Low-cost air levitation laboratory stand using MATLAB/Simulink and Arduino

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_226/33

send Ewelina Chołodowicz , Przemysław Orłowski Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Elektryczny

Download Article

Abstract

In this paper, low cost air levitation project is presented as a teaching tool for control engineering. Air levitation control system is built as a classroom demonstration device and laboratory stand. The laboratory stand provides a new plant to control for students of control engineering. It is comprised of Arduino Mega 2560, plexiglass, metal elements and 3D printed parts.

Keywords

air levitation, control system, discrete-time systems, engineering education, low-cost laboratory stand

Niskobudżetowe stanowisko laboratoryjne do lewitacji powietrznej z wykorzystaniem Arduino oraz pakiet MATLAB/Simulink

Streszczenie

W pracy przedstawiono projekt stanowiska laboratoryjnego do lewitacji powietrznej. Obiekt został zaprojektowany oraz zbudowany dla celów edukacyjnych oraz naukowych w dziedzinie szeroko pojętej automatyki oraz teorii sterowania. Ukazane w pracy stanowisko wykorzystuje nowoczesne narzędzia inżynierskie: Arduino Mega 2560 oraz MATLAB/Simulink. Celem tego projektu jest umożliwienie studentom wdrażania różnych systemów sterowania. Obejmuję to implementację identyfikacji systemu, opracowanie algorytmów sterowania oraz przeprowadzenie weryfikacji eksperymentalnej.

Słowa kluczowe

edukacja inżynierska, lewitacja powietrzna, niskobudżetowe stanowisko laboratoryjne, układ dyskretny, układ sterowania

Bibliography

  1. Ma J., Nickerson J.V., Hands-on, simulated, and remote laboratories: A comparative literature review, “ACM Computing Surveys”, Vol. 38, No. 3, 2006, DOI: 10.1145/1132960.1132961.
  2. Feisel L.D., Rosa A.J., The role of the laboratory in undergraduate engineering education. Journal of Engineering Education, Vol. 94, Iss. 1, 2005, 121–130, DOI: 10.1002/j.2168-9830.2005.tb00833.x.
  3. Wojtulewicz A., Chaber P., Ławryńczuk M., Multiple-input multiple-output laboratory stand for process control education. [in:] 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2016, 466–471.
  4. Artigas J.I., Barragán L.A., Llorente S., Marco A., Lucía O., Low-Cost Magnetic Levitation System for Electronics Learning, 4th IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics, 2010, 55–60, DOI: 10.1109/ICELIE.2010.5669845.
  5. Knapkiewicz P., Melnyk M., Teslyuk V., Dziuban J., Lobur M., Szermer M., Mechatronic laboratory stand. [in:] XII International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design (MEMSTECH), 2016, 31–33, DOI: 10.1109/MEMSTECH.2016.7507514.
  6. Millard D., Chouikha M., Berry F., Improving student intuition via Rensselaer’s new mobile studio pedagogy. [in:] Proceedings of the 114th Annual ASEE Conference and Exposition, Honolulu, HI, 2007.
  7. Czyba R., Niezabitowski M., Sikora S., Construction of laboratory stand and regulation in ABS car system. [in:] 17th International Carpathian Control Conference (ICCC), 2016 140–145, DOI: 10.1109/CarpathianCC.2016.7501082.
  8. Reck R.M., Sreenivas R.S., Developing an Affordable and Portable Control Systems Laboratory Kit with a Raspberry Pi. “Electronics”, 5(3), 2016, 36, DOI: 10.3390/electronics5030036.
  9. Aktan B., Bohus C.A., Crowl L.A., Shor M.H., Distance learning applied to control engineering laboratories. IEEE Transactions on Education, Vol. 39, Iss. 3, 1996, 320–326, DOI: 10.1109/13.538754.
  10. Dixon W.E., Dawson D.M., Costic B.T., Queiroz M.S.D., A MATLAB-based control systems laboratory experience for undergraduate students: Toward standardization and shared resources. “IEEE Transactions on Education”, Vol. 45, Iss. 3, 2002, 218–226, DOI: 10.1109/TE.2002.1024613.
  11. Gunasekaran M., Potluri R., Low-Cost Undergraduate Control Systems Experiments Using Microcontroller-Based Control of a DC Motor. “IEEE Transactions on Education”, Vol. 55, Iss. 4, 2012, 508–516, DOI: 10.1109/TE.2012.2192441.
  12. Lilienkamp K.A., Low-cost magnetic levitation project kits for teaching feedback system design. Proceedings of the 2004 American Control Conference, IEEE, Vol. 2, 1308–1313, 2004.
  13. Lundberg K.H.; Lilienkamp K.A.; Marsden G., Low-cost magnetic levitation project kits. “IEEE Control Systems”, Vol. 24, Iss. 5, 2004, 65–69, DOI: 10.1109/MCS.2004.1337863.
  14. Glehn G., Appunn R., Hameyer K., A small scale magnetically levitated train for project-based laboratory education. “Archives of Electrical Engineering”, Vol. 64, Nr 4, 2015, 617–628, DOI: 10.1515/aee-2015-0046.
  15. Waltham C., Bendall S., Kotlicki A., Bernoulli levitation. “American Journal of Physics”, Vol. 71, No. 2, 2003, 176-179, DOI: 10.1119/1.1524162.
  16. Timmerman P., van der Weelea J.P., On the rise and fall of a ball with linear or quadratic drag. “American Journal of Physics”, Vol. 67, Iss. 6, 1999, 538–546, DOI: 10.1119/1.19320.
  17. Jernigan S.R., Fahmy Y., Buckner G.D., Implementing a Remote Laboratory Experience Into a Joint Engineering Degree Program: Aerodynamic Levitation of a Beach Ball. “IEEE Transactions on Education”, Vol. 52, Iss. 2, 2009, 205–213, DOI: 10.1109/TE.2008.924217.
  18. Escaño J.M., Ortega M.G., Rubio F.R., Position control of a pneumatic levitation system. Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, Catania, Italy, 19–22 September 2006, DOI: 10.1109/ETFA.2005.1612568.
  19. Qin R., Duan C., The principle and applications of Bernoulli equation. Journal of Physics: Conference Series (Vol. 916, No. 1, p. 012038), 2017, IOP Publishing, DOI: 10.1088/1742-6596/916/1/012038.
  20. Chołodowicz E., Air levitation of ping-pong PID and inverse model control in MATLAB/Simulink, [on-line] https://www.youtube.com/watch?v=-ym_oQwLcf0, available 1.09.2017.