[实用新型]仿人控制三级倒立摆系统试验平台

说明书

本实用新型一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，属于控制技术领域。

倒立摆的控制方法很多，经典控制理论中的比例-微分(PID)控制，现代控制理论中的状态空间方法控制等，这些都是基于精确的数学模型的控制方法。对于一级和二级倒立摆的控制是有效的，并有成功的实例，此外，基于非精确数学模型的模糊逻辑控制、人工神经网络控制、智能控制等，也能将一级、二级倒立摆稳定住。但是对单电机控制的三级倒立摆问题，却难以解决。

本实用新型的目的是提供仿人控制倒立摆系统试验平台(模仿杂技表演顶杆技艺机理)，用单电机分别将一级、二级和三级倒立摆稳定地控制住，并有良好的稳定鲁棒性(Robustness)和品质鲁棒性，能为各种控制理论和方法的物理验证提供一种良好的检验手段，或提供一种现实的高科技的试验平台。

本实用新型一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，主要由机械装置(被控对象)和控制器两大部分组成；

一．机械装置(被控对象)的组成是：

由于机械装置与被控对象紧密地联系在一起，因此通常将机械装置也称为被控对象；其倒立摆系统的机械装置由真正的被控对象(小车3、下倒摆4、中倒摆5和上倒摆7)、导轨13、左支架组件1，右支架组件16和工作台17(桌子)等几个主要部件组成；其中，

连接关系是：导轨13的左右两端分别与左支架组件1上的支架20和右支架组件16上的支架20，通过内六角螺钉18相固连，而左支架组件1和右支架组件16则通过螺栓19分别固定在工作台17的台面两侧上；其中：

<1>、左支架组件1，由支承导轨13的支架20、一对轴承座组件25，皮带轮组件22和电位器支架26等主要部件组成；它们都被安装在左安装底板21上，其中支架20对导轨13的左端起支承作用，而左安装底板21则通过四个螺栓19固定在工作台17的左侧；

其中电位器支架26对测量小车位移电位器2起支承作用，电位器2通过档圈38和三个螺钉固定在电位器支架26上；

其中皮带轮组件22，由皮带轮15、心轴23和轴套24相互联结组成；它们被安装在一对轴承座组件25上，轴承座组件25对它们起支承作用；

其中皮带轮的心轴23即其旋转轴的两端被支承在轴承座组件25上，电位器2被支承在电位器支架26上，电位器2的旋转轴与心轴23在同一轴线方向，将电位器2的旋转轴通过轴套24与心轴23连成一体并用螺钉固紧，使电位器2的旋转轴与皮带轮15保持同轴转动；由于左端皮带轮15通过传动皮带14与小车3相连接的，因此，当小车3在导轨13上移动时，通过传动皮带14带动皮带轮15转动，同时也带动电位器2的旋转轴转动，此时电位器2旋转轴转过角度的大小与小车3在导轨13上的位移成正比，所以，电位器的输出便检测出小车3在导轨13上移动信号的大小；

<2>、右支架组件16，由支承导轨13的支架20、电机轴支座组件29、皮带轮组件22和电机座30等主要部件组成，且都被安装在电机安装底板27上，而电机安装底板27，则通过四个螺栓19固定在工作台17的右侧；

其中支架20对导轨13的右端起支承作用；

其中电机连接轴28上有三个互成120°的通孔，通过三个螺钉将电机连接轴28与皮带轮15连成一体，因此，电机连接轴28也是皮带轮的旋转轴，即皮带轮轴，在电机连接轴28的下端沿其轴线方向开设一圆孔，控制电机的旋转轴将插入此孔内，通过销钉将电机旋转轴与电机连接轴28连成一体；据此，电机连接轴28将控制电机与皮带轮15构成同轴转动；

其中电机轴支座组件29是为安装电机连接轴28所用，电机连接轴28的上端通过轴承安装在其上，它对电机连接轴28起到支承作用；

其中电机座30对控制电机起支承作用，电机座下端设有两个通孔，通过两个螺钉将其固定在电机安装底板27上；其上端也设有两个通孔，当控制电机安放在电机座30上时，电机压板31通过上述二通孔，用两个螺钉将控制电机固紧在电机座30上，如此，控制电机已经被固定且与皮带轮15保持同轴转动，当控制电机轴转动时，便带动右皮带轮15作相应的转动，右端皮带轮15通过其上的传动皮带14带动小车3在导轨13上移动，小车3便通过测量下倒摆角位移电位器12的旋转轴带动下倒摆4作相应的运动；下倒摆4则通过测量中倒摆角位移电位器10的旋转轴带动中倒摆5作相应的运动，中倒摆5又通过测量上倒摆角位移电位器6的旋转轴带动上倒摆7作相应的运动，依此类推，理论上是可以做到四级甚至更多级倒摆的控制。