简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计简

采用ATmega128作为本旋转倒立摆控制装置的主控芯片,通过直流电机对旋转臂进行控制,实现对摆杆的旋转控制。用编码器对摆杆旋转角度进行测量,将旋转位移转换成数字脉冲实现控制。通过对编码器设定零点,运用PID算法实现精确控制摆杆的摆动角度与状态。测试结果表明,该简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计方法科学,具有性能稳定、抗干扰能力强、控制精确,可靠性高,节能环保等优点。     

摆杆和摆杆座质量对复摆实验的影响

通过理论分析证明复摆实验装置中摆杆和摆杆座质量对实验的影响,指出在摆杆和摆杆座的质量不能忽略的情况下,由摆杆、摆杆座和摆锤组成的刚体并非固定刚体。针对现有的刚体系统重新设计实验方案,推导出利用该装置测量重力加速度的理论公式,实验结果证明该方案切实可行。     

基于滑模变结构的柔性倒立摆控制研究

针对柔性倒立摆稳摆控制比较困难且传统指数趋近率的滑模变结构控制易对系统造成抖振,基于机理建模方法建立柔性倒立摆数学模型,提出变指数趋近率的滑模变结构控制方法,设计了滑模变结构控制器,使系统具有较好的稳摆控制和鲁棒性。仿真结果表明,基于变指数趋近率的滑模变结构控制方法能够更好的实现倒立摆稳定控制,相比于传统指数趋近率的滑模控制器输出更加平滑,进而减小了控制器的负担。     

三线摆实验仪角度控制装置的设计与制作

用三线摆测刚体转动惯量的实验条件是转动圆盘角度要小于 5°,在实验中因仪器没有配置角度的控制装置 ,因此无法准确控制角度 ,不能满足实验条件 ,造成实验结果误差增大。装上角度控制装置后 ,转动角度可精确控制小于 5°,保证了实验条件和实验结果的误差减小。     

角度受限的编码器误差测试研究

为解决转角受限编码器角度误差的精确测试问题,采用平面反射镜-自准直经纬仪法测试编码器角度误差。建立了角度误差和位姿失调参数、编码器角度以及经纬仪示值之间关系的数学模型,通过对失调参数的解算可对编码器角度系统误差进行修正。实验结果表明,在角度范围为0°~40°时,由位姿失调所引入的角度误差随编码器角度的增大单调递增,误差最大值为742.9″;经过修正后的角度误差和编码器位姿无失调时的角度误差基本相当,误差最大值分别为4.4″和3.5″。此方法可有效测试无法精确调整或不具备调平条件的转角受限的编码器角度误差。     

基于两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统

在许多精密科学实验和测试中,对地面垂直振动的有效隔离影响着实验结果和测试结果的精度.本文提出一种全新的两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统,在原理分析的基础上,设计并实现了该系统的样机.两根水平摆杆放置在同一竖直平面,绕各自铰链旋转,上摆杆通过普通弹簧悬挂于基座,下摆杆通过零长弹簧悬挂于上摆杆.系统通过光电探测方法检测两根摆杆的夹角作为误差信号,经过闭环控制将反馈力作用于上摆杆,使两根摆杆的夹角为零.零长弹簧悬挂点的位置与系统刚度有着密切关系,通过精细地调节弹簧悬挂点的位置,合理地设置控制参数,可以实现一个本征频率低至0.01 Hz的系统.理论上,该系统相对于被动式垂直隔振系统具有更好的隔振效果和抗干扰能力,相对于传统的主动式垂直隔振系统体积更小,结构更简单,有望应用于精密物理实验和科学研究当中.     

编码器动态检测系统高实时性高精度角度基准设计

在编码器动态特性检测中,角度基准的快速反应和精度直接影响着动态特性检测装置的准确性。为实现角度基准的快速响应,提高基准编码器的测角精度,本文设计了高精度快速细分角度基准编码器。首先,通过对目前角度基准不足对编码器动态特性检测影响的分析,得出动态检测精度主要受基准编码器的数据处理延时影响。其次,通过对基准编码器结构、细分电路、处理电路等的设计,完成了23位高实时性角度基准编码器的制作。最后,为提高检测精度,利用RBF神经网络对角度基准进行误差补偿。所设计的角度基准编码器分辨率达到0.15",并且可以在10 r/s速度时,保证逐分辨率输出。经过测量,补偿前基准编码器的精度为1.30",补偿后的基准编码器误差峰峰值不超过2.5",精度优于0.6"。高精度、高实时性角度基准编码器的研制,提高了编码器动态特性检测系统的检测精度,为研究编码器动态特性提供了基础。     

三线摆转动角度控制装置的设计

用FD-IM-II新型转动惯量测定仪测刚体转动惯量的实验条件之一是转动圆盘角度要小于5°,在实验中发现该仪器没有配置角度控制装置,因此无法准确控制角度,会造成实验结果误差增大。文章为FD-IM-II新型转动惯量测定仪的三线摆设计了2种转动角度控制装置的方案,这样转动角度就可以精确控制在5°范围之内,保证实验条件的满足,从而使实验结果的误差减小。     

三维角度调节靶架的定位精度分析

针对大功率激光装置中送靶机构特性,设计了一种新型三维角度调节靶架,该靶架由一个正切机构实现回转角度调整,由一套正交分布的正切机构实现二维角度偏摆调整。从靶架机构中的原理误差、结构误差和牵连误差出发,对角度调节靶架机构的结构参数进行了分析。结果显示:靶架机构误差受直线驱动器位移、驱动器球头半径、正切机构作用半径、驱动器安装孔角度误差、驱动器圆柱面对中误差、两个正切机构正交误差、靶杆和回转轴线倾斜角度影响。靶杆和回转轴安装倾斜误差影响较大,球接触误差次之,通过精密装调及控制系统补偿后此三维角度调节靶架精度可达0.1 mrad。     

一种双惯性轮空间倒立摆及其动力学建模和分析

针对现有的惯性轮倒立摆在模拟多自由度不稳定系统的局限性,提出了一种双惯性轮空间倒立摆系统,其具有四个自由度和两个控制量,可同时模拟不稳定系统俯仰和滚转姿态控制。运用拉格朗日方法建立了双惯性轮空间倒立摆的动力学模型,分别采用模型退化、数值仿真验证了所建立的模型的正确性,并分析了双惯性轮空间倒立摆的动力学特性。建立的双惯性轮空间倒立摆可应用于多自由度非平稳系统的模拟实验,提出的物理结构、模型和相关分析结论为双惯性轮空间倒立摆系统的进一步研究奠定了理论基础。     

用方位径向摆演示李萨如图形的研究

通过对方位径向摆的弹性杆和摆球的固有振动频率进行分析,利用相机曝光方法研究了摆球李萨如图形.分析了摆线长度、初始释放角度、摆球质量等因素对摆球运行轨迹的影响,理论和实验符合较好.     

自制向心力表达式验证仪

对"圆锥摆粗略验证向心力表达式"实验进行改进,采用减速电动机通过轻杆带动大钢球做匀速圆周运动,形成圆锥摆.改进后的装置运行稳定,操作简单.     

轻重物体系绕杆运动的循环摆现象研究

理论分析建立了描述轻重物体系绕杆运动的循环摆运动方程,通过Matlab模拟了质量比、释放角度、绳长、摩察系数和杆半径对循环摆运动的影响.为了验证数值模拟的结果,使用高速摄像机记录循环摆的运动过程,再用Tracker软件进行打点分析.实验结果表明:轻重物体质量比小于0.27～0.43,释放角度大于68°～90°,轻物体能够绕杆运动,并可以阻止重物体下落.     

基于改进蜂群算法的倒立摆控制器优化设计

环形倒立摆系统以其非线性、不稳定、高阶的、强耦合的特性,已经成为控制理论教学以及模拟机器人行走、卫星飞行姿态等复杂系统控制的重要实验平台;文章中引入了LQR控制算法,实现对倒立摆的稳定控制;而为了避免LQR控制器设计过程中反复调节加权矩阵Q,R的复杂性,同时得到更优异的控制效果,将人工蜂群(ABC)算法应用于LQR控制器设计中;而为了克服传统蜂群算法的缺陷,加快收敛速度和增加种群的多样性,在雇佣蜂阶段和跟随蜂阶段对算法进行了改进;仿真结果表明,改善的ABC算法的能够很好地完成LQR控制器参数寻优,控制效果良好。     

基于Riccati方程和LMI算法的H∞控制器的设计与实现

H∞控制是一种重要的鲁棒控制方法,它以H∞范数作为控制性能指标,是一种最优控制方法,目的是求出系统内部稳定的控制器,使闭环传递函数的无穷范数极小,达到控制的目的。以固高公司的直线一级倒立摆为控制对象,实现基于Riccati方程和LMI算法的H∞控制器设计,采用M文件及simulink实现系统建模、控制器的设计,完成系统算法的验证,实验表明,控制器的输出、倒立摆系统的状态变量变化平稳,系统具有较强的鲁棒性,系统表现出良好的动态品质,验证了H∞控制器的有效性。     

利用坐标变换分析塔差对编码器测角精度测试的影响

为了实现编码器测角精度的高精度测量,介绍了应用多面棱体和自准直仪组合测量编码器测角精度的原理和方法,建立了多面棱体坐标系和自准直仪测量坐标系,利用坐标变换的方法推导了塔差对测角精度测试结果影响的精确模型。结果表明,编码器转轴的倾斜角度和倾斜方向会影响编码器测角精度的测量结果。测量误差随编码器的倾斜角度的增大而增大,且近似成平方关系。测量误差随随编码器的倾斜方向改变,倾斜方向角为0°或180°时,测量误差最小;倾斜方向角为90°或270°时,测量误差最大。当倾斜角度为5′时,引入的测量误差为0.11″~0.48″,这对于Ⅰ~Ⅲ级编码器的测试是不能忽略的。根据被测编码器的精度等级将塔差控制在恰当的范围内,给出了不同精度等级编码器测试时塔差的控制要求。     

一种立式分离式霍普金森压杆实验装置研制

低波阻抗材料通常可以用于吸能、缓冲等领域。用分离式霍普金森压杆实验装置测量这类材料的动态本构关系时,并不需要子弹拥有太高的冲击速度,但要求速度稳定,每次实验过程中的速度偏差要小。为此,依据自由落体原理,研制立式分离式霍普金森压杆,通过下落高度精确控制子弹撞击速度。通过夹持入射杆的摩擦力与入射杆重力相等的方法消除入射杆自重对实验结果的影响。通过对PVA(聚乙烯醇)纤维增韧混凝土的动态压缩实验验证该实验装置的可靠性。     

单摆摆球运动轨迹控制装置

设计了单摆摆球运动轨迹控制装置,该装置由摆线指针、摆线定位板组成.使用控制装置可以准确、快速调节单摆的平衡位置和摆动角度,保证摆球在平行于角度尺的铅垂平面内运动.     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

径向摆的运动状态及其混沌状态的研究

本文研究了第31届国际青年物理学家锦标赛(IYPT)中径向摆问题。利用弹性理论笔者对弹性杆和小球组成的径向摆体系进行了分析和实验检验。结果发现,通过改变摆的悬挂位置、弹性杆长度等参数可以改变摆球的运动轨迹。实验结果表明:弹性杆与摆球运动的牵连是径向摆摆的运动轨迹会发生转变的原因,而弹性杆的受迫共振是摆径向摆体系存在混沌现象的原因,混沌现象产生的条件是发生在弹性杆杨氏模量或截面积极小的情况。