二级倒立摆机构设计[答辩毕业论文资料]

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1、毕业设计（论文）课题名称二级倒立摆机构设计专业学号学生姓名指导老师日期目录g录2HtfW3绪论41.1二级倒立摆系统的概述41.2国内外发展现状41.3课题研究的意义5第二章总体方案设计72.1二级倒立摆工作原理72.1.1系统设计82.1.2控制器设计92.2总体结构设计92.2.1二级倒立摆装配图设计9第三章设计计算与零部件选用133.1设计计算133.2零件的选型183.2.1伺服电机选型183.2.2LM滚动导轨副选择193.2.3联轴器的选择203.2.4编码器的选择213.2.5滚动轴承的选择223

2、.2.6滚珠丝杠的选择233.3校核计算243.3.1二级倒立摆整体重量的计算263.3.2交流伺服电动机的计算和校核26第四章二级倒立摆的使用294.1注意事项294.1.1准备阶段注意事项294.1.2电脑的配置要求294.1.3使用注意事项294.2系统使用294.2.1倒立摆的开机操作及电位器零位调整方法294.2.2系统操作与维护30刖吕倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度、和系统抗干扰能力等，都可以通过倒

3、立摆直观的表现山来。倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性。学习自动控制课程的学生通过使用它來验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单，易于设II•和制造，成本低廉，因此在欧

4、美发达国家的高等院校，它己成为必备的控制教学设备。同吋由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研宄人员一直将它视为研宄对象，并不断从屮发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应川。因此，倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。本设计对经典的二级倒立摆系统进行数学建模、控制设计和系统仿真。二级倒立摆系统数学建模屮，利用拉格朗H方程来建立倒立摆运动学方程，在进行线性化之后得到系统理想状态的数学方程。校制设计是采用的线性最优校制，设计时使在无

5、限时间上的系统的性能泛函取最小值，而得到最优反馈系数向量K，实现最优控制。在系统仿真中，使用Matlab控制系统设计工具箱中的专用函数计算系统特征伉和最优反馈系数K，并进行系统仿真，得到系统的响应曲线。第一章绪论1.1二级倒立摆系统的概述倒立摆本体主要由以下几个部分组成:•基座•直流伺服电机•同步带•带轮•滑竿•摆杆•角编码器•限位开关滑杆角编码器三电动机限位开关带轮图1-1倒立摆本体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耑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

6、一个被控制对象。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W:。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川性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效、生动的比较［3］。倒

7、立摆本身是一个自然不稳定体，在控制过程屮能有效地反映控制屮的许多关键问题。如非线性问题，系统的鲁棒性问题，随动W题，镇定问题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一个实验装罝，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。同吋，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、火箭发射中的乘直度控制和卫星飞行中的姿态控制等［4］。1.2国内外发展现状倒立摆实物控制实验

8、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。后來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