专利名称：摆杆重心扰动倒立摆装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于科研教学技术领域，涉及一种实验装置，尤其涉及一 种摆杆重心扰动倒立摆装置。
背景技术：
近二十年来，现代控制理论的一个焦点就是在有不确定性存在的前提 下，如何有效控制被控对象，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对照的却是 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一节摆系统，则构成了比较复杂的控制 教学平台——一节倒立摆系统。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、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——摆杆重心扰动的倒立摆， 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。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。因此摆 杆重心可变的倒立摆系统与火箭飞行器和各类伺服云台稳定有很大相似 性。
综上所述，现有倒立摆装置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。 发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种摆杆重心时变 的倒立摆装置。
本实用新型包括基座，基座上对应设置有主动轴支架和从动轴支架， 主动轴支架的两侧设置有联动的动力轴和主动轴，从动轴支架的一侧设置 有从动轴，主动轴和从动轴通过传动带联动，传动带的两端与小车固定连 接，小车安装在与基座固定连接的滑轨上，并与滑轨构成滑动配合。
小车上固定设置有摆杆支座，转轴穿过摆杆支座设置，转轴的一端与 角度编码器配合连接，另一端与摆杆的底端固定连接，摆杆的顶端安装有 扰动盒。所述的扰动盒为圆柱形盒体，盒体的顶面为透明。扰动盒的内部 为扰动腔，扰动腔内放置有3 5个钢球，钢球可在扰动腔内自由滚动。 转轴的轴向与摆杆的轴向垂直，摆杆的轴向与扰动盒的底面垂直。
本实用新型的倒立摆装置在工作中通过扰动腔内钢球的自由滚动实现 了摆杆重心的变化，在科研教学中可以验证鲁棒控制方法。
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，摆杆重心扰动倒立摆装置包括基座1，基座1上对应设 置有主动轴支架2和从动轴支架3，主动轴支架2的两侧设置有联动的动
力轴4和主动轴5，动力轴4与电机连接。从动轴支架3的一侧设置有从 动轴6，主动轴5和从动轴6通过传动带7联动，传动带7的两端与小车 8固定连接。小车8安装在与基座固定连接的滑轨9上，并与滑轨9构成 滑动配合。
小车8上固定设置有摆杆支座10，转轴11穿过摆杆支座10设置， 转轴11的一端与角度编码器12配合连接，另一端与摆杆13的底端固定 连接，摆杆13的顶端安装有扰动盒14。所述的扰动盒14为圆柱形盒 体，盒体的顶面为透明。扰动盒的内部为扰动腔，扰动腔内放置有3 5 个钢球15，钢球15可在扰动腔内自由滚动。转轴的轴向与摆杆的轴向垂 直，摆杆的轴向与扰动盒的底面垂直。
倒立摆装置工作过程是初始状态时，摆杆自由下垂。工作状态开始 后，小车开始滑动，通过两向不断变加速等运动，摆杆可摆至小车上方。 当摆杆运动过程中，摆杆13与小车8之间形成夹角，由角度编码器12测 量得到这个角位移信号，作为系统的输出量，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带动小车8沿滑轨9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，通过扰动盒14内钢球15的运动，从而 使摆杆13的重心得到改变。
整个倒立摆系统由沿导轨运动的小车8和通过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13与小车8 之间装有角度编码器用来测量摆杆的角度。摆杆通过自身倾斜和扰动盒内 多个可自由滑动钢球的盘内滑动位置变化，从而改变摆杆的重心。同时也 可以通过改变钢球的质量(即更换钢球)来改变摆杆的重心，从而使倒立 摆的重心发生扰动，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、摆杆重心扰动倒立摆装置，包括基座，其特征在于基座上对应设置有主动轴支架和从动轴支架，主动轴支架的两侧设置有联动的动力轴和主动轴，从动轴支架的一侧设置有从动轴，主动轴和从动轴通过传动带联动，传动带的两端与小车固定连接，小车安装在与基座固定连接的滑轨上，并与滑轨构成滑动配合；小车上固定设置有摆杆支座，转轴穿过摆杆支座设置，转轴的一端与角度编码器配合连接，另一端与摆杆的底端固定连接，摆杆的顶端安装有扰动盒；转轴的轴向与摆杆的轴向垂直，摆杆的轴向与扰动盒的底面垂直；所述的扰动盒为圆柱形盒体，盒体的顶面为透明；扰动盒的内部为扰动腔，扰动腔内放置有3～5个钢球，钢球可在扰动腔内自由滚动。
专利摘要本实用新型涉及摆杆重心扰动倒立摆装置。现有倒立摆装置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。本实用新型基座上设置有通过传动带联动的动力轴和主动轴，传动带的两端与滑轨上的小车连接。转轴穿过小车上的摆杆支座设置，一端与角度编码器连接，另一端与摆杆的底端固定连接。摆杆的顶端安装有扰动盒。扰动盒为圆柱形盒体，盒体的顶面为透明，扰动盒内放置有3～5个钢球。本实用新型的倒立摆装置在工作中通过扰动腔内钢球的自由滚动实现了摆杆重心的变化，在科研教学中可以验证鲁棒控制方法。
文档编号G09B25/02GK201323018SQ20082017069
公开日2009年10月7日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者杨泽明, 汪海燕, 薛安克, 赵晓东 申请人:杭州电子科技大学