[发明专利]一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法

说明书

本发明涉及一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成。所述平面运动单元包括第一直线电机、底座、第二直线电机以及一个法兰；所述第一直线电机、第二直线电机空间上十字交叉叠放，第一直线电机提供X轴方向运动，第二直线电机提供Y轴方向运动，合成运动可以沿着平面任意方向运动。所述摆杆部分上端安有高精度姿态传感器，可实时读取摆杆与竖直方向角度和摆杆倾倒数据并传递给DSP控制器，所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据给电机驱动器。所述平面运动倒立摆系统采用直线电机直接驱动摆杆部分，省去中间传动机构干扰，使得控制更加精确，在军工、航天以及科研教学有着广泛地用途。

技术领域

本发明属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体来说涉及一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法。

背景技术

由于倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，而且在它的控制过程中，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问题，因此是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想实验平台，人们常常利用倒立摆检验各种控制算法的不稳定性、非线性和快速系统的控制能力以及各种控制算法的有效性。对倒立摆系统进行研究，不仅具有理论意义，其类似的控制方法在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行器中的姿态控制和一般工业应用等方面都具有广阔的利用开发前景。传统的倒立摆通常为直线倒立摆系统、环形倒立摆系统，它们都是通过在线性轨迹上运动而达到平衡，不能在平面内完成任意方向的运动。

发明内容

本发明针对传统倒立摆的不足，提出了一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成，可以实时读取摆杆与竖直方向角度和角加速度数据并传送给控制板，而且采用直线电机直接驱动小车，省去了中间的传动机构及干扰，使得控制更加精确可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种平面运动倒立摆，包括方型支架1、平面运动单元2、摆杆部分3；所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定；

所述平面运动单元2包括第一直线电机20、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5；所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车202和第一导轨203，所述第一导轨203固定安装在所述底座21上；所述第二直线电机20’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；

所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部；所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；

所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；

所述第一小车202上设有第一线性编码器205，所述第一导轨203上设有与所述第一线性编码器205相对应的第一磁栅206；所述第二小车202’上设有第二线性编码器205’，所述第二导轨203’上设有与所述第二线性编码器205’相对应的第二磁栅206’；

所述摆杆部分3内设有姿态传感器；

所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’结构相同；