fbpx
วิกิพีเดีย

เพนดูลัมผกผัน

เพนดูลัมผกผัน (อังกฤษ: Inverted pendulum) เป็นปัญหาพื้นฐานที่ใช้ในการเรียนการสอนและในการสาธิตการประยุกต์ทฤษฎีระบบควบคุม เพนดูลัมผกผันเป็นระบบที่มีจุดสมดุลอยู่รอบแกนหมุนด้วยกันสองจุด ได้แก่จุดที่เพนดูลัมตั้งตรงอยู่ในแนวดิ่ง และจุดที่เพนดูลัมอยู่ทิ้งตัวลงในดิ่ง แต่จุดที่มีเสถียรภาพเมื่อไม่มีตัวควบคุมนั้นจะมีจุดเดียวคือ จุดที่แกนทิ้งตัวลงเท่านั้น ไม่ว่าเราจะปล่อยเพนดูลัมที่จุดใดก็ตาม เพนดูลัมจะตกลงสู่จุดนี้เสมอ การที่จะทำให้เพนดูลัมนี้สามารถตั้งตรงในแนวดิ่งได้นั้นขึ้นกับการใส่ตัวควบคุมที่เหมาะสมเข้าไปในระบบซึ่งมีได้หลากหลายวิธี และอีกทั้งยังสามารถออกแบบตัวควบคุมให้เป็นเชิงเส้น หรือแบบไม่เชิงเส้นก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ออกแบบและความเหมะสม

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเพนดูลัมผกผันสามารถประยุกต์ใช้กับระบบควบคุมการทรงตัวของพาหนะอย่าง เซกเวย์ (Segway)ได้

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเพนดูลัมผกผัน

ในที่นี้เราจะหาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเพนดูลัมผกผันโดยใช้กลศาสตร์แบบลากรางจ์ (Lagrange's equations) และตั้งสมุมติฐานเพื่อความง่ายต่อความเข้าใจและยังคงไม่สูญเสียความเป็นรูปแบบทั่วไปว่าระบบเคลื่อนที่อยู่ในระนาบ 2 มิติ แกน   ได้เท่านั้น โดยตัวแปรต่างๆเราจะอ้างอิงตัวแปรเดียวกับที่ปรากฏในภาพ กล่าวคือ   คือ มุมที่แท่งเพนดูลัมทำกับแนวตั้งฉากกับพื้นโลก และให้แท่งเพนดูลัมมีความยาว   ให้แรงจากภายนอกเป็น   กระทำในทิศ   ดังภาพ และแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำในแนวแกน   และกำหนดให้   เป็นระยะของรถในแกน   ที่แปรผันตามเวลา และสมการลากรางจ์ (Lagrangian) ของระบบเป็นดังต่อไปนี้   โดย   คือพลังงานจลน์ของระบบ และ   คือพลังงานศักย์ของระบบ

 
รูปภาพแสดงรูปแบบของเพนดุลัมผกผันและตัวแปรที่ใช้ในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

 
โดย   เป็นความเร็วของของตัวรถ   เป็นความเร็วของจุดศูนย์กลางมวล   ของมวลบนแท่งเพนดูลัม.
ทั้งนี้   และ   สามารถเขียนให้อยู่ในรูปของ   และ   ดังต่อไปนี้

 
 

ทำการลดรูป   ได้ผลเป็น

 

แทนสมการข้างต้นลงในสมการลากรางจ์ ได้ว่า:

 

และสมการการเคลื่อนที่:

 
 

แทนที่   ในสมการข้างต้นจะได้สมการที่อธิบายการเลือนที่ของเพนดูลัมแบบผกผันดังนี้

 
 

จะเห็นได้ว่าสมการที่ได้เป็นสมการไม่เชิงเส้นซึ่งยากที่จะนำไปออกแบบตัวควบคุม ในทางปฏิบัติผู้ออกแบบจะนิยมแปรงสมการไม่เชิงเส้นให้เป็นสมการเชิงเส้นก่อน โดยสมมุติว่าแท่งเพนดุลัมแกว่งอยู่ในช่วงมุมเล็กๆซึ่งประมาณเป็น   ได้ (   ) ทั้งนี้เพื่อความง่ายต่อการออกแบบตัวควบคุม และง่ายต่อการอธิบายพฤติกรรมของระบบ

ดูเพิ่ม

อ้างอิง

  1. เดวิด บรรเจิดพงศ์ชัย, ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย "ระบบควบคุมพลวัต การวิเคราะห์ การออกแบบ และการประยุกต์ (Dynamical Control Systems Analysis, Design and Applications)" สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2551 (ISBN 978-974-03-2205-4)
  2. M.W. Spong and M. Vidyasagar. Dynamics and Control of Root Manipulators. John Wiley, 1989
  3. Katsuhiko Ogata, Modern control engineering (Edition 5), Prentice Hall, 2010, ISBN 0136156738,9780136156734
  4. [1] Simple Inverted Pendulum Cart Dynamics Lagrangian Development by Jaspen Patenaude

แหล่งข้อมูลอื่น

  • สื่อการสอนเกี่ยวกับทฤษฎีระบบควบคุม มีตัวอย่างเป็นเพนดูลัมแบบผกผัน ของ มหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน
  • Katsuhiko Ogata, Modern control engineering (Edition 5), Prentice Hall, 2010, ISBN 0136156738,9780136156734
  • Franklin; et al. (2005). Feedback control of dynamic systems, 5, Prentice Hall. ISBN 0-13-149930-0
  • Norman S. Nise, Control Systems Engineering (Edition 6), John Wiley & Sons, 2010, ISBN 0470547561, 9780470547564
  • เดวิด บรรเจิดพงศ์ชัย, ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย "ระบบควบคุมพลวัต การวิเคราะห์ การออกแบบ และการประยุกต์ (Dynamical Control Systems Analysis, Design and Applications)" สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2551 (ISBN 978-974-03-2205-4)
  • วิบูลย์ แสงวีระพันธุ์ศิริ, ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย "การควบคุมระบบพลศาสตร์ (Control of Dynamic Systems)" สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2548 (ISBN 974-13-3393-5)

เพนด, มผกผ, งก, ามภาษา, ในบทความน, ไว, ให, านและผ, วมแก, ไขบทความศ, กษาเพ, มเต, มโดยสะดวก, เน, องจากว, เด, ยภาษาไทยย, งไม, บทความด, งกล, าว, กระน, ควรร, บสร, างเป, นบทความโดยเร, วท, งกฤษ, inverted, pendulum, เป, นป, ญหาพ, นฐานท, ใช, ในการเร, ยนการสอนและในการสา. lingkkhamphasa inbthkhwamni miiwihphuxanaelaphurwmaekikhbthkhwamsuksaephimetimodysadwk enuxngcakwikiphiediyphasaithyyngimmibthkhwamdngklaw krann khwrribsrangepnbthkhwamodyerwthisudephndulmphkphn xngkvs Inverted pendulum epnpyhaphunthanthiichinkareriynkarsxnaelainkarsathitkarprayuktthvsdirabbkhwbkhum ephndulmphkphnepnrabbthimicudsmdulxyurxbaeknhmundwyknsxngcud idaekcudthiephndulmtngtrngxyuinaenwding aelacudthiephndulmxyuthingtwlnginding aetcudthimiesthiyrphaphemuximmitwkhwbkhumnncamicudediywkhux cudthiaeknthingtwlngethann imwaeracaplxyephndulmthicudidktam ephndulmcatklngsucudniesmx karthicathaihephndulmnisamarthtngtrnginaenwdingidnnkhunkbkaristwkhwbkhumthiehmaasmekhaipinrabbsungmiidhlakhlaywithi aelaxikthngyngsamarthxxkaebbtwkhwbkhumihepnechingesn hruxaebbimechingesnkid thngnikhunxyukbkhwamtxngkarkhxngphuxxkaebbaelakhwamehmasm 1 aebbcalxngthangkhnitsastrkhxngephndulmphkphnsamarthprayuktichkbrabbkhwbkhumkarthrngtwkhxngphahnaxyang eskewy Segway id enuxha 1 aebbcalxngthangkhnitsastrkhxngephndulmphkphn 2 3 2 duephim 3 xangxing 4 aehlngkhxmulxunaebbcalxngthangkhnitsastrkhxngephndulmphkphn 2 3 aekikhinthinieracahaaebbcalxngthangkhnitsastrkhxngephndulmphkphnodyichklsastraebblakrangc Lagrange s equations aelatngsmumtithanephuxkhwamngaytxkhwamekhaicaelayngkhngimsuyesiykhwamepnrupaebbthwipwarabbekhluxnthixyuinranab 2 miti aekn x y displaystyle x y idethann odytwaeprtangeracaxangxingtwaeprediywkbthipraktinphaph klawkhux 8 t displaystyle theta t khux mumthiaethngephndulmthakbaenwtngchakkbphunolk aelaihaethngephndulmmikhwamyaw l displaystyle l ihaerngcakphaynxkepn F displaystyle F krathainthis x displaystyle x dngphaph aelaaerngonmthwngkhxngolkkrathainaenwaekn y displaystyle y aelakahndih x t displaystyle x t epnrayakhxngrthinaekn x displaystyle x thiaeprphntamewla aelasmkarlakrangc Lagrangian khxngrabbepndngtxipni 4 L T V displaystyle L T V ody T displaystyle T khuxphlngnganclnkhxngrabb aela V displaystyle V khuxphlngnganskykhxngrabb rupphaphaesdngrupaebbkhxngephndulmphkphnaelatwaeprthiichinkarsrangaebbcalxngthangkhnitsastr L 1 2 M v 1 2 1 2 m v 2 2 m g ℓ cos 8 displaystyle L frac 1 2 Mv 1 2 frac 1 2 mv 2 2 mg ell cos theta ody v 1 displaystyle v 1 epnkhwamerwkhxngkhxngtwrth v 2 displaystyle v 2 epnkhwamerwkhxngcudsunyklangmwl m displaystyle m khxngmwlbnaethngephndulm thngni v 1 displaystyle v 1 aela v 2 displaystyle v 2 samarthekhiynihxyuinrupkhxng x displaystyle x aela 8 displaystyle theta dngtxipni v 1 2 x 2 displaystyle v 1 2 dot x 2 v 2 2 d d t x ℓ sin 8 2 d d t ℓ cos 8 2 displaystyle v 2 2 left frac d dt left x ell sin theta right right 2 left frac d dt left ell cos theta right right 2 thakarldrup v 2 displaystyle v 2 idphlepn v 2 2 x 2 2 ℓ x 8 cos 8 ℓ 2 8 2 displaystyle v 2 2 dot x 2 2 ell dot x dot theta cos theta ell 2 dot theta 2 aethnsmkarkhangtnlnginsmkarlakrangc idwa L 1 2 M m x 2 m ℓ x 8 cos 8 1 2 m ℓ 2 8 2 m g ℓ cos 8 displaystyle L frac 1 2 left M m right dot x 2 m ell dot x dot theta cos theta frac 1 2 m ell 2 dot theta 2 mg ell cos theta aelasmkarkarekhluxnthi d d t L x L x F displaystyle frac mathrm d mathrm d t partial L over partial dot x partial L over partial x F d d t L 8 L 8 0 displaystyle frac mathrm d mathrm d t partial L over partial dot theta partial L over partial theta 0 aethnthi L displaystyle L insmkarkhangtncaidsmkarthixthibaykareluxnthikhxngephndulmaebbphkphndngni M m x m ℓ 8 cos 8 m ℓ 8 2 sin 8 F displaystyle left M m right ddot x m ell ddot theta cos theta m ell dot theta 2 sin theta F ℓ 8 g sin 8 x cos 8 displaystyle ell ddot theta g sin theta ddot x cos theta caehnidwasmkarthiidepnsmkarimechingesnsungyakthicanaipxxkaebbtwkhwbkhum inthangptibtiphuxxkaebbcaniymaeprngsmkarimechingesnihepnsmkarechingesnkxn odysmmutiwaaethngephndulmaekwngxyuinchwngmumelksungpramanepn 0 displaystyle 0 id 8 0 displaystyle theta approx 0 thngniephuxkhwamngaytxkarxxkaebbtwkhwbkhum aelangaytxkarxthibayphvtikrrmkhxngrabbduephim aekikhthvsdirabbkhwbkhum Segway ephndulmphkphnaebbfuruta Furuta pendulum xangxing aekikh edwid brrecidphngschy phakhwichawiswkrrmiffa khnawiswkrrmsastr culalngkrnmhawithyaly rabbkhwbkhumphlwt karwiekhraah karxxkaebb aelakarprayukt Dynamical Control Systems Analysis Design and Applications sankphimphaehngculalngkrnmhawithyaly 2551 ISBN 978 974 03 2205 4 M W Spong and M Vidyasagar Dynamics and Control of Root Manipulators John Wiley 1989 Katsuhiko Ogata Modern control engineering Edition 5 Prentice Hall 2010 ISBN 0136156738 9780136156734 1 Simple Inverted Pendulum Cart Dynamics Lagrangian Development by Jaspen Patenaudeaehlngkhxmulxun aekikhsuxkarsxnekiywkbthvsdirabbkhwbkhum mitwxyangepnephndulmaebbphkphn khxngmhawithyalykharenkiemllxn Katsuhiko Ogata Modern control engineering Edition 5 Prentice Hall 2010 ISBN 0136156738 9780136156734 Franklin et al 2005 Feedback control of dynamic systems 5 Prentice Hall ISBN 0 13 149930 0 Norman S Nise Control Systems Engineering Edition 6 John Wiley amp Sons 2010 ISBN 0470547561 9780470547564 edwid brrecidphngschy phakhwichawiswkrrmiffa khnawiswkrrmsastr culalngkrnmhawithyaly rabbkhwbkhumphlwt karwiekhraah karxxkaebb aelakarprayukt Dynamical Control Systems Analysis Design and Applications sankphimphaehngculalngkrnmhawithyaly 2551 ISBN 978 974 03 2205 4 wibuly aesngwiraphnthusiri phakhwichawiswkrrmekhruxngkl khnawiswkrrmsastr culalngkrnmhawithyaly karkhwbkhumrabbphlsastr Control of Dynamic Systems sankphimphaehngculalngkrnmhawithyaly 2548 ISBN 974 13 3393 5 ekhathungcak https th wikipedia org w index php title ephndulmphkphn amp oldid 9269167, wikipedia, วิกิ หนังสือ, หนังสือ, ห้องสมุด,

บทความ

, อ่าน, ดาวน์โหลด, ฟรี, ดาวน์โหลดฟรี, mp3, วิดีโอ, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, รูปภาพ, เพลง, เพลง, หนัง, หนังสือ, เกม, เกม