专利名称：小车单级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 种小车单级倒立摆装置。
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。球杆系统具备了非线性不稳定系统所具有的重要的动 态特性，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。
现有的球杆系统虽然是一种重要的控制领域实验工具，用于先进控制
理论策略优越性能的检测。它通过一个电机驱动一硬质竖杆不断调整V形
槽横杆与水平方向的夹角来实现对小球定位的控制。但是现有的球杆系统
具有运动自由度单一，功能单一，并且没有可扩展性的不足，这将在一定
程度上制约其对更加先进的控制理论方法和策略的验证。
另外一方面，球杆系统是现代控制理论研究和教学中经常用到的试验
装置，是一个典型的开环、非线性不稳定系统，它的许多特性都是控制领
域的热点问题。通常球杆系统的扰动是一个自由度的，而在现实的工程实
践及理论研究中会存在许多的不确定性，在这种情况下，就无法验证鲁棒
控制在单一自由度扰动的情况下的优越性。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。根据鲁棒控制这种诸多不确定性的需要，我们对现有球杆系统装置进
行了改造，设计了一种具有两个扰动自由度的球杆系统装置——小车单级
倒立摆球杆系统，该装置可以用来直接验证各种鲁棒控制算法。
对小车单级倒立摆球杆系统的研究具有重要的工程背景。如对多自由度扰动的非线性问题、多自由度系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题 及跟踪问题等的研究。
综上所述，现有球杆系统装置的设计扰动自由度单一，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，提供一种小车单级倒立 摆球杆装置。
本实用新型包括基座，基座上的一端竖直固定设置有横杆支架，小车 与基座上设置的滑轨活动连接，小车可以沿滑轨移动。小车上固定设置有 摆杆支座，摆杆的底部通过转轴与摆杆支座连接，转轴的一端设置有角度 编码器。横杆的两端分别通过铰链与横杆支架的顶端和摆杆的顶端连接， 横杆的顶面设置有截面为V形的滚动槽，滚动槽的一个内侧壁上设置有电 阻层，另一内侧壁上设置有导电层，滚动槽内活动设置有小球。
本实用新型的球杆装置在工作中通过小车的水平方向的运动，对摆杆 产生一个横向运动，调整摆杆的倾角，使摆杆对V形槽横杆产生一个纵向 的运动。任何控制策略和控制方法的目标都是通过控制小车的水平方向的 运动实现对V形槽横杆上小球的定位和平衡控制，因而可以验证控制策略 和控制方法的鲁棒性能。
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，小车单级倒立摆装置包括基座1，基座1固定设置有滑
轨3和横杆支架2，小车12活动设置在滑轨3上，小车12可以沿滑轨3 移动。横杆支架2的上端通与横杆7活动连接，横杆7的上面设有V形 槽，V形槽的一个内侧面5为一线性位移传感器，另一内侧面4为导电材 料，金属小球6设置在V形槽内，同时与V形槽的两个内侧面4和5相 切。小车12上固定设置有摆杆支座，摆杆9的底部通过转轴11与摆杆支 座连接，转轴11的一端与角度编码器10配合连接，摆杆9的上端与横杆 7的另一端通过铰链8连接。在横杆7的V形槽内侧5的两段加上一定的电压，同时测量内侧4的电压值就可以确定该时刻小球6的相对于横杆7 的任意端的位置。
该倒立摆装置的工作过程如下
初始状态时，摆杆竖直，倾角为90° ，小球位于横杆的最左端。工 作状态开始后，小车开始滑动，通过左右两个方向的不断变加速直线运 动，摆杆随之运动可产生对应的倾角。在摆杆运动过程中，摆杆与水平方 向形成夹角，由角度编码器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 带动小车沿滑轨移动，从而改变摆杆的倾角，使得横杆产生的纵向运动， 改变水平倾角，目标是使小球停留在固定位置，整个过程是一个动态平 衡。
整个小车单级倒立摆球杆系统由沿滑轨运动的小车倒立摆和通过转轴 固定在支架上的横杆组成。通过计数电机的正反两个方向的转动圈数，可 以确定小车的相对位移。摆杆与小车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小车的运动从而改变横杆与水平方向的夹角。 同时也可以通过改变钢球的质量来改变横杆的重心，从而使球杆系统的参 数得到改变，整个小车单级倒立摆球杆系统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，使小球稳定 地停留在指定位置，从而验证了算法的可行性。
权利要求1、小车单级倒立摆装置，包括基座，其特征在于基座上的一端竖直固定设置有横杆支架，小车与基座上设置的滑轨活动连接，小车可以沿滑轨移动；小车上固定设置有摆杆支座，摆杆的底部通过转轴与摆杆支座连接，转轴的一端设置有角度编码器；横杆的两端分别通过铰链与横杆支架的顶端和摆杆的顶端连接，横杆的顶面设置有截面为V形的滚动槽，滚动槽的一个内侧壁上设置有电阻层，另一内侧壁上设置有导电层，滚动槽内活动设置有小球。
专利摘要本实用新型涉及小车单级倒立摆装置。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横杆支架和滑轨，小车在滑轨上。摆杆的底部通过转轴与小车上的摆杆支座连接，转轴的一端设置有角度编码器。横杆的两端分别与横杆支架的顶端和摆杆的顶端连接，横杆的顶面设置有截面为V形的滚动槽，滚动槽的一个内侧壁上设置有电阻层，另一内侧壁上设置有导电层，滚动槽内活动设置有小球。本实用新型通过小车的水平方向的运动，对摆杆产生一个横向运动，调整摆杆的倾角，使摆杆对V形槽横杆产生一个纵向的运动，可以验证控制策略和控制方法的鲁棒性能。
文档编号G09B25/02GK201331872SQ20082017069
公开日2009年10月21日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者王朱珍, 薛安克, 赵晓东, 邹洪波 申请人:杭州电子科技大学