Pendulum Lab

Pendulum Lab là một công cụ mô phỏng trực quan, tương tác được thiết kế dành cho sinh viên kỹ thuật, nhà giáo dục và những người đam mê hệ thống điều khiển. Khám phá những nguyên lý cơ bản của lý thuyết điều khiển cổ điển và hiện đại bằng cách ổn định một con lắc ngược trên một xe đẩy trong thời gian thực.

Thu hẹp khoảng cách giữa phương trình vi phân và kỹ thuật thực tế thông qua phản hồi trực quan, thực hành.

🔑 Các tính năng chính

🕹️ Chạm trực tiếp & Vật lý tương tác

• Vuốt để gây nhiễu: Chạm hoặc vuốt trực tiếp trên khung vẽ con lắc để áp dụng các lực xung do người dùng định nghĩa và kiểm tra khả năng loại bỏ nhiễu của bộ điều khiển.

• Tích hợp ODE thời gian thực: Bộ giải vật lý độ chính xác cao chạy các phương trình chuyển động phi tuyến liên tục ở tốc độ 60 khung hình/giây.

• Tham số hệ thống có thể điều chỉnh: Thay đổi khối lượng xe đẩy ($M$), chiều dài con lắc ($l$), khối lượng thanh ($m$) và hệ số ma sát ngay lập tức.

🎛️ Các thuật toán điều khiển cổ điển và hiện đại

• PID và PID xếp tầng: Điều chỉnh hệ số khuếch đại tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Tìm hiểu lý do tại sao PID đơn giản không hoạt động và cách các vòng lặp góc-vị trí xếp tầng giải quyết hiện tượng trôi xe đẩy.

• Không gian trạng thái và LQR: Thiết kế bộ điều chỉnh bậc hai tuyến tính bằng cách điều chỉnh ma trận trọng số trạng thái ($Q$) và ma trận lực điều khiển ($R$).

• Các chiến lược điều khiển nâng cao: Thử nghiệm với các thuật toán điều khiển mạnh mẽ, chế độ trượt và thích ứng để xử lý động lực hệ thống không được mô hình hóa.

📊 Trực quan hóa thời gian thực động

• Đồ thị dao động ký trực tiếp: Theo dõi đồng thời sai số góc ($\theta$), độ dịch chuyển của xe đẩy ($x$) và đầu ra lực điều khiển ($u$).

• Biểu đồ pha: Vẽ vận tốc góc ($\dot{\theta}$) so với góc ($\theta$) để trực quan hóa các vùng ổn định, chu kỳ giới hạn và các điểm hấp dẫn của hệ thống.

• Dấu hiệu xung lực: Các mũi tên vectơ lực trực quan và cờ sự kiện trên biểu đồ sẽ kích hoạt ngay khi bạn chạm vào màn hình.

⚠️ Những khiếm khuyết phần cứng thực tế

Bật các ràng buộc kỹ thuật thực tế để xem các bộ điều khiển thực tế phản ứng như thế nào ngoài các phép toán lý tưởng:

• Bão hòa bộ truyền động & Tích phân tích lũy: Đặt giới hạn mô-men xoắn tối đa của động cơ.

• Nhiễu cảm biến: Chèn nhiễu Gaussian vào các phép đo trạng thái để kiểm tra hiệu suất bộ lọc đạo hàm.

• Độ trễ lấy mẫu: Giảm tốc độ cập nhật vòng lặp (10 Hz – 100 Hz) để phân tích các hiệu ứng rời rạc hóa.

🎓 Phòng thí nghiệm con lắc dành cho ai?

• Kỹ sư điện, cơ khí và cơ điện tử đang học lý thuyết điều khiển phản hồi.

• Giáo sư và nhà giáo dục đang tìm kiếm một công cụ hỗ trợ trực quan dễ hiểu cho các bài giảng và trình diễn thí nghiệm.

• Những người đam mê và nhà phát triển robot đang thử nghiệm thiết kế thuật toán điều khiển trên thiết bị di động.

Tải xuống Pendulum Lab ngay hôm nay và biến những phép toán phức tạp về hệ thống điều khiển thành một sân chơi trực quan, tương tác!