【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及动量轮、摆式调节质量阻尼器与杆子的相互控制领域，更具体的，涉及一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法。
技术介绍
1、关于杆平衡的研究动力学、振动力学等多个学科的交叉研究。常见的情景是一根杆能够垂直立于地面，其底部似乎是重力与地面反作用力的平衡点。由于外界可能会施加风力、震动或其他扰动，上述因素都可能破坏杆的平衡，为此科学家和工程师们设计了各种机制和装置，利用反馈控制系统来感知和调整杆的状态，以便及时做出补偿。这些装置可以根据外界扰动的大小和方向，通过施加适当的力来保持杆的平衡，使其不受外界干扰而倒下。
2、在工程上对“不倒的杆”的研究也有许多的应用领域，比如在高层建筑的防风设计，火箭的运输过程，卫星的姿态调整，海上风电机组等都可以见到许多与“不倒的杆”类似的研究。现有的动量轮控制杆子方案大多采用传统的pid算法，当面对较大负重或不同结构的杆子模型（比如：卫星，火箭）时，需要重新整定pid参数，通用性较差，再者没有考虑环境因素和物理学本身的模型分析，缺乏模型的理论分析和环境偏差影响，以及没有采用减震和平衡相互协调控制的思想。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，能够解决目前的控制方案缺乏模型的理论分析和环境偏差影响，且通用性不强的技术问题。
2、本专利技术提供了一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，具体为：
3、利用陀螺仪获取目标杆子的角度、角速度、角加
4、利用拉格朗日分析力学构建不倒杆的动力学模型，并引入反馈控制获取动量轮的反馈输出模型，在所述反馈输出模型引入定子与变子的联合控制方案，获得总体的动量轮力矩装置控制方案模型；
5、将回传的数据利用所述动量轮力矩装置控制方案模型计算舵机的输出力矩，将所述输出力矩传输给舵机，生成驱动动量轮的输出力矩；
6、判断杆子的角度是否达到预设角度，若未达到，则重新采集杆子的数据进行回传，若达到，则装置停止。
7、本方案中，利用目标杆子的陀螺仪记录杆子自由倒的过程中的角度、角速度、角加速度，根据机械能守恒及角动能守恒获取目标杆子的转动惯量及杆子质心到原点的距离。
8、本方案中，不倒杆的动力学模型由动量轮、杆子与摆式阻尼器组成。
9、本方案中，获取不倒杆的动力学模型中动量轮、杆子与摆式阻尼器的动能及势能，利用总动能减去总势能获取拉格朗日量；
10、分析动量轮、杆子与摆式阻尼器的受力状态分别获取受到的广义非保守力，取广义坐标为，根据所述拉格朗日量及所述广义非保守力分别构建第二类拉格朗日方程；
11、将和设置为无穷小量分别代入第二类拉格朗日方程，融合变换后获取不倒杆的动力学模型，表示为：
12、；
13、其中，表示杆子与竖直平面的夹角，表示动量轮与杆子的夹角，表示摆式阻尼器质量块与竖直平面的夹角，表示杆子的质量，表示杆子的长度，表示动量轮的质量，表示动量轮到中心的距离，示摆式阻尼器质量块的质量，表示摆式阻尼器上端与底部原点的距离，表示动量轮的输出力矩，表示牛顿引力常数，表示指代参数，，表示杆子的转动惯量，表示杆子与竖直平面的夹角的一阶导函数，为角速度，表示杆子与竖直平面的夹角的二阶导函数，为角加速度。
14、本方案中，引入反馈控制获取动量轮的反馈输出模型，具体为：
15、引入反馈控制方案使得不倒杆稳定在预设目标值，将动量轮的输出力矩作为控制量，将角速度及角加速度为被控量，令代入不倒杆的动力学模型；
16、在更新后不倒杆的动力学模型中获取角速度及角加速度对应的系数函数，通过改变调整参数a、b的数值配置系数函数的极点，将极点设置为-1，获取极点的特征方程；
17、计算系数函数的特征方程；将极点的特征方程与系数函数的特征方程进行对比，获取调整参数a、b的数值；
18、根据调整参数a、b的数值获取动量轮的反馈输出模型，则动量轮的输出力矩表示为。
19、本方案中，在动量轮的反馈输出模型引入定子与变子的联合控制方案，获得总体的动量轮力矩装置控制方案模型，具体为：
20、引入模型与环境的偏差值，将定子构建为，其中为环境影响参量，通过调整三个参数的相对大小配置的数值；
21、将反馈输出模型获取的动量轮的输出力矩作为变子 ，；
22、所述定子的数值主要受环境的特性控制，若不倒杆装置所处环境不变，则定子参数保持不变；所述变子的数值主要受部件的质量和位置控制，若不倒杆装置本身参数不变，则变子参数保持不变。
23、本方案中，动量轮力矩装置控制方案模型的输出力矩为：
24、；
25、其中，表示杆子与竖直平面的夹角，表示角速度，表示角加速度，表示摆式阻尼器质量块与竖直平面的夹角，表示杆子的质量，表示杆子的长度，表示动量轮的质量，表示动量轮到中心的距离，表示摆式阻尼器质量块的质量，表示摆式阻尼器上端与底部原点的距离，表示牛顿引力常数，表示指代参数，表示杆子的转动惯量，分别表示的环境影响参量。
26、本方案中，当杆子本身不是一个材料均匀的理想化质量体时，则将理想化杆子的质心位置替换为更加符合实际需求的杆子质心到原点的距离，获取修后的动量轮力矩装置控制方案模型的输出力矩为：
27、；
28、获取目标杆子的角度、角速度、角加速度及摆式阻尼器的角度，并训练获取目标杆子的转动惯量、杆子质心到原点的距离及环境影响参量，将获取的参数导入修后的动量轮力矩装置控制方案模型，计算得到驱动动量轮的输出力矩。
29、本专利技术公开了一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，利用拉格朗日分析力学进行对不倒杆装置的力学和动力学分析,得到总的动力学方程；引入动量轮的反馈输出模型，得到基本的力矩输出控制方案，接着为了提升模型的通用性与实用性，引入定子与变子的联合控制方案，获得总体的动量轮力矩装置控制方案模型，根据动量轮力矩装置控制方案模型获取动量轮的输出力矩。本方案在模型的构建中考虑基本运动学控制和环境影响数值，提升控制方案的普适性和便利性，使用动量轮与摆式调节质量阻尼器联合控制杆子的位置和姿态，更加具有科学性与实用性。
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1.一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，利用目标杆子的陀螺仪记录杆子自由倒的过程中的角度、角速度、角加速度，根据机械能守恒及角动能守恒获取目标杆子的转动惯量及杆子质心到原点的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，不倒杆的动力学模型由动量轮、杆子与摆式阻尼器组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，获取不倒杆的动力学模型中动量轮、杆子与摆式阻尼器的动能及势能，利用总动能减去总势能获取拉格朗日量；
5.根据权利要求4所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，引入反馈控制获取动量轮的反馈输出模型，具体为：
6.根据权利要求4所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，在动量轮的反馈输出模型引入定子与变子的联合控制方案，获得总体的动量轮力矩装置控制方案模型，具体为：>
7.根据权利要求6所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，动量轮力矩装置控制方案模型的输出力矩为：
8.根据权利要求7所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，当杆子本身不是一个材料均匀的理想化质量体时，则将理想化杆子的质心位置替换为更加符合实际需求的杆子质心到原点的距离，获取修后的动量轮力矩装置控制方案模型的输出力矩为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，利用目标杆子的陀螺仪记录杆子自由倒的过程中的角度、角速度、角加速度，根据机械能守恒及角动能守恒获取目标杆子的转动惯量及杆子质心到原点的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，不倒杆的动力学模型由动量轮、杆子与摆式阻尼器组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于动量轮与摆式阻尼器的不倒杆的控制方法，其特征在于，获取不倒杆的动力学模型中动量轮、杆子与摆式阻尼器的动能及势能，利用总动能减去总势能获取拉格朗日量；
5.根据权利要求4所述的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈炼才，黄运洋，周敬林，柯金龙，谢海兴，李浩男，庞玮，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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