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1、同济大学继续教育学院倒立摆论文共 32 页 第 1 页毕业设计（论文）课题名称 二级倒立摆学习形式 夜大学习层次 专科专 业 机电一体化学 号学生姓名指导老师 张剑日 期继续教育学院网络教育学院同济大学继续教育学院倒立摆论文共 32 页 第 2 页目录第一章 绪论 31.1 倒立摆系统的概述 31.2 倒立摆系统的研究应用现状及发展趋势 31.21 国内外倒立摆系统的研究和应用状况 31.2.2 倒立摆相关技术的发展趋势 81.3 平面二级倒立摆的组成 91.3.1 支撑及运动平台系统 91.3.2 摆杆及反馈控制系统 91.4 论文的意义及主要完成的工作 9第二章 系统设计 112.1 二级
2、倒立摆工作原理 112.2 总体设计方法 122.2.1 二级倒立摆装配图设计的特点 132.3 零件的选型 162.3.1 伺服电机选择 162.3.2 LM 滚动导轨副选择： 182.3.4 联轴器的选择： 192.3.5 编码器的选择 202.3.6 滚动轴承的选择： 212.3.7 滚珠丝杠的选择 2324 计算和校核 24结论 30致谢 31参考文献 32同济大学继续教育学院倒立摆论文共 32 页 第 3 页第一章 绪论1.1 倒立摆系统的概述在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。 倒立摆就是这样一个被控制对
3、象。倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统 1。 在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题， 如非线性问题、 系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等 2。倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观、结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉。 倒立摆系统的控制效果可以通过其稳定性直观地体现，也可以通过摆杆角度 小车位移和稳定时间直接度量。其实验效果直观，显著。当新的控制理论与方法出现后，可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效、生动的比较 3。倒立摆本身是一个自然不稳定体，在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题。如非线性问题，系统的
4、鲁棒性问题，随动问题，镇定问题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉。作为一个被控对象，它又相当复杂。就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，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和卫星飞行中的姿态控制等 4。1.2 倒立摆系统的研究应用现状及发展趋势1.2.1 国内外倒立摆系统的研究和应用状况倒立摆实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪 50 年代，麻省理工学院（MIT）的控制
5、论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备，而后世界各国都将一级倒立摆控制作为验证某种控制理论或方法的典型方案。后来又人们参照双足机器人控制问题研制二级倒立摆控制设备，从而提高了检验控制理论或方法的能力，也拓宽了控制理论或方法的检验范围。三级倒立摆是由一、二级倒立摆演绎而来，背景相当复杂。一级倒立摆控制实物系统已广泛用于教学，二级倒立摆控制实物系同济大学继续教育学院倒立摆论文共 32 页 第 4 页统已见于某些实验室中,三级倒立摆控制的实物系统实现是世界公认的困难问题。四级倒立摆控制的实物系统实现更加困难。 如图 1.1 和 1.2 所示，它们是比较常见的典型的直线和平面倒立摆实物模
6、型。图 1.1 直线二级倒立摆示意图 图 1.2 平面倒立摆构成示意图国内的倒立摆研究有着丰硕的成果。2001 年 9 月，北京师范大学李洪兴教授带领的智能控制实验室采用变论域自适应控制成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，具有很好的稳定性、鲁棒性和定位功能。这说明变论域自适应控制是一种高性能的自动控制，将会形成一个新的控制理论分支 5。而后，从 2001 年 10 月他们着手研究四级倒立摆实物控制题。这是一个国际空白的极其困难的问题。经过 10 个多月的刻苦攻关，在 2002 年 8 月世界上第一个成功实现了四级倒立摆实物控制。经教育部组织专家鉴定，认为该项成果既具有丰富的理论又包含实用价值很
7、高的方法与技术，特别在世界上第一个成功地实现了四级倒立摆实物控制，在自适应Fuzzy 控制理论和实验研究方面，均取得了突破性的成果。这是一项原创性的具有国际领先水平的重大科技成果。自从成功实现四级倒立摆实物控制以后，又将“平面三级倒立摆实物控制的实现”作为重要研究课题之一。从控制理论和控制工程的意义上讲，平面运动倒立摆实物控制的实现要比直线运动倒立摆实物控制的实现困难得多；这不仅是因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍地增加，而且有关机械和电子器件的实现或选用遇到瓶颈性的困难6。将变论域自适应控制理论吸收最优控制理论和经典 PID 控制理论的某些特点扩展为具有高维 PID 调节功能的变
8、论域自适应控制理论 7。然后采用该控制理论在国际上首次成功地实现了平面运动三级倒立摆实物控制，不仅运行状态良好，而且还具有位置跟踪功能。同济大学继续教育学院倒立摆论文共 32 页 第 5 页经教育部组织专家鉴定，认为“该项目经历了从理论研究到实验研究的全过程，难度很大，既有丰富的理论成果，又有实用价值很高的方法与技术，是一项具有国际领先水平的重要的创新成果”。图 1.3 平面三级倒立摆稳定示意图 图 1.4 四级倒立摆稳定示意图图 1.3 和 1.4 为北师大研究成功的倒立摆。他们进一步研究目标是设法实现平面运动四级倒立摆实物控制，这将又是一个高难度的世界难题。机器人行走也类似倒立摆系统，尽管
9、第一台机器人在美国问世以来已有三十多年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此，倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值，成为控制理论中经久不衰的研究课题。倒立摆系统最终的控制目标是使倒立摆这样一个不稳定的被控对象，通过引入适当的控制方式使之成为一个稳定的系统 8。对倒立摆系统建立数学模型是实现倒立摆控制的基础。国内有几家生产倒立摆产品技术成熟的公司，他们的产品广泛应用于高校等研究单位。郑州微纳科技研制的由永磁直线电机驱动直线电机倒立摆，属国内首创，具有国际领先水平，并具有以下特点：1高速性：可以达到 5ms；2高加速性：实验时可以达到 80ms。
