直線電機(jī)二級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)和控制原理綜述1.1倒立擺分類倒立擺是一種非常經(jīng)典的研究案例，在國(guó)內(nèi)外對(duì)于對(duì)于控制理論的研究非常具有研究?jī)r(jià)值，它搭建了理想情況下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為自動(dòng)控制方面的實(shí)驗(yàn)、科研和教學(xué)提供了一個(gè)極其優(yōu)質(zhì)的研究條件。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)控制方面知識(shí)鉆研的愈發(fā)深入，研究對(duì)象的日趨復(fù)雜化，倒立擺已由原本結(jié)構(gòu)單一的倒立擺不斷衍生出很多結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜的倒立擺。倒立擺系統(tǒng)是通常情況下是用滑動(dòng)部分連接倒立擺擺桿，因?yàn)榈沽[下面的運(yùn)動(dòng)部分和上面的擺動(dòng)部分互相結(jié)合，倒立擺的種類也因此而變得種類繁多。研究者們通常使用到的是以下幾種倒立擺等。(1)直線倒立擺它是由水平行進(jìn)的部分和向上擺動(dòng)的桿狀物組成。往往將桿狀物安裝于水平行進(jìn)的部分上，滑動(dòng)部分通常是用直線電機(jī)來(lái)拖動(dòng)小車(chē)，即沿著導(dǎo)軌方面做來(lái)回重復(fù)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在小車(chē)上裝置不同數(shù)量的擺體，將它們組合起來(lái)，就可以變成控制級(jí)數(shù)量不同的倒立擺系統(tǒng)。通過(guò)在導(dǎo)軌上電機(jī)拖動(dòng)小車(chē)滑動(dòng)，從而來(lái)使得向上擺動(dòng)的部分在豎直方向上站立不倒，保持穩(wěn)定。(2)環(huán)形倒立擺它的工作原理與上述一個(gè)的原理類似，其也是由運(yùn)動(dòng)的部分和向上擺動(dòng)的桿狀物構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)部分是繞齒輪的中心部分，做繞行的規(guī)律旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楦鞣N相互擺體連接方法不一樣，而且環(huán)形倒立擺往下一層細(xì)分又能夠繼續(xù)細(xì)分成并聯(lián)倒立擺和串聯(lián)倒立擺。(3)平面倒立擺其包含兩個(gè)部分，即正交導(dǎo)軌的平面運(yùn)動(dòng)的部分和向上擺動(dòng)的桿狀物。下面三張圖從左到右依次是(1)(2)(3)三種倒立擺的實(shí)物圖（a）(b)(c)圖2-1三種常見(jiàn)倒立擺實(shí)物圖初期對(duì)倒立擺研究時(shí)只有有一級(jí)、兩級(jí)等，時(shí)至今日已發(fā)展到甚至是多級(jí)的倒立擺。國(guó)內(nèi)外的研究工作人員往往只是將一級(jí)的倒立擺應(yīng)用在自動(dòng)控制方面的一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn),而對(duì)多級(jí)的倒立擺使用就更加側(cè)重于對(duì)其控制算法的探索和鉆研,使用一級(jí)控制倒立擺的級(jí)數(shù)就越高，自由度就越大，它的控制目標(biāo)就愈發(fā)難以實(shí)現(xiàn)。1.2直線電機(jī)倒立擺平臺(tái)開(kāi)源直線電機(jī)倒立擺是由工業(yè)級(jí)高精密直線電機(jī)、角度傳感器、擺桿、控制系統(tǒng)和上位機(jī)組成。該平臺(tái)是基于模型設(shè)計(jì)(MBD:Model-BaedDesign)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以完成如LOR最優(yōu)控制、模糊控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等運(yùn)動(dòng)控制理論的相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。隨著自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，很多工科專業(yè)都要學(xué)習(xí)自動(dòng)控制，但由于這類課程比較抽象，很多理論不易理解，學(xué)習(xí)了這門(mén)課程仍不知如何應(yīng)用PID等算法，這個(gè)平臺(tái)把建模、控制器設(shè)計(jì)、等各個(gè)方面的眾多知識(shí)結(jié)合在一起，使用者們既可借此學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，又可做相應(yīng)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，提高動(dòng)手能力和開(kāi)發(fā)能力，研究人員還可以檢驗(yàn)新型的動(dòng)力學(xué)模型和控制算法，寫(xiě)論文，促進(jìn)科研成果的形成，以及通過(guò)這個(gè)復(fù)雜的控制器的性能展示和研究，能充分掌握電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。1.3直線電機(jī)二級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)和控制原理1.3.1直線電機(jī)倒立擺硬件系統(tǒng)直線倒立擺本體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要結(jié)構(gòu)組成包括：直線電機(jī)部分、二級(jí)倒立擺各部件，DSP控制軟件。在下圖中，圖中標(biāo)號(hào)的部件如下所示：1、直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的擺桿工作臺(tái)2、倒立運(yùn)動(dòng)擺桿的底座3、軸4、上下運(yùn)動(dòng)擺桿5、角度運(yùn)動(dòng)編碼器6、下擺桿與上下下擺桿之間的運(yùn)動(dòng)連接器7、角度運(yùn)動(dòng)編碼傳感器8、上下下擺桿9、直線運(yùn)動(dòng)位移壓力傳感器圖2-2直線位移電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)器的倒立裝置擺注：一級(jí)的只需要在現(xiàn)有的二級(jí)倒立擺的上面拿走上面部分的擺桿就行了，所以就不需要放出一級(jí)倒立擺的原理圖和實(shí)物圖1.3.1直線電機(jī)倒立擺控制原理通過(guò)控制的直線電機(jī),帶動(dòng)皮帶進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),在皮帶的作用和帶動(dòng)下,小車(chē)沿著導(dǎo)軌方向做一個(gè)水平或垂直的循環(huán)式往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)拖動(dòng)擺桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。直線高速電機(jī)傳動(dòng)攜帶器具有一個(gè)基于光電式的一個(gè)脈沖傳動(dòng)編碼盤(pán),根據(jù)每個(gè)脈沖的編碼數(shù)目及其大小把它可以直接計(jì)算出來(lái)得出每個(gè)電機(jī)工作傳動(dòng)軸的每個(gè)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)角度,由這個(gè)傳動(dòng)比率的換算可以得出每輛電動(dòng)汽車(chē)的每個(gè)直線電機(jī)位移。在每一級(jí)別中小車(chē)的自動(dòng)行駛導(dǎo)軌上都分別設(shè)有一個(gè)專門(mén)用于實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)每一級(jí)別中小車(chē)的運(yùn)行位置和小車(chē)運(yùn)行定位速度的直線式定位傳感器,小車(chē)擺桿所在一個(gè)地點(diǎn)的小車(chē)運(yùn)行位置速度和小車(chē)位置檢測(cè)信號(hào)被自動(dòng)傳輸出來(lái)到小車(chē)控制管理系統(tǒng),通過(guò)這種控制算法自動(dòng)控制計(jì)算每個(gè)輸入信號(hào)到每個(gè)控制點(diǎn)數(shù)量的小車(chē)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī),從而自動(dòng)確定每一級(jí)別的小車(chē)擺桿所在一個(gè)地點(diǎn)的運(yùn)行位置,使兩級(jí)小車(chē)擺桿都完全垂直于一個(gè)點(diǎn)的水平面。設(shè)計(jì)的主要目的就是為了正確設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器,通過(guò)這個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)直線動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),使兩級(jí)驅(qū)動(dòng)擺桿之間在一個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)方向上的移動(dòng)位置相對(duì)穩(wěn)定。二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖2-3;圖2-3二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)硬件框圖dsp光柵控制卡通過(guò)光柵接收了一個(gè)來(lái)自光電信號(hào)譯碼器的一個(gè)直線擺桿驅(qū)動(dòng)角度控制信號(hào)和一個(gè)經(jīng)過(guò)光柵模擬輸入的一個(gè)直線主控電機(jī)在一個(gè)工作臺(tái)上的一個(gè)位移角度信號(hào),并對(duì)這個(gè)位移信號(hào)分別然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析獲取最后得到六個(gè)控制狀態(tài)變量,然后根據(jù)控制算法分別進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算分