机器人系统输出反馈控制

本书系统地介绍了广义机器人系统的几种先进控制方法，是著者科研团队（包括国内外同行）近年来从事科研工作的最新成果。本书分别以悬架、轮式移动机器人、单摆等广义机器人系统为例。阐述了基于高增益观测器的输出反馈控制器的设计方法、理论和仿真实验。本书共8章，介绍了控制器设计方法的研究背景、存在的问题，并介绍了广义机器人系统的动力学模型和状态空间表达式的建立，以及具有状态时滞、驱动器时滞、传感器时滞的非线性系统关于输出反馈控制等多种控制技术的设计方法，每种方法都给出了理论推导和仿真实验。
本书内容新颖。前后具有内在联系，且所介绍的控制方法较为先进，适合从事控制理论与应用、自动化控制、计算机控制等领城研究工作的学者、技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业人员的教学、科研参考书。

雷靖，2010年毕业于中国海洋大学，获得计算机控制与仿真方向的工学博士。毕业后任职于云南民族大学讲师、副教授、硕士研究生导师；2013年9月至2017年7月在美国密歇根州立大学与H.K. Khalil教授合作研究；2017年7月至今为泰山学院数学与统计学院教授。主要研究方向为时滞、非线性系统控制理论与应用。主持完成国家自然科学基金（61364012）、国家公派专项出国留学项目（201208535084、202008370103）、国家教育部协同育人项目4项、山东省自然科学基金（ZR2019MF052）和云南省自然科学基金（2011FZ169）、厅级项目5项。

本书按照新形态立体化教材方式编写，配有微课视频等立体化资源，有在线慕课。

从世界上第一台遥控机械手诞生至今已有70多年。随着计算机、自动控制理论与技术的发展和各行各业的需要，机器人从可编程示教型发展到自主控制型，又发展到现在的智能型。作为机器人的核心部分，机器人控制器在机器人的发展中起到了关键性的作用。目前，人工智能、计算机、传感器以及其他相关学科的快速进步促使机器人研究的水平逐渐提高，人们对机器人控制技术的要求也逐渐提高，因此，传统机器人控制方法存在的问题亟待改善和替代，如传统机器人控制方法较为单一，不适应网络化机器人的工况以及缺少对网络环境因素的考虑和处理。

本书与已出版的关于机器人书籍的专业研究角度有所不同，本书所研究的机器人工作环境增添了对网络化影响因素的分析，并根据最新的研究成果总结出适合于网络工况和影响因素的先进机器人控制方法。本书专注于对广义机器人系统中高增益观测器的设计和输出反馈控制方法的介绍，如无源控制、扩展高增益观测器设计、驱动器等带有时滞的输出反馈控制器设计等，这些方法和技术是近年先进、前沿和研究深入的理论成果，因此，本书的出版是一项有意义的工作。

本书包括以下具体研究内容。

（1） 使用基于内模的最优减振控制策略来解决具有作动器时滞的线性汽车悬架的减振控制问题。

（2） 解决在参考输入下具有多时滞系统的非线性最优振动控制问题，包括控制时滞、状态时滞、输出时滞和测量时滞，并且利用四分之一汽车悬架模型进行仿真验证。

（3） 针对汽车悬架模型设计区域输入—状态稳定和指数稳定的输出反馈控制器的方法。

（4） 解决具有控制时滞的线性轮式移动机器人系统的建模与跟踪控制问题。

（5） 解决具有控制时滞的非线性轮式移动机器人的跟踪控制器设计问题。

（6） 提出一种用于具有传感器时滞和控制时滞的非线性轮式移动机器人运动模型的非线性控制器设计方法。

（7） 运用无源性和严正实理论，为具有非线性输出的系统设计了高增益观测器及输出反馈控制器。

本书具有内容新颖、方法先进以及将系统性与前沿性相结合等特点。语言叙述通俗易懂，编写形式具有内在联系，便于读者独立思考和理解；理论与仿真实验相结合，有利于研究型和应用型读者的参考与使用。

本书的研究工作受到了国家自然科学基金（No. 61364012）、山东省自然科学基金（No. ZR2019MF052）和泰山学院学术著作出版基金的资助。在此由衷地感谢基金评审专家和工作人员对课题组研究工作的信任，感谢课题组成员多年坚持不懈的努力，感谢为此研究提供了无私帮助的国内外同事，感谢清华大学出版社为此书的编辑和出版提供了巨大的支持。

由于著者水平有限，书中难免存有纰漏之处，敬请读者提出宝贵意见。

著者

2023年2月

第1章 具有作动器时滞的线性汽车悬架系统基于内模的最优减振控制
1.1 最优减振控制问题的形成
1.1.1 汽车悬架系统建模
1.1.2 随机路面扰动分析
1.1.3 最优减振控制问题的形成
1.2 最优减振控制律
1.3 仿真实验
1.4 小结
第2章 多时滞系统非线性最优内模控制及其在汽车悬架的应用
2.1 问题形成
2.1.1 系统描述
2.1.2 内模构造
2.1.3 问题描述
2.2 非线性内模控制器设计
2.3 汽车悬架中的应用
2.3.1 系统描述
2.3.2 路面扰动
2.3.3 控制器设计
2.3.4 仿真实验
2.4 小结
第3章 基于扩展高增益观测器的主动悬架输出反馈控制
3.1 系统建模
3.2 控制器设计
3.2.1 状态反馈控制
3.2.2 输出反馈下的RISS
3.3 小结
第4章 具有控制时滞的轮式移动机器人系统建模与最优跟踪控制
4.1 状态空间表达式
4.1.1 WMR系统
4.1.2 跟踪误差系统
4.2 最优跟踪控制器设计
4.3 仿真实验
4.4 小结
第5章 具有控制时滞的轮式移动机器人系统反馈线性化跟踪预测控制
5.1 状态空间表达式建模
5.1.1 目标路径
5.1.2 跟踪误差系统
5.2 非线性预测跟踪控制
5.3 仿真实验
5.4 小结
第6章 具有传感器时滞和控制时滞的轮式移动机器人系统预测跟踪控制
6.1 状态空间表达式建模
6.1.1 目标路径
6.1.2 跟踪误差系统
6.2 预测跟踪控制器设计
6.3 仿真实验
6.4 小结
第7章 非线性输出系统基于无源性的高增益观测器输出反馈控制
7.1 系统描述
7.2 估计误差
7.2.1 尺度估计误差系统
7.2.2 估计误差的毕竟有界性和指数稳定性
7.2.3 无源性和严正实条件
7.3 输出反馈的性能恢复性
7.4 仿真实验
7.4.1 状态反馈
7.4.2 非线性测量
7.4.3 估计误差的吸引域
7.4.4 高增益观测器输出反馈
7.5 使用引理7-5和引理7-6的比较
7.6 小结
第8章 结论
参考文献