Stendi ya Maabara Pepe (Virtual Laboratory Stand, VLS), ni mazingira ya elimu yanayotegemea programu ambayo huwawezesha wanafunzi kuunda modeli na kuiga mifumo ya uhandisi, kutekeleza algoriti za udhibiti na kuchunguza tabia ya mfumo kwa mwingiliano bila kulazimika kufikia kila wakati mpangilio halisi wa maabara. Katika utafiti huu, VLS ilitengenezwa kwa ajili ya roboti ya mkononi ya aina ya Segway inayojisawazisha kwa kutumia MATLAB–Simulink R2024a na Simscape Multibody; modeli pepe ya kina inayotegemea fizikia ya mfumo iliunganishwa katika mazingira yale yale ya ufundishaji na modeli ya uchanganuzi iliyopatikana kwa mkabala wa Lagrange.

Maabara ina matokeo mawili ya msingi ya ujifunzaji: mwanafunzi aweze kuunda modeli ya kihisabati ya mfumo wa mekatroniki na kuulinearisha katika eneo la nukta ya uendeshaji, na aweze kubuni na kurekebisha kidhibiti cha PID ili kudumisha mkao wima wa roboti inayojisawazisha kisha kutathmini utendaji wake. Mwanafunzi huanza kwa kuunda modeli ya mienendo, kisha hutengeneza kidhibiti cha PID, na katika hatua ya mwisho huhakiki muundo wake kwenye roboti pepe ya Simscape chini ya ingizo na visumbufu mbalimbali.

Tathmini ya kielimu ya VLS ilifanywa kwa wanafunzi 21 wa mwaka wa tatu wa mekatroniki katika kundi lile lile la kozi. Wanafunzi waligawanywa kwa nasibu katika makundi mawili. Wanafunzi 10 wa Kundi la 1 walitumia VLS inayotegemea Simscape pamoja na modeli ya uchanganuzi; wanafunzi 11 wa Kundi la 2 walifanya kazi zile zile za uundaji wa modeli, ulinearishaji, ubunifu wa PID na tathmini ya utendaji kwa kutumia modeli ya uchanganuzi ya Simulink pekee.

Katika vipengele vyote vya maswali yaliyofungwa Q3–Q7, wastani wa alama za kundi la VLS ulikuwa juu kuliko wa kundi la modeli ya uchanganuzi. Hata hivyo, kwa kigezo kilichowekwa mapema cha \(p<0.05\), tofauti kati ya makundi ilikuwa na umuhimu wa kitakwimu katika vipengele vitatu pekee: modeli kuonekana kuwa halisi kwa madhumuni ya elimu Q5.1 (\(p=0.013\)), kutambuliwa kuwa modeli ya Simscape inatoa taarifa ya ziada kuhusu tabia ya mfumo kuliko modeli ya uchanganuzi Q6.3 (\(p=0.016\)), na mwanafunzi kujihisi mwenye umahiri zaidi katika kufanya kazi na modeli za uigaji za michakato inayodhibitiwa Q7.2 (\(p=0.049\)).

Matokeo ya kielimu ya utafiti yanapaswa kutafsiriwa kwa uangalifu. Matokeo makuu yaliyopimwa ni mitazamo na tathmini binafsi za wanafunzi; si utendaji wa ujifunzaji wa kiobjektivu. Utafiti haukupima jaribio la kabla/baada, ufaulu wa mtihani, utendaji wa maabara au uhamishaji wa ujuzi wa muda mrefu. Kwa hiyo, utafiti unaonyesha kuwa VLS ilitathminiwa kwa mtazamo chanya zaidi na wanafunzi na ilisababisha tofauti zenye umuhimu katika baadhi ya vipengele vya kimtazamo; hauonyeshi kwa uthabiti kwamba VLS huongeza mafanikio ya ujifunzaji ya kiobjektivu.

Tatizo kuu la utafiti

Elimu ya uhandisi wa mekatroniki na udhibiti haiwezi kukamilika kwa kujifunza milinganyo ya kihisabati pekee. Mwanafunzi anahitaji kuona jinsi modeli ya kinadharia ya mienendo inavyotenda katika mfumo halisi au unaokaribia uhalisia, jinsi vigezo vya udhibiti vinavyobadilisha mwendo wa kimekanika, na tofauti kati ya modeli bora ya uchanganuzi na modeli iliyo karibu zaidi na mfumo wa kimwili.

Mipangilio ya maabara ya kimwili inaweza kutoa uzoefu huu; hata hivyo, mambo kama idadi ya vifaa, gharama ya ununuzi, matengenezo, hitilafu za maunzi, elimu ya mbali na wanafunzi wengi kufikia mpangilio huo kwa wakati mmoja yanaweza kupunguza utekelezaji. Utafiti chanzo haudai kwamba maabara ya kimwili haina ulazima. VLS iliyopendekezwa ilitengenezwa kama mkabala wa kielimu unaoweza kuikamilisha maabara ya kimwili au kuwezesha utekelezaji wa kazi mahususi za uhandisi wa udhibiti katika hali ambapo ufikiaji wa mpangilio wa kimwili ni mdogo.

Stendi ya Maabara Pepe Inayotegemea Simscape ni Nini?

Stendi ya Maabara Pepe inayotegemea Simscape katika utafiti huu ni jukwaa shirikishi la uigaji linalounganisha modeli ya kina ya Simscape Multibody ya roboti ya aina ya Segway inayojisawazisha na modeli ya uchanganuzi ya Simulink ya roboti hiyo hiyo iliyoundwa kwa mbinu ya Lagrange, katika mazingira yale yale ya elimu kwa madhumuni ya kubuni udhibiti na kuchunguza tabia ya mfumo.

Usanifu msingi wa VLS

VLS hutumia modeli mbili zinazokamilishana ndani ya MATLAB–Simulink R2024a. Modeli ya kwanza ni modeli ya Simscape Multibody inayowakilisha aktueta, sehemu za kimekanika, viungo, vihisi na mwingiliano wa gurudumu–ardhi kwa vizuizi vinavyotegemea fizikia. Modeli ya pili ni modeli ya uchanganuzi inayowasilisha mienendo ya umeme na ya kimekanika ya roboti kwa formalizimu ya Lagrange.

Modeli ya Simscape haitoi tu matokeo ya kihisabati. Mwendo wa roboti wa pande tatu unaweza kuonekana kupitia Mechanics Explorer; ingizo rejea, pembe ya pendulamu na ishara za udhibiti zinaweza kufuatiliwa kwa muda kupitia vizuizi vya Simulink Scope. Hivyo mwanafunzi anaweza kuunda uhusiano wa kuona kati ya kigezo cha kidhibiti na tabia ya mfumo yenye mwonekano wa kimwili.

Modeli ya Simscape Multibody iliundwaje?

Modeli ya CAD ya pande tatu ya roboti iliandaliwa katika SolidWorks 2024 na kuhamishwa kwenda Simscape Multibody. Mahusiano ya sehemu na mate katika mkusanyiko wa CAD yalibadilishwa kuwa vipengele vya Simulink/Simscape kama frame, transform, joint na body.

Roboti ilichukuliwa kuwa na sehemu kuu mbili za kimekanika: magurudumu yaliyo na rota za motor, na mwili mkuu/pendulamu unaobeba stator za motor. Miguu yenye umbo la pembetatu ya mwili mkuu huinua kitovu cha misa cha roboti. Chanzo kinasema kuwa jiometri hii husaidia kupunguza mchapuko unaohitajika kudhibiti pendulamu.

Uendeshaji hutolewa na motor mbili za DC Digilent IG2200019 zenye vipunguza gia vilivyounganishwa. Kuna viungo vya mzunguko kati ya magurudumu na mwili mkuu; mwili haujafungwa kwenye mfumo wa viwianishi wa dunia.

Mgusano wa gurudumu–ardhi uliundwaje katika modeli?

Mwingiliano kati ya roboti na ardhi pepe uliundwa kwa kizuizi cha Sphere-to-Plane Contact Force . Ardhi iliwakilishwa kama uso tambarare, na vipengele vya magurudumu vinavyogusa ardhi viliwakilishwa kama vipengele vya mgusano wa duara. Hivyo ilikusudiwa kuzingatia athari za nguvu ya kawaida na msuguano wakati wa mwendo katika modeli ya Simscape inayotegemea fizikia.

Kwa nini modeli ya uchanganuzi inahitajika pia?

Wakati modeli ya Simscape inamwezesha mwanafunzi kuchunguza tabia ya mfumo kwa undani na kwa kuona, modeli ya uchanganuzi huwezesha mienendo ya mfumo kueleweka kupitia milinganyo na ubunifu wa udhibiti kufanywa kwa msingi wa kihisabati. Mkabala wa kielimu wa utafiti unachukulia viwango hivi viwili kuwa vinakamilishana, si kushindana: mwanafunzi kwanza huunda mfumo kihisabati, kisha anaweza kulinganisha tabia yake na modeli pepe ya kina zaidi inayotegemea fizikia.

Urahisishaji msingi uliofanywa katika modeli ya uchanganuzi

Ilidhaniwa kuwa magurudumu mawili yanazunguka kwa pembe ile ile, yaani yanatembea kana kwamba yameunganishwa kwa uthabiti. Kwa njia hii, kiwango cha uhuru wa mfumo kilipunguzwa na modeli ya uchanganuzi inayoweza kudhibitiwa kwa urahisi zaidi kwa madhumuni ya ufundishaji iliundwa.

Viwianishi vya jumla vinawakilisha nini?

Vigezo vya modeli ya uchanganuzi

Onyo la data ya chanzo: Kwa \(J_p\), thamani ya 23,829,313.41 kg·m² hapo juu imechapishwa katika chanzo kwa namna hii. Kwa kuwa taarifa ya kipimo au kipeo haijafafanuliwa zaidi na chanzo, haijasahihishwa hapa.

Mlinganyo wa Lagrange

Chanzo kinatumia formalizimu ya Lagrange kueleza mifumo midogo ya umeme na kimekanika ndani ya muundo mmoja wa viwianishi vya jumla. Katika chanzo, Mlinganyo (1) umechapishwa kwa namna ifuatayo:

\[ \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot q_i}\right) - \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial q_i} + \frac{\partial \mathcal{R}}{\partial \dot q_i} = Q_i \tag{1} \]

Hapa \(\mathcal{L}=T-V\) ni fungsi ya Lagrange. \(T\) ni nishati jumla ya kinetiki, \(V\) ni nishati inayoweza kuhifadhiwa, \(\mathcal{R}\) ni fungsi ya udampishaji ya Rayleigh, na \(Q_i\) ni athari ya jumla. Katika Mlinganyo (1), chanzo kinatumia \(\partial T\) katika sehemu ya kwanza ya derivatibu ya muda na \(\partial\mathcal{L}\) katika sehemu ya pili. Verianla haibadilishi kimya kimya uandishi huu wa chanzo kuwa fomula sanifu.

Kasi changamani ya pendulamu

Kitovu cha misa cha pendulamu husonga katika mwelekeo wa x kutokana na mwendo wa gurudumu na pia huwa na kijenzi cha mviringo kutokana na mzunguko wa pendulamu. Chanzo hutumia:

\[ V_x=r\dot q_2 \]

na

\[ V_t=l\dot q_3 \]

Ufafanuzi huu unapotumika na pembe kati ya vekta mbili za kasi kuhusishwa na \(q_3\), mraba wa ukubwa wa kasi jumla ni:

\[ V^2=V_x^2+V_t^2+2V_xV_t\cos(q_3) \tag{2} \]

Usemi huu huunganisha mwendo wa mstari wa gurudumu na mzunguko wa pendulamu katika nishati ya kinetiki.

Nishati jumla ya kinetiki

Chanzo kwanza hugawa nishati jumla ya kinetiki katika vipengele vyake:

\[ T= T_{\mathrm{inductor1}}+ T_{\mathrm{inductor2}}+ T_{\mathrm{rotor1}}+ T_{\mathrm{rotor2}}+ T_{\mathrm{wheel1}}+ T_{\mathrm{wheel2}}+ T_{\mathrm{pendulum}} \tag{3} \]

Mgawanyo huu unalenga kuwakilisha kwa pamoja nishati ya induktansi ya umeme ya motor mbili, nishati ya mzunguko ya rota, mwendo wa magurudumu mawili na nishati ya kinetiki ya mwili mkuu/pendulamu.

Katika chanzo, Mlinganyo (4) umetolewa kwa uandishi ufuatao:

\[ \begin{aligned} T={}& \frac{1}{2}L\dot q_1+ \frac{1}{2}L\dot q_1+ \frac{1}{2}J_r(i\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}J_r(i\dot q_2)^2 \\ &+ \frac{1}{2}M_w(r\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}M_w(r\dot q_2)^2+ \frac{1}{2}J_w\dot q_2+ \frac{1}{2}J_w\dot q_2+ \frac{1}{2}J_p\dot q_3 \\ &+ \frac{1}{2}M_p \left( r^2\dot q_2^2+ l^2\dot q_3^2+ rl\dot q_2\dot q_3\cos(q_3) \right) \end{aligned} \tag{4} \]

Onyo la uandishi: Katika vipimo sanifu vya kimwili vya vipengele vya nishati ya kinetiki, mraba wa kasi au kasi ya pembe unatarajiwa; chanzo kimechapisha baadhi ya vipengele vya \(\dot q_1\), \(\dot q_2\) na \(\dot q_3\) katika Mlinganyo (4) bila mraba. Kwa kuwa chanzo hakitoi marekebisho, Verianla haubadilishi usemi huu kimya kimya.

Nishati inayoweza kuhifadhiwa

Chanzo hutoa nishati inayoweza kuhifadhiwa kama:

\[ V=M_p g\frac{l}{2}\left(1-\cos(q_3)\right) \tag{5} \]

Kijenzi \(\cos(q_3)\) kinaonyesha kwamba urefu wa pendulamu hubadilika kwa trigonometria kulingana na pembe, si kwa mstari. Ingawa chanzo kinafafanua \(l\) katika Jedwali la 1 kama umbali kutoka mhimili wa mzunguko hadi kitovu cha misa, kinatumia \(l/2\) katika Mlinganyo (5); tofauti hii haijafafanuliwa zaidi katika chanzo.

Fungsi ya udampishaji ya Rayleigh

\[ \mathcal{R} = \frac{1}{2}R\dot q_1^2\cdot2 + \frac{1}{2}bi^2\dot q_2^2\cdot2 \tag{6} \]

Kijenzi cha kwanza kimetumika kuwakilisha upotevu wa ukinzani wa umeme katika saketi mbili za motor, na cha pili kuwakilisha upotevu wa kimekanika unaohusiana na udampishaji wa rota. Vigezo vya kuzidisha 2 mwishoni vinahusiana na kuwepo kwa motor mbili zinazofanana katika mfumo.

Athari za jumla

Chanzo hutoa athari za jumla kama:

\[ Q_1=2V_a-2k_m i\dot q_2 \tag{7} \]

\[ Q_2=2k_m i\dot q_1 \tag{8} \]

\[ Q_3=0 \tag{9} \]

Hapa \(Q_1\) inaeleza volti iliyowekwa katika saketi ya umeme pamoja na athari ya kinyume ya kielektromota inayotokana na mzunguko wa motor; \(Q_2\) inaeleza uunganishaji unaowakilisha ubadilishaji wa mkondo wa umeme kuwa torati ya kimekanika. Uchaguzi wa \(Q_3=0\) unaonyesha muundo wa modeli ambamo hakuna aktueta ya jumla iliyo huru inayowekwa moja kwa moja kwenye kiwianishi cha pendulamu.

Milinganyo ya mwendo isiyo ya mstari

Baada ya michakato ya utofautishaji, chanzo hutoa milinganyo mitatu ya mienendo iliyounganishwa.

\[ L\ddot q_1+R\dot q_1+k_m i\dot q_2=V_a \tag{10} \]

Mlinganyo (10) unaonyesha uhusiano wa volti–mkondo–kasi ya motor katika mfumo mdogo wa umeme. Induktansi inawakilisha kiwango cha mabadiliko ya mkondo, ukinzani unawakilisha upotevu wa mkondo, na kijenzi \(k_m i\dot q_2\) kinawakilisha uunganishaji wa kielektromekanika unaohusiana na mzunguko wa motor.

\[ \begin{aligned} &\ddot q_2 \left[ 2J_r i^2+2M_w r^2+2J_w+M_p r^2 \right] + M_p r l\cos(q_3)\ddot q_3 \\ &- M_p r l\sin(q_3)\dot q_3^2 + 2bi^2\dot q_2 - 2k_m i\dot q_1 =0 \end{aligned} \tag{11} \]

Mlinganyo (11) unakusanya katika mlinganyo mmoja mienendo sawa ya mzunguko ya mwendo wa mstari wa gurudumu/roboti; inertia za rota na gurudumu, misa ya mwili, uunganishaji na mwendo wa pendulamu, udampishaji na torati ya motor.

\[ \begin{aligned} &\ddot q_3 \left[J_p+M_p l^2\right] + M_p r l \left( \ddot q_2\cos(q_3) - \dot q_2\dot q_3\sin(q_3) \right) \\ &+ M_p r l\dot q_2\dot q_3\sin(q_3) + M_p g\frac{l}{2}\sin(q_3) =0 \end{aligned} \tag{12} \]

Mlinganyo (12) unawakilisha mienendo ya mzunguko ya pendulamu. Kuwepo kwa \(\sin(q_3)\) na \(\cos(q_3)\) kunaonyesha wazi kwamba mfumo si wa mstari.

Konstanti saidizi

Ili kufupisha milinganyo, chanzo kimefafanua yafuatayo:

\[ c_1=2J_r i^2+2M_w r^2+2J_w+M_p r^2 \tag{13} \]

\[ c_2=M_p r l \tag{14} \]

\[ c_4=J_p+M_p l^2 \tag{15} \]

\[ c_5= \frac{M_p g(l/2)}{c_4} \tag{16} \]

\(c_1\) kwa pamoja inaeleza vipengele vya inertia sawa katika mwelekeo wa gurudumu; \(c_2\) inaeleza uunganishaji wa mwendo wa mwili–gurudumu; \(c_4\) inaeleza inertia sawa ya mzunguko ya pendulamu; na \(c_5\) inaeleza athari ya uvutano iliyopimwa kulingana na inertia ya pendulamu.

Kwa Nini Modeli Isiyo ya Mstari ya Roboti ya Segway Ilifanyiwa Ulinearishaji?

Kwa kuwa mbinu za udhibiti zitakazotumika katika chanzo zinahitaji modeli ya mfumo wa mstari, milinganyo ya mwendo isiyo ya mstari yenye \(\sin(q_3)\) na \(\cos(q_3)\) ilifanyiwa ulinearishaji ili iwe halali tu katika eneo dogo kuzunguka mkao wa usawaziko wa wima-juu wa roboti; modeli hii ya mstari haiwakilishi mienendo yote ya mwendo wa pembe kubwa.

Nukta ya uendeshaji na mkabala wa mkengeuko mdogo

Mkao wa usawaziko wa wima-juu umeandikwa kama:

\[ q_3=\pi+\phi \]

Hapa \(\phi\) ni mkengeuko mdogo kutoka mkao wa wima-juu. Chini ya dhana ya mkengeuko mdogo, chanzo hutumia makadirio yafuatayo:

\[ \sin(q_3)=-\phi,\qquad \cos(q_3)=-1,\qquad \dot q_3^2=0 \tag{17} \]

Kwa kupuuza vipengele vidogo vya daraja la pili kama \(\dot q_3^2\), modeli hufanywa kuwa ya mstari katika eneo la karibu.

Kwa hiyo, maana ya kisayansi ya modeli iliyolinearishwa si kwamba “roboti hutenda kwa mstari katika pembe zote”. Modeli ni makadirio yanayorahisisha ubunifu wa udhibiti tu katika eneo dogo la nukta ya uendeshaji ya usawaziko wima iliyochaguliwa.

Milinganyo iliyolinearishwa

\[ \ddot q_1= \frac{V_a}{L} - \frac{R}{L}\dot q_1 - \frac{k_m i}{L}\dot q_2 \tag{18} \]

Hii ni namna ya mstari ya mienendo ya umeme. Volti iliyowekwa huongeza mabadiliko ya mkondo, huku ukinzani na athari ya kinyume inayotegemea mzunguko wa motor vikizuia mabadiliko ya mkondo.

\[ \ddot q_2= \frac{c_2}{c_1}\ddot\phi - \frac{2bi^2}{c_1}\dot q_2 + \frac{2k_m i}{c_1}\dot q_1 \tag{19} \]

Mchapuko wa gurudumu unahusiana na uunganishaji na mchapuko wa pendulamu, udampishaji wa kimekanika na athari za torati zinazozalishwa na mkondo wa motor.

\[ \ddot\phi= \frac{c_2}{c_1}\ddot q_2 + c_5\phi \tag{20} \]

Mlinganyo huu unaonyesha uhusiano wa mkengeuko mdogo wa pendulamu na mchapuko wa gurudumu na uvutano. Kwa kuwa hali ya wima-juu ina sifa za pendulamu iliyogeuzwa, haipaswi kuchukuliwa kuwa usawaziko wa asili ulio thabiti bila kidhibiti; kazi ya ubunifu wa PID ya maabara inalenga kudumisha mkao huu wima chini ya udhibiti amilifu.

Kidhibiti cha PID hufanya nini katika maabara?

Chanzo hakitoi thamani za mwisho za namba za \(K_p\), \(K_i\) na \(K_d\). Kidhibiti cha PID hurekebishwa na mwanafunzi kulingana na malengo yaliyowekwa ya hali ya mpito na uthabiti kwa kutumia kizuizi cha PID katika Simulink Continuous Library na kiolesura cha PID Tuner.

Mlinganyo sanifu wa PID wa kufundishia: Mlinganyo ufuatao si matokeo mapya ya makala; ni maelezo sanifu ya kihisabati ya udhibiti wa PID uliotumika katika utafiti.

\[ u(t)= K_p e(t) + K_i\int_0^t e(\tau)\,d\tau + K_d\frac{de(t)}{dt} \]

\(e(t)=r(t)-y(t)\) ni kosa kati ya rejea na mwitikio halisi wa mfumo. \(K_p\) huitikia kosa la papo hapo, \(K_i\) kosa lililojikusanya, na \(K_d\) kiwango cha mabadiliko ya kosa.

• \(K_p\) — mgawo wa ukuzaji sawia: Kadiri kosa linavyoongezeka, huzalisha mwitikio wa udhibiti wenye nguvu zaidi.
• \(K_i\) — mgawo wa ukuzaji wa integral: Husaidia kupunguza kosa la hali tuli kwa kukusanya kosa linalobaki kadiri muda unavyopita.
• \(K_d\) — mgawo wa ukuzaji wa derivative: Huitikia mabadiliko ya haraka ya kosa na kuchangia katika kuunda tabia ya hali ya mpito.

Maelezo haya hayamaanishi kwamba “mfumo lazima uwe bora zaidi kadiri mgawo wa ukuzaji unavyoongezeka”. Vipengele vya PID huingiliana; mgawo mkubwa kupita kiasi unaweza kusababisha mzunguko, kupitiliza sana au kutokuwa thabiti. Lengo la maabara ni kumwezesha mwanafunzi kuona athari hizi kupitia uigaji na kuboresha ubunifu wa udhibiti kwa marudio.

Vigezo vya utendaji

Chanzo kinawataka wanafunzi kuzingatia vigezo vinne vya msingi wanapotathmini kidhibiti cha PID:

• Overshoot — kupitiliza: Kiasi cha ziada ambacho mwitikio wa mfumo hufikia baada ya kuvuka thamani lengwa.
• Settling time — muda wa kutulia: Muda ambao mwitikio huingia katika eneo linalokubalika kuzunguka lengo na kubaki humo.
• Steady-state error — kosa la hali tuli: Kosa linalobaki kati ya rejea na pato baada ya hali ya mpito kuisha.
• Stability — uthabiti: Iwapo mfumo unaonyesha tabia yenye mipaka na inayoweza kudhibitiwa baada ya kisumbufu au mkengeuko wa awali.

Chanzo hakiripoti viwango vya lazima vya namba kwa vigezo hivi, faida za mwisho za PID, aina ya solver, hatua ya ujumuishaji, muda mahususi wa uigaji au thamani za namba za mipaka ya saturation.

Mtiririko wa maabara wa hatua tatu

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa tathmini ya kielimu

Ukubwa wa sampuli haukuamuliwa kwa uchambuzi tofauti wa nguvu, bali kwa idadi ya wanafunzi waliosajiliwa kwenye kozi katika kipindi cha utafiti. Kwa hiyo \(n=21\) inawakilisha kundi zima la kozi moja na si sampuli kubwa inayowakilisha idadi pana ya wanafunzi.

Muundo wa dodoso

Waandishi walitengeneza dodoso maalumu kwa utafiti huu. Q1 na Q2 hukusanya taarifa za demografia/matumizi ya modeli. Q3–Q7 zinajumuisha makundi matano ya mada ya maswali yaliyofungwa na hutumia tathmini ya aina ya Likert. Q8 na Q9 ni maoni ya wanafunzi ya maswali wazi.

Uthabiti wa ndani wa vipengele vilivyofungwa ulitathminiwa kwa alfa ya Cronbach. Kwa Kundi la 1, \(\alpha=0.835\), na kwa Kundi la 2, \(\alpha=0.874\) ziliripotiwa; zote mbili zilikuwa juu ya rejea ya 0.70 iliyotumiwa katika chanzo.

Fomula sanifu ya alfa ya Cronbach ya kufundishia:

\[ \alpha= \frac{k}{k-1} \left( 1-\frac{\sum_{i=1}^{k}\sigma_i^2}{\sigma_T^2} \right) \]

\(k\) ni idadi ya vipengele, \(\sigma_i^2\) ni variansi ya kila kipengele na \(\sigma_T^2\) ni variansi ya jumla ya alama za kipimo. Alfa hufupisha kiwango ambacho vipengele husogea pamoja kwa upande wa majibu; alfa ya juu peke yake haithibitishi kwamba dodoso ni halali katika vipengele vyote au kwamba hupima kwa usahihi umahiri wa kiobjektivu wa wanafunzi.

Kwa Nini Jaribio la Mann–Whitney U Lililitumika?

Jaribio la Mann–Whitney U ni jaribio lisilo la kiparameta la upangaji lililotumika katika utafiti huu kulinganisha majibu ya dodoso ya aina ya Likert ya makundi mawili madogo na huru ya wanafunzi; jaribio huchunguza kama usambazaji wa majibu unatofautiana kwa utaratibu kati ya makundi, na chanzo kilitumia \(p<0.05\) kama mpaka wa umuhimu.

Katika uwasilishaji sanifu wa kufundishia, ikiwa jumla ya nafasi za kundi la kwanza ni \(R_1\):

\[ U_1= n_1n_2+ \frac{n_1(n_1+1)}{2} - R_1 \]

na:

\[ U_2=n_1n_2-U_1 \]

inaweza kuhesabiwa kwa namna hii. Fomula hizi si milinganyo mipya ya utafiti chanzo; zinakusudiwa kueleza mantiki ya kihisabati ya mbinu ya Mann–Whitney iliyotumika.

Jaribio la U halifanyi t-test ya kawaida kati ya wastani. Hupanga uchunguzi wote pamoja na kutathmini kama uchunguzi wa kundi moja unakusanyika katika nafasi za juu au za chini ikilinganishwa na kundi jingine. Hata hivyo, jedwali la matokeo ya chanzo pia linatoa wastani na mkengeuko sanifu kwa kila kundi ili msomaji aweze kuelewa viwango vya majibu.

Matokeo yote ya kiasi ya dodoso

Q5.1: Uhalisia unaotambuliwa

Mojawapo ya matokeo yaliyo wazi zaidi ni Q5.1. Wastani wa kundi la VLS ni 4.50, huku wastani wa kundi la modeli ya uchanganuzi pekee ukiwa 3.73. Kwa kuwa \(U=87.5\) na \(p=0.013\), tofauti ni yenye umuhimu katika mpaka wa \(0.05\) uliotumika na chanzo. Matokeo haya yanaonyesha kwamba wanafunzi waliiona modeli yenye Simscape kuwa halisi zaidi kwa madhumuni ya elimu.

Ugunduzi huu hauthibitishi kwamba modeli ina usahihi sawa wa majaribio na roboti ya kimwili. Kinachopimwa ni uhalisia wa kielimu unaotambuliwa na mwanafunzi.

Q6.3: Taarifa ya ziada kuhusu tabia ya mfumo kuliko modeli ya uchanganuzi

Katika Q6.3, kundi la VLS lilitoa wastani wa 3.60 na kundi la modeli ya uchanganuzi 2.37. \(U=88.5\), \(p=0.016\). Kulingana na tafsiri ya utafiti, Simscape iliwasaidia wanafunzi kuona tofauti za tabia kati ya modeli ya uchanganuzi iliyorahisishwa na uwakilishi wa kina zaidi unaotegemea fizikia.

Hili halionyeshi kwamba VLS ni bora katika dhana zote za udhibiti. Katika kundi lile lile la Q6, tofauti za makundi hazikuwa na umuhimu katika vipengele vya uelewekaji wa utekelezaji wa PID na uwazi wa athari za vigezo vya PID.

Q7.2: Umahiri unaotambuliwa katika kufanya kazi na modeli za uigaji

Katika Q7.2, kundi la VLS lilitoa wastani wa 3.80 na kundi la uchanganuzi 2.73. \(U=81.5\), \(p=0.049\). Wanafunzi waliripoti kuwa baada ya kutumia VLS walijihisi wenye umahiri zaidi katika kufanya kazi na modeli za uigaji za michakato inayodhibitiwa.

Thamani hii ya p iko karibu sana na mpaka wa 0.05 uliotumika. Chanzo kinalinganisha vipengele 13 tofauti vya maswali yaliyofungwa lakini hakiripoti marekebisho ya ulinganisho mwingi. Kwa hiyo Verianla inawasilisha Q7.2 kama yenye umuhimu kama ilivyo katika chanzo, lakini haiwasilishi matokeo ya p=0.049 kama ushahidi wenye nguvu sana au wa kuamua peke yake.

Kwa nini matokeo yasiyo na umuhimu ni muhimu?

Kundi la VLS kuwa na wastani wa juu katika kila kipengele hakumaanishi kwamba kuna tofauti ya kitakwimu katika vipengele vyote. Kwa mfano, katika Q4.2 wastani ni 4.20 na 3.45, lakini \(p=0.058\). Ingawa chanzo kinajadili hili kama matokeo yanayokaribia umuhimu, si lenye umuhimu wa kitakwimu kulingana na mpaka uliowekwa mapema wa \(p<0.05\).

Vivyo hivyo, ingawa wastani wa kundi la VLS ulikuwa juu kwa muunganiko wa nadharia–vitendo Q5.2, fikra tunduizi Q5.3, urahisi wa utekelezaji wa PID Q6.1, uchanganuzi wa athari za vigezo vya PID Q6.2, umahiri wa modeli ya kihisabati Q7.1 na tathmini ya utendaji wa udhibiti katika hali bora/halisi Q7.3, tofauti kati ya makundi hazikuwa na umuhimu.

Maoni ya wanafunzi ya maswali wazi

Maoni ya wanafunzi katika kundi la VLS yalijikita katika modeli ya kuona, uigaji wa roboti, uwezo wa kuona moja kwa moja jinsi mabadiliko ya kidhibiti yanavyojitokeza katika mwitikio wa mfumo, na undani wa sehemu ya Simscape. Wanafunzi katika kundi la modeli ya uchanganuzi walitaja tofauti za tabia zinazotokana na kubadilisha thamani za \(K_p\), \(K_i\) na \(K_d\), pamoja na uchangamani wa kihisabati wa modeli ya mfumo, miongoni mwa vipengele chanya.

Katika mapendekezo ya kuboresha, kundi la VLS liliomba kazi zaidi za vitendo na maelezo zaidi kuhusu jinsi sehemu za CAD zinavyounganishwa katika modeli. Baadhi ya wanafunzi katika kundi la modeli ya uchanganuzi walipendekeza kuongeza modeli za kimwili au uonyeshaji wa moja kwa moja unaofanana na Simscape kwenye maabara.

Je, Utafiti Huu Unathibitisha Kwamba VLS Huongeza Mafanikio ya Ujifunzaji ya Kiobjektivu?

Hapana. Utafiti unaonyesha kwamba wanafunzi waliotumia VLS walitathmini uzoefu wa maabara, uhalisia wa modeli na baadhi ya umahiri unaotambuliwa kwa mtazamo chanya zaidi; lakini kwa kuwa hakuna jaribio la kabla/baada, alama za mtihani, utendaji wa maabara au kipimo kingine kinachotegemea utendaji kilichotumika kwa mafanikio ya ujifunzaji ya kiobjektivu, haiwezi kuhitimishwa kwamba VLS husababisha ongezeko la mafanikio ya ujifunzaji.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Modeli ya Simscape Multibody na modeli ya uchanganuzi ya Lagrange ziliweza kuunganishwa ndani ya VLS ile ile.
• Mwendo pepe wa roboti wa pande tatu na ishara za udhibiti zinaweza kufuatiliwa pamoja kwa madhumuni ya elimu.
• Mchakato wa maabara wa hatua tatu unaunganisha uundaji wa modeli, ubunifu wa PID na uhakiki kwenye modeli pepe.
• Wastani wa kundi la VLS ni wa juu kuliko wa kundi la udhibiti katika vipengele vyote vya dodoso vilivyofungwa.
• Katika vipengele Q5.1, Q6.3 na Q7.2 kuna tofauti ya \(p<0.05\) kati ya makundi.
• Maoni ya ubora yanaonyesha kwamba wanafunzi waliotumia VLS walithamini vipengele vya kuona na shirikishi.
• VLS inaweza kutumika kama mazingira ya elimu ya nyongeza katika hali ambapo ufikiaji wa maabara ya kimwili ni mdogo.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

• Haijaonyeshwa kwamba VLS huongeza alama za mtihani au ujifunzaji za kiobjektivu.
• Usahihi wa kipimo wa modeli ya Simscape dhidi ya roboti halisi ya kimwili haujahakikiwa kwa kiasi katika utafiti huu wa kielimu.
• Haijaonyeshwa kwamba VLS inaweza kuchukua nafasi ya maabara ya kimwili katika kila hali.
• Matokeo ya kundi moja la kozi lenye wanafunzi 21 hayawezi kujumlishwa kwa wanafunzi wote wa mekatroniki.
• Ubora wa kitakwimu haujaonyeshwa katika kila kipengele cha dodoso.
• Chanzo hakionyeshi kwamba faida za mwisho za PID, mipangilio ya solver au hali kamili za uigaji kwa ujumla ndizo bora zaidi.

Vikwazo vikuu

Sampuli ndogo: Kuna jumla ya wanafunzi 21. Ukubwa wa makundi ni 10 na 11.

Kozi moja na taasisi moja: Tathmini ilifanywa katika kundi moja la kozi katika Technical University of Cluj-Napoca.

Matokeo yanayotegemea mtazamo: Matokeo makuu ya kielimu ni tathmini binafsi za wanafunzi. Hakuna kipimo cha mafanikio ya kiobjektivu.

Hakuna jaribio la kabla/baada: Mabadiliko halisi ya maarifa au ujuzi wa mwanafunzi kabla na baada ya maabara hayakupimwa.

Ulinganisho mwingi: Chanzo kinaripoti majaribio 13 tofauti ya makundi chini ya Q3–Q7; hakuna marekebisho ya majaribio mengi yaliyotajwa.

Usahihi wa modeli: Modeli ya Simscape imeundwa kama “ya uhalisia wa juu”; hata hivyo, tathmini ya kielimu ya utafiti huu si jaribio la kina la kiasi la uhalalishaji wa modeli dhidi ya roboti ya kimwili.

Maelezo ya uwezo wa kuzalisha upya: Chanzo hakiripoti thamani za mwisho za \(K_p\), \(K_i\), \(K_d\), thamani kamili ya namba ya \(V_a\) iliyowekwa, aina ya solver ya Simulink, hatua ya muda, hali zote za awali, mipaka ya saturation na muda kamili wa uigaji.

Tafiti zijazo

Waandishi wanapendekeza matokeo yajaribiwe tena katika makundi makubwa zaidi ya wanafunzi na tathmini inayotegemea mtazamo iongezwe kwa jaribio la kabla/baada, tathmini za maabara, matokeo ya mitihani au vipimo vinavyotegemea utendaji.

Kwa matoleo yajayo ya VLS, imepangwa kuongeza mazingira changamani zaidi ya uendeshaji, udhibiti wa hali-nafasi na mbinu za juu za udhibiti kama Linear Quadratic Regulator (LQR).

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Development of a Virtual Laboratory Stand Using Simscape for Mechatronic Engineering Education

Waandishi: Ioan Pintilie, David Glodean, Ciprian Lapusan.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio wa chanzo umehifadhiwa bila kubadilishwa.

Mchango sawa: Chanzo hakitoi taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: Ciprian Lapusan.

Taasisi: Department of Mechatronics and Machine Dynamics, Faculty of Automotive, Mechatronics and Mechanical Engineering, Technical University of Cluj-Napoca, 400114 Cluj-Napoca, Romania.

Jarida: Education Sciences.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / nambari ya makala: 16(9), 1460.

DOI: 10.3390/educsci16091460.

Kiungo rasmi cha DOI: https://doi.org/10.3390/educsci16091460

Kuwasilishwa: 15 Juni 2026.

Marekebisho: 31 Agosti 2026.

Kukubaliwa: 31 Agosti 2026.

Kuchapishwa: 7 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu wenza. Inaunganisha uundaji wa modeli/uigaji wa uhandisi na tathmini linganishi ya kielimu darasani.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY). PDF ya chanzo inataja aina ya leseni kuwa CC BY.

Ufadhili: Utafiti haukupokea ufadhili wa nje. Waandishi pia wanashukuru msaada wa kiufundi na kifedha wa Technical University of Cluj-Napoca na Intelligent Mechatronic Systems Laboratory.

Kamati ya maadili: Chanzo kinasema kwamba mapitio/idhaa ya kimaadili iliondolewa kwa sababu utafiti haukuhusisha jaribio la binadamu/mnyama au data nyeti ya binafsi, na shughuli zilikuwa sehemu ya kazi ya kawaida ya maabara ya kozi ya Advanced Control Systems.

Ridhaa iliyoarifiwa: Ridhaa iliyoarifiwa ilipatikana kutoka kwa washiriki wote walioshiriki katika utafiti.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kwamba michango asili iliyowasilishwa katika utafiti imo ndani ya makala; maswali ya ziada yanaweza kuelekezwa kwa mwandishi wa mawasiliano.

Mgongano wa maslahi: Waandishi hawakuripoti mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana C.L. na I.P.; mbinu C.L.; programu I.P.; uhakiki I.P., D.G. na C.L.; uchambuzi rasmi I.P.; utafiti I.P. na D.G.; rasilimali I.P. na C.L.; rasimu ya kwanza I.P., D.G. na C.L.; mapitio na uhariri I.P., D.G. na C.L.; uonyeshaji I.P. na C.L.; usimamizi C.L.; usimamizi wa mradi C.L.; upatikanaji wa ufadhili I.P. na C.L.

Programu na zana kuu zilizotumika: MATLAB–Simulink R2024a, Simscape Multibody, Mechanics Explorer, SolidWorks 2024, kizuizi cha PID cha Simulink Continuous Library na PID Tuner.

Dokezo la 1 la uandishi wa kihisabati ndani ya chanzo: Mlinganyo (1) unatumia \(T\) katika derivatibu ya sehemu iliyo ndani ya derivatibu ya muda, na \(\mathcal{L}\) katika derivatibu ya sehemu ya pili. Verianla haijaweka fomula sanifu ya Lagrange badala ya fomula ya chanzo.

Dokezo la 2 la uandishi wa kihisabati ndani ya chanzo: Katika Mlinganyo (4), baadhi ya vipengele vya nishati ya kinetiki ya induktansi/mzunguko vinaonekana kuchapishwa bila mraba. Kwa kuwa hali hii inayohitaji uangalifu wa vipimo haijasahihishwa katika chanzo, Verianla haijabadilisha fomula kimya kimya.

Dokezo la kigezo ndani ya chanzo: Jedwali la 1 linaripoti thamani ya \(J_p\) kuwa 23,829,313.41 kg·m². Kwa kuwa chanzo hakitoi kipeo cha ziada au marekebisho ya kipimo, thamani imehifadhiwa jinsi ilivyo.

Dokezo la ufafanuzi wa alama ndani ya chanzo: Jedwali la 1 linafafanua \(l\) kama umbali kutoka mhimili wa mzunguko hadi kitovu cha misa cha pendulamu, huku Mlinganyo (5) na ufafanuzi wa \(c_5\) vikitumia \(l/2\). Chanzo hakifafanui zaidi uhusiano huu.

Dokezo la jina la kozi: Sehemu ya mwanzo ya mbinu katika chanzo inataja maabara katika muktadha wa kozi ya “Advanced Control Methods”, huku sehemu za matokeo na maadili zikitumia “Advanced Control Systems”. Verianla haisahihishi kimya kimya majina haya mawili asili kuwa jina moja.

Usemi wa takriban %15: Katika sehemu ya hitimisho, waandishi wanafupisha kwamba kundi la VLS liliripoti tathmini ya takriban %15 juu zaidi katika maeneo fulani ya kimtazamo. Kwa kuwa chanzo hakiwasilishi hili kama hesabu tofauti ya ukubwa wa athari, Verianla haipanui usemi huu kuwa takwimu mpya.

Mpaka wa tafsiri ya kitakwimu: Katika mpaka wa \(p<0.05\), majaribio matatu kati ya 13 ya kulinganisha maswali yaliyofungwa yana umuhimu. Chanzo hakiripoti marekebisho ya ulinganisho mwingi.

Mpaka wa tafsiri ya kielimu: Utafiti hupima hasa mitazamo ya wanafunzi. Mafanikio ya ujifunzaji ya kiobjektivu, utendaji wa mtihani au matokeo ya uhamishaji wa muda mrefu hayakupimwa.