Simulação e Controle

Pêndulo Invertido Linear

Pêndulo Invertido Linear

O IP02 é o módulo mais simples de controle do movimento linear.

Pêndulo Linear Invertido

Exercite o conceito de pêndulo linear invertido e guindaste pórtico (gantry) com 1 grau de liberdade!

O IP02 é o módulo mais simples utilizado em experimentos relacionados ao movimento linear. É constituído essencialmente por um dispositivo de alumínio acionado por um motor de corrente contínua. Este dispositivo desliza ao longo de um eixo de aço inoxidável através de rolamentos deslizantes e de um mecanismo pinhão-cremalheira assegurando ao sistema dinâmico uma tração segura e contínua. A posição linear do dispositivo é detectada através de um sensor óptico de alta resolução e através de um pinhão adicional o eixo motor se acopla ao trilho. Este dispositivo é ainda instrumentado com uma junta rotativa com sensor óptico embutido onde uma haste oscilante pode ser acoplada.

 

Somente com a base do experimento, os alunos aprenderão a:

 

  • derivar a equação dinâmica que representa a planta servo de movimento linear usando "first-principles"
  • encontrar uma função de transferência, que descreve o movimento linear do carrinho
  • desenvolver um proportional-velocity feedback, para controlar a posição do carrinho
  • projetar um lead compensator para controlar a velocidade do carrinho
  • simular os controladores utilizando o modelo de planta para garantir que as especificações sejam atendidas
  • implementar os controladores do sistema e avaliar o seu desempenho

Acoplando o módulo de pêndulo invertido (já incluso no sistema) os alunos serão capazes de experimentar:

 

  • Experimento Pêndulo Classico - aprendendo a equilibrar uma haste vertical, movendo um carrinho
  • Experimento Guindaste Pórtico (Gantry) - aprendizagem para mitigar movimentos do pêndulo para baixo sobre o carro em movimento
  • Experimento de Pêndulo Auto-erétil - aprender a projetar um controlador que oscila o pêndulo e manté-lo na posição vertical
  • High quality MICROMO™ DC motor and gearbox
  • High resolution optical encoders to sense position of the cart and pendulum angels
  • Pendulum easily attaches to front shaft of the Linear Servo Base Unit
  • Two pendulum sizes supplied: medium and long
  • Seven add-on modules to expand the use of the base unit (modules can be purchased separately)
  • Easy-connect cables and connectors
  • High quality aluminum chassis with precision-crafted parts
  • Fully compatible with MATLAB®/Simulink® and LabVIEW™
  • Fully documented system models and parameters provided for MATLAB®, Simulink®, LabVIEW™ and Maple™
  • Open architecture design, allowing users to design their own controller
Rack dimensions (L x W x H)  102 cm x 15 cm x 6.1 cm
Cart travel 81.4 cm
Pendulum workspace (L x W x H) 219 cm x 30 cm x 127 cm (56 cm below the desk surface)
Cart mass 0.38 kg
Cart weight mass 0.37 kg
Motor nominal input voltage 6 V
Motor maximum continuous current (recommended) 1 A
Motor maximum speed (recommended)  6000 RPM
Planetary gear box ratio 3.71
Cart encoder resolution (in quadrature)  4096 counts/rev
Medium pendulum mass (with T-fitting)  0.127 kg
Medium pendulum length (pivot to tip)  33.65 cm
Long pendulum mass 0.230 kg
Long pendulum length (pivot to tip)  64.13 cm
Pendulum encoder resolution (in quadrature) 4096 count/rev

Tópicos incluidos no courseware Quanser em idioma Inglês:

Modeling Topics - Linear Servo Base Unit

  • Derivation of dynamic model from first-principles
  • Transfer function representation
  • Model validation

Modeling Topics - Inverted Pendulum module

  • Derivation of dynamic model using Lagrange
  • State-space representation
  • Linearization

Control Topics - Linear Servo Base Unit

  • PID
  • Lead compensator design

Control Topics - Inverted Pendulum module

  • Linear-quadratic regulator (LQR)
  • Hybrid control
  • Pole placement
  • Energy-based/non-linear control
     

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 for LabVIEW™ users
1x Q2-USB data acquisition device¹ 1x NI CompactRIO controller with 1x Quanser Q1-CRIO module²
1x VoltPAQ-X1 linear voltage amplifier 1x VoltPAQ-X1 linear voltage amplifier
QUARC real-time control software Rapid Control Prototyping Toolkit software
¹ alternatively, you can use Q8-USB, QPIDe or any equivalent NI DAQ device supported by QUARC
² alternatively, you can use Q2-USB, Q8-USB, QPIDe or any equivalent NI DAQ device supported by RCP Toolkit

Download

  1. Pêndulo Linear Invertido - Ficha Técnica do Produto
  2. Material didático para LabVIEW
  3. Material didático para MATLAB/Simulink
  4. Artigos internacionais publicados utilizando este equipamento

 

Veja alguns videos do experimento em funcionamento:

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