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(guó)內(nèi)外同行)近年來(lái)從事科研工作的**成果。本書分別以懸架、輪式移動(dòng)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(cè)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(wèn)題,并介紹了廣義機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)滯、驅(qū)動(dòng)器時(shí)滯、傳感器時(shí)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(dòng)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(wú)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(tái)遙控機(jī)械手誕生至今已有70多年。隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)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(duì)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(wèn)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(duì)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(duì)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(duì)廣義機(jī)器人系統(tǒng)中高增益觀測(cè)器的設(shè)計(jì)和輸出反饋控制方法的介紹,如無(wú)源控制、擴(kuò)展高增益觀測(cè)器設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器等帶有時(shí)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?jī)?nèi)容。
(1) 使用基于內(nèi)模的最優(yōu)減振控制策略來(lái)解決具有作動(dòng)器時(shí)滯的線性汽車懸架的減振控制問(wèn)題。
(2) 解決在參考輸入下具有多時(shí)滯系統(tǒng)的非線性最優(yōu)振動(dòng)控制問(wèn)題,包括控制時(shí)滯、狀態(tài)時(shí)滯、輸出時(shí)滯和測(cè)量時(shí)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(duì)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(shí)滯的線性輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的建模與跟蹤控制問(wèn)題。
(5) 解決具有控制時(shí)滯的非線性輪式移動(dòng)機(jī)器人的跟蹤控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。
(6) 提出一種用于具有傳感器時(shí)滯和控制時(shí)滯的非線性輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的非線性控制器設(shè)計(jì)方法。
(7) 運(yùn)用無(wú)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(cè)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(yǔ)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(guó)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(píng)審專家和工作人員對(duì)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(wú)私幫助的國(guó)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(qǐng)讀者提出寶貴意見。
著者
2023年2月
雷靖,2010年畢業(yè)于中國(guó)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(guó)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(shí)滯、非線性系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用。主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金(61364012)、國(guó)家公派專項(xiàng)出國(guó)留學(xué)項(xiàng)目(201208535084、202008370103)、國(guó)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(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)。
第1章具有作動(dòng)器時(shí)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(wèn)題的形成1
111汽車懸架系統(tǒng)建模1
112隨機(jī)路面擾動(dòng)分析3
113最優(yōu)減振控制問(wèn)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(shí)滯系統(tǒng)非線性最優(yōu)內(nèi)?刂萍捌湓谄噾壹艿膽(yīng)用9
21問(wèn)題形成9
211系統(tǒng)描述9
212內(nèi)模構(gòu)造11
213問(wèn)題描述13
22非線性內(nèi)模控制器設(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(dòng)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(cè)器的主動(dòng)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(shí)滯的輪式移動(dòng)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(shí)滯的輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)反饋線性化跟蹤預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)滯和控制時(shí)滯的輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)測(cè)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(cè)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(wú)源性的高增益觀測(cè)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(wú)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(cè)量77
743估計(jì)誤差的吸引域79
744高增益觀測(cè)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