摆杆重心可变倒立摆制造技术

本发明专利技术公开了一种摆杆重心可变倒立摆。小车与基座上滑轨构成滑动配合；驱动轮和从动轮分别固定在基座的两端，传动带绕过驱动轮和从动轮，两端分别固定在小车的两侧面；小车上的摆杆支座装有一端与角度编码器连接、另一端与一级摆杆的一端转动连接的转轴，一级摆杆另一端的Ｕ形支座上装有一端与另一角度编码器连接、另一端与二级摆杆的一端转动连接的转轴；二级摆杆上装有小直流电机与丝杆的连接，丝杆固定在二级摆杆的另一端上，丝杆中装有变重心滑块。控制系统送出信号到摆杆上的电机，带动丝杆转动，带动滑块的上下运动，使摆杆的重心改变。本发明专利技术的重心在工作中可任意改变，使整个系统的参数得到改变，从而为鲁棒控制理论的教学和研究提供实验的平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及科研或教学的实验装置，尤其涉及一种摆杆重心可变倒立摆实验装置。
技术介绍
近二十年来，现代控制理论研究的一个焦点就是在有不确定性存在的前提下，如何有效地控制被控对象，尽可能地减小实际系统中不可避免的各种不确定性因素对控制系统品质的影响。围绕着这个焦点，现代控制理论学者提出了许多有效的控制系统设计方法，如鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、智能控制等等。但是，与这些现代控制理论成果的先进性缺乏实验验证手段。倒立摆在控制理论发展的过程中，一直作为一种公认的实验验证手段。现有的直线运动倒立摆的基本模块为直线运动控制模块，该模块由交流/直流伺服电机驱动滑动小车沿直线轴承滑动，完成定位控制和速度跟踪的任务。在滑动小车上加装一个两节摆系统，则构成了比较复杂的控制教学平台——两节倒立摆系统。该系统可用于测试、研究和开发各类新的控制算法。虽然，目前对倒立摆系统的控制策略有如此之多，而且有许多控制策略都对倒立摆进行了稳定控制，但大多数都没考虑倒立摆系统本身的参数在可变的情况下，还能否使倒立摆稳定地竖立。鲁棒控制是自动控制领域二十世纪末最重要的研究结果之一。简单地说，鲁棒控制处理的是不确定性对象，这种不确定性包括外部扰动、模型参数变化、未建模动态(即模型与实际系统差异)、执行器的误差等等。目前，鲁棒控制理论已经相当成熟，并作为基本内容写入面向本科生、研究生和工程师培训教材中。但与传统自动控制原理相比，教学中各种鲁棒控制算法的演示都靠计算机仿真系统软件来实现，缺乏相应的实验手段来检验鲁棒控制理论是否符合自然规律，是否能够解决现实存在的问题。另外一方面，倒立摆装置是目前自动控制原理教学中非常“流行”的实验装置之一。通常倒立摆摆杆的参数是不可变的，在这种情况下，就无法验证鲁棒控制在参数可变的情况下的优越性。鲁棒控制理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。根据鲁棒控制这种参数可变的需要，我们对倒立摆装置进行了改造，设计了一种摆杆参数可变的倒立摆装置——摆杆重心可变的倒立摆，该装置可以用来直接验证各种鲁棒控制算法。对摆杆重心可变的倒立摆的研究具有重要的工程背景。①机器人的站立与行走类似重心变化的双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术——机器人的行走控制至今仍未能很好解决；②在火箭等飞行器的飞行过程中，燃料不断的燃烧也会使其重心得到改变(类似于摆杆重心可变的倒立摆)，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。由于摆杆重心可变的倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性。综上所述，现有倒立摆的设计参数均为固定值，很难用于验证现代控制理论的不确定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供形象直观，结构简单，一种摆杆重心可变倒立摆实验装置。为了达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下1)两根滑轨用滑轨支架平行固定在基座上，小车安装在两根滑轨中，并与滑轨构成滑动配合；驱动轮和从动轮用支座分别固定在基座的两端，位于两根滑轨中的传动带绕过驱动轮和从动轮，传动带的两端分别固定在小车的两侧面，直流伺服电机与驱动轮连接；2)小车上面装有摆杆支座，摆杆支座上装有一端与角度编码器连接、另一端与一级摆杆的一端转动连接的转轴，一级摆杆的另一端设置有U形支座，U形支座上装有一端与另一角度编码器连接、另一端与二级摆杆的一端转动连接的转轴；3)二级摆杆上装有小直流电机，小直流电机轴与驱动丝杆的一端连接，另一端用轴承固定在二级摆杆的另一端上，驱动丝杆中装有变重心滑块。本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益的效果是本专利技术所提供的摆杆重心可变的倒立摆是一种新型的倒立摆装置，它结构简洁，改变摆杆上滑块的位置，摆杆的重心改变，从而使系统的参数得到改变，该倒立摆成为一个不确定系统，可以用于不确定性问题的鲁棒控制理论实验研究和验证。附图说明图1是本专利技术的立体结构示意图；图2是本专利技术的正面结构示意图； 图3是本专利技术的摆杆结构示意图。图中1、基座，2、传动带，3、小车，4、角度编码器，5、一级摆杆，6、角度编码器，7、二级摆杆，8、小直流电机，9、变重心滑块，10、驱动丝杆，11、滑轨，12、直流伺服电机，13、滑轨支架，14、驱动轮，15、从动轮，16、摆杆支座，17、转轴，18、U形支座，19、转轴，20、轴承，21、螺钉。具体实施例方式如图1、图2、图3所示，本专利技术包括1)两根滑轨11用滑轨支架13平行固定在基座1上，小车3安装在两根滑轨11中，并与滑轨构成滑动配合；驱动轮14和从动轮15用支座分别固定在基座1的两端，位于两根滑轨11中的传动带2绕过驱动轮14和从动轮15，传动带2的两端分别固定在小车3的两侧面，直流伺服电机12与驱动轮14连接；2)小车3上面装有摆杆支座16，摆杆支座16上装有一端与角度编码器4连接、另一端与一级摆杆5的一端转动连接的转轴17，一级摆杆5的另一端设置有U形支座18，U形支座18上装有一端与另一角度编码器6连接、另一端与二级摆杆7的一端转动连接的转轴19；3)二级摆杆上装有小直流电机8，小直流电机8轴与驱动丝杆10的一端连接，另一端用轴承20螺钉2固定在二级摆杆7的另一端上，驱动丝杆10中装有变重心滑块9。直流伺服电机12采用日本松下的MSMA系列电机，具有小惯量大功率的特点。角度旋转编码器4、6采用Nidec公司的ovw2型。二级摆杆7中的小直流电机8采用微型直流电机。本专利技术的工作过程如下当摆杆运动时，一级摆杆5与摆杆支座16之间，以及二级摆杆7和一级摆杆U形支座18之间形成两个夹角θ1，和θ2，由两个角度编码器4、6测量得到这两个角位移信号，作为系统的两个输出量，用于控制器的输入，计算出控制量，通过电机驱动盒由直流伺服电机12带动小车3沿滑轨11移动，从而控制摆杆的运动，目标是使摆杆维持倒立状态，整个过程是一个动态平衡。为了给系统输入不确定信号，通过控制系统送出信号到摆杆上的电机8，电机8带动丝杆10顺/逆时针转，丝杆10的转动带动变重心滑块9的上下运动，从而使二级摆杆7的重心得到改变。整个倒立摆系统由沿导轨运动的小车3和转轴固定在小车上的摆体组成。在滑轨一端装有用来测量小车位移的电位计。摆杆5与小车3之间、一级摆杆5和二级摆杆7之间用铰链联结，在链接处分别装有角度编码器分别测量各摆杆的角度。上面的二级摆杆装有丝杆10、变重心滑块9，小直流电机8，在小直流电机8的带动下，丝杆10驱动变重心滑块9可以使其沿滑槽滑动，从而改变摆杆的重心。同时也可以通过改变滑块的质量(即更换滑块)来改变摆杆的重心，从而使倒立摆的数学模型中的参数得到改变，整个倒立摆成为一个变参数系统。正确可行的鲁棒控制算法能在稳定裕度范围内使倒立摆稳定地竖立，从而验证了算法的可行性。权利要求1.一种摆杆重心可变倒立摆，其特征在于1)两根滑轨(11)用滑轨支架(13)平行固定在基座(1)上，小车(3)安装在两根滑轨(11)中，并与滑轨构成滑动配合；驱动轮(14)和从动轮(15)用支座分别固定在基座(1)的两端，位于两根滑轨(11)中的传动带(2)绕过驱动轮(14)和从动轮(15)，传动带(2)的两端分别固定在小车(3)的两侧面，直流伺服电机(12)与驱动轮(14)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摆杆重心可变倒立摆，其特征在于：１）两根滑轨（１１）用滑轨支架（１３）平行固定在基座（１）上，小车（３）安装在两根滑轨（１１）中，并与滑轨构成滑动配合；驱动轮（１４）和从动轮（１５）用支座分别固定在基座（１）的两端，位于两根滑轨（１１）中的传动带（２）绕过驱动轮（１４）和从动轮（１５），传动带（２）的两端分别固定在小车（３）的两侧面，直流伺服电机（１２）与驱动轮（１４）连接；２）小车（３）上面装有摆杆支座（１６），摆杆支座（１６）上装有一端与角度编码器（４）连接、另一端与一级摆杆（５）的一端转动连接的转轴（１７），一级摆杆（５）的另一端设置有Ｕ形支座（１８），Ｕ形支座（１８）上装有一端与另一角度编码器（６）连接、另一端与二级摆杆（７）的一端转动连接的转轴（１９）；３）二级摆杆上装有小直流电机（８），小直流电机（８）轴与驱动丝杆（１０）的一端连接，另一端用轴承（２０）固定在二级摆杆（７）的另一端上，驱动丝杆（１０）中装有变重心滑块（９）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛安克，周建军，王俊宏，王建中，林岳松，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]