一种变杆长的倒立摆装置的制作方法

本实用新型属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体来说涉及一种变杆长的倒立摆装置。

背景技术：

倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统，倒立摆系统的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定等特性使得它成为动力学和控制领域中公认的非常经典的实验装置，是检验控制方法有效性的良好平台。倒立摆系统在控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键能力，从对倒立摆的研究控制中验证已有的理论并不断发掘出新的控制方法，从而将其应用到航天科技以及机器人学等各种高新科技领域中。

现有的倒立摆装置，倒立摆的摆杆都是固定不变的，这样使得摆杆参数无法改变，整个倒立摆系统所能进行的实验非常有限，对于鲁棒控制、自适应控制等现代控制理论在参数可变的情况下的优越性也无法很好地体现。

技术实现要素：

为了实现参数可变的情况下的鲁棒控制、自适应控制等能力的检验，本实用新型提供了一种变杆长的倒立摆装置。

一种变杆长的倒立摆装置包括摆球1、摆杆3、角度编码器4、拖链6、小车7、轴承座8、导电滑环9、连接轴10、滑台14、导轨15、底座16和控制系统；所述滑台14固定设于底座16，所述直线电机12固定设于滑台14上，所述导轨15固定设于直线电机12上，所述小车7滑动配合设于导轨15上；所述角度编码器4和轴承座8均固定设于小车7上，所述连接轴10的一端通过轴承设于轴承座8上，连接轴10上套设着导电滑环9，连接轴10的另一端连接着的摆杆3的一端；

所述摆杆3为直线型电动推杆，包括永磁直流电机、减速齿轮副、推杆31、丝杆32、丝杆螺母33和导套35，所述摆球1固定设于推杆31的外伸端上。

进一步限定的技术方案如下：

所述直线型电动推杆的丝杆32与丝杆螺母33相适配，丝杆螺母33与推杆31固定连接，永磁直流电机经齿轮减速后，带动丝杆螺母33，将永磁直流电机的旋转运动变成直线运动，利用永磁直流电机的正反转完成推杆动作。电动推杆的推力为40n，速度为20mm/s，完全缩回长度为346mm，完全伸出长度为546mm，行程为200mm。

还包括第二连接件2，第二连接件2为阶梯轴，阶梯轴的小直径端通过螺纹连接着摆球1，阶梯轴的大直径端的轴向开设有安装孔，所述推杆31的外伸端插入阶梯轴的安装孔内，且通过垂直于安装孔的螺钉紧固。

还包括第一连接件11，第一连接件11为阶梯轴；第一连接件11的大直径端开设有连接槽，第一连接件11的小直径端的径向开设有径向连接孔；所述导套35的连接端配合插入第一连接件11的连接槽内，且通过螺钉固定连接；所述连接轴10的另一端配合插入第一连接件11的连接孔内，且通过螺钉固定连接。

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面：

1.本实用新型的摆杆采用直线型电动推杆，永磁直流电机的正负极控制摆杆伸缩，摆杆推力为40n，速度为20mm/s，完全缩回长度为346mm，完全伸出长度为546mm，摆杆重心的可变范围为173mm～273mm。在倒立摆装置的工作过程中通过任意改变摆杆长度，进而使倒立摆装置成为一个变参数系统，能更好地验证鲁棒控制、自适应控制等现代控制理论对不确定性系统控制的优越性。对于基于模型（鲁棒、滑模等）和非基于模型（h_infinity、自适应pid）等的控制算法验证，都是非常好的平台。

2.本实用新型设计合理，结构简单，工作可靠。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为图1中摆杆部分的放大图。

图3为直线型电动推杆结构示意图。

图4为倒立摆装置的自由状态示意图。

图5为摆起平衡时摆杆最短时的状态示意图。

图6为摆起平衡时摆杆最长时的状态示意图。

上图中序号：摆球1、第二连接件2、电动推杆3、角度编码器4、防撞块5、拖链6、小车7、轴承座8、导电滑环9、连接轴10、第一连接件11、直线电机12、地脚13、滑台14、导轨15、支撑座16、推杆31、丝杆32、丝杆螺母33、导套35。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，一种变杆长的倒立摆装置包括摆球1、摆杆3、角度编码器4、拖链6、小车7、轴承座8、导电滑环9、连接轴10、滑台14、导轨15、底座16和控制系统。滑台14固定安装于底座16，导轨15固定安装于滑台14，小车7滑动配合安装于导轨15上。角度编码器4和轴承座8均固定安装于小车7上，连接轴10的一端通过轴承安装于轴承座8上，连接轴10上套装着导电滑环9，连接轴10的另一端连接着的摆杆3的一端。

参见图2，摆杆3为直线型电动推杆，直线型电动推杆的推力为40n，速度为20mm/s，完全缩回长度为346mm，完全伸出长度为546mm，行程为200mm。包括永磁直流电机、减速齿轮副、推杆31、丝杆32、丝杆螺母33和导套35。丝杆32与丝杆螺母33相适配，丝杆螺母33与推杆31固定连接，永磁直流电机经齿轮减速后，带动丝杆螺母33，将永磁直流电机的旋转运动变成直线运动，利用永磁直流电机的正反转完成推杆动作。参见图3，还包括第二连接件2，第二连接件2为阶梯轴，阶梯轴的小直径端通过螺纹连接着摆球1，阶梯轴的大直径端的轴向开设有安装孔，所述推杆31的外伸端插入阶梯轴的安装孔内，且通过垂直于安装孔的螺钉紧固。参见图3，还包括第一连接件11，第一连接件11为阶梯轴，第一连接件11的大直径端开设有连接槽，第一连接件11的小直径端的径向开设有径向连接孔；导套35的连接端配合插入第一连接件11的连接槽内，且通过侧部的螺钉固定连接；连接轴10的另一端配合插入第一连接件11的连接孔内，且通过侧部的螺钉固定连接。

本实用新型的工作原理说明如下：

参见图4，初始状态时，摆杆3自由下垂。工作状态开始，直线电机12会给小车7施加一个外力，小车7产生初始加速度，由于系统具有惯性，摆杆3就会向小车7运动的另一个方向摆动，当摆杆3摆到一定高度后，不能继续上升，就会改变速度的方向，往回摆，最终回到初始位置，但此时摆杆3的速度不为零，会继续往反方向摆动，小车7回到起始位置附近，并再次得到一个加速度，使得摆杆3下次的摆动速度增大，摆动角度增大，增加系统能量，这样反复交替最终摆杆3摆至上方与导轨15垂直处，进入稳摆控制，见图5。在摆杆3运动过程中由角度编码器4测量得到相应的角位移信号，通过控制系统驱动直线电机12输出相应的力来控制小车7沿着导轨15移动，进而控制摆杆3保持平衡状态，见图5。

参见图6，当倒立摆装置在达到平衡状态时，摆杆3的长度根据需要进行伸长或缩短，在伸长或缩短的过程中，倒立摆装置的不稳定性也在增加，使得倒立摆的平衡状态难以维持，摆杆3会向某个方向倾斜，通过非基于模型的控制方法，小车7在直线电机12的驱动下也同时沿着导轨15向着摆杆3倾斜的方向移动，直至使摆杆3在稳定范围内重新达到平衡状态，本实用新型的倒立摆装置为验证现代控制理论针对不确定性系统控制的优越性提供了非常好的平台。