本书系统地介绍了机械手控制的几种先进设计方法,是作者多年来从事机器人控制系统教学和科研工作的结晶,同时融入了国内外同行近年来所取得的最新成果。

本书主要以机械手的控制为论述对象,共包括16章内容,分别介绍PID 控制、神经网络自适应控制、模糊自适应控制、迭代学习控制、反演控制、滑模控制、自适应鲁棒控制、末端轨迹及力的连续切换滑模控制、重复控制的基本原理及设计、机械手容错控制、基于事件驱动的机械手反演控制、基于输入延迟的机械手控制、基于执行器量化的控制、基于控制方向未知的控制和多智能体系统一致性控制的设计与分析。每种方法都给出了算法推导、实例分析和相应的MATLAB仿真设计程序。

本书各部分内容既相互联系又相互独立,读者可根据自己的需要选择学习。本书适合从事生产过程自动化、计算机应用、机械电子和电气自动化领域工作的工程技术人员阅读,也可作为高等院校工业自动化、自动控制、机械电子、自动化仪表、计算机应用等专业的教学参考书。

刘金琨  北京航空航天大学教授，博士生导师。分别于1989年7月、1994年3月和1997年3月获东北大学工学学士、工学硕士和工学博士学位。1997年3月─1998年12月在浙江大学工业控制技术研究所做博士后研究工作；1999年1月─1999年7月在香港科技大学从事合作研究；1999年11月至今在北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院从事教学与科研工作，主讲“智能控制”“先进控制系统设计”“系统辨识”等课程，主要研究方向为控制理论与应用。先后主持国家自然科学基金等科研项目10余项，发表学术论文100余篇，出版《先进PID控制MATLAB仿真》《滑模变结构控制MATLAB仿真》《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真》《RBF神经网络自适应控制MATLAB仿真》《系统辨识》和《智能控制——理论基础、算法设计与应用》等著作。

本书主要以机械手为被控对象，系统地论述了机器人控制系统设计的基本设计方法，包括先进PD控制、神经网络自适应控制、模糊自适应控制、迭代学习控制、反演控制、滑模控制、自适应鲁棒控制、末端轨迹及力的连续切换滑膜控制、重复控制、传感器和执行器容错控制、事件驱动控制、输入延迟控制、执行器量化控制、控制方向未知的控制和多智能体系统一致性控制的设计与分析。每种方法都给出了算法推导、实例分析和相应的MATLAB设计仿真程序。本书特点如下：

（1） 机器人控制系统的控制算法重点在于基础理论分析，针对机械手基本控制算法进行了深入剖析。

（2） 所有控制算法均给出了完整的MATLAB仿真程序，也给出了程序的说明和仿真结果，具有很强的可读性。

（3） 从应用的角度出发，理论联系实际，面向广大科研与工程技术人员，具有很高的工程实用价值。

（4） 控制算法及应用实例的程序结构设计简单明了，便于读者学习和二次开发。

第1章绪论

1.1机器人控制方法简介

1.1.1机器人常用的控制方法

1.1.2不确定机器人系统的控制

1.2机器人动力学模型及其结构特性

1.3基于S函数的Simulink仿真

1.3.1S函数简介

1.3.2S函数使用步骤

1.3.3S函数的基本功能及重要参数设定

1.3.4S函数描述实例

第2章机械手PD控制

2.1机械手独立PD控制

2.1.1控制律的设计

2.1.2收敛性分析

2.1.3仿真实例

2.2基于重力补偿的机械手PD控制

2.2.1控制律的设计

2.2.2控制律分析

2.3基于模型补偿的机械手PD控制

2.3.1系统描述

2.3.2控制器的设计

2.3.3仿真实例

参考文献

第3章机械手神经网络自适应控制

3.1一种简单的RBF网络自适应滑模控制

3.1.1问题描述

3.1.2RBF网络原理

3.1.3控制算法设计与分析

3.1.4仿真实例

3.2基于RBF网络逼近的机械手自适应控制

3.2.1问题的提出

3.2.2基于RBF网络逼近的控制器

3.2.3针对f(x)中各项分别进行神经网络逼近

3.2.4仿真实例

参考文献

第4章机械手模糊自适应控制

4.1单力臂机械手直接自适应模糊控制

4.1.1问题描述

4.1.2模糊控制器的设计

4.1.3自适应律的设计

4.1.4仿真实例

4.2单力臂机械手间接自适应模糊控制

4.2.1问题描述

4.2.2自适应模糊滑模控制器的设计

4.2.3稳定性分析

4.2.4仿真实例

4.3单级倒立摆的监督模糊控制

4.3.1模糊系统的设计

4.3.2模糊监督控制器的设计

4.3.3稳定性分析

4.3.4仿真实例

4.4基于模糊补偿的机械手自适应模糊控制

4.4.1系统描述

4.4.2基于传统模糊补偿的控制

4.4.3基于模型信息已知的模糊补偿控制

4.4.4仿真实例

4.5基于线性矩阵不等式的单级倒立摆TS模糊控制

4.5.1基于LMI的TS型模糊系统控制器的设计

4.5.2LMI不等式的设计及分析

4.5.3不等式的转换 

4.5.4LMI设计实例说明

4.5.5单级倒立摆的TS模型模糊控制

参考文献

第5章机械手迭代学习控制

5.1迭代学习控制的数学基础

5.1.1矩阵的迹及初等性质

5.1.2向量范数和矩阵范数

5.2迭代学习控制方法介绍

5.2.1迭代学习控制基本原理

5.2.2基本的迭代学习控制算法

5.2.3迭代学习控制主要分析方法

5.2.4迭代学习控制的关键技术

5.3机械手轨迹跟踪迭代学习控制仿真实例

5.3.1控制器的设计

5.3.2仿真实例

5.4线性时变连续系统迭代学习控制

5.4.1系统描述

5.4.2控制器设计及收敛性分析

5.4.3仿真实例

5.5任意初始状态下的迭代学习控制

5.5.1问题的提出

5.5.2控制器的设计

5.5.3仿真实例

参考文献

第6章机械手反演控制

6.1简单反演控制器的设计

6.1.1基本原理

6.1.2仿真实例

6.2单关节机械手的反演控制

6.2.1系统描述

6.2.2反演控制器的设计

6.2.3仿真实例

6.3双耦合电机的反演控制

6.3.1系统描述

6.3.2反演控制器的设计

6.3.3仿真实例

参考文献

第7章机械手滑模控制

7.1机械手动力学模型及特性

7.2基于计算力矩法的滑模控制

7.2.1系统描述

7.2.2控制律的设计

7.2.3仿真实例

7.3基于输入输出稳定性理论的滑模控制

7.3.1系统描述

7.3.2控制律的设计

7.3.3仿真实例

7.4基于LMI的指数收敛非线性干扰观测器的控制

7.4.1非线性干扰观测器的问题描述

7.4.2非线性干扰观测器的设计

7.4.3LMI不等式的求解

7.4.4计算力矩法的滑模控制

7.4.5仿真实例

7.5欠驱动两杆机械臂Pendubot滑模控制

7.5.1Pendubot控制问题

7.5.2Pendubot机械臂建模

7.5.3Pendubot动力学模型

7.5.4Pendubot模型的分析

7.5.5滑模控制律的设计

7.5.6闭环稳定性分析

7.5.7基于Hurwitz的参数设计

7.5.8仿真实例

参考文献

第8章机械手自适应鲁棒控制

8.1单力臂机械系统的鲁棒自适应控制

8.1.1问题描述

8.1.2鲁棒模型参考自适应控制

8.1.3仿真实例

8.2二级倒立摆的H∞鲁棒控制

8.2.1系统的描述

8.2.2基于LMI的控制律的设计

8.2.3二级倒立摆系统的描述

8.2.4仿真实例

参考文献

第9章机械手末端轨迹及力的连续切换滑模控制

9.1基于双曲正切函数切换的滑模控制

9.1.1双曲正切函数的特性

9.1.2仿真实例

9.1.3基于双曲正切函数的滑模控制

9.1.4仿真实例

9.2基于位置动力学模型的机械手末端轨迹滑模控制

9.2.1工作空间直角坐标与关节角位置的转换

9.2.2机械手在工作空间的建模

9.2.3滑模控制器的设计

9.2.4仿真实例

9.3基于角度动力学模型的机械手末端轨迹滑模控制

9.3.1机械手在工作空间的建模

9.3.2工作空间直角坐标与关节角位置的转换

9.3.3滑模控制器的设计

9.3.4仿真实例

9.4工作空间中双关节机械手末端的阻抗滑模控制

9.4.1问题的提出

9.4.2阻抗模型的建立

9.4.3滑模控制器的设计

9.4.4仿真实例

9.4.5仿真中的代数环问题

9.5受约束条件下双关节机械手末端力及关节角度的滑模控制

9.5.1问题的提出

9.5.2模型的降阶

9.5.3控制律的设计

9.5.4稳定性分析

9.5.5仿真实例

参考文献

第10章重复控制的基本原理及设计方法

10.1重复控制的基本原理

10.1.1重复控制的理论基础

10.1.2基本的重复控制系统结构

10.1.3基本重复控制系统稳定性分析

10.1.4仿真实例

10.2一种具有多路周期指令信号的数字重复控制

10.2.1系统的结构

10.2.2控制器的设计方法

10.2.3仿真实例

参考文献

第11章机械手容错控制

11.1执行器容错的输入受限控制

11.1.1系统描述

11.1.2控制器的设计及分析

11.1.3仿真实例

11.2传感器和执行器同时容错的反演自适应控制

11.2.1系统描述

11.2.2控制器的设计与分析

11.2.3仿真实例

11.3传感器和执行器同时容错的RBF网络输入受限控制

11.3.1系统描述

11.3.2RBF神经网络逼近

11.3.3控制器的设计及分析

11.3.4仿真实例

参考文献

第12章基于事件驱动的机械手反演控制

12.1基于固定阈值的事件驱动反演控制

12.1.1基本原理

12.1.2控制器的设计与分析 

12.1.3时间驱动有限次触发分析

12.1.4仿真实例

12.2基于时变阈值的事件驱动反演控制

12.2.1基本原理

12.2.2控制器的设计与分析

12.2.3仿真实例

参考文献

第13章基于输入延迟的机械手控制

13.1带有输入延迟的输入受限控制

13.1.1系统描述

13.1.2控制器的设计与分析

13.1.3仿真实例

13.2基于干扰观测器且带有输入延迟的输入受限控制

13.2.1系统描述

13.2.2控制器的设计与分析

13.2.3仿真实例

13.3基于状态观测器的输入延迟控制

13.3.1系统描述

13.3.2控制器的设计与分析

13.3.3仿真实例

参考文献

第14章基于执行器量化的控制

14.1基于执行器容错的控制输入量化控制

14.1.1系统描述

14.1.2量化控制器的设计与分析

14.1.3仿真实例

14.2基于状态观测器的输入量化反馈控制

14.2.1系统描述

14.2.2控制器的设计与分析

14.2.3仿真实例

14.3基于状态观测器的输入输出量化反馈控制

14.3.1系统描述

14.3.2控制器的设计与分析

14.3.3仿真实例

参考文献

第15章基于控制方向未知的控制

15.1基本知识

15.2基于控制方向未知的状态跟踪

15.2.1系统描述

15.2.2控制律的设计

15.2.3仿真实例

15.3控制方向未知的反演控制

15.3.1系统描述

15.3.2控制律的设计及分析

15.3.3仿真实例

15.4控制方向未知的自适应反演控制

15.4.1系统描述

15.4.2控制律的设计与分析

15.4.3仿真实例

参考文献

第16章多智能体系统一致性控制的设计与分析

16.1多智能体系统介绍

16.1.1多智能体系统特点

16.1.2多智能体系统应用领域

16.1.3多智能体系统在机器人控制中的应用

16.1.4多智能体控制展望

16.2一阶多智能体系统的一致性控制

16.2.1系统描述

16.2.2控制器的设计

16.2.3稳定性分析

16.2.4仿真实例

16.3非线性多智能体系统一致性控制

16.3.1问题描述

16.3.2控制器的设计与分析

16.3.3仿真实例

16.4线性多智能体系统一致性控制

16.4.1系统描述

16.4.2控制律的设计

16.4.3仿真实例

16.5基于RBF网络的多智能体系统一致性控制

16.5.1系统描述

16.5.2基于RBF网络逼近f(·)的滑模控制

16.5.3控制律的设计

16.5.4仿真实例

参考文献

有关机器人控制理论及其工程应用，近年来已有大量的论文发表。作者多年来一直从事控制理论及应用方面的教学和研究工作，为了促进机器人控制和自动化技术的进步，反映机器人控制设计与应用中的最新研究成果，并使广大研究人员和工程技术人员能了解、掌握和应用这一领域的最新技术，学会用MATLAB语言进行各种机器人控制算法的分析和设计，作者编写了本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。

书是在总结作者多年研究成果的基础上，进一步理论化、系统化、规范化、实用化而成的，特点如下： 

(1) 控制算法取材新颖，内容先进，重点置于学科交叉部分的前沿研究和介绍一些有潜力的新思想、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法。

(2) 针对每种控制算法给出了完整的MATLAB仿真程序，并给出了程序的说明和仿真结果，具有很强的可读性。

(3) 着重从应用角度出发，突出理论联系实际，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及结果分析，为读者提供了有益的借鉴。

(4) 所给出的各种控制算法完整，结构设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。

(5) 所介绍的方法不局限于机械手的控制，同时也适合解决运动控制领域其他背景的控制问题。

本书主要以机器人力臂为被控对象，此外，为了介绍一些新的运动控制方法，本书还以机械系统、电机、倒立摆为被控对象辅助说明。

本书是在原有《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真》基础上撰写而成的，并增加、修改和删除了部分内容。全书

共包括16章内容。第1章为绪论，介绍机器人的几种控制方法及模型特性； 第2章介绍机械手PD控制的几种基本设计方法，通过仿真和分析进行了说明； 第3章介绍机械手神经网络自适应控制的几种设计方法； 第4章介绍基于LMI的模糊鲁棒控制方法和几种机械手模糊自适应控制器的设计方法； 第5章介绍机械手迭代学习控制

设计方法； 第6章介绍机械手反演控制的设计方法； 第7章介绍机械手滑模控制基本设计方法； 第8章介绍机械手自适应鲁棒控制方法，包括鲁棒控制器和自适应控制器的设计； 第9章介绍机械手末端轨迹及力控制设计方法； 第10章介绍重复控制的基本原理及设计方法； 第11章介绍机械手容错控制器的设计和分析方法； 第12章介绍基于事件驱动的机械手反演控制设计方法； 第13章介绍在带有输入延迟的输入受限控制下的机械手控制器设计和分析方法； 第14章介绍基于随机量化的执行器量化控制器设计和分析方法； 第15章介绍基于控制方向未知的反演控制器设计和分析方法； 第16章介绍多智能体系统一致性控制的设计与分析。

本书介绍的控制方法有些选自高水平国际期刊中的经典控制方法，并对其中的一些算法进行了修正或补充。通过对一些典型控制器设计方法进行详细的理论分析和仿真分析，使一些深奥的控制理论易于掌握，为读者的深入研究打下基础。

本书是基于英文版MATLAB环境下开发(书中仿真图的图字均为英文)。书中各章节的内容具有很强的独立性，读者可以结合自己的方向深入地进行研究。

作者在研究过程中，东北大学徐心和教授和薛定宇教授在机器人控制及仿真等方面给予作者很多的指点，北京航空航天大学尔联洁教授在控制理论方面

给予作者多年的指导，在此深表感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在一些不足之处，真诚欢迎广大读者批评指正。

刘金琨2022年1月于北京航空航天大学

仿真程序使用说明

(1) 所有仿真算法程序按章归类，程序名与书中一一对应。

(2) 将下载的仿真程序复制到硬盘中MATLAB运行的路径中，便可仿真运行。

(3) 本书算法程序在当前MATLAB版本下运行成功，并适用于其他更高级版本。

(4) 程序下载： 到清华大学出版社网站（www.tup.tsinghua.edu.cn）本书页面下载。