دراسة حالة شاملة: تصميم و نمذجة و محاكاة و تنفيذ تجريبي و تقييم إستراتيجيات التحكم لنظام الكرة على اللوح ذو 9 درجات حرية

الملخص

تستعرض هذه الدراسة الشاملة نظام الكرة على اللوح (BnP) ، وهو مكون حيوي في نموذجنا الأولي الذي يتضمن أنظمة متعددة. يتسم نظام BnP بإعداد ميكانيكي غير خطي مع 9 درجات من الحرية (DOF)، ويتألف من ثلاثة أنظمة مستقلة من الكرة والشعاع (BnB) التي تعزز الوظائف بشكل جماعي. كان الهدف الرئيسي هو نمذجة هذا النظام ومحاكاته والتحكم فيه باستخدام خوارزميات تحكم متنوعة، بما في ذلك وحدات تحكم PI و PD وPID.  تضمنت المنهجية تصميم ونمذجة كل جانب من جوانب نظام BnP من الناحية النظرية، تلاها محاكاة شاملة وتجارب عملية للتحقق من الأداء. تهدف الدراسة إلى تحقيق عدة أهداف: تحليل مكونات الأجهزة وآليات عملها؛ نمذجة الأنظمة الثلاثة BnB باستخدام نماذج رياضية غير خطية ودمجها مع خطية الأنظمة؛ تنفيذ حلقة تحكم باستخدام برنامج Simulink وبيئة تطوير Arduino IDE؛ تحليل مكونات البرمجيات، بما في ذلك قياس الرؤية ومعالجة الصور؛ تصميم وحدات تحكم مع ضبط تجريبي لتحقيق دقة في تحديد موقع الكرة؛ محاكاة النظام النظري باستخدام وحدة PID ؛ ودراسة النتائج العملية مقارنةً بالنتائج النظرية. يعمل النظام المدمج على تحريك ثلاثة محركات سيرفو استنادًا إلى تغذية راجعة من كاميرا الويب مع التحكم DSP. أدى تطبيق PID الأولي إلى حدوث تجاوز كبير (overshooting) تم معالجته من خلال تعديل مكاسب الخطأ. كما استكشفت الدراسة وحدات تحكم بديلة مثل PI1 وPI2  وPD، مما أظهر فعالية وحدة التحكم PD في تحقيق توازن بين الاستقرار والاستجابة. تؤكد هذه البحث فعالية وحدات تحكم PID في تحقيق استجابة مستقرة للنظام، مع التركيز على تأثير العوامل غير الخطية وعوامل الارتباط على الاستقرار والأداء. كما تسلط الدراسة الضوء على تعقيدات التحكم في الأنظمة غير الخطية متعددة درجات الحرية، مما يبرز أهمية هذا النوع من الأنظمة في مختبرات التحكم الآلي، والهندسة الفضائية، وما بعدها.