर से असर वाले छेद वाले स्पेसर को दो बीयरिंगों में धकेलें और फिर बीयरिंगों को दो पेंडुलम असर धारक टुकड़ों के असर वाले छेद में धकेलें। पेंडुलम के निचले सिरे के प्रत्येक तरफ दो 3D प्रिंटेड भागों को जकड़ें और पेंडुलम असर वाले धारकों से गुजरने वाले 3 नट और बोल्ट का उपयोग करके 3 को एक साथ सुरक्षित करें। दो बीयरिंगों के माध्यम से एक बोल्ट पास करें और दूसरे छोर को संबंधित नट के साथ सुरक्षित करें।

इसके बाद, अपने MPU6050 को पकड़ें और इसे बढ़ते शिकंजा का उपयोग करके पेंडुलम के विपरीत छोर पर संलग्न करें।

चरण 12: पेंडुलम और बेल्ट को माउंट करना

अंतिम चरण गाड़ी पर पेंडुलम को माउंट करना है। बोल्ट को पास करके ऐसा करें जिसे आपने पहले दो पेंडुलम बियरिंग्स के माध्यम से पारित किया था, पेंडुलम धारक पर छेद के माध्यम से जो गाड़ी के सामने से जुड़ा हुआ है और गाड़ी पर पेंडुलम को सुरक्षित करने के लिए दूसरे छोर पर एक अखरोट का उपयोग करें।

अंत में, अपने GT2 बेल्ट को पकड़ें और सबसे पहले एक बेल्ट अटैचमेंट के एक छोर को सुरक्षित करें जो कार्ट पर जकड़ा हुआ है। इसके लिए, मैंने एक साफ-सुथरी 3D प्रिंट करने योग्य बेल्ट क्लिप का उपयोग किया जो बेल्ट के अंत में क्लिप करता है और इसे संकीर्ण स्लॉट से फिसलने से रोकता है। इस लिंक का उपयोग करके इस टुकड़े के लिए stls थिंगविवर्स पर पाया जा सकता है। स्टेपर पुली और निष्क्रिय चरखी के चारों ओर बेल्ट लपेटें और बेल्ट के दूसरे छोर को कार्ट के विपरीत छोर पर बेल्ट अटैचमेंट पीस से सुरक्षित करें। यह सुनिश्चित करते हुए बेल्ट को तनाव दें कि बहुत अधिक कस न जाए या इसे बहुत ढीला छोड़ दें और इससे आपका पेंडुलम और गाड़ी पूरी हो गई है!

चरण 13: वायरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स

वायरिंग में MPU6050 को Arduino से जोड़ना और ड्राइव सिस्टम की वायरिंग शामिल है। प्रत्येक घटक को जोड़ने के लिए ऊपर संलग्न वायरिंग आरेख का पालन करें।

MPU6050 से Arduino:

• GND से GND
• +5वी से +5वी
• एसडीए से ए4
• एससीएल से ए5
• इंट टू डी२

स्टेपर मोटर से स्टेपर ड्राइवर:

• कुंडल 1(ए) से 1ए
• कुंडल 1(बी) से 1बी
• कुंडल 2(ए) से 2ए
• कुंडल 2(बी) से 2बी

Arduino के लिए स्टेपर ड्राइवर:

• GND से GND
• VDD से +5v
• कदम से D3
• डीआईआर से डी२
• बिजली आपूर्ति के सकारात्मक टर्मिनल के लिए वीएमओटी
• बिजली आपूर्ति के ग्राउंड टर्मिनल के लिए जीएनडी

स्टेपर ड्राइवर पर स्लीप और रीसेट पिन को जम्पर से जोड़ा जाना चाहिए। और अंत में, बिजली आपूर्ति के सकारात्मक और जमीनी टर्मिनलों के समानांतर लगभग 100 uF के इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को जोड़ना एक अच्छा विचार है।

चरण 14: सिस्टम को नियंत्रित करना (आनुपातिक नियंत्रण)

प्रारंभ में, मैंने एक बुनियादी आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली की कोशिश करने का फैसला किया, यानी गाड़ी का वेग एक निश्चित कारक द्वारा कोण के समानुपाती होता है जो पेंडुलम ऊर्ध्वाधर के साथ बनाता है। यह केवल यह सुनिश्चित करने के लिए एक परीक्षण था कि सभी भाग सही ढंग से काम कर रहे हैं। हालांकि, यह बुनियादी आनुपातिक प्रणाली पेंडुलम को पहले से ही संतुलित करने के लिए पर्याप्त मजबूत थी। पेंडुलम हल्के धक्का और कुहनी से काफी मजबूती से मुकाबला कर सकता है। हालांकि इस नियंत्रण प्रणाली ने उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम किया, फिर भी इसमें कुछ समस्याएं थीं। यदि कोई निश्चित समय में IMU रीडिंग के ग्राफ पर एक नज़र डालता है, तो हम सेंसर रीडिंग में स्पष्ट रूप से दोलनों को देख सकते हैं। इसका तात्पर्य यह है कि जब भी नियंत्रक सुधार करने की कोशिश करता है, तो यह हमेशा एक निश्चित राशि से अधिक होता है, जो वास्तव में, आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली की प्रकृति है। एक अलग प्रकार के नियंत्रक को लागू करके इस मामूली त्रुटि को ठीक किया जा सकता है जो इन सभी कारकों को ध्यान में रखता है।

आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली के लिए कोड नीचे संलग्न है। कोड को कुछ अतिरिक्त पुस्तकालयों के समर्थन की आवश्यकता होती है जो MPU6050 पुस्तकालय, PID पुस्तकालय और AccelStepper पुस्तकालय हैं। इन्हें Arduino IDE के एकीकृत पुस्तकालय प्रबंधक का उपयोग करके डाउनलोड किया जा सकता है। बस स्केच पर जाएं >> लाइब्रेरी शामिल करें >> लाइब्रेरी प्रबंधित करें, और फिर सर्च बार में बस पीआईडी, एमपीयू 6050 और एक्सेलस्टेपर खोजें और बस इंस्टॉल बटन पर क्लिक करके उन्हें इंस्टॉल करें।

हालांकि, आप सभी के लिए मेरी सलाह है कि विज्ञान और गणित के प्रति उत्साही हैं, खरोंच से इस तरह के नियंत्रक का प्रयास करने और बनाने की कोशिश करेंगे। यह न केवल गतिकी और नियंत्रण सिद्धांतों के बारे में आपकी अवधारणाओं को मजबूत करेगा बल्कि आपको वास्तविक जीवन के अनुप्रयोगों में अपने ज्ञान को लागू करने का अवसर भी देगा।

चरण 15: सिस्टम को नियंत्रित करना (PID नियंत्रण)

आम तौर पर, वास्तविक जीवन में, एक बार जब एक नियंत्रण प्रणाली अपने आवेदन के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत साबित हो जाती है, तो इंजीनियर आमतौर पर अधिक जटिल नियंत्रण प्रणालियों का उपयोग करके परिस्थितियों को जटिल बनाने के बजाय परियोजना को पूरा करते हैं। लेकिन हमारे मामले में, हम इस उल्टे पेंडुलम का निर्माण विशुद्ध रूप से शैक्षिक उद्देश्य के लिए कर रहे हैं। इसलिए हम पीआईडी नियंत्रण जैसी अधिक जटिल नियंत्रण प्रणालियों की ओर बढ़ने की कोशिश कर सकते हैं, जो एक बुनियादी आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली की तुलना में कहीं अधिक मजबूत साबित हो सकती हैं।

हालांकि पीआईडी नियंत्रण लागू करने के लिए कहीं अधिक जटिल था, एक बार सही ढंग से लागू करने और सही ट्यूनिंग पैरामीटर खोजने के बाद, पेंडुलम काफी बेहतर संतुलित होता है। इस बिंदु पर, यह हल्के झटकों का भी मुकाबला कर सकता है। एक निश्चित समय (ऊपर संलग्न) में IMU से रीडिंग यह भी साबित करती है कि रीडिंग कभी भी वांछित सेटपॉइंट के लिए बहुत दूर नहीं जाती है, यानी ऊर्ध्वाधर, यह दर्शाता है कि यह नियंत्रण प्रणाली बुनियादी आनुपातिक नियंत्रण से कहीं अधिक प्रभावी और मजबूत है।.

एक बार फिर, आप सभी के लिए मेरी सलाह जो विज्ञान और गणित के प्रति उत्साही हैं, नीचे दिए गए कोड का उपयोग करने से पहले खरोंच से एक पीआईडी नियंत्रक बनाने का प्रयास करना होगा। इसे एक चुनौती के रूप में लिया जा सकता है, और कोई कभी नहीं जानता, कोई नियंत्रण प्रणाली के साथ आ सकता है जो अब तक की कोशिश की गई किसी भी चीज़ से कहीं अधिक मजबूत है।हालांकि Arduino के लिए एक मजबूत PID लाइब्रेरी पहले से ही उपलब्ध है जिसे ब्रेट ब्यूरगार्ड द्वारा विकसित किया गया था जिसे Arduino IDE पर लाइब्रेरी मैनेजर से इंस्टॉल किया जा सकता है।

नोट: प्रत्येक नियंत्रण प्रणाली और उसके परिणाम को पहले चरण में संलग्न वीडियो में प्रदर्शित किया गया है।

चरण 16: और सुधार

जिन चीजों का मैं प्रयास करना चाहता था, उनमें से एक "स्विंग-अप" फ़ंक्शन था, जहां पेंडुलम शुरू में गाड़ी के नीचे लटका हुआ होता है और गाड़ी पेंडुलम को लटकने से रोकने के लिए ट्रैक के साथ कुछ तेज ऊपर और नीचे की गति करती है। एक उल्टा स्थिति में उलटी स्थिति। लेकिन यह वर्तमान कॉन्फ़िगरेशन के साथ करने योग्य नहीं था क्योंकि एक लंबी केबल को जड़त्वीय माप इकाई को Arduino से जोड़ना था, इसलिए पेंडुलम द्वारा किए गए एक पूर्ण सर्कल ने केबल को मोड़ और रोक दिया हो सकता है। इस मुद्दे को पेंडुलम की धुरी से जुड़े एक रोटरी एन्कोडर का उपयोग करके निपटाया जा सकता है, न कि इसके सिरे पर एक जड़त्वीय माप इकाई के बजाय। एक एनकोडर के साथ, इसका शाफ्ट एकमात्र ऐसी चीज है जो पेंडुलम के साथ घूमती है, जबकि शरीर स्थिर रहता है जिसका अर्थ है कि केबल मुड़ेंगे नहीं।

एक दूसरी विशेषता जो मैं कोशिश करना चाहता था, वह थी गाड़ी पर एक डबल पेंडुलम को संतुलित करना। इस प्रणाली में एक के बाद एक जुड़े हुए दो पेंडुलम होते हैं। हालांकि ऐसी प्रणालियों की गतिशीलता कहीं अधिक जटिल है और इसके लिए बहुत अधिक शोध की आवश्यकता है।

चरण 17: अंतिम परिणाम

इस तरह का एक प्रयोग कक्षा के मूड को सकारात्मक तरीके से बदल सकता है। आम तौर पर, ज्यादातर लोग अवधारणाओं और विचारों को क्रिस्टलाइज करने में सक्षम होना पसंद करते हैं, अन्यथा, विचार "हवा में" रहते हैं जिससे लोग उन्हें और अधिक तेज़ी से भूल जाते हैं। यह कक्षा के दौरान सीखी गई कुछ अवधारणाओं को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग में लागू करने का सिर्फ एक उदाहरण था, हालांकि यह निश्चित रूप से छात्रों में सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए अपने स्वयं के प्रयोगों के साथ प्रयास करने और आने के लिए उत्साह पैदा करेगा, जो उनकी भविष्य की कक्षाओं को और अधिक बना देगा। जीवंत, जो उन्हें और अधिक सीखने के लिए प्रेरित करेगा, जो उन्हें नए प्रयोगों के साथ लाएगा और यह सकारात्मक चक्र तब तक जारी रहेगा जब तक कि भविष्य की कक्षाएँ ऐसे मज़ेदार और मनोरंजक प्रयोगों और परियोजनाओं से भरी न हों।

मुझे आशा है कि यह कई और प्रयोगों और परियोजनाओं की शुरुआत होगी! यदि आपको यह निर्देश पसंद आया और यह मददगार लगा, तो कृपया "कक्षा विज्ञान प्रतियोगिता" में नीचे एक वोट दें और किसी भी टिप्पणी या सुझाव का स्वागत है! शुक्रिया!:)

कक्षा विज्ञान प्रतियोगिता में उपविजेता