專(zhuān)利名稱(chēng)：擺桿重心擾動(dòng)倒立擺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于科研教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一 種擺桿重心擾動(dòng)倒立擺裝置。
背景技術(shù)：
近二十年來(lái)，現(xiàn)代控制理論的一個(gè)焦點(diǎn)就是在有不確定性存在的前提 下，如何有效控制被控對(duì)象，盡可能地減小實(shí)際系統(tǒng)中不可避免的各種不 確定性因素對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。圍繞著這個(gè)焦點(diǎn)，現(xiàn)代控制理論學(xué)者 提出了許多有效的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如魯棒控制、自適應(yīng)控制、模糊控 制、智能控制等等。但是，與這些現(xiàn)代控制理論成果的先進(jìn)性對(duì)照的卻是 缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段。倒立擺在控制理論發(fā)展的過(guò)程中， 一直作為一種公認(rèn) 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段。
現(xiàn)有的直線運(yùn)動(dòng)倒立擺的基本模塊為直線運(yùn)動(dòng)控制模塊，該模塊由交 流/直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)小車(chē)沿直線軸承滑動(dòng)，完成定位控制和速度跟 蹤的任務(wù)。在滑動(dòng)小車(chē)上加裝一個(gè)一節(jié)擺系統(tǒng)，則構(gòu)成了比較復(fù)雜的控制 教學(xué)平臺(tái)——一節(jié)倒立擺系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于測(cè)試、研究和開(kāi)發(fā)各類(lèi)新的 控制算法。雖然，目前對(duì)倒立擺系統(tǒng)的控制策略有如此之多，而且有許多 控制策略都對(duì)倒立擺進(jìn)行了穩(wěn)定控制，但大多數(shù)都沒(méi)考慮倒立擺系統(tǒng)本身 的參數(shù)在可變的情況下，還能否使倒立擺穩(wěn)定地豎立。
魯棒控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域二十世紀(jì)末最重要的研究結(jié)果之一。簡(jiǎn)單地 說(shuō)，魯棒控制處理的是不確定對(duì)象，這種不確定性包括外部擾動(dòng)、模型參 數(shù)變化、未建模動(dòng)態(tài)、執(zhí)行器的誤差等等，目前，魯棒控制理論已經(jīng)相當(dāng) 成熟，并作為基本內(nèi)容寫(xiě)入面向本科生、研究生和工程師培訓(xùn)教材中。但 與傳統(tǒng)自動(dòng)控制原理相比，教學(xué)中各種魯棒控制算法的演示都靠計(jì)算機(jī)仿 真系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)檢驗(yàn)魯棒控制理論是否符合 自然規(guī)律，是否能夠解決現(xiàn)實(shí)存在的問(wèn)題。
另外一方面，倒立擺裝置是目前自動(dòng)控制原理教學(xué)中非常"流行"的實(shí)驗(yàn)裝置之一。通常倒立擺擺桿的參數(shù)是不可變的，在這種情況下，就無(wú) 法驗(yàn)證魯棒控制在參數(shù)可變的情況下的優(yōu)越性。魯棒控制理論的正確性及 實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象 來(lái)驗(yàn)證。根據(jù)魯棒控制這種參數(shù)可變的需要，我們對(duì)倒立擺裝置進(jìn)行了改 造，設(shè)計(jì)了一種擺桿參數(shù)可變的倒立擺裝置——擺桿重心擾動(dòng)的倒立擺， 該裝置可以用來(lái)直接驗(yàn)證各種魯棒控制算法。
對(duì)擺桿重心可變的倒立擺的研究具有重要的工程背景。在火箭等飛行 器的飛行過(guò)程中，燃料不斷的燃燒也會(huì)使其重心得到改變(類(lèi)似擺桿重心 可變的倒立擺)，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此擺 桿重心可變的倒立擺系統(tǒng)與火箭飛行器和各類(lèi)伺服云臺(tái)穩(wěn)定有很大相似 性。
綜上所述，現(xiàn)有倒立擺裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)均為固定值，很難用于驗(yàn)證現(xiàn) 代控制理論的不確定性。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種擺桿重心時(shí)變 的倒立擺裝置。
本實(shí)用新型包括基座，基座上對(duì)應(yīng)設(shè)置有主動(dòng)軸支架和從動(dòng)軸支架， 主動(dòng)軸支架的兩側(cè)設(shè)置有聯(lián)動(dòng)的動(dòng)力軸和主動(dòng)軸，從動(dòng)軸支架的一側(cè)設(shè)置 有從動(dòng)軸，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸通過(guò)傳動(dòng)帶聯(lián)動(dòng)，傳動(dòng)帶的兩端與小車(chē)固定連 接，小車(chē)安裝在與基座固定連接的滑軌上，并與滑軌構(gòu)成滑動(dòng)配合。
小車(chē)上固定設(shè)置有擺桿支座，轉(zhuǎn)軸穿過(guò)擺桿支座設(shè)置，轉(zhuǎn)軸的一端與 角度編碼器配合連接，另一端與擺桿的底端固定連接，擺桿的頂端安裝有 擾動(dòng)盒。所述的擾動(dòng)盒為圓柱形盒體，盒體的頂面為透明。擾動(dòng)盒的內(nèi)部 為擾動(dòng)腔，擾動(dòng)腔內(nèi)放置有3 5個(gè)鋼球，鋼球可在擾動(dòng)腔內(nèi)自由滾動(dòng)。 轉(zhuǎn)軸的軸向與擺桿的軸向垂直，擺桿的軸向與擾動(dòng)盒的底面垂直。
本實(shí)用新型的倒立擺裝置在工作中通過(guò)擾動(dòng)腔內(nèi)鋼球的自由滾動(dòng)實(shí)現(xiàn) 了擺桿重心的變化，在科研教學(xué)中可以驗(yàn)證魯棒控制方法。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，擺桿重心擾動(dòng)倒立擺裝置包括基座1，基座1上對(duì)應(yīng)設(shè) 置有主動(dòng)軸支架2和從動(dòng)軸支架3，主動(dòng)軸支架2的兩側(cè)設(shè)置有聯(lián)動(dòng)的動(dòng)
力軸4和主動(dòng)軸5，動(dòng)力軸4與電機(jī)連接。從動(dòng)軸支架3的一側(cè)設(shè)置有從 動(dòng)軸6，主動(dòng)軸5和從動(dòng)軸6通過(guò)傳動(dòng)帶7聯(lián)動(dòng)，傳動(dòng)帶7的兩端與小車(chē) 8固定連接。小車(chē)8安裝在與基座固定連接的滑軌9上，并與滑軌9構(gòu)成 滑動(dòng)配合。
小車(chē)8上固定設(shè)置有擺桿支座10，轉(zhuǎn)軸11穿過(guò)擺桿支座10設(shè)置， 轉(zhuǎn)軸11的一端與角度編碼器12配合連接，另一端與擺桿13的底端固定 連接，擺桿13的頂端安裝有擾動(dòng)盒14。所述的擾動(dòng)盒14為圓柱形盒 體，盒體的頂面為透明。擾動(dòng)盒的內(nèi)部為擾動(dòng)腔，擾動(dòng)腔內(nèi)放置有3 5 個(gè)鋼球15，鋼球15可在擾動(dòng)腔內(nèi)自由滾動(dòng)。轉(zhuǎn)軸的軸向與擺桿的軸向垂 直，擺桿的軸向與擾動(dòng)盒的底面垂直。
倒立擺裝置工作過(guò)程是初始狀態(tài)時(shí)，擺桿自由下垂。工作狀態(tài)開(kāi)始 后，小車(chē)開(kāi)始滑動(dòng)，通過(guò)兩向不斷變加速等運(yùn)動(dòng)，擺桿可擺至小車(chē)上方。 當(dāng)擺桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，擺桿13與小車(chē)8之間形成夾角，由角度編碼器12測(cè) 量得到這個(gè)角位移信號(hào)，作為系統(tǒng)的輸出量，用于控制器的輸入，計(jì)算出 控制量，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)盒由直流伺服電機(jī)帶動(dòng)小車(chē)8沿滑軌9移動(dòng)，從而 控制擺桿的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)是使擺桿維持倒立狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平 衡。為了給系統(tǒng)輸入不確定信號(hào)，通過(guò)擾動(dòng)盒14內(nèi)鋼球15的運(yùn)動(dòng)，從而 使擺桿13的重心得到改變。
整個(gè)倒立擺系統(tǒng)由沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的小車(chē)8和通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在小車(chē)上的擺 體組成。在滑軌一端裝有用來(lái)測(cè)量小車(chē)位移的電位計(jì)。擺桿13與小車(chē)8 之間裝有角度編碼器用來(lái)測(cè)量擺桿的角度。擺桿通過(guò)自身傾斜和擾動(dòng)盒內(nèi) 多個(gè)可自由滑動(dòng)鋼球的盤(pán)內(nèi)滑動(dòng)位置變化，從而改變擺桿的重心。同時(shí)也 可以通過(guò)改變鋼球的質(zhì)量(即更換鋼球)來(lái)改變擺桿的重心，從而使倒立 擺的重心發(fā)生擾動(dòng)，參數(shù)得到改變，整個(gè)倒立擺成為一個(gè)變參數(shù)系統(tǒng)。正 確可行的魯棒控制算法能在穩(wěn)定裕度范圍內(nèi)使倒立擺穩(wěn)定地豎立，從而驗(yàn) 證了算法的可行性。
權(quán)利要求1、擺桿重心擾動(dòng)倒立擺裝置，包括基座，其特征在于基座上對(duì)應(yīng)設(shè)置有主動(dòng)軸支架和從動(dòng)軸支架，主動(dòng)軸支架的兩側(cè)設(shè)置有聯(lián)動(dòng)的動(dòng)力軸和主動(dòng)軸，從動(dòng)軸支架的一側(cè)設(shè)置有從動(dòng)軸，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸通過(guò)傳動(dòng)帶聯(lián)動(dòng)，傳動(dòng)帶的兩端與小車(chē)固定連接，小車(chē)安裝在與基座固定連接的滑軌上，并與滑軌構(gòu)成滑動(dòng)配合；小車(chē)上固定設(shè)置有擺桿支座，轉(zhuǎn)軸穿過(guò)擺桿支座設(shè)置，轉(zhuǎn)軸的一端與角度編碼器配合連接，另一端與擺桿的底端固定連接，擺桿的頂端安裝有擾動(dòng)盒；轉(zhuǎn)軸的軸向與擺桿的軸向垂直，擺桿的軸向與擾動(dòng)盒的底面垂直；所述的擾動(dòng)盒為圓柱形盒體，盒體的頂面為透明；擾動(dòng)盒的內(nèi)部為擾動(dòng)腔，擾動(dòng)腔內(nèi)放置有3～5個(gè)鋼球，鋼球可在擾動(dòng)腔內(nèi)自由滾動(dòng)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及擺桿重心擾動(dòng)倒立擺裝置。現(xiàn)有倒立擺裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)均為固定值，很難用于驗(yàn)證現(xiàn)代控制理論的不確定性。本實(shí)用新型基座上設(shè)置有通過(guò)傳動(dòng)帶聯(lián)動(dòng)的動(dòng)力軸和主動(dòng)軸，傳動(dòng)帶的兩端與滑軌上的小車(chē)連接。轉(zhuǎn)軸穿過(guò)小車(chē)上的擺桿支座設(shè)置，一端與角度編碼器連接，另一端與擺桿的底端固定連接。擺桿的頂端安裝有擾動(dòng)盒。擾動(dòng)盒為圓柱形盒體，盒體的頂面為透明，擾動(dòng)盒內(nèi)放置有3～5個(gè)鋼球。本實(shí)用新型的倒立擺裝置在工作中通過(guò)擾動(dòng)腔內(nèi)鋼球的自由滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了擺桿重心的變化，在科研教學(xué)中可以驗(yàn)證魯棒控制方法。
文檔編號(hào)G09B25/02GK201323018SQ20082017069
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者楊澤明, 汪海燕, 薛安克, 趙曉東 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)