一种倒立摆系统及其控制电路和控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种倒立摆系统，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。本发明专利技术同时还提供上述倒立摆系统的控制电路和控制方法。本发明专利技术设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制
，特别涉及一种设备简单，使用方便的倒立摆系统及其控制电路和控制方法。
技术介绍
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是控制领域内的经典研究对象，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。现有技术中，能够用于相关控制实验和研究的控制平台较少，仅有少数可购买的实验平台，设备复杂，价格昂贵，不利于有效推广。因此，一直以来有关倒立摆系统的学习研究大多集中于理论仿真的范畴。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种设备简单，使用方便，适用于控制理论学习研究和实践的倒立摆系统及其控制电路和控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种倒立摆系统，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。本专利技术主要实现一个基于移动小车的一级倒立摆实时控制与监测系统，摆杆为受控对象，通过控制装置控制电机的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆始终保持在竖直方向的位置。角度测量编码器用于测量摆杆偏离竖直方向的角度，位移测量编码器用于测量小车的位移。控制过程中，当摆杆受到一定的扰动(如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物)，由于摆杆前后各设有弹片，摆杆能够快速的恢复到稳定状态，系统具有良好的稳定性和适应性。同时本专利技术能实现自动起摆控制，即初始时刻不需要手动扶正摆杆，借助弹片自动捕捉零点位置。此外，弹片还能保护系统，避免摆杆落下损坏。在一个实施方式中，所述控制装置设有电量检测与电量指示模块，系统启动后能够自动检测电量，如果电量过低则系统不可用并进行报警提示充电。在一个实施方式中，所述控制装置设有人机交互平台，使用计算机进行控制参数上传和下载传输以及系统实时监测，同时还能在任意时刻停止系统。用户通过人机交互平台与系统交流，使用方便。优选地，所述人机交互平台设有系统模式选择与设置模块，系统设有离线控制和在线控制两种模式。离线模式下不需要计算机，直接使用系统自存参数实现控制(包括手动上摆和自动上摆)，能用于演示。在线模式即通过计算机的人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。在线模式又分为实时监控和不监控两种模式。在一个实施方式中，所述控制装置设有系统控制失败报警和保护模块，当系统控制失败(比如超出可控角度)，系统会自动停止并进行报警，防止系统损坏。本专利技术还提供一种上述倒立摆系统的控制电路，包括电源接入模块、无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至无线通信模 块、鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。本专利技术的控制电路由电源接入模块供电，无线通信模块与计算机进行实时大量的数据交互，用于控制参数传输和系统状态监测。鉴相器模块用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，将相应的信号传送给控制器模块。计数器模块用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。控制器模块不停的读取系统各状态物理量的测量值并使用相应的控制算法计算控制输出，将计算所得的PWM控制信号输出到双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机，进而控制电机的转向和转速，通过电机控制小车状态。在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块，将电源电压分压、采样、隔离、检测并通过控制电源指示灯显示相应的电量状态。在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有系统模式选择与设置模块，使用拨码键盘等进行模式设置，每个按键对应一个指示灯用于指示当前的选择状态。每个拨码按键的功能已被预定义，根据意愿选择和设置模式。本专利技术同时还提供一种上述倒立摆系统的控制方法，依次包括以下步骤将控制参数输入控制装置；对摆杆进行扰动；控制装置控制电机的转向和转速，进而控制小车状态，使摆杆偏离在可控角度内；若超出可控角度，系统控制失败报警。在一个实施方式中，所述控制装置的工作过程为 a、启动，系统初始化，电量检测，若电量不足则提示充电，若电量充足则进入下一步骤； b、系统模式选择，离线模式下使用系统自存参数实现控制，在线模式下通过计算机人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测； C、按下启动按键，系统采集当前各物理状态量并进行数字滤波，根据状态反馈计算控制输出，输出控制系统； d、判断当前摆杆是否处于可控范围，若超出可控范围，系统自动停止并进行报警，若在可控范围内，则再次进行步骤C。本专利技术的有益效果是本专利技术设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。附图说明图I是本专利技术的倒立摆系统的部分结构示意图。图2是图I的俯视方向示意图。图3是图I的左视方向示意图。图4是本专利技术的控制电路图。图5是本专利技术的控制流程图。图6是本专利技术的人机交互平台的界面图。图中省略了与本专利技术设计要点无关的其他部件。 具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术做进一步详细说明。如图I至图3所示，本专利技术的一种倒立摆系统，包括摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103、电机104、小车和控制装置(未示出)，所述摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103均安装在小车的车体平台105上，摆杆101的前后各设有弹片106，本实施例中，所述电机104设为两个，两个电机104分别驱动小车的两个后轮107，小车的前轮108支撑车体平台105的平衡和移动，所述控制装置控制电机104的转向和转速。本专利技术主要实现一个基于移动小车的一级倒立摆实时控制与监测系统，摆杆101为受控对象，通过控制装置控制电机104的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆101始终保持在竖直方向的位置。角度测量编码器102用于测量摆杆偏离竖直方向的角度，位移测量编码器103用于测量小车的位移。控制过程中，当摆杆101受到一定的扰动(如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物)，由于摆杆前后各设有弹片106，摆杆101能够快速的恢复到稳定状态，系统具有良好的稳定性和适应性。同时本专利技术能实现自动起摆控制，即初始时刻不需要手动扶正摆杆101，借助弹片106自动捕捉零点位置。此外，弹片106还能保护系统，避免摆杆101落下损坏。为进一步增强可用性，本实施例中，所述控制装置设有电量检测与电量指示模块，系统启动后能够自动检测电量，如果电量过低则系统不可用并进行报警提示充电。本实施例中，所述控制装置设有人机交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倒立摆系统，其特征在于，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，杨智，陈健，叶沃林，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：