《機械臂系統的控制同步理論與套用》以典型串在線上械臂為對象，介紹機械臂系統的控制同步的建模、幾種不同形式的同步控制器設計、同步運動和同步軌跡跟蹤實現以及相應的複雜非線性動力學行為分析等方面的系列化最新理論研究成果。主要內容包括：機械系統控制同步的基本原理及其同步穩定性分析；兩自由度機械臂動力學建模與同步控制混合模型建立方法；利用節律神經元控制器、OPCL控制器、自適應控制器分別實現二自由度機械臂的運動同步；採用OPCL控制器的二自由度機械臂的複雜動力學行為；三自由度機械臂動力學建模與同步控制混合建模；採用自適應控制器、魯棒同步軌跡跟蹤控制器實現三自由度機械臂運動同步的方法；三自由度機械臂末端軌跡跟蹤的同步控制方法；兩自由度剛柔耦合機械臂同步控制方法及其基於反饋策略的同步運動。《機械臂系統的控制同步理論與套用》還附有必要的數值仿真流程和程式。《機械臂系統的控制同步理論與套用》對機械臂系統的動力學與控制、同步理論與套用等方面的研究具有重要參考價值。《機械臂系統的控制同步理論與套用》專供從事動力系統控制同步研究，特別是機械系統控制同步方面研究的科技人員閱讀，也可為機械系統非線性動力學與控制、機器人動力學與控制等領域的科技人員提供參考。同時，從事機械系統動力學與控制、機器人學、非線性動力學等相關學科學習和科研工作的教師和研究生也可參考《機械臂系統的控制同步理論與套用》。
基本介紹
- 中文名：機械臂系統的控制同步理論與套用
- 外文名：The Theory and Application of the Controlled Synchronization on the Manipulator Systems
- 作者：韓清凱 張昊
- 出版日期：2014年1月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7118092622
- 出版社：國防工業出版社
- 頁數：182頁
- 開本：16
- 品牌：國防工業出版社
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
《機械臂系統的控制同步理論與套用》是2014年1月國防工業出版社出版的圖書，作者是韓清凱、張昊、任雲鵬。
圖書目錄
第1 章緒論…………………………………………………………………… 1
1. 1目的與意義…………………………………………………………… 1
1. 2國內外研究現狀……………………………………………………… 3
1. 2. 1機械系統的同步控制策略…………………………………… 3
1. 2. 2主從式機械系統的控制同步………………………………… 4
1. 2. 3機械臂系統的控制同步……………………………………… 4
1. 2. 4剛柔耦合機械臂系統的控制同步…………………………… 5
1. 3本書主要內容………………………………………………………… 6
參考文獻……………………………………………………………………… 7
第2 章機械系統控制同步的基本原理……………………………………… 9
2. 1引言…………………………………………………………………… 9
2. 2同步控制的目標與穩定性判定……………………………………… 9
2. 2. 1同步控制的目標及同步誤差定義…………………………… 10
2. 2. 2控制同步的李雅普諾夫穩定性……………………………… 11
2. 3同步控制器的設計…………………………………………………… 11
2. 3. 1從系統參數已知情況下的同步控制方法…………………… 11
2. 3. 2從系統參數未知情況下的同步控制方法…………………… 13
2. 4遲滯系統與Duffing 系統的主從同步分析………………………… 14
2. 4. 1從系統參數已知情況下的同步分析………………………… 15
2. 4. 2從系統參數未知情況下的同步控制………………………… 17
2. 4. 3非線性系統的控制同步的仿真分析………………………… 20
2. 4. 4主從同步控制器各控制參數的影響………………………… 25
參考文獻…………………………………………………………………… 28
第3 章基於節律神經元控制器的兩自由度機械臂的控制同步…………… 29
3. 1引言…………………………………………………………………… 29
吁
3. 2兩自由度機械臂動力學建模………………………………………… 30
3. 2. 1兩自由度機械臂的運動學分析……………………………… 30
3. 2. 2兩自由度機械臂的動力學分析……………………………… 33
3. 2. 3機械臂動力學模型的物理特徵……………………………… 36
3. 2. 4面向機械臂系統同步控制的李雅普諾夫函式……………… 36
3. 3神經元同步控制器的設計…………………………………………… 38
3. 3. 1神經元同步控制器的構成及特點…………………………… 38
3. 3. 2採用神經元同步控制器的兩自由度機械臂模型…………… 39
3. 4兩自由度機械臂同步運動的實現…………………………………… 40
3. 4. 1兩自由度機械臂的典型運動特徵…………………………… 40
3. 4. 2神經元同步控制器時間常數對機械臂運動的影響………… 41
3. 4. 3系統阻尼對機械臂運動的影響……………………………… 42
3. 5小幅擺運動和大迴環運動之間轉換過程…………………………… 43
3. 5. 1控制器增益變化的影響……………………………………… 43
3. 5. 2角度和加速度衝擊的影響…………………………………… 44
參考文獻…………………………………………………………………… 44
第4 章基於OPCL 控制器的兩自由度機械臂的控制同步……………… 45
4. 1引言…………………………………………………………………… 45
4. 2通用OPCL 控制器模型……………………………………………… 46
4. 3改進的OPCL 控制器設計…………………………………………… 47
4. 4基於改進的OPCL 控制器同步運動仿真…………………………… 48
4. 4. 1基於改進的OPCL 控制器小幅擺運動……………………… 49
4. 4. 2基於改進的OPCL 控制器大迴環運動……………………… 50
4. 5利用OPCL控制實現兩自由度機械臂從單周期運動到混沌運動…… 51
4. 5. 1通向混沌的道路……………………………………………… 51
4. 5. 2兩自由度機械臂混沌運動的實現…………………………… 51
4. 5. 3非線性參數估計……………………………………………… 58
參考文獻…………………………………………………………………… 59
第5 章摩擦力對OPCL 控制系統的影響…………………………………… 60
5. 1引言…………………………………………………………………… 60
5. 2摩擦力模型…………………………………………………………… 60
5. 2. 1庫侖摩擦……………………………………………………… 61
5. 2. 2庫侖摩擦+黏性摩擦模型…………………………………… 62
5. 2. 3靜摩擦+庫侖摩擦+黏性摩擦模型………………………… 62
5. 2. 4Stribeck 摩擦模型…………………………………………… 63
5. 3帶有摩擦項的OPCL 控制系統……………………………………… 63
5. 4黏性摩擦力對OPCL 控制系統的影響……………………………… 64
5. 4. 1分岔特徵……………………………………………………… 64
5. 4. 2單周期運動…………………………………………………… 65
5. 4. 3多周期運動…………………………………………………… 66
5. 4. 4擬周期運動…………………………………………………… 68
5. 4. 5混沌運動……………………………………………………… 69
5. 5靜摩擦力項和庫侖摩擦力項對OPCL 的影響……………………… 71
5. 5. 1擬周期運動…………………………………………………… 71
5. 5. 2混沌運動……………………………………………………… 73
參考文獻…………………………………………………………………… 74
第6 章基於自適應控制器的兩自由度機械臂控制同步…………………… 76
6. 1引言…………………………………………………………………… 76
6. 2改進的MRAC - PD 控制器模型及設計…………………………… 77
6. 2. 1通用MRAC - PD 控制器模型……………………………… 77
6. 2. 2改進的MRAC - PD 控制器設計…………………………… 80
6. 3基於改進的MRAC - PD 控制器同步運動仿真…………………… 80
6. 3. 1基於改進的MRAC - PD 控制器小幅擺運動……………… 81
6. 3. 2基於改進的MRAC - PD 控制器大迴環運動……………… 82
6. 4小幅擺運動和大迴環運動之間轉換過程…………………………… 83
6. 4. 1不同控制器參數對同步運動形式的影響…………………… 83
6. 4. 2不同的期望軌跡對同步運動形式的影響…………………… 84
6. 5兩種控制方法的比較………………………………………………… 85
參考文獻…………………………………………………………………… 85
第7 章基於自適應控制器的三自由度機械臂控制同步…………………… 86
7. 1引言…………………………………………………………………… 86
7. 2三自由度機械臂動力學建模………………………………………… 86
7. 2. 1機械臂運動學分析…………………………………………… 87
7. 2. 2基於拉格朗日-歐拉法的機械臂動力學分析……………… 92
喻
7. 3基於PD 狀態反饋的同步控制器設計…………………………… 101
7. 4基於PD 增益自適應調節的模型參考自適應控制……………… 103
7. 4. 1參考模型…………………………………………………… 103
7. 4. 2PD 增益自適應控制器設計………………………………… 104
7. 4. 3穩定性分析………………………………………………… 105
7. 4. 4仿真分析…………………………………………………… 107
7. 5機械臂的魯棒自適應控制………………………………………… 109
7. 5. 1自適應控制器設計………………………………………… 109
7. 5. 2仿真分析…………………………………………………… 113
參考文獻…………………………………………………………………… 115
第8 章三自由度機械臂魯棒同步軌跡跟蹤控制…………………………… 117
8. 1引言………………………………………………………………… 117
8. 2機械臂常用的軌跡跟蹤方法……………………………………… 118
8. 3魯棒同步軌跡跟蹤控制器設計引理……………………………… 120
8. 4魯棒同步軌跡跟蹤控制器設計…………………………………… 121
8. 5仿真分析…………………………………………………………… 122
參考文獻…………………………………………………………………… 128
第9 章考慮未知結構參數的三自由度機械臂的同步軌跡跟蹤控制…… 129
9. 1引言………………………………………………………………… 129
9. 2三自由度冗餘機械臂的動力學系統模型………………………… 130
9. 2. 1機械臂運動學分析………………………………………… 130
9. 2. 2機械臂動力學分析………………………………………… 133
9. 3主從機械臂末端軌跡同步控制器設計…………………………… 135
9. 3. 1主從式機械臂的末端軌跡同步運動控制方法…………… 135
9. 3. 2仿真分析…………………………………………………… 137
9. 4從機械臂參數未知的自適應PD 同步控制……………………… 141
9. 4. 1模型參考自適應控制……………………………………… 141
9. 4. 2自適應同步控制器的設計………………………………… 142
9. 4. 3仿真分析…………………………………………………… 148
9. 5主從機械臂同步系統的控制實現………………………………… 150
9. 5. 1軌跡規劃的實現…………………………………………… 150
9. 5. 2仿真分析…………………………………………………… 153
參考文獻…………………………………………………………………… 155
第10 章剛柔耦合機械臂的控制同步……………………………………… 156
10. 1引言………………………………………………………………… 156
10. 2柔性機械臂的建模與動力學特性………………………………… 156
10. 2. 1柔性多體系統的建模……………………………………… 157
10. 2. 2混合坐標法………………………………………………… 158
10. 2. 3變形描述…………………………………………………… 159
10. 2. 4模態疊加…………………………………………………… 160
10. 2. 5一次近似耦合模型………………………………………… 164
10. 2. 6大範圍運動已知的動力學仿真…………………………… 167
10. 2. 7大範圍運動未知的動力學仿真…………………………… 169
10. 3剛柔耦合機械臂的控制同步……………………………………… 171
10. 3. 1基於反饋策略的同步控制器設計………………………… 171
10. 3. 2仿真分析…………………………………………………… 174
10. 3. 3控制參數的影響…………………………………………… 176
參考文獻…………………………………………………………………… 178
附錄A平面三自由度機械臂動力學模型………………………………… 179
附錄B系統機械臂動力學系統模型的線性化處理……………………… 180
1. 1目的與意義…………………………………………………………… 1
1. 2國內外研究現狀……………………………………………………… 3
1. 2. 1機械系統的同步控制策略…………………………………… 3
1. 2. 2主從式機械系統的控制同步………………………………… 4
1. 2. 3機械臂系統的控制同步……………………………………… 4
1. 2. 4剛柔耦合機械臂系統的控制同步…………………………… 5
1. 3本書主要內容………………………………………………………… 6
參考文獻……………………………………………………………………… 7
第2 章機械系統控制同步的基本原理……………………………………… 9
2. 1引言…………………………………………………………………… 9
2. 2同步控制的目標與穩定性判定……………………………………… 9
2. 2. 1同步控制的目標及同步誤差定義…………………………… 10
2. 2. 2控制同步的李雅普諾夫穩定性……………………………… 11
2. 3同步控制器的設計…………………………………………………… 11
2. 3. 1從系統參數已知情況下的同步控制方法…………………… 11
2. 3. 2從系統參數未知情況下的同步控制方法…………………… 13
2. 4遲滯系統與Duffing 系統的主從同步分析………………………… 14
2. 4. 1從系統參數已知情況下的同步分析………………………… 15
2. 4. 2從系統參數未知情況下的同步控制………………………… 17
2. 4. 3非線性系統的控制同步的仿真分析………………………… 20
2. 4. 4主從同步控制器各控制參數的影響………………………… 25
參考文獻…………………………………………………………………… 28
第3 章基於節律神經元控制器的兩自由度機械臂的控制同步…………… 29
3. 1引言…………………………………………………………………… 29
吁
3. 2兩自由度機械臂動力學建模………………………………………… 30
3. 2. 1兩自由度機械臂的運動學分析……………………………… 30
3. 2. 2兩自由度機械臂的動力學分析……………………………… 33
3. 2. 3機械臂動力學模型的物理特徵……………………………… 36
3. 2. 4面向機械臂系統同步控制的李雅普諾夫函式……………… 36
3. 3神經元同步控制器的設計…………………………………………… 38
3. 3. 1神經元同步控制器的構成及特點…………………………… 38
3. 3. 2採用神經元同步控制器的兩自由度機械臂模型…………… 39
3. 4兩自由度機械臂同步運動的實現…………………………………… 40
3. 4. 1兩自由度機械臂的典型運動特徵…………………………… 40
3. 4. 2神經元同步控制器時間常數對機械臂運動的影響………… 41
3. 4. 3系統阻尼對機械臂運動的影響……………………………… 42
3. 5小幅擺運動和大迴環運動之間轉換過程…………………………… 43
3. 5. 1控制器增益變化的影響……………………………………… 43
3. 5. 2角度和加速度衝擊的影響…………………………………… 44
參考文獻…………………………………………………………………… 44
第4 章基於OPCL 控制器的兩自由度機械臂的控制同步……………… 45
4. 1引言…………………………………………………………………… 45
4. 2通用OPCL 控制器模型……………………………………………… 46
4. 3改進的OPCL 控制器設計…………………………………………… 47
4. 4基於改進的OPCL 控制器同步運動仿真…………………………… 48
4. 4. 1基於改進的OPCL 控制器小幅擺運動……………………… 49
4. 4. 2基於改進的OPCL 控制器大迴環運動……………………… 50
4. 5利用OPCL控制實現兩自由度機械臂從單周期運動到混沌運動…… 51
4. 5. 1通向混沌的道路……………………………………………… 51
4. 5. 2兩自由度機械臂混沌運動的實現…………………………… 51
4. 5. 3非線性參數估計……………………………………………… 58
參考文獻…………………………………………………………………… 59
第5 章摩擦力對OPCL 控制系統的影響…………………………………… 60
5. 1引言…………………………………………………………………… 60
5. 2摩擦力模型…………………………………………………………… 60
5. 2. 1庫侖摩擦……………………………………………………… 61
5. 2. 2庫侖摩擦+黏性摩擦模型…………………………………… 62
5. 2. 3靜摩擦+庫侖摩擦+黏性摩擦模型………………………… 62
5. 2. 4Stribeck 摩擦模型…………………………………………… 63
5. 3帶有摩擦項的OPCL 控制系統……………………………………… 63
5. 4黏性摩擦力對OPCL 控制系統的影響……………………………… 64
5. 4. 1分岔特徵……………………………………………………… 64
5. 4. 2單周期運動…………………………………………………… 65
5. 4. 3多周期運動…………………………………………………… 66
5. 4. 4擬周期運動…………………………………………………… 68
5. 4. 5混沌運動……………………………………………………… 69
5. 5靜摩擦力項和庫侖摩擦力項對OPCL 的影響……………………… 71
5. 5. 1擬周期運動…………………………………………………… 71
5. 5. 2混沌運動……………………………………………………… 73
參考文獻…………………………………………………………………… 74
第6 章基於自適應控制器的兩自由度機械臂控制同步…………………… 76
6. 1引言…………………………………………………………………… 76
6. 2改進的MRAC - PD 控制器模型及設計…………………………… 77
6. 2. 1通用MRAC - PD 控制器模型……………………………… 77
6. 2. 2改進的MRAC - PD 控制器設計…………………………… 80
6. 3基於改進的MRAC - PD 控制器同步運動仿真…………………… 80
6. 3. 1基於改進的MRAC - PD 控制器小幅擺運動……………… 81
6. 3. 2基於改進的MRAC - PD 控制器大迴環運動……………… 82
6. 4小幅擺運動和大迴環運動之間轉換過程…………………………… 83
6. 4. 1不同控制器參數對同步運動形式的影響…………………… 83
6. 4. 2不同的期望軌跡對同步運動形式的影響…………………… 84
6. 5兩種控制方法的比較………………………………………………… 85
參考文獻…………………………………………………………………… 85
第7 章基於自適應控制器的三自由度機械臂控制同步…………………… 86
7. 1引言…………………………………………………………………… 86
7. 2三自由度機械臂動力學建模………………………………………… 86
7. 2. 1機械臂運動學分析…………………………………………… 87
7. 2. 2基於拉格朗日-歐拉法的機械臂動力學分析……………… 92
喻
7. 3基於PD 狀態反饋的同步控制器設計…………………………… 101
7. 4基於PD 增益自適應調節的模型參考自適應控制……………… 103
7. 4. 1參考模型…………………………………………………… 103
7. 4. 2PD 增益自適應控制器設計………………………………… 104
7. 4. 3穩定性分析………………………………………………… 105
7. 4. 4仿真分析…………………………………………………… 107
7. 5機械臂的魯棒自適應控制………………………………………… 109
7. 5. 1自適應控制器設計………………………………………… 109
7. 5. 2仿真分析…………………………………………………… 113
參考文獻…………………………………………………………………… 115
第8 章三自由度機械臂魯棒同步軌跡跟蹤控制…………………………… 117
8. 1引言………………………………………………………………… 117
8. 2機械臂常用的軌跡跟蹤方法……………………………………… 118
8. 3魯棒同步軌跡跟蹤控制器設計引理……………………………… 120
8. 4魯棒同步軌跡跟蹤控制器設計…………………………………… 121
8. 5仿真分析…………………………………………………………… 122
參考文獻…………………………………………………………………… 128
第9 章考慮未知結構參數的三自由度機械臂的同步軌跡跟蹤控制…… 129
9. 1引言………………………………………………………………… 129
9. 2三自由度冗餘機械臂的動力學系統模型………………………… 130
9. 2. 1機械臂運動學分析………………………………………… 130
9. 2. 2機械臂動力學分析………………………………………… 133
9. 3主從機械臂末端軌跡同步控制器設計…………………………… 135
9. 3. 1主從式機械臂的末端軌跡同步運動控制方法…………… 135
9. 3. 2仿真分析…………………………………………………… 137
9. 4從機械臂參數未知的自適應PD 同步控制……………………… 141
9. 4. 1模型參考自適應控制……………………………………… 141
9. 4. 2自適應同步控制器的設計………………………………… 142
9. 4. 3仿真分析…………………………………………………… 148
9. 5主從機械臂同步系統的控制實現………………………………… 150
9. 5. 1軌跡規劃的實現…………………………………………… 150
9. 5. 2仿真分析…………………………………………………… 153
參考文獻…………………………………………………………………… 155
第10 章剛柔耦合機械臂的控制同步……………………………………… 156
10. 1引言………………………………………………………………… 156
10. 2柔性機械臂的建模與動力學特性………………………………… 156
10. 2. 1柔性多體系統的建模……………………………………… 157
10. 2. 2混合坐標法………………………………………………… 158
10. 2. 3變形描述…………………………………………………… 159
10. 2. 4模態疊加…………………………………………………… 160
10. 2. 5一次近似耦合模型………………………………………… 164
10. 2. 6大範圍運動已知的動力學仿真…………………………… 167
10. 2. 7大範圍運動未知的動力學仿真…………………………… 169
10. 3剛柔耦合機械臂的控制同步……………………………………… 171
10. 3. 1基於反饋策略的同步控制器設計………………………… 171
10. 3. 2仿真分析…………………………………………………… 174
10. 3. 3控制參數的影響…………………………………………… 176
參考文獻…………………………………………………………………… 178
附錄A平面三自由度機械臂動力學模型………………………………… 179
附錄B系統機械臂動力學系統模型的線性化處理……………………… 180
