精密運動控制：設計與實現

《精密運動控制：設計與實現》是2011年機械工業出版社出版的圖書，作者是（新加坡）陳國強、李崇興、黃蘇南。

基本介紹

• 書名：精密運動控制：設計與實現
• 作者：（新加坡）陳國強、李崇興、黃蘇南
• ISBN：978-7-111-35270-9
• 類別：機電一體化
• 頁數：224頁
• 定價：47.00元
• 出版社：機械工業出版社
• 出版時間：2011年10月
• 裝幀：平裝
• 開本：B5
• 正文語種：簡體中文
• 叢書名：國際機械工程先進技術譯叢
• 字數：268千字

內容簡介

《精密運動控制:設計與實現(原書第2版)》內容簡介：原書由新加坡國立大學Tan Kok Kiong、Lee Tong Heng、Huang Sunan編寫，Tan Kok Kiong教授是新加坡國立大學電力與計算機工程系智慧型控制中心主任，其研究團隊在國際精密運動控制技術領域享有很高的聲譽。

《精密運動控制:設計與實現(原書第2版)》不但介紹了精密運動控制的基本原理，而且就實現精密運動控制的各環節進行了詳細的描述，特別是每一章都相應地給出了試驗結果，對實際套用精密運動控制技術的人來說是很有幫助的。《精密運動控制:設計與實現(原書第2版)》內容涉及精密運動控制裝置、各種控制方案、光學測量方法和誤差補償原理，為了得到精確的測量結果，還專門介紹了機械控制系統的穩定性和靜定問題，以及現場匯流排通信技術問題。

《精密運動控制:設計與實現(原書第2版)》適合從事機械、電氣、測量儀表和自動化領域的研究人員和技術人員閱讀參考，也可作為相關專業的本科生和研究生的課外參考書。

前言

20世紀以來，精密製造業從研究、開發和套用到產品創新方面一直保持穩步發展的勢頭，並引起了廣泛關注。這種發展的動力似乎來自於以下要求：越來越高的產品性能、更高的可靠性、使用壽命長、低成本和小型化。這種發展也廣泛稱為精密工程，精密工程如今通常被定義為公差小於100000：1的加工製造。

可以說精密工程的歷史源於鐘錶領域，涉及計時器、鐘錶和光學儀器的開發，如反光鏡、望遠鏡和顯微鏡鏡頭製造。在19世紀末和20世紀初，促進精密工具機和精密儀器發展的主要技術是量規製造刻度、刻線和光譜衍射光柵。現在，計算機控制下超精密工具機可以確定相對於工件的定位，其解析度和定位精度小於微米。必須指出，可實現的“加工”準確性不僅包括使用工具機加工和研磨技術，而且還包括使用能量束加工，如等離子束和電子束加工，以及表面測量的掃描探針系統與取放類操作。

進入21世紀，超精密製造保持持續的發展速度，進入了納米級尺度系統（納米技術）。不斷增加的積體電路封裝密度和半導體最小特徵尺寸的持續突破加快了超精密工程發展的步伐。新興技術如微電子機械系統（MEMS），在歐洲也稱為微系統技術（MST），進一步擴展了機電部件一體化和小型化的範圍。

本書是重大項目“開發先進高速超精密機器人”的成果和論文的彙編，重點是實現精密運動定位系統的套用技術。對這一重點全面和徹底的論述適合從研究者到從業人員等的廣大讀者群，本書提供的技術內容都經過詳細的試驗驗證。

本書首先介紹了精密工程，並對其發展過程和套用提供了簡要的概括。第2章介紹了實現運動系統的高精度運動控制的控制系統技術，提出了可以讓跟蹤精度性能更高的智慧型控制方案。這些控制方案根據現有的有效信息和操作性質，套用了先進控制理論和人工智慧的不同組合。這些方案包括自適應控制、線性和非線性控制元件的複合控制方案、自適應波紋補償方案、干擾觀測和補償方案，以及學習控制策略。提供適當試驗結果來比較和核查標準控制器性能及其可實現的改進，清楚論述了使用高等級加速度計直接測量加速度，增加狀態反饋可提高實現的跟蹤性能。同時本書介紹的技術和器件非常通用，可供廣大研究者和從業人員參考。

第3章介紹了基於閉環誘發持續小幅振盪的繼電反饋配置和技術，適合為運動系統建立標稱模型。這樣，第2章提出的控制系統可以自動整定和運行，並仍可以達到令人滿意的性能。第3章給出了基本配置的多種變化，以方便利用摩擦效應進行自動建模。這些模型可以用於運行前饋和反饋控制器，對自適應控制初始化也有用處。第3章還提供了從嘈雜的繼電器振盪中提取最優特徵的方案。

第4章給出了一個精密笛卡兒機器人系統的通用配置——移動龍門台，這是晶片步進機和高解析度裝配機經常採用的配置。除了個別伺服跟蹤要求外，有必要使並行伺服系統串聯運動，以降低軸間的偏差。第4章中給出了不同的控制配置，並比較了它們的性能，這些配置包括了現有的工業控制系統套用及最近發展的控制方案。

第5章介紹了幾何誤差校正和補償問題的綜合處理方法，系統論述了：幾何誤差的來源、測量用的校準設備、控制系統原始數據處理和對最終補償的建模。第5章也包括幾何校正和補償的最新進展和更新，介紹了幾何誤差建模使用的人工智慧（AI）方法。該章還介紹了可行機率方法，用來減少隨機誤差對系統誤差補償產生的不利影響。

第6章明確地討論了測量系統。精密運動控制只有靠精密運動的測量才能實現。編碼器插補是一種有效控制成本的方式，用來獲得良好的位置測量解析度。這種技術糾正了編碼器信號的缺點，並能從糾正信號中獲得更高的解析度，實現了控制系統對輸入信號高解析度的要求。

第7章涉及振動監測與控制的話題，並提出了三種辦法。第一個方法的重點是放在正確的機械設計上，基於機械結構的確定性將機械振動減少到最低限度。第二種方法是基於陷波器及其套用，陷波器作為控制系統的一部分，用來抑制可能激發不良機械共振的頻率。用一種基於快速傅立葉變換（FFT）的自適應技術跟蹤共振頻率，並相應地修改了濾波器。第三種方法使用了感測器融合技術，來監測和分析精密機械振動。DSP器件用來獲取在正常運轉情況下的機械振動特徵。當機器偏離正常運轉狀況時，該設備可以檢測到異常，並啟動適當的故障診斷和維修措施。

第8章對高精密運動控制系統的其他重要的工程方面進行了討論。這些方面包括組件選擇後的考慮、硬體結構、軟體開發平台、用戶界面設計和評估測試，這些是確定高精密運動控制系統和數字通信協定最終成功與否的關鍵。本書主要在控制工程和軟體計算範疇內，提供了更廣泛和更新穎的精密運動控制方法和算法。

目錄

目錄

譯叢序言

譯者序

前言

第1章 引言

1.1 需要精密控制的領域

1.1.1 精密工程

1.1.2 微製造

1.1.3 生物技術

1.1.4 納米技術

1.2 精密機械和工具

1.3 精密運動控制系統的套用

1.4 本書的範圍

第2章 精密跟蹤運動控制

2.1 壓電驅動器

2.1.1 壓電驅動器配置的類型

2.1.2 數學模型

2.1.3 自適應控制

2.2 永磁直線電動機（PMLM）

2.2.1 PMLM的類型

2.2.2 數學模型

2.2.3 力的波動

2.2.4 摩擦

2.2.5 複合控制

2.2.6 加速度控制增強

2.2.7 波動補償

2.2.8 干擾觀測及消除

2.2.9 魯棒自適應控制

2.2.1 0疊代學習控制

第3章 控制參數的自整定

3.1 繼電器自整定

3.1.1 延時繼電器

3.1.2 雙通道繼電器整定

3.2 摩擦建模使用繼電器反饋

3.2.1 摩擦辨識方法

3.2.2 模擬

3.2.3 自適應控制的初始化

3.3 繼電器振盪的最優特徵提取

3.4 試驗

第4章 龍門系統的協調運動控制

4.1 協調控制方案

4.1.1 經典主/從方法

4.1.2 設定點協調控制

4.1.3 整體協調控制

4.2 仿真研究

4.2.1 控制任務

4.2.2 結果

4.3 試驗

4.3.1 XY工作檯——配置Ⅰ

4.3.2 XY圖表——配置Ⅱ

4.4 自適應協調控制方案

4.4.1 龍門台的動態建模

4.4.2 基於模型的自適應控制設計

4.4.3 穩定性分析

4.4.4 軟體仿真

4.4.5 實施結果

第5章 幾何誤差補償

5.1 雷射測量系統概述

5.2 雷射測量系統的組件

5.2.1 雷射頭

5.2.2 干涉儀和反射器

5.2.3 測量接收機

5.2.4 測量與控制電子電路

5.3 雷射校準概述

5.3.1 線性測量

5.3.2 角度測量

5.3.3 直線度測量

5.3.4 垂直測量

5.4 使用水平敏感設備的滾動測量

5.5 精度評估

5.6 影響測量精度的因素

5.6.1 線性測量誤差

5.6.2 角測量誤差

5.6.3 直線度測量誤差

5.6.4 環境條件

5.7 總體誤差模型

5.8 幾何誤差的查表

5.9 幾何誤差的參數化模型

5.9.1 徑向基函式與誤差建模

5.9.2 參數誤差逼近

5.9.3 試驗

5.9.4 使用多層神經網路誤差建模

5.1 0隨機誤差的機械補償

5.1 0.1 機率方法

5.1 0.2 試驗

第6章 電子插值誤差

6.1 海德曼插值法

6.1.1 插值界

6.1.2 校準和補償

6.2 增強插值法

6.2.1 增強插值法的原理

6.2.2 構建一個查表

6.2.3 試驗

6.3 插值的參數模型

6.3.1 插值方法的原理

6.3.2 預補償階段

6.3.3 插值階段

6.3.4 試驗研究

第7章 振動監測與控制

7.1 機械設計中儘量減少振動

7.1.1 機械結構的穩定性和靜定性

7.1.2 二維結構

7.1.3 三維結構

7.2 自適應陷波器

7.2.1 快速傅立葉變換

7.2.2 模擬

7.2.3 試驗

7.3 實時振動分析儀

7.3.1 學習模式

7.3.2 監測模式

7.3.3 診斷模式

7.3.4 試驗

7.3.5 遠程監控

7.3.6 實現

第8章 其他工程方面

8.1 規格

8.2 選擇電動機和驅動器

8.3 選擇光學編碼器

8.4 控制平台

8.4.1 硬體結構

8.4.2 軟體開發平台

8.4.3 用戶界面

8.5 精度測量

8.6 數字通信協定

8.6.1 現場匯流排協定棧

8.6.2 常見的現場匯流排

附錄雷射校準光學儀器、附屬檔案和配置

參考文獻