[发明专利]网络化双并联倒立摆

说明书

技术领域

本发明涉及一种双并联倒立摆，特别是一种网络化双并联倒立摆，属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域。

背景技术

倒立摆自从它诞生的那一天起，就担负起了验证各种控制算法正确与否的重要角色，为自动控制理论的发展做出了不可磨灭的贡献。它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合系统，对它的研究可归结为对非线性、多变量、绝对不稳定系统的研究，所以能够有效地反映控制中的许多关键问题，如非线性问题、鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。许多抽象的控制概念如稳定性、能控性、快速性和鲁棒性，都可以通过摆杆角度、位移和稳定时间等直接度量。

对倒立摆的垂直稳定控制深刻地揭示了自然界的一种基本规律，即一个自然不稳定的被控对象，通过人为的控制手段使之具有良好的稳定性。这也刚好同时暗示了对它的研究除了具有上述科研理论意义之外，还同时拥有重要的实际工程意义。这是因为倒立摆作为一个重心在上，支点在下的被控对象，与很多日常生活及工业生产中的实际对象具有相通性，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制、各类伺服机构的稳定控制、海上钻井平台的稳定控制、直升机飞行控制、化工过程控制等，其控制方法已广泛应用在冶金、石化、机械、食品、制药、航空航天及军事系统等各个领域。

但当前的大部分倒立摆系统还是以在摆杆上不断铰链新的摆杆，来增加系统的级数和复杂性，如一级倒立摆、二级倒立摆、三级倒立摆等，对象的输入大多为单输入系统，并且这样的倒立摆系统本身的耦合性还不够强。同时，由于倒立摆装置本身价格昂贵，使得很多针对它的研究算法还仅限于理论上的建模与仿真，对诸多实际约束问题考虑不够充分，从而与实际应用的效果还存在一定的距离(甚至算法本身可行性较低，难以实现等)。另外，现在的网络控制算法也得到了越来越广泛的研究，然而现实中还缺乏实际复杂的强耦合多变量和实时性要求较高的控制对象和相应的控制实验平台，所以很多针对复杂系统的网络控制研究还限制在理论研究和仿真阶段。

发明内容

为了解决以上诸多问题，本发明的目的在于提供一种多输入、强耦合、多变量的网络化双并联倒立摆。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

本发明所述的网络化双并联倒立摆，包括含有两个摆杆、两辆小车、一根弹簧、两个电机及其驱动器的双并联倒立摆、本地控制系统、远程控制系统和网络控制系统，其特征在于：

(1)有两个对称的摆体，其上固定安装两个滑轨和所述两个电机，有两辆小车分别由所述两个电机带动在所述两个滑轨上来回自由运动，所述两个摆杆分别通过两个联轴器铰链在所述两辆小车上，所述两个摆杆之间通过一根弹簧进行连接，所述两个联轴器的另外一端分别装有一个角度编码器，所述两个电机上分别装有电机编码器；

(2)所述弹簧为开口式拉簧，有两个钮环分别固定在所述两个摆杆相同高度上，通过所述两个钮环将所述开口式拉簧进行固定，固定高度可以自由调节；

(3)所述两辆小车运行所在的所述两个滑轨相互平行，所述两滑轨之间的垂直距离可以自由调节，且所述两摆杆间的垂直距离大于开口式拉簧的原始长度。

上述的本地控制系统的结构是：一个服务器端与一个运动控制卡相联，所述运动控制卡与一个伺服驱动器相连，所述伺服驱动器的输出联接到所述两个电机，所述两个电机编码器两输出连接到所述伺服驱动器和运动控制卡，所述双并联倒立摆的两个角度编码器的输出也连接到所述运动控制卡；将所述运动控制卡内采集到的电机编码器信号和角度编码器信号送到所述服务器端内的控制器，再由该控制器给出控制量至所述运动控制卡，实现双并联倒立摆的本地控制。

上述的远程控制系统的结构是：在所述本地控制系统的基础上，所述服务器端通过网络联通客户端；所述客户端的远程Internet用户通过客户端的远程控制器发出控制命令、设置控制参数、选择服务器端控制算法，进而实时控制双并联倒立摆的运行，并传回所述两辆小车的位置和速度、两摆杆的角度和角速度等系统运行参数，绘制控制曲线；或者由远程Internet用户自行开发控制算法，通过所述客户端将算法传送至所述服务器端，完成自行开发算法的实物控制，最终实现双并联倒立摆的远程控制。