Simulação e Controle

High Fidelity Linear Cart System

High Fidelity Linear Cart System

Uma plataforma que te leva do pêndulo simples invertido ao triplo invertido!!

O sistema HFLC é ideal para introduzir conceitos de controle avançado e teorias relevantes para aplicações do mundo real de servo-motores, elevando o clássico desafio do pêndulo invertido para o próximo nível com uma série de experimentos incluindo: duplo, em par e triplo pêndulos invertidos. Os alunos aprenderão a:

  • encontrar uma função de transferência que descreva o movimento linear do carrinho
  • desenvolver um sistema de feedback para controlar a posição e velocidade do carrinho
  • projetar um sistema de controle de estado-feedback para controlar um carrinho na posição desejada, minimizando a oscilação de um único pêndulo suspenso / pêndulo duplo / triplo pêndulo
  • projetar um sistema de controle de estado-feedback que mantém um pêndulo invertido / dois pêndulos invertidos independentes / um pêndulo invertido duplo / um pêndulo invertido triplo equilibrado e comandando a posição do carrinho
  • projetar um sistema de controle de modo de faça um swing-up para balançar um único pêndulo e equilibrá-lo na posição vertical
  • implementar os controladores no sistema atual e avaliar o seu desempenho adicionando mais complexidade ao mesmo com uma junta flexível.

Em adição aos 5 pêndulos diferentes fornecidos (três pêndulos simples, um duplo e um triplo), uma junta linear flexível pode ser conectada ao carrinho do HFLC para criar experimentos com maior complexidade. Os alunos aprenderão a projetar um sistema de controle de estado-feedback que regula a posição do carrinho HFLC e a junta flexível para um ponto de ajuste desejado, enquanto a mola é amortecida.

 

Base HFLC 

Pêndulo Simples

Pêndulo Duplo

Dois Pêndulos

Pêndulo Triplo

Junta Flexível

 

Como Funciona?

O sistema HFLC consiste em um carrinho de alumínio sólido precisamente usinado impulsionado por um motor DC brushless de 3 fases de uma alta potência. O carrinho desliza ao longo de dois trilhos de guia de aço com rolamentos lineares de auto-alinhamento para o movimento linear real. O eixo do motor tem um pinhão que anda em uma pista-cremalheira que permite o carrinho se mover de uma forma linear. Ambos cremalheira e pinhão são feitos de aço endurecido e com uma tolerância apertada. O mecanismo de cremalheira e pinhão elimina efeitos indesejáveis encontrados em sistemas acionados por correia e roda livre, como derrapagem ou afrouxamento de correia, garantindo tração consistente e contínua.

O conjunto completo repousa sobre uma base alumínio sólida para garantir a linearidade, rigidez e apoio. Com este design, o sistema de posicionamento linear pode obter alta velocidade, aceleração e repetibilidade.

O carrinho também é equipado com duas juntas rotativas com rolamentos de esferas para a fixação das hastes de pêndulo de livre rotação. As hastes podem ser controladas individualmente ou em combinação para realizar uma variedade de experiências com o aumento da complexidade do experimento. 

O eixo do motor é acoplado a um sensor ótico de alta resolução que mede com precisão a posição do carrinho. Os ângulos de ambos os pêndulos são também medidos pelos sensores óticos, permitindo múltiplas voltas e de medição contínua, ao longo de toda a gama de movimento.

 

 

Currículo desenvolvido pela Quanser incluso

O sistema HFLC vem com um currículo totalmente criado pela Quanser: Manual do Instrutor com exercícios, Manual do Usuário e Controladores pré-projetados que permitem uma rápida utilização do potencial do equipamento, economizando meses de desenvolvimento para a concepção desse material.

 

 

  • Precisely machined solid aluminum cart
  • High-power 3-phase brushless DC motor
  • Rack-and-pinion mechanism for consistent and continuous traction
  • Five different pendulums provided with the system: three single pendulums of different length, one double and one triple pendulum
  • Optional Linear Flexible Joint module (can be purchased separately)
  • High resolution optical encoders to sense position and angles
  • Easy-connect cables and connectors
  • Fully compatible with MATLAB®/Simulink®
  • Fully documented system models and parameters provided for MATLAB®, Simulink® and Maple™
  • Open architecture design, allowing users to design their own controller

 

Rack dimensions (L x W x H)  1.1 m x 0.31 m x 0.18 m
Cart system mass 3.22 kg
Motor current-torque constant 0.36 N.m/A
Motor armature resistance  2.94 W
Motor peak torque 4.82 N.m
Motor peak current 15.6 A
Motor maximum mechanical speed 838 rad/s
Rotor moment of inertia 2.7 x 10-5 kg.m²
Motor pinion radius 1.11 x 10-³ m
Cart encoder linear position sensitivity  8.523 x 10-6 m/count
Cart encoder resolution (in quadrature) 8192 counts/rev
Pendulum encoder resolution (in quadrature)   4096 counts/rev
Rear pendulum mechanical range ± 30.9 deg
Short pendulum length (pivot to tip)  20.96 cm
Short pendulum mass 0.072 kg
Medium pendulum length (pivot to tip) 33.65 cm
Medium pendulum mass 0.127 kg
Long pendulum length (pivot to tip) 64.13 cm
Long pendulum mass 0.230 kg
Mini pendulum length (pivot to tip) 0.0953 cm
Mini pendulum mass  0.0257 kg

Tópicos incluidos no courseware Quanser em idioma Inglês:

  • Derivation of dynamic model from first-principles
  • Derivation of dynamic model using Lagrange
  • Transfer function representation
  • State-space representation
  • Model validation
  • PID control
  • State-feedback / LQR control
  • Swing-up / balance control
  • Vibration control (with Linear Flexible Joint)

O equipamento também pode ser usado para ensinar outros tópicos que não estão incluídos no currículo desenvolvido pela Quanser.

 

Para configurar essa estação, você precisará dos seguintes componentes recomendados pela engenharia da Quanser:

for MATLAB®/Simulink® users  
1x Q8 data acquisition device  
1x UPM-180-25B amplifier  
QUARC real-time control software 

 

 

Download

  1. Sistema HFLC - Ficha técnica do produto

  2. Material didático Matlab/Simulink

  3. Artigos internacionais publicados utilizando este equipamento

Veja alguns videos do experimento em funcionamento:

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