運動控制系統(微課視頻版)（簡體書）

前言





隨著科技發展，人類已將太空探測器送上了火星和月球，數控加工中心、自動導引小車和工業機器人組成了智能制造工廠，無人駕駛汽車在高速公路上可自主超車，微納米機器人可執行轉基因操作和輔助外科手術等，所有這一切都需要精確的運動控制，且運動智能也是人工智能的重要組成部分。運動控制是控制學科與工程學科的重點發展方向，對於國民經濟、社會進步和國家安全有著重要的意義。過程控制(process control)和運動控制(motion control)是自動控制領域的兩大分支。過程控制重點針對離散的過程量。運動控制主要針對位移、速度、加速度及姿態等，動態性和實時性強。已有運動控制相關著作偏重於電動機原理和交流伺服電動機的控制，不能涵蓋完整的運動控制系統知識點。對運動進行建模和控制系統分析設計，可加深對控制理論的理解，更好地指導工程實踐。本書秉承啟發式、探究式、研討式的理念編著，力求引發讀者的獨立思考。
一、 本書內容
本書對運動的起源——驅動器，實現的基礎——機構，分析的數學基礎——運動學和動力學建模，控制系統的組成——運動感知、控制算法、控制器硬件和軟件等方面進行了系統的論述。本書包括理論分析和實踐案例，力求使讀者能夠系統地了解和掌握運動的基礎知識和機構，熟悉快速連續變化運動的建模和控制方法，理解伺服電動機的工作原理和控制策略，掌握運動控制系統的數學分析和設計方法，鞏固和加強控制理論專業課程和應用技術知識，培養理論聯系實際的工程實踐能力。
本書共分為8章。
第1章講解了完整的廣義運動概念，運動基礎包含的內容以及完整的運動控制系統的組成，使讀者對運動有完整的初步認識。
第2章給出了運動機構的類型、組成、典型機構、仿生機構等，為運動建模提供基礎。
第3章闡述了運動體坐標系統，運動學建模，動力學建模，模型的正、逆問題求解等，為運動的數學分析提供方法。
第4章分析了常用的位移、角度、速度、角速度、位置及高精密測量傳感器，為閉環反饋控制中傳感器的選擇提供基礎。
第5章講解了致動方式、常用的驅動器及智能材料驅動器等，便於開闊讀者的運動控制系統設計視野。
第6章建立了伺服電動機模型，分析了電動機的特性，並結合電磁場理論，闡述了電動機運動控制策略，為運動控制算法設計提出了思路。
第7章詳細給出了運動控制物件的建模方法，講解了常用的運動控制算法，並給出了設計案例和虛擬樣機仿真技術，為控制算法設計和有效性驗證提供了方法。
第8章闡明了實際工程中運動控制器開發所涉及的通用和專用硬件、軟件及操作系統，廣域控制系統中的現場總線技術等，為工程應用提供參考。
二、 本書特色
 邏輯關係清晰。按照完整的運動控制系統設計的思路展開。
 知識點完整。涵蓋運動機構、驅動器、感知和控制器等運動體必需部分，注重多種專業知識的交叉融合，文字通俗易懂。
 理論與實際應用案例相結合。以機器人、數控機床和交流伺服為典型運動控制物件進行案例分析。
 基礎與領域前沿相融合。緊跟運動控制相關領域科技最新前沿。
 難易結合。既可用於本科生教學，部分深入研究內容也可用於研究生教學。
 針對工程專業教育教學，注重學生所學知識的融會貫通。
 本書給出了專業術語英文描述、物理量單位和綜合性習題，便於讀者學習。
三、 配套資源
 配套的教學課件（PPT）、習題答案、教學大綱等資料，請到清華大學出版社官方網站本書頁面下載。
 提供的微課視頻，請掃描書中相應位置二維碼觀看。配套視頻與書中內容並非完全一致，僅用於讀者學習參考。
注意： 請先刮開封四的刮刮卡，掃描刮開的二維碼進行注冊，之後再掃描書中的二維碼，獲取相關資料。
四、 讀者物件
本書讀者物件為自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、機械電子工程和機械設計制造及其自動化等工科專業學生。
五、 致謝
本書第4章由許宏、金英連編寫，第6章由王斌銳、李璟、周坤編寫，其他各章由王斌銳編寫。感謝東北大學的徐心和教授引領我進入了機器人及其運動控制研究領域。本書部分內容來源於徐教授所授課程。感謝孫冠群老師以及嚴冬明、方水光、程苗、鮑春雷、馮偉博、陳杭升、任杰、幹蘇、高國慶等研究生對本書編寫工作所提供的幫助。本書得到了國家級“具有計量、質量、標準化特色的機電類專業復合型創新人才培養實驗區”“自動化國家特色專業建設”“自動化卓越工程師教育培養計劃”項目的支持。
由於運動控制系統發展迅速，相關的理論和方法不斷更新，因此，本書很難全面、翔實地講解運動控制系統的知識。由於編者的學識水平有限，書中難免存在不妥當之處，懇請廣大讀者及同行專家不吝賜教，以使本書不斷發展和完善。
2020年3月於中國計量大學

目錄




第1章緒論

1．1運動的基本概念與分類

1．2運動控制系統的組成和分類

1．3運動控制系統的特點

1．4小結

習題


第2章運動機構分析

2．1運動副

2．2基座固定的運動

2．3無基座的運動

2．3．1輪式移動機構

2．3．2履帶式移動機構

2．3．3混合越障式移動機構

2．3．4腿式移動機構

2．3．5地面爬行機構

2．3．6爬壁機構

2．4水下運動

2．5空中運動

2．6隨動運動機構

2．7傳動機構

2．7．1減速方式

2．7．2滾珠絲杠

2．7．3鏈條和皮帶傳動

2．7．4多連桿機構

2．7．5制動器

2．7．6聯軸器

2．7．7齒輪傳動

2．8運動機構的串並聯與開閉鏈

2．8．1開閉鏈機構

2．8．2串聯機構

2．8．3並聯機構

2．9人體的骨骼運動

2．10運動機構的性能

2．11量子運動

2．12小結

習題






第3章運動學和動力學建模

3．1基本術語

3．1．1完整約束系統和非完整約束系統

3．1．2保守力和非保守力

3．1．3廣義坐標

3．1．4剛體與柔性體

3．1．5直角坐標系

3．1．6圓柱坐標系

3．1．7球坐標系

3．1．8固定坐標系與移動坐標系

3．2運動學建模

3．2．1坐標變換

3．2．2DH參數

3．2．3速度運動學分析

3．3動力學建模

3．4倒立擺案例

3．4．1牛頓歐拉法倒立擺動力學建模

3．4．2拉格朗日方程法倒立擺動力學建模

3．4．3拉格朗日函數法倒立擺動力學建模

3．5小結

習題


第4章運動測量傳感器

4．1測量系統的基本組成

4．2常用的運動測量傳感器

4．2．1旋轉變壓器

4．2．2光電傳感器

4．2．3脈衝編碼器

4．2．4光柵

4．2．5感應同步器

4．2．6磁尺

4．2．7限位開關

4．2．8電位計

4．3運動的避障感知

4．3．1紅外測距傳感器

4．3．2超聲波傳感器

4．3．3激光傳感器

4．3．4圖像傳感器

4．4全局運動檢測

4．4．1GPS定位

4．4．2陀螺儀

4．4．3電子羅盤

4．5高精密位移檢測案例

4．6小結

習題


第5章致動方式與驅動器

5．1驅動器的發展

5．2致動方式

5．3伺服電動機驅動器

5．3．1直流伺服電動機結構

5．3．2交流伺服電動機結構

5．3．3直線電動機結構

5．3．4電動機的驅動放大器

5．4液壓驅動器

5．5氣壓驅動器

5．6壓電陶瓷驅動器

5．7形狀記憶合金驅動器

5．7．1形狀記憶合金驅動器模型

5．7．2形狀記憶合金絲的應用

5．8人工肌肉驅動器

5．8．1氣動肌肉

5．8．2電活性聚合物人工肌肉

5．8．3離子交換膜金屬復合材料

5．8．4導電聚合物人工肌肉

5．8．5碳納米管人工肌肉

5．9小結

習題


第6章伺服電動機模型及控制策略

6．1伺服電動機控制系統概述

6．2直流伺服電動機的穩態特性和控制方式

6．2．1直流伺服電動機的工作原理

6．2．2直流伺服電動機的穩態特性

6．2．3直流伺服電動機的調速方法

6.2.4調速系統性能指標

6.2.5轉速閉環直流調速系統

6．2．6直流伺服電動機的應用案例

6．3旋轉磁場與交流伺服電動機控制方式

6．3．1旋轉磁場理論

6．3．2幅值控制方式

6．3．3相位控制方式

6．3．4幅值相位控制方式

6．3．5雙相控制方式

6．4交流異步伺服電動機

6．4．1交流和直流伺服電動機的性能比較

6．4．2交流異步伺服電動機的應用案例

6．5永磁同步伺服電動機及其控制

6．5．1永磁同步伺服電動機工作原理

6．5．2永磁同步伺服電動機的數學模型

6．5．3永磁同步伺服電動機的控制策略概述

6．5．4永磁同步伺服電動機的矢量控制策略分析

6．6伺服電動機發展趨勢

6．7小結

習題


第7章運動控制算法設計與仿真

7.1運動控制物件建模

7.1.1運動控制物件的傳遞函數

7.1.2運動控制物件的狀態空間

7.1.3運動負載分析

7.2常用伺服控制策略

7.2.1運動伺服控制策略概述

7.2.2伺服運動控制系統的采樣周期

7.2.3采樣周期T對運動控制器的影響

7.3PID控制算法剖析

7.4滑模變結構控制基本原理

7.5永磁同步伺服電動機的控制系統設計

7.5.1PMSM伺服系統設計

7.5.2PMSM驅動控制設計

7.5.3PMSM控制算法設計算例

7.5.4PMSM控制系統仿真分析

7.6復雜運動控制算法案例分析

7.6.1雙腿行走機器人的迭代學習運動控制

7.6.2仿生膝關節的力矩控制算法案例分析

7.6.3倒立擺的最優控制器設計

7.7運動控制系統的虛擬樣機控制聯合仿真

7.8小結

習題


第8章運動控制器的硬件和軟件

8.1運動控制器類型

8.1.1單片機

8.1.2PLC

8.1.3ARM

8.1.4DSP

8.1.5專用控制器

8.1.6工控機

8.1.7通用程序設計語言

8.1.8專用程序設計數控編程

8.2基於微處理器的直流伺服電動機驅動器案例

8.3基於DSP的全數字直流伺服電動機控制系統案例

8.4數控機床運動控制系統

8.4.1數控機床的結構

8.4.2數控機床的分類

8.4.3數控機床的工作原理

8.4.4數控機床的坐標系

8.4.5數控插補概述

8.4.6逐點比較插補方法

8.4.7數控機床NC編程

8.5工業機器人控制器案例

8.5.1Staubli工業機器人編程軟件

8.5.2工業機器人控制器硬件

8.6操作系統

8.7現場總線

8.7.1現場總線的發展現狀

8.7.2CAN總線簡介

8.7.3基於CAN總線的分布式跟隨運動控制系統

8.8小結

習題


參考文獻