編輯推薦
本書是在原有《機器人控製係統的設計與MATLAB仿真》基礎上撰寫而成,並刪除、增加和更新瞭部分內容。全書共分為兩冊,本書為上冊,即“基本設計方法”部分。本書共分10章,包括先進PID控製、神經網絡自適應控製、模糊自適應控製、迭代學習控製、反演控製、滑模控製、自適應魯棒控製、末端軌跡及力控製及重復控製設計方法。每種方法都給齣瞭算法推導、實例分析和相應的MATLAB設計仿真程序。本書特色如下:
(1) 控製算法重點置於基礎理論分析,針對機械手基本控製算法進行瞭深入剖析。
(2) 針對每種控製算法,均給齣瞭完整的MATLAB仿真程序,同時也給齣瞭程序的說明 和仿真結果,具有很強的可讀性。
(3) 從應用的角度齣發,理論聯係實際,麵嚮廣大工程技術人員,具有很強的工程性和實用性。
(4) 書中介紹的各種控製算法及應用實例非常完整,程序結構設計簡單明瞭,便於自學和進一步開發。
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內容簡介
《機器人控製係統的設計與MATLAB仿真:基本設計方法(電子信息與電氣工程技術叢書)》係統地介紹瞭機械手控製的幾種先進設計方法,是作者多年來從事機器人控製係統教學和科研工作的結晶,同時融入瞭國內外同行近年來所取得的*新成果。
本書以機械手的控製為論述對象,共包括10章,分彆介紹瞭先進PID控製、神經網絡自適應控製、模糊自適應控製、迭代學習控製、反演控製、滑模控製、自適應魯棒控製、末端軌跡及力控製、重復控製設計方法。每種方法都給齣瞭算法推導、實例分析和相應的MATLAB仿真設計程序。
本書各部分內容既相互聯係又相互獨立,讀者可根據自己的需要選擇學習。本書適用於從事生産過程自動化、計算機應用、機械電子和電氣自動化領域工作的工程技術人員閱讀,也可作為高等院校工業自動化、自動控製、機械電子、自動化儀錶、計算機應用等專業的教學參考書。
作者簡介
劉金琨,1965年生,遼寜省大連市瓦房店人。分彆於1989年、1994年和1997年獲東北大學工學學士、碩士和博士學位。1997—1999年在浙江大學工業控製技術研究所從事博士後研究工作。現為北京航空航天大學控製理論與控製工程專業教授、博士生導師。主要從事控製理論與應用的研究和教學工作。自從從事研究工作以來,主持國傢自然基金等科研項目10餘項,發錶學術論文100餘篇,齣版著作10部。
內頁插圖
目錄
前言Ⅰ
仿真程序使用說明Ⅲ
第1章緒論
1.1機器人控製方法簡介
1.1.1機器人常用的控製方法
1.1.2不確定機器人係統的控製
1.2機器人動力學模型及其結構特性
1.3基於S函數的Simulink仿真
1.3.1S函數簡介
1.3.2S函數使用步驟
1.3.3S函數的基本功能及重要參數設定
1.3.4S函數描述實例
第2章機械手PID控製
2.1機械手獨立PD控製
2.1.1控製律設計
2.1.2收斂性分析
2.1.3仿真實例
2.2基於重力補償的機械手PD控製
2.2.1控製律設計
2.2.2控製律分析
2.3基於模型補償的機械手PD控製
2.3.1係統描述
2.3.2控製器的設計
2.3.3仿真實例
參考文獻
第3章機械手神經網絡自適應控製
3.1一種簡單的RBF網絡自適應滑模控製
3.1.1問題描述
3.1.2RBF網絡原理
3.1.3控製算法設計與分析
3.1.4仿真實例
3.2基於RBF網絡逼近的機械手自適應控製
3.2.1問題的提齣
3.2.2基於RBF神經網絡逼近的控製器
3.2.3針對f(x)中各項分彆進行神經網絡逼近
3.2.4仿真實例
參考文獻
第4章機械手模糊自適應控製
4.1單力臂機械手直接自適應模糊控製
4.1.1問題描述
4.1.2模糊控製器的設計
4.1.3自適應律的設計
4.1.4仿真實例
4.2單力臂機械手間接自適應模糊控製
4.2.1問題描述
4.2.2自適應模糊滑模控製器設計
4.2.3穩定性分析
4.2.4仿真實例
4.3單級倒立擺的監督模糊控製
4.3.1模糊係統的設計
4.3.2模糊監督控製器的設計
4.3.3穩定性分析
4.3.4仿真實例
4.4基於模糊補償的機械手自適應模糊控製
4.4.1係統描述
4.4.2基於傳統模糊補償的控製
4.4.3基於模型信息已知的模糊補償控製
4.4.4仿真實例
4.5基於綫性矩陣不等式的單級倒立擺T�睸模糊控製
4.5.1基於LMI的T�睸型模糊係統控製器設計
4.5.2LMI不等式的設計及分析
4.5.3不等式的轉換
4.5.4LMI設計實例說明
4.5.5單級倒立擺的T�睸模型模糊控製
參考文獻
第5章機械手迭代學習控製及重復控製
5.1迭代學習控製的數學基礎
5.1.1矩陣的跡及初等性質
5.1.2嚮量範數和矩陣範數
5.2迭代學習控製方法介紹
5.2.1迭代學習控製基本原理
5.2.2基本的迭代學習控製算法
5.2.3迭代學習控製主要分析方法
5.2.4迭代學習控製的關鍵技術
5.3機械手軌跡跟蹤迭代學習控製仿真實例
5.3.1控製器設計
5.3.2仿真實例
5.4綫性時變連續係統迭代學習控製
5.4.1係統描述
5.4.2控製器設計及收斂性分析
5.4.3仿真實例
5.5任意初始狀態下的迭代學習控製
5.5.1問題的提齣
5.5.2控製器的設計
5.5.3仿真實例
參考文獻
第6章機械手反演控製
6.1簡單反演控製器設計
6.1.1基本原理
6.1.2仿真實例
6.2單關節機械手的反演控製
6.2.1係統描述
6.2.2反演控製器設計
6.2.3仿真實例
6.3雙耦閤電機的反演控製
6.3.1係統描述
6.3.2反演控製器設計
6.3.3仿真實例
參考文獻
第7章機械手滑模控製
7.1機械手動力學模型及特性
7.2基於計算力矩法的滑模控製
7.2.1係統描述
7.2.2控製律設計
7.2.3仿真實例
7.3基於輸入輸齣穩定性理論的滑模控製
7.3.1係統描述
7.3.2控製律設計
7.3.3仿真實例
7.4基於LMI的指數收斂非綫性乾擾觀測器的控製
7.4.1非綫性乾擾觀測器的問題描述
7.4.2非綫性乾擾觀測器的設計
7.4.3LMI不等式的求解
7.4.4計算力矩法的滑模控製
7.4.5仿真實例
7.5欠驅動兩杆機械臂Pendubot滑模控製
7.5.1Pendubot控製問題
7.5.2Pendubot機械臂建模
7.5.3Pendubot動力學模型
7.5.4Pendubot模型的分析
7.5.5滑模控製律設計
7.5.6閉環穩定性分析
7.5.7基於Hurwitz的參數設計
7.5.8仿真實例
參考文獻
第8章機械手自適應魯棒控製
8.1單力臂機械係統的魯棒自適應控製
8.1.1問題描述
8.1.2魯棒模型參考自適應控製
8.1.3仿真實例
8.2二級倒立擺的H∞魯棒控製
8.2.1係統的描述
8.2.2基於LMI的控製律的設計
8.2.3二級倒立擺係統的描述
8.2.4仿真實例
參考文獻
第9章機械手末端軌跡及力的連續切換滑模控製
9.1基於雙麯正切函數切換的滑模控製
9.1.1雙麯正切函數的特性
9.1.2仿真實例
9.1.3基於雙麯正切函數的滑模控製
9.1.4仿真實例
9.2基於位置動力學模型的機械手末端軌跡滑模控製
9.2.1工作空間直角坐標與關節角位置的轉換
9.2.2機械手在工作空間的建模
9.2.3滑模控製器的設計
9.2.4仿真實例
9.3基於角度動力學模型的機械手末端軌跡滑模控製
9.3.1機械手在工作空間的建模
9.3.2工作空間直角坐標與關節角位置的轉換
9.3.3滑模控製器的設計
9.3.4仿真實例
9.4工作空間中雙關節機械手末端的阻抗滑模控製
9.4.1問題的提齣
9.4.2阻抗模型的建立
9.4.3滑模控製器的設計
9.4.4仿真實例
9.5受約束條件下雙關節機械手末端力及關節角度的滑模控製
9.5.1問題的提齣
9.5.2模型的降階
9.5.3控製律的設計
9.5.4穩定性分析
9.5.5仿真實例
參考文獻
第10章重復控製基本原理及設計方法
10.1重復控製的基本原理
10.1.1重復控製的理論基礎
10.1.2基本的重復控製係統結構
10.1.3基本重復控製係統穩定性分析
10.1.4仿真實例
10.2一種具有多路周期指令信號的數字重復控製
10.2.1係統的結構
10.2.2重復控製器的設計
10.2.3仿真實例
參考文獻
前言/序言
有關機器人控製理論及其工程應用,近年來已有大量的論文發錶。作者多年來一直從事控製理論及應用方麵的教學和研究工作,為瞭促進機器人控製和自動化技術的進步,反映機器人控製設計與應用中的最新研究成果,並使廣大研究人員和工程技術人員能瞭解、掌握和應用這一領域的最新技術,學會用MATLAB語言進行各種機器人控製算法的分析和設計,作者編寫瞭這本書,以拋磚引玉,供廣大讀者學習參考。
本書是在總結作者多年研究成果的基礎上,進一步理論化、係統化、規範化、實用化而成的,特點如下:
(1)控製算法取材新穎,內容先進,重點置於學科交叉部分的前沿研究和介紹一些有潛力的新思想、新方法和新技術,取材著重於基本概念、基本理論和基本方法。
(2)針對每種控製算法給齣瞭完整的MATLAB仿真程序,並給齣瞭程序的說明和仿真結果,具有很強的可讀性。
(3)著重從應用領域角度齣發,突齣理論聯係實際,麵嚮廣大工程技術人員,具有很強的工程性和實用性。書中有大量應用實例及結果分析,為讀者提供瞭有益的藉鑒。
(4)所給齣的各種控製算法完整,程序設計結構設計力求簡單明瞭,便於自學和進一步開發。
(5)所介紹的方法不局限於機械手的控製,同時也適閤解決運動控製領域其他背景的控製問題。
本書主要以機器人力臂為被控對象,此外,為瞭介紹一些新的運動控製方法,本書還以機械係統、電機、倒立擺為被控對象來輔助說明。
本書是在原有《機器人控製係統的設計與MATLAB仿真》基礎上撰寫而成的,並增加、修改和刪除瞭部分內容。全書共分為上下冊,本書作為上冊,共包括10章。第1章為緒論,介紹機械手的幾種控製方法及模型特性;第2章介紹機械手PID控製的幾種基本設計方法,通過仿真和分析進行瞭說明;第3章介紹機械手神經網絡自適應控製的幾種設計方法;第4章介紹基於LMI的模糊魯棒控製方法和幾種機械手模糊自適應控製器的設計方法;第5章介紹機械手迭代學習控製和重復控製的設計方法;第6章介紹機械手反演控製的設計方法;第7章介紹機械手滑模控製基本設計方法;第8章介紹機械手自適應魯棒控製方法,包括魯棒控製器和自適應控製器的設計;第9章介紹機械手末端軌跡及力控製設計方法;第10章介紹重復控製的基本原理及設計方法。
本書介紹的控製方法有些選自於高水平國際雜誌和著作中的經典控製方法,並對其中的一些算法進行瞭修正或補充。通過對一些典型控製器設計方法進行詳細的理論分析和仿真分析,使一些深奧的控製理論易於掌握,為讀者的深入研究打下基礎。
本書是基於英文版MATLAB環境下開發(書中仿真圖的圖字均為英文)。書中各章節的內容具有很強的獨立性,讀者可以結閤自己的方嚮深入地進行研究。
作者在研究過程中,東北大學徐心和教授和薛定宇教授在機器人控製及仿真等方麵給予作者很多的指點,北京航空航天大學爾聯潔教授給予作者在控製理論方麵多年的指導,在此深錶感謝。
由於作者水平有限,書中難免存在一些不足和錯誤之處,真誠歡迎廣大讀者批評指正。若讀者有指正或需與作者商討,或對控製算法及仿真程序有疑問,請通過電子郵件與作者聯係。作者相信,通過與廣大同行的交流,可以得到許多有益的建議,從而再版時將本書完善。
劉金琨2016年12月於北京航空航天大學
《智能裝備核心:機器人運動控製係統構建與實戰》 引言 在飛速發展的智能製造與自動化浪潮中,機器人技術扮演著日益關鍵的角色。它們不僅是工業生産效率提升的引擎,更是服務業、醫療、科研等領域突破創新的助推器。而機器人之所以能夠精準、靈活地執行各種任務,其核心在於強大的運動控製係統。本書正是聚焦於機器人運動控製係統的設計與實現,旨在為讀者提供一套係統、深入且實用的學習路徑,幫助您掌握構建高性能機器人控製係統的關鍵技術與實踐經驗。 本書並非僅僅是理論的堆砌,而是以“從原理到實踐”為主綫,將復雜的控製理論與實際的工程應用緊密結閤。我們深知,理論的理解是構建堅實基礎的必要步驟,而紮實的工程實踐則是將理論轉化為現實的關鍵。因此,本書在講解經典控製算法的同時,更注重其在機器人運動控製中的具體落地。我們將一起探索如何將數學模型轉化為可執行的控製策略,如何應對實際機器人係統中的各種非綫性、不確定性以及動態變化,最終實現機器人平穩、高效、可靠的運動。 第一部分:機器人運動控製基礎理論與建模 本部分將為您打下堅實的理論基礎,讓您理解機器人運動控製的“為什麼”和“是什麼”。 第一章 機器人運動學與動力學基礎 正逆運動學: 深入剖析機器人連杆結構、關節類型以及坐標係轉換。我們將從最基本的機器人手臂開始,逐步講解如何計算機器人末端執行器的位置和姿態(正運動學),以及如何根據期望的末端姿態反推齣各關節的角度(逆運動學)。這一章節將涉及齊次變換矩陣、雅可比矩陣等核心概念,並通過豐富的圖示和實例,幫助您直觀理解這些抽象的數學工具。 機器人動力學模型: 探索描述機器人運動與力的關係的拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等經典方法。您將學習如何建立機器人的慣性矩陣、科裏奧利力/離心力矩陣、重力嚮量以及摩擦力模型。理解動力學模型是設計精確控製器的前提,特彆是在需要高速、高精度運動的場景下,動力學模型的準確性直接影響到控製性能。我們將重點講解各物理量對機器人運動的影響,並提供簡化模型構建的思路。 第二章 經典PID控製算法解析 PID控製器原理: 詳細闡述比例(P)、積分(I)、微分(D)三個環節的作用及其對係統響應的影響。我們將從最簡單的比例控製器開始,解釋其優點和局限性,然後逐步引入積分環節以消除穩態誤差,再引入微分環節以預測未來趨勢,提高係統的動態響應速度和穩定性。 PID參數整定方法: 介紹多種實用的PID參數整定策略,包括經驗法(如Ziegler-Nichols方法)、試湊法以及基於模型的優化方法。您將學習如何根據係統的實際響應特性,通過這些方法找到最優的PID參數組閤,以實現最佳的控製效果。我們將分析不同整定方法在不同場景下的適用性,並提供調參過程中的注意事項。 PID在機器人關節控製中的應用: 結閤具體的機器人關節模型,演示如何設計和實現基於PID的關節位置、速度和力矩控製。您將看到PID控製器如何有效地剋服外部擾動和模型不確定性,實現關節的精確控製。 第二部分:高級機器人運動控製策略 在掌握瞭基礎控製理論後,本部分將引領您進入更高級、更具挑戰性的機器人運動控製領域。 第三章 基於模型的先進控製方法 模型預測控製(MPC): 深入講解MPC的核心思想——利用係統的模型預測未來一段時間內的輸齣,並通過優化算法求解控製輸入,以實現對係統狀態的精確控製並滿足各種約束條件。我們將探討MPC在軌跡跟蹤、約束優化等方麵的強大能力,以及其在處理多輸入多輸齣(MIMO)係統時的優勢。 滑模變結構控製(SMC): 介紹SMC的魯棒性特點,以及如何通過設計滑模麵和切換律來保證係統在存在模型不確定性和外部擾動的情況下依然能夠穩定運行。我們將分析SMC的優缺點,並探討如何減少抖振現象。 反饋綫性化控製: 闡述如何通過非綫性變換將復雜的非綫性機器人動力學模型轉化為綫性係統,從而應用成熟的綫性控製技術進行設計。我們將分析反饋綫性化在機器人控製中的應用場景和挑戰。 第四章 機器人軌跡規劃與生成 點到點軌跡規劃: 講解如何生成平滑、高效的關節空間或笛卡爾空間軌跡,以實現機器人從一個起始點到目標點的運動。我們將介紹多項式插值、B樣條麯綫等常用的軌跡生成方法,並分析如何保證軌跡的速度、加速度的連續性。 連續路徑跟蹤: 探討機器人如何在實際環境中沿著預定的路徑進行精確跟蹤,包括如何處理路徑上的障礙物以及如何實時調整控製策略。我們將介紹基於視覺反饋、傳感器融閤等方法的路徑跟蹤技術。 優化軌跡生成: 介紹如何考慮機器人動力學約束、關節限製、能量消耗等因素,生成最優的運動軌跡。例如,如何生成最短時間軌跡、最低能量消耗軌跡等。 第三部分:機器人控製係統軟硬件實現與仿真 理論知識的掌握最終需要通過實際的軟硬件來實現。本部分將帶您深入瞭解機器人控製係統的工程實現細節。 第五章 機器人控製係統架構設計 分層控製結構: 講解機器人控製係統通常采用的分層架構,包括低層關節控製器、中層任務規劃器以及高層決策與感知係統。我們將分析不同層級之間的信息交互和控製指令傳遞。 實時操作係統(RTOS)在機器人控製中的應用: 介紹RTOS的關鍵特性(如任務調度、中斷處理、時間同步等),以及其在保證機器人控製係統實時性和可靠性方麵的重要性。 硬件平颱選擇與接口設計: 探討常見的機器人控製器硬件平颱(如工控機、嵌入式係統、DSP等),以及如何進行傳感器、執行器等外圍設備的接口設計和驅動開發。 第六章 機器人仿真平颱與工具 主流機器人仿真軟件介紹: 詳細介紹如Gazebo, V-REP (CoppeliaSim), PyBullet等流行的機器人仿真平颱,分析它們的特點、優勢以及適用場景。 建立機器人模型與環境: 指導您如何使用這些仿真工具導入或創建機器人模型,搭建逼真的仿真環境,包括場景建模、傳感器配置、物理引擎設置等。 仿真中的控製算法驗證: 演示如何在仿真環境中集成您設計的控製算法,進行離綫驗證和調試。您將學習如何利用仿真平颱進行參數調整、性能評估以及應對各種異常情況。 仿真到實際的遷移策略: 探討如何將仿真環境中驗證通過的控製算法有效地移植到實際的機器人硬件上,包括模型參數的校準、通信協議的適配等,最大限度地減少“仿真-真實”的差異。 第四部分:機器人控製係統的工程實踐與進階 在掌握瞭基礎理論和仿真技術後,本部分將深入探討實際工程中的關鍵問題和前沿技術。 第七章 機器人感知與反饋控製 傳感器數據融閤: 介紹如何融閤來自多種傳感器(如編碼器、IMU、視覺傳感器、力/力矩傳感器等)的數據,以獲取機器人更準確、更可靠的狀態估計。 視覺伺服控製(Visual Servoing): 詳細講解如何利用攝像機捕捉到的圖像信息來驅動機器人實現精確的位姿控製,包括基於圖像特徵的方法和基於三維模型的方法。 力/力矩控製與柔順控製: 探討機器人如何感知並響應外部力,實現安全的人機交互、裝配等任務。我們將介紹阻抗控製、導納控製等柔順控製策略。 第八章 機器人控製係統的魯棒性與自適應性 模型不確定性處理: 分析機器人係統中常見的模型不確定性來源(如參數變化、未知負載、磨損等),並介紹如何設計魯棒控製器來應對這些不確定性。 自適應控製技術: 講解自適應控製的基本原理,包括參數在綫估計和控製器參數的實時調整,以應對機器人係統參數隨時間變化的挑戰。 故障檢測與容錯控製: 探討如何檢測機器人控製係統中的潛在故障,並設計相應的容錯策略,確保機器人在部分組件失效的情況下仍能繼續安全運行。 第九章 機器人控製前沿技術展望 機器學習在機器人控製中的應用: 介紹深度學習、強化學習等技術如何用於機器人姿態估計、環境感知、運動規劃以及控製策略優化。 分布式與協同控製: 展望多機器人係統中的分布式控製架構和協同任務執行,以及相關的通信協議和協調算法。 人機交互與共享控製: 探討如何實現更自然、更直觀的人機交互方式,以及人與機器人協同完成任務的共享控製模式。 結論 本書力求提供一套全麵、深入且麵嚮實踐的機器人運動控製係統設計方法。通過理論學習、仿真實踐和工程案例的結閤,您將能夠獨立設計、實現和優化各種機器人係統的運動控製解決方案。無論您是希望進入機器人研發領域的研究生,還是希望提升自動化生産綫控製水平的工程師,本書都將是您寶貴的參考資源。我們鼓勵讀者積極動手實踐,將書中的知識轉化為解決實際問題的能力,共同推動機器人技術的進步與發展。