Sliding Mode Control in Electro-Mechanical Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Utkin, Vadim/ Guldner, Jurgen/ Shi, Jungxin

出品人:

页数:503

译者:

出版时间:

价格:1158.00 元

装帧:

isbn号码:9781420065602

丛书系列:

图书标签:

• huamo
• Sliding Mode Control
• Electro-Mechanical Systems
• Control Theory
• Robotics
• Automation
• Electrical Engineering
• Mechanical Engineering
• Nonlinear Control
• System Dynamics
• Control Algorithms

智能体运动控制：从理论基础到复杂系统应用 本书旨在深入探讨现代机器人学、自动化系统以及机电一体化领域中，针对非线性、不确定性和时变系统的运动控制策略。 本书的叙事围绕着如何设计出具有强鲁棒性和高精度的控制律展开，这些控制律必须能够在系统模型存在误差、外部干扰无法精确建模，以及关键物理参数发生变化的情况下，依然保证系统的稳定性和期望性能。我们将着重于那些超越传统PID或线性反馈方法的先进控制范式。 第一部分：现代控制理论的基石与挑战 本部分首先为读者构建起理解复杂系统动态行为的理论框架。我们不会满足于简单的线性系统分析，而是直接面对现实世界中普遍存在的非线性现象，如摩擦、间隙、饱和效应以及状态依赖的耦合。 1. 非线性系统的建模与分析： 我们将详细剖析几种常用的非线性系统描述工具，包括相平面法（Phase Plane Analysis）用于低阶系统，李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory）作为判断系统稳定性的黄金标准。重点在于如何利用这些工具来识别系统的脆弱点和潜在的不稳定区域，尤其是在电磁驱动或机械结构共振的背景下。 2. 面对不确定性：鲁棒性的量化 在实际工程中，系统参数（如负载质量、电机常数）往往是未知的或随时间漂移的。本书将系统性地介绍量化不确定性的方法，包括参数不确定性（Bounded Uncertainty）和未建模动态（Unmodeled Dynamics）。我们将探讨如何利用H-无穷（H-infinity）控制的框架，在频域内确保控制系统对特定频率范围的干扰具有最小的灵敏度，从而实现对外部扰动和模型误差的有效抑制。这要求读者理解奇异值分解（SVD）在鲁棒控制设计中的核心地位。 3. 状态观测器的设计 精确的状态信息是设计高性能反馈控制的前提。然而，对于许多机电系统，某些状态变量（如摩擦力矩或柔性环节的角速度）无法直接测量。本书将深入研究扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter, EKF）和无迹卡尔曼滤波器（Unscented Kalman Filter, UKF）在状态估计中的应用，特别是当系统模型本身具有强非线性时，如何通过迭代、最小二乘的原理来获得可靠的状态估计，并讨论观测器带宽与控制器带宽之间的权衡问题。 --- 第二部分：先进的反馈控制结构：性能与鲁棒性的平衡 本部分将焦点转向具体的、能够处理高难度非线性问题的控制架构。 4. 线性化控制方法的局限与超越 对于复杂的非线性系统，局部线性化（如泰勒展开）只能在很小的操作范围内保证性能。本书将探讨反馈线性化（Feedback Linearization）技术，包括输入-输出线性化（I/O Linearization）和完全反馈线性化。我们将详细分析其理论基础——微分平坦性（Differential Flatness），并讨论在系统存在零动态（Zero Dynamics）不稳定或控制输入饱和时的实际操作困难。 5. 优化控制视角：模型预测控制（MPC） 模型预测控制（MPC）是现代工业控制的核心工具之一，其优势在于能够显式地处理约束（如关节限位、电压限制、执行器饱和）并进行前瞻性优化。我们将深入研究如何构建二次规划（QP）或半正定规划（SDP）问题来求解MPC的控制律。核心内容包括： 约束处理： 软约束与硬约束的实现机制。 在线求解器： 如何选择和部署高效的数值优化算法以满足实时性要求。 稳定性保证： 引入终端约束和区域不变集（Region of Attraction）的概念来保证MPC闭环系统的稳定性。 6. 基于能量的方法：输入整形与主动阻尼 在涉及振动抑制的机电系统中，控制的目标往往是抑制特定模式的振动。本书将介绍输入整形（Input Shaping）技术，通过设计特殊的输入信号来抵消系统模态的固有振动。此外，我们将探讨如何设计有源阻尼控制器（Active Damping Controllers），通过在系统中注入能量耗散项来主动减小振动幅度，这对于高精度定位平台至关重要。 --- 第三部分：在特定机电系统中的应用案例 最后一部分，我们将理论知识应用于具体的机电系统场景，展示控制理论如何解决实际工程难题。 7. 伺服驱动系统的精准定位与跟踪 聚焦于高动态伺服电机（如永磁同步电机或无刷直流电机）的控制。我们将讨论如何设计双环或三环控制结构，其中内环处理电压和电流动态，外环处理速度和位置。重点研究磁场定向控制（Field-Oriented Control, FOC）的数学基础，以及如何在FOC框架下集成先进的定位算法，以应对负载变化和高频电流纹波。 8. 柔顺机械臂与人机协作 随着机器人协作（Cobots）的兴起，机械臂的刚度/柔顺性（Stiffness/Compliance）成为关键性能指标。本书将介绍基于阻抗控制（Impedance Control）的设计方法，它允许机器人与环境或操作者以可控的“虚拟弹簧-阻尼”关系交互。我们将详细推导在笛卡尔空间和关节空间中实现期望阻抗特性的控制力矩，并讨论如何利用接触力传感器反馈来实时调整这些参数。 9. 复杂耦合系统的解耦控制 针对具有强耦合的系统，例如多轴运动平台或具有机械柔性的多连杆系统，简单的解耦方法往往失效。本书将阐述动态解耦（Dynamic Decoupling）的概念，即利用系统动力学的逆模型信息，设计补偿项，使得每个控制回路在局部近似于一个独立的单输入单输出（SISO）系统。最后，我们将探讨在计算资源受限的情况下，如何平衡解耦精度与计算复杂度。 总结： 本书为控制工程师、机器人科学家和高级自动化专业学生提供了一个全面、深入的参考资料，它不仅教授了如何应用先进的控制技术来解决非线性、不确定性挑战，更强调了理论严谨性与工程实用性之间的完美结合。读完本书，读者将能够自信地设计和实现满足严格性能指标的下一代机电系统控制器。

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