本書系統(tǒng)地介紹了廣義機(jī)器人系統(tǒng)的幾種先進(jìn)控制方法,是著者科研團(tuán)隊(duì)(包括國內(nèi)外同行)近年來從事科研工作的**成果。本書分別以懸架、輪式移動機(jī)器人、單擺等廣義機(jī)器人系統(tǒng)為例,闡述了基于高增益觀測器的輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)方法、理論和仿真實(shí)驗(yàn)。本書共8章,介紹了控制器設(shè)計(jì)方法的研究背景、存在的問題,并介紹了廣義機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)模型和狀態(tài)空間表達(dá)式的建立,以及具有狀態(tài)時滯、驅(qū)動器時滯、傳感器時滯的非線性系統(tǒng)關(guān)于輸出反饋控制等多種控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法,每種方法都給出了理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)。 本書內(nèi)容新穎,前后具有內(nèi)在聯(lián)系,且所介紹的控制方法較為先進(jìn),適合從事控制理論與應(yīng)用、自動化控制、計(jì)算機(jī)控制等領(lǐng)域研究工作的學(xué)者、技術(shù)人員閱讀,也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)人員的教學(xué)、科研參考書。本書封面貼有清華大學(xué)出版社防偽標(biāo)簽,無標(biāo)簽者不得銷售。
本書按照新形態(tài)立體化教材方式編寫,配有微課視頻等立體化資源,有在線慕課。
從世界上第一臺遙控機(jī)械手誕生至今已有70多年。隨著計(jì)算機(jī)、自動控制理論與技術(shù)的發(fā)展和各行各業(yè)的需要,機(jī)器人從可編程示教型發(fā)展到自主控制型,又發(fā)展到現(xiàn)在的智能型。作為機(jī)器人的核心部分,機(jī)器人控制器在機(jī)器人的發(fā)展中起到了關(guān)鍵性的作用。目前,人工智能、計(jì)算機(jī)、傳感器以及其他相關(guān)學(xué)科的快速進(jìn)步促使機(jī)器人研究的水平逐漸提高,人們對機(jī)器人控制技術(shù)的要求也逐漸提高,因此,傳統(tǒng)機(jī)器人控制方法存在的問題亟待改善和替代,如傳統(tǒng)機(jī)器人控制方法較為單一,不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人的工況以及缺少對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境因素的考慮和處理。
本書與已出版的關(guān)于機(jī)器人書籍的專業(yè)研究角度有所不同,本書所研究的機(jī)器人工作環(huán)境增添了對網(wǎng)絡(luò)化影響因素的分析,并根據(jù)最新的研究成果總結(jié)出適合于網(wǎng)絡(luò)工況和影響因素的先進(jìn)機(jī)器人控制方法。本書專注于對廣義機(jī)器人系統(tǒng)中高增益觀測器的設(shè)計(jì)和輸出反饋控制方法的介紹,如無源控制、擴(kuò)展高增益觀測器設(shè)計(jì)、驅(qū)動器等帶有時滯的輸出反饋控制器設(shè)計(jì)等,這些方法和技術(shù)是近年先進(jìn)、前沿和研究深入的理論成果,因此,本書的出版是一項(xiàng)有意義的工作。
本書包括以下具體研究內(nèi)容。
(1) 使用基于內(nèi)模的最優(yōu)減振控制策略來解決具有作動器時滯的線性汽車懸架的減振控制問題。
(2) 解決在參考輸入下具有多時滯系統(tǒng)的非線性最優(yōu)振動控制問題,包括控制時滯、狀態(tài)時滯、輸出時滯和測量時滯,并且利用四分之一汽車懸架模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
(3) 針對汽車懸架模型設(shè)計(jì)區(qū)域輸入狀態(tài)穩(wěn)定和指數(shù)穩(wěn)定的輸出反饋控制器的方法。
(4) 解決具有控制時滯的線性輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)的建模與跟蹤控制問題。
(5) 解決具有控制時滯的非線性輪式移動機(jī)器人的跟蹤控制器設(shè)計(jì)問題。
(6) 提出一種用于具有傳感器時滯和控制時滯的非線性輪式移動機(jī)器人運(yùn)動模型的非線性控制器設(shè)計(jì)方法。
(7) 運(yùn)用無源性和嚴(yán)正實(shí)理論,為具有非線性輸出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高增益觀測器及輸出反饋控制器。
本書具有內(nèi)容新穎、方法先進(jìn)以及將系統(tǒng)性與前沿性相結(jié)合等特點(diǎn)。語言敘述通俗易懂,編寫形式具有內(nèi)在聯(lián)系,便于讀者獨(dú)立思考和理解;理論與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,有利于研究型和應(yīng)用型讀者的參考與使用。
本書的研究工作受到了國家自然科學(xué)基金(No. 61364012)、山東省自然科學(xué)基金(No. ZR2019MF052)和泰山學(xué)院學(xué)術(shù)著作出版基金的資助。在此由衷地感謝基金評審專家和工作人員對課題組研究工作的信任,感謝課題組成員多年堅(jiān)持不懈的努力,感謝為此研究提供了無私幫助的國內(nèi)外同事,感謝清華大學(xué)出版社為此書的編輯和出版提供了巨大的支持。
由于著者水平有限,書中難免存有紕漏之處,敬請讀者提出寶貴意見。
著者
2023年2月
雷靖,2010年畢業(yè)于中國海洋大學(xué),獲得計(jì)算機(jī)控制與仿真方向的工學(xué)博士。畢業(yè)后任職于云南民族大學(xué)講師、副教授、碩士研究生導(dǎo)師;2013年9月至2017年7月在美國密歇根州立大學(xué)與H.K. Khalil教授合作研究;2017年7月至今為泰山學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)闀r滯、非線性系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用。主持完成國家自然科學(xué)基金(61364012)、國家公派專項(xiàng)出國留學(xué)項(xiàng)目(201208535084、202008370103)、國家協(xié)同育人項(xiàng)目4項(xiàng)、山東省自然科學(xué)基金(ZR2019MF052)和云南省自然科學(xué)基金(2011FZ169)、廳級項(xiàng)目5項(xiàng)。
第1章具有作動器時滯的線性汽車懸架系統(tǒng)基于內(nèi)模的最優(yōu)減振控制1
11最優(yōu)減振控制問題的形成1
111汽車懸架系統(tǒng)建模1
112隨機(jī)路面擾動分析3
113最優(yōu)減振控制問題的形成4
12最優(yōu)減振控制律5
13仿真實(shí)驗(yàn)6
14小結(jié)8
第2章多時滯系統(tǒng)非線性最優(yōu)內(nèi)模控制及其在汽車懸架的應(yīng)用9
21問題形成9
211系統(tǒng)描述9
212內(nèi)模構(gòu)造11
213問題描述13
22非線性內(nèi)?刂破髟O(shè)計(jì)13
23汽車懸架中的應(yīng)用14
231系統(tǒng)描述14
232路面擾動16
233控制器設(shè)計(jì)17
234仿真實(shí)驗(yàn)18
24小結(jié)20
第3章基于擴(kuò)展高增益觀測器的主動懸架輸出反饋控制21
31系統(tǒng)建模21
32控制器設(shè)計(jì)23
321狀態(tài)反饋控制23
322輸出反饋下的RISS28
33小結(jié)36
第4章具有控制時滯的輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)建模與最優(yōu)跟蹤控制37
41狀態(tài)空間表達(dá)式37
411WMR系統(tǒng)37
412跟蹤誤差系統(tǒng)40
42最優(yōu)跟蹤控制器設(shè)計(jì)41
43仿真實(shí)驗(yàn)42
44小結(jié)44
第5章具有控制時滯的輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)反饋線性化跟蹤預(yù)測控制45
51狀態(tài)空間表達(dá)式建模45
511目標(biāo)路徑45
512跟蹤誤差系統(tǒng)46
52非線性預(yù)測跟蹤控制47
53仿真實(shí)驗(yàn)48
54小結(jié)52
第6章具有傳感器時滯和控制時滯的輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)測跟蹤控制53
61狀態(tài)空間表達(dá)式建模53
611目標(biāo)路徑53
612跟蹤誤差系統(tǒng)54
62預(yù)測跟蹤控制器設(shè)計(jì)55
63仿真實(shí)驗(yàn)57
64小結(jié)62
第7章非線性輸出系統(tǒng)基于無源性的高增益觀測器輸出反饋控制63
71系統(tǒng)描述64
72估計(jì)誤差65
721尺度估計(jì)誤差系統(tǒng)65
722估計(jì)誤差的畢竟有界性和指數(shù)穩(wěn)定性68
723無源性和嚴(yán)正實(shí)條件71
73輸出反饋的性能恢復(fù)性74
74仿真實(shí)驗(yàn)76
741狀態(tài)反饋76
742非線性測量77
743估計(jì)誤差的吸引域79
744高增益觀測器輸出反饋80
75使用引理75和引理76的比較82
76小結(jié)84
第8章結(jié)論85
參考文獻(xiàn)87