【《直线电机二级倒立摆的结构和控制原理综述》2000字】

直线电机二级倒立摆的结构和控制原理综述1.1倒立摆分类倒立摆是一种非常经典的研究案例，在国内外对于对于控制理论的研究非常具有研究价值，它搭建了理想情况下的实验平台，为自动控制方面的实验、科研和教学提供了一个极其优质的研究条件。随着国内外学者们对控制方面知识钻研的愈发深入，研究对象的日趋复杂化，倒立摆已由原本结构单一的倒立摆不断衍生出很多结构愈发复杂的倒立摆。倒立摆系统是通常情况下是用滑动部分连接倒立摆摆杆，因为倒立摆下面的运动部分和上面的摆动部分互相结合，倒立摆的种类也因此而变得种类繁多。研究者们通常使用到的是以下几种倒立摆等。(1)直线倒立摆它是由水平行进的部分和向上摆动的杆状物组成。往往将杆状物安装于水平行进的部分上，滑动部分通常是用直线电机来拖动小车，即沿着导轨方面做来回重复的运动。通过在小车上装置不同数量的摆体，将它们组合起来，就可以变成控制级数量不同的倒立摆系统。通过在导轨上电机拖动小车滑动，从而来使得向上摆动的部分在竖直方向上站立不倒，保持稳定。(2)环形倒立摆它的工作原理与上述一个的原理类似，其也是由运动的部分和向上摆动的杆状物构成。运动部分是绕齿轮的中心部分，做绕行的规律旋转运动。因为各种相互摆体连接方法不一样，而且环形倒立摆往下一层细分又能够继续细分成并联倒立摆和串联倒立摆。(3)平面倒立摆其包含两个部分，即正交导轨的平面运动的部分和向上摆动的杆状物。下面三张图从左到右依次是(1)(2)(3)三种倒立摆的实物图（a）(b)(c)图2-1三种常见倒立摆实物图初期对倒立摆研究时只有有一级、两级等，时至今日已发展到甚至是多级的倒立摆。国内外的研究工作人员往往只是将一级的倒立摆应用在自动控制方面的一些简单实验,而对多级的倒立摆使用就更加侧重于对其控制算法的探索和钻研,使用一级控制倒立摆的级数就越高，自由度就越大，它的控制目标就愈发难以实现。1.2直线电机倒立摆平台开源直线电机倒立摆是由工业级高精密直线电机、角度传感器、摆杆、控制系统和上位机组成。该平台是基于模型设计(MBD:Model-BaedDesign)进行开发，可以完成如LOR最优控制、模糊控制、滑校控制、神经网络控制等运动控制理论的相关实验平台。随着自动化技术应用的越来越广泛，很多工科专业都要学习自动控制，但由于这类课程比较抽象，很多理论不易理解，学习了这门课程仍不知如何应用PID等算法，这个平台把建模、控制器设计、等各个方面的众多知识结合在一起，使用者们既可借此学习相关知识，又可做相应的项目开发，提高动手能力和开发能力，研究人员还可以检验新型的动力学模型和控制算法，写论文，促进科研成果的形成，以及通过这个复杂的控制器的性能展示和研究，能充分掌握电控系统的设计方法。1.3直线电机二级倒立摆的结构和控制原理1.3.1直线电机倒立摆硬件系统直线倒立摆本体结构如下图所示，主要结构组成包括：直线电机部分、二级倒立摆各部件，DSP控制软件。在下图中，图中标号的部件如下所示：1、直线旋转运动的摆杆工作台2、倒立运动摆杆的底座3、轴4、上下运动摆杆5、角度运动编码器6、下摆杆与上下下摆杆之间的运动连接器7、角度运动编码传感器8、上下下摆杆9、直线运动位移压力传感器图2-2直线位移电机齿轮驱动器的倒立装置摆注：一级的只需要在现有的二级倒立摆的上面拿走上面部分的摆杆就行了，所以就不需要放出一级倒立摆的原理图和实物图1.3.1直线电机倒立摆控制原理通过控制的直线电机,带动皮带进行转动,在皮带的作用和带动下,小车沿着导轨方向做一个水平或垂直的循环式往复运动,同时拖动摆杆进行转动。直线高速电机传动携带器具有一个基于光电式的一个脉冲传动编码盘,根据每个脉冲的编码数目及其大小把它可以直接计算出来得出每个电机工作传动轴的每个旋转传动角度,由这个传动比率的换算可以得出每辆电动汽车的每个直线电机位移。在每一级别中小车的自动行驶导轨上都分别设有一个专门用于实时自动检测每一级别中小车的运行位置和小车运行定位速度的直线式定位传感器,小车摆杆所在一个地点的小车运行位置速度和小车位置检测信号被自动传输出来到小车控制管理系统,通过这种控制算法自动控制计算每个输入信号到每个控制点数量的小车驱动器和电机,从而自动确定每一级别的小车摆杆所在一个地点的运行位置,使两级小车摆杆都完全垂直于一个点的水平面。设计的主要目的就是为了正确设计一个驱动控制器,通过这个控制器驱动一个直线动力电机进行转动,使两级驱动摆杆之间在一个垂直旋转方向上的移动位置相对稳定。二级倒立摆控制系统硬件示意图如图2-3;图2-3二级倒立摆控制系统硬件框图dsp光栅控制卡通过光栅接收了一个来自光电信号译码器的一个直线摆杆驱动角度控制信号和一个经过光栅模拟输入的一个直线主控电机在一个工作台上的一个位移角度信号,并对这个位移信号分别然后进行数据处理分析获取最后得到六个控制状态变量,然后根据控制算法分别进行系统计算分