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出版者:电子工业出版社

作者:陈建明

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2006-8

价格:29.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787121029844

丛书系列:

图书标签:

• 电气控制
• PLC
• 自动化
• 工业控制
• 继电器控制
• 可编程逻辑控制器
• 电路
• 电机控制
• 传感器
• 控制系统

机械臂的灵巧之舞：运动控制理论与实践 这本书深入探索了现代机械臂系统背后的核心科学与工程原理，为您揭示驱动这些精密机械完成复杂任务的奥秘。我们不仅关注“如何”让机械臂动起来，更着重于“为何”如此设计和控制。从基础的运动学和动力学分析，到高级的轨迹规划与反馈控制策略，本书将带您踏上一段全面而深入的学习旅程，构建您对机械臂运动控制的深刻理解。 第一章：机械臂几何与运动学——理解动作的语言 在本章，我们将首先引入机械臂的基本概念。什么是自由度？不同类型的关节（如旋转关节、移动关节）如何影响机械臂的运动能力？我们将详细阐述连杆变换（Denavit-Hartenberg 参数化）这一强大的数学工具，它能以一种系统化的方式描述机械臂各个连杆之间的相对位置和姿态。通过DH参数，我们可以将复杂的空间关系转化为一组简单的矩阵乘法，从而建立起机械臂末端执行器（例如夹爪或焊枪）位姿（位置和方向）与各个关节角度之间的数学模型。 我们将深入探讨正运动学，即已知所有关节的角度，如何计算出末端执行器的位姿。这就像是知道乐器每个音键的按动情况，然后预测出乐声的整体旋律。正运动学是理解机械臂运动范围和工作空间的基础。 紧接着，我们将转向更具挑战性的逆运动学。在实际应用中，我们往往已知期望的末端执行器位姿，需要计算出驱动机械臂到达该位姿所需的各个关节角度。这就好比我们知道想要演奏的乐曲，需要找出各个音键的组合方式。逆运动学是机械臂精确控制和轨迹规划的关键。我们将介绍多种求解方法，包括解析法（对于简单构型）和数值法（如Jacobian伪逆法、迭代优化法），并讨论它们的优缺点和适用场景。理解逆运动学不仅能帮助我们操控机械臂，更能让我们洞察其工作空间的限制和潜在的奇异点问题。 第二章：机械臂动力学——揭示力量的秘密 运动不仅仅是位置的改变，更是力量与惯性的相互作用。本章将带您进入机械臂的动力学世界。我们将从牛顿-欧拉法和拉格朗日法这两种经典的动力学建模方法出发，推导出描述机械臂运动状态（角速度、角加速度）与驱动力矩（或力）之间关系的动力学方程。 牛顿-欧拉法以其直观的物理过程而著称，它通过对机械臂的每个连杆应用牛顿第二定律和欧拉方程，一步步累积得到整个机械臂的动力学方程。而拉格朗日法则是一种能量方法，它基于机械臂系统的动能和势能，利用拉格朗日方程推导出简洁而普适的动力学模型。我们将详细对比这两种方法的推导过程，帮助您理解它们各自的优势和在实际应用中的侧重点。 理解了动力学方程，我们就能知道在特定的运动轨迹下，机械臂需要多大的力矩来驱动。这将是设计合适的电机、减速器以及开发高性能控制器的基础。我们还将探讨惯性矩阵、科氏力和离心力矩阵以及重力矢量在动力学方程中的作用，这些因素都直接影响着机械臂的运动表现，尤其是在高速运动或复杂姿态下。 第三章：轨迹规划——绘制精确的运动蓝图 拥有了运动学和动力学模型，我们便可以开始规划机械臂的运动轨迹。本章将聚焦于如何为机械臂设计出平滑、高效且安全的运动路径。 我们首先会介绍点到点轨迹规划，即简单地在起始点和目标点之间进行插值。常见的插值方法包括线性插值、多项式插值（如三次或五次多项式）等。这些方法可以保证位置、速度甚至加速度的连续性，从而避免机械臂因突然的速度或加速度变化而产生的冲击。 随后，我们将深入连续轨迹规划，这意味着我们需要在给定的路径上，沿着一个期望的曲线进行运动。这包括直线插补、圆弧插补等。在实际应用中，我们常常需要考虑避障问题。因此，本章还将引入避障轨迹规划的基本概念。虽然完整的避障算法可能非常复杂，但我们会介绍一些基本思路，例如基于采样的方法、基于势场的方法等，以及如何将其与机械臂的运动学模型结合。 此外，我们还将讨论关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划的区别。在关节空间规划时，我们直接指定关节角度的变化；而在笛卡尔空间规划时，我们指定末端执行器的位姿变化，然后通过逆运动学将其转换为关节空间的指令。理解它们的优劣对于选择合适的规划策略至关重要。 第四章：反馈控制策略——实现精准的响应 仅仅规划了轨迹是不够的，外部干扰、模型误差以及执行器的非线性特性都可能导致机械臂无法精确跟随预设轨迹。本章将重点讲解各种反馈控制策略，它们是实现机械臂高精度运动的关键。 我们将从最基础的PID（比例-积分-微分）控制器开始。PID控制器因其简单易实现和良好的鲁棒性而广泛应用于各种控制领域。我们将详细解释P、I、D三个参数的物理意义以及它们如何影响系统的响应特性（如超调、响应速度、稳态误差）。 进一步地，我们将介绍更高级的控制方法，例如前馈控制。前馈控制利用已知的机械臂动力学模型，根据轨迹信息提前计算出所需的控制输入，与反馈控制相结合，能够显著提高系统的跟踪精度，尤其是在高速运动时。 我们还将探讨模型参考自适应控制（MRAC）和自适应逆控制等自适应控制技术。这些方法能够在系统参数未知或随时间变化的情况下，自动调整控制器参数，使系统性能保持最优。 对于机器人末端力的控制，本章也将有所涉及。在某些应用中，如打磨、抛光或协作操作，控制末端执行器施加的力比控制其位置更为重要。我们将介绍阻抗控制和导纳控制等策略，它们能够让机械臂表现出特定的机械阻抗特性，从而实现与环境的柔顺交互。 第五章：轨迹跟踪与误差分析——评估与优化性能 在实际运行中，我们需要评估机械臂的跟踪性能并分析产生的误差。本章将聚焦于轨迹跟踪的实现，以及如何分析和理解跟踪误差的来源。 我们将讨论如何在硬件层面实现精确的轨迹跟踪，包括使用高分辨率编码器、高性能伺服驱动器以及实时控制系统。我们将介绍采样率、控制周期以及计算延迟等因素对轨迹跟踪精度的影响。 误差分析是提高控制性能的关键。我们将深入探讨建模误差（如DH参数不准确、质量分布估算偏差）、执行器误差（如摩擦、齿隙）、传感器误差（如编码器分辨率、噪声）以及环境干扰（如外部碰撞、负载变化）是如何导致轨迹跟踪误差的。 最后，我们将介绍一些误差补偿的策略。例如，利用已知的模型误差进行补偿，或者通过学习方法来估计和补偿未建模的动态特性。通过对误差的深入理解和有效的补偿，我们可以不断优化机械臂的控制算法，使其运动更加精准和可靠。 本书旨在为您提供一个坚实的理论基础和丰富的实践指导，使您能够自信地设计、分析和实现各种复杂的机械臂运动控制系统。无论您是机械工程、自动化、机器人学领域的学生，还是相关领域的工程师，都能从中受益匪浅，掌握机械臂运动控制的核心技术。

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坦白说，最初我购买《电气控制与PLC应用》是冲着它对现代变频器控制技术的讲解去的，没想到它在传统电气安全规范和故障诊断方面也给了我极大的启发。书中关于电气设备安装的环境要求、防护等级（IP代码的实际意义）以及最重要的——安全回路设计（如急停电路的冗余和确认机制），都进行了非常详尽且符合最新国家标准（GB/T标准）的论述。很多现场的电气工程师为了赶工期，往往会在安全冗余上有所妥协，但这本书明确指出了这些风险的潜在后果，并提供了符合逻辑的解决方案。比如，在讨论电机正反转控制时，它不仅展示了继电器控制的互锁电路，还对比了在PLC程序中实现逻辑互锁的优缺点，并特别强调了硬件互锁作为最终保险的重要性。此外，对于PLC的诊断和故障排除部分，作者提供了一套系统性的思维框架，从最简单的电源指示灯检查，到复杂的I/O点状态监控，再到程序运行时间的分析，构建了一个清晰的“漏斗式”故障排查流程。这种系统性的方法论，比零散的经验分享更有指导意义，它教会我的不是“如何修好这个特定的故障”，而是“遇到任何故障时，应该从哪里开始思考”。这本书的深度和广度，确实配得上“经典”二字。

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当我翻开这本《电气控制与PLC应用》时，我最深刻的感受是它在“应用”二字上的执着。很多教材只是罗列了知识点，但这本书的作者显然是深谙现场之道，每一个章节的布局都紧密围绕着实际工程的需求展开。举个例子，在讲解伺服驱动器的控制时，它没有仅仅停留在脉冲信号的生成上，而是深入探讨了点位控制和位置反馈回路的建立过程，甚至提到了常见的电磁兼容性（EMC）问题及其在实际安装中的规避方法，这一点在理论书籍中是极其罕见的。我记得有一次我们车间一台设备因为伺服系统响应慢出了问题，我翻阅了手头好几本参考书都不得要领，最后还是从这本书里关于“伺服系统调试参数的敏感性分析”一节中找到了突破口。此外，书中对于不同行业自动化案例的引入也做得非常巧妙。它不是那种空洞的“某某工厂”的描述，而是提供了清晰的电气原理图、PLC程序逻辑框图以及对应的现场接线图，读者可以清晰地看到从需求分析到最终实现的全过程。特别是关于HMI（人机界面）的集成部分，它不仅仅教你怎么画按钮和显示数值，更重要的是讲解了如何通过数据块的映射和报警机制的设计，来提升操作员的交互体验和系统的健壮性。这本书的价值在于，它成功架起了从“电气原理”到“工业现场”之间那座至关重要的桥梁，让技术人员真正能够“玩转”自动化设备，而不是被设备“玩转”。

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这本书的排版和图文呈现方式，绝对是我近几年读到的技术书籍中最舒服的之一。首先，它的字体选择和行间距处理得非常人性化，长时间阅读也不会感到视觉疲劳，这对于需要反复研读复杂逻辑图和接线图的读者来说是一个巨大的优势。其次，作者在关键概念的阐述上，运用了大量的对比和类比手法。比如，在区分不同类型的传感器（电感式、光电式、电容式）的适用场景时，它不仅仅是列出工作原理，还配上了清晰的实物照片和工作波形图，使得区分它们之间的细微差异变得一目了然。关于PLC程序的结构化编程部分，作者引入了函数块（FB）和功能（FC）的概念，并且用流程图和伪代码的方式详细展示了如何设计一个可复用的、结构清晰的程序模块。这种教学方式极大地提高了程序的可维护性和可扩展性，这对于任何一个参与长期项目维护的工程师来说，都是无价的经验。我个人认为，这本书的编排逻辑，已经超越了一本普通教材的范畴，更像是一部经过精心策划和打磨的“实战手册”。它的专业性毋庸置疑，但其呈现的易懂性，更是让它在众多专业书籍中脱颖而出，真正做到了深入浅出，雅俗共赏。

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这本书最让我感到惊喜的是它对“未来趋势”的把握和适度融入，而不是沉溺于过时的技术描述中。虽然它扎实地讲解了经典控制原理，但作者并没有忘记在适当的地方引入工业物联网（IIoT）的概念。比如，在讨论数据采集和远程监控时，它简要地介绍了OPC UA协议的基本架构，并说明了PLC如何通过以太网接口将数据推送到云端服务器，这使得读者在学习现有技术的同时，也能对未来的工厂架构有一个初步的认知。这种前瞻性使得这本书的生命周期得到了极大的延长。另外，书中对不同品牌PLC在编程哲学上的细微差异进行了客观的比较，而不是偏袒某一特定品牌。例如，在讲解数据类型的处理时，它清晰地指出了不同平台在内存映射和数据结构定义上的不同习惯。这种中立且详尽的比较，对于需要维护多品牌设备的工程师来说，极大地降低了学习成本。总而言之，《电气控制与PLC应用》不仅仅是一本技术教程，它更像是一份经过精心筛选和提炼的行业知识地图，它为你指明了学习的方向，并提供了可靠的工具箱，足以应对当下及未来相当一段时间内的工业自动化挑战。

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这本《电气控制与PLC应用》的书籍，简直是为我这种从传统继电器控制转向自动化领域的工程师量身定做的。我记得我刚接触它的时候，还抱着将信将疑的态度，毕竟市面上的技术书籍汗牛充栋，真正能深入浅出讲透一个复杂系统的并不多。但这本书的开篇，就以一种近乎叙事的方式，将电气控制的基本原理娓娓道来，仿佛一位经验丰富的老前辈在手把手教你。它没有一上来就抛出一堆复杂的公式和晦涩难懂的术语，而是从最基础的接触器、继电器的选型和原理讲起，这一点非常关键，因为很多初学者往往是栽在了基础不牢上。接着，它自然而然地过渡到现代工业的灵魂——可编程逻辑控制器（PLC）。书里对西门子S7系列和三菱FX系列这两种主流PLC的硬件结构和编程环境做了细致的剖析，尤其是对梯形图的逻辑表达，简直是教科书级别的示范。我特别欣赏作者在讲解定时器和计数器这类基础指令时，没有停留在单纯的指令介绍，而是立刻结合实际的生产场景，比如生产线上的延时启动、产品计数等，这使得理论知识迅速获得了实践的支撑，让人读起来有种“学以致用”的即时满足感。后半部分涉及的模拟量处理和工业网络通信（如Profibus/Profinet的入门概念）也处理得恰到好处，没有过度深挖成高级网络工程师的知识，而是确保控制工程师能够理解并进行基本的配置和故障排查，这对于日常维护工作至关重要。总的来说，这本书像是一份详尽的“工地指南”，而不是束之高阁的理论宝典。

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