《精密运动控制:设计与实现(原书第2版)》内容简介：原书由新加坡国立大学Tan Kok Kiong、Lee Tong Heng、Huang Sunan编写，Tan Kok Kiong教授是新加坡国立大学电力与计算机工程系智慧型控制中心主任，其研究团队在国际精密运动控制技术领域享有很高的声誉。

《精密运动控制:设计与实现(原书第2版)》不但介绍了精密运动控制的基本原理，而且就实现精密运动控制的各环节进行了详细的描述，特别是每一章都相应地给出了试验结果，对实际套用精密运动控制技术的人来说是很有帮助的。《精密运动控制:设计与实现(原书第2版)》内容涉及精密运动控制装置、各种控制方案、光学测量方法和误差补偿原理，为了得到精确的测量结果，还专门介绍了机械控制系统的稳定性和静定问题，以及现场汇流排通信技术问题。

《精密运动控制:设计与实现(原书第2版)》适合从事机械、电气、测量仪表和自动化领域的研究人员和技术人员阅读参考，也可作为相关专业的本科生和研究生的课外参考书。

20世纪以来，精密製造业从研究、开发和套用到产品创新方面一直保持稳步发展的势头，并引起了广泛关注。这种发展的动力似乎来自于以下要求：越来越高的产品性能、更高的可靠性、使用寿命长、低成本和小型化。这种发展也广泛称为精密工程，精密工程如今通常被定义为公差小于100000：1的加工製造。

可以说精密工程的历史源于钟錶领域，涉及计时器、钟錶和光学仪器的开发，如反光镜、望远镜和显微镜镜头製造。在19世纪末和20世纪初，促进精密工具机和精密仪器发展的主要技术是量规製造刻度、刻线和光谱衍射光栅。现在，计算机控制下超精密工具机可以确定相对于工件的定位，其解析度和定位精度小于微米。必须指出，可实现的“加工”準确性不仅包括使用工具机加工和研磨技术，而且还包括使用能量束加工，如等离子束和电子束加工，以及表面测量的扫描探针系统与取放类操作。

进入21世纪，超精密製造保持持续的发展速度，进入了纳米级尺度系统（纳米技术）。不断增加的积体电路封装密度和半导体最小特徵尺寸的持续突破加快了超精密工程发展的步伐。新兴技术如微电子机械系统（MEMS），在欧洲也称为微系统技术（MST），进一步扩展了机电部件一体化和小型化的範围。

本书是重大项目“开发先进高速超精密机器人”的成果和论文的彙编，重点是实现精密运动定位系统的套用技术。对这一重点全面和彻底的论述适合从研究者到从业人员等的广大读者群，本书提供的技术内容都经过详细的试验验证。

本书首先介绍了精密工程，并对其发展过程和套用提供了简要的概括。第2章介绍了实现运动系统的高精度运动控制的控制系统技术，提出了可以让跟蹤精度性能更高的智慧型控制方案。这些控制方案根据现有的有效信息和操作性质，套用了先进控制理论和人工智慧的不同组合。这些方案包括自适应控制、线性和非线性控制元件的複合控制方案、自适应波纹补偿方案、干扰观测和补偿方案，以及学习控制策略。提供适当试验结果来比较和核查标準控制器性能及其可实现的改进，清楚论述了使用高等级加速度计直接测量加速度，增加状态反馈可提高实现的跟蹤性能。同时本书介绍的技术和器件非常通用，可供广大研究者和从业人员参考。

第3章介绍了基于闭环诱发持续小幅振荡的继电反馈配置和技术，适合为运动系统建立标称模型。这样，第2章提出的控制系统可以自动整定和运行，并仍可以达到令人满意的性能。第3章给出了基本配置的多种变化，以方便利用摩擦效应进行自动建模。这些模型可以用于运行前馈和反馈控制器，对自适应控制初始化也有用处。第3章还提供了从嘈杂的继电器振荡中提取最优特徵的方案。

第4章给出了一个精密笛卡儿机器人系统的通用配置——移动龙门台，这是晶片步进机和高解析度装配机经常採用的配置。除了个别伺服跟蹤要求外，有必要使并行伺服系统串联运动，以降低轴间的偏差。第4章中给出了不同的控制配置，并比较了它们的性能，这些配置包括了现有的工业控制系统套用及最近发展的控制方案。

第5章介绍了几何误差校正和补偿问题的综合处理方法，系统论述了：几何误差的来源、测量用的校準设备、控制系统原始数据处理和对最终补偿的建模。第5章也包括几何校正和补偿的最新进展和更新，介绍了几何误差建模使用的人工智慧（AI）方法。该章还介绍了可行机率方法，用来减少随机误差对系统误差补偿产生的不利影响。

第6章明确地讨论了测量系统。精密运动控制只有靠精密运动的测量才能实现。编码器插补是一种有效控制成本的方式，用来获得良好的位置测量解析度。这种技术纠正了编码器信号的缺点，并能从纠正信号中获得更高的解析度，实现了控制系统对输入信号高解析度的要求。

第7章涉及振动监测与控制的话题，并提出了三种办法。第一个方法的重点是放在正确的机械设计上，基于机械结构的确定性将机械振动减少到最低限度。第二种方法是基于陷波器及其套用，陷波器作为控制系统的一部分，用来抑制可能激发不良机械共振的频率。用一种基于快速傅立叶变换（FFT）的自适应技术跟蹤共振频率，并相应地修改了滤波器。第三种方法使用了感测器融合技术，来监测和分析精密机械振动。DSP器件用来获取在正常运转情况下的机械振动特徵。当机器偏离正常运转状况时，该设备可以检测到异常，并启动适当的故障诊断和维修措施。

第8章对高精密运动控制系统的其他重要的工程方面进行了讨论。这些方面包括组件选择后的考虑、硬体结构、软体开发平台、用户界面设计和评估测试，这些是确定高精密运动控制系统和数字通信协定最终成功与否的关键。本书主要在控制工程和软体计算範畴内，提供了更广泛和更新颖的精密运动控制方法和算法。

目录

译丛序言

译者序

前言

第1章 引言

1.1 需要精密控制的领域

1.1.1 精密工程

1.1.2 微製造

1.1.3 生物技术

1.1.4 纳米技术

1.2 精密机械和工具

1.3 精密运动控制系统的套用

1.4 本书的範围

第2章 精密跟蹤运动控制

2.1 压电驱动器

2.1.1 压电驱动器配置的类型

2.1.2 数学模型

2.1.3 自适应控制

2.2 永磁直线电动机（PMLM）

2.2.1 PMLM的类型

2.2.2 数学模型

2.2.3 力的波动

2.2.4 摩擦

2.2.5 複合控制

2.2.6 加速度控制增强

2.2.7 波动补偿

2.2.8 干扰观测及消除

2.2.9 鲁棒自适应控制

2.2.1 0叠代学习控制

第3章 控制参数的自整定

3.1 继电器自整定

3.1.1 延时继电器

3.1.2 双通道继电器整定

3.2 摩擦建模使用继电器反馈

3.2.1 摩擦辨识方法

3.2.2 模拟

3.2.3 自适应控制的初始化

3.3 继电器振荡的最优特徵提取

3.4 试验

第4章 龙门系统的协调运动控制

4.1 协调控制方案

4.1.1 经典主/从方法

4.1.2 设定点协调控制

4.1.3 整体协调控制

4.2 仿真研究

4.2.1 控制任务

4.2.2 结果

4.3 试验

4.3.1 XY工作檯——配置Ⅰ

4.3.2 XY图表——配置Ⅱ

4.4 自适应协调控制方案

4.4.1 龙门台的动态建模

4.4.2 基于模型的自适应控制设计

4.4.3 稳定性分析

4.4.4 软体仿真

4.4.5 实施结果

第5章 几何误差补偿

5.1 雷射测量系统概述

5.2 雷射测量系统的组件

5.2.1 雷射头

5.2.2 干涉仪和反射器

5.2.3 测量接收机

5.2.4 测量与控制电子电路

5.3 雷射校準概述

5.3.1 线性测量

5.3.2 角度测量

5.3.3 直线度测量

5.3.4 垂直测量

5.4 使用水平敏感设备的滚动测量

5.5 精度评估

5.6 影响测量精度的因素

5.6.1 线性测量误差

5.6.2 角测量误差

5.6.3 直线度测量误差

5.6.4 环境条件

5.7 总体误差模型

5.8 几何误差的查表

5.9 几何误差的参数化模型

5.9.1 径向基函式与误差建模

5.9.2 参数误差逼近

5.9.3 试验

5.9.4 使用多层神经网路误差建模

5.1 0随机误差的机械补偿

5.1 0.1 机率方法

5.1 0.2 试验

第6章 电子插值误差

6.1 海德曼插值法

6.1.1 插值界

6.1.2 校準和补偿

6.2 增强插值法

6.2.1 增强插值法的原理

6.2.2 构建一个查表

6.2.3 试验

6.3 插值的参数模型

6.3.1 插值方法的原理

6.3.2 预补偿阶段

6.3.3 插值阶段

6.3.4 试验研究

第7章 振动监测与控制

7.1 机械设计中儘量减少振动

7.1.1 机械结构的稳定性和静定性

7.1.2 二维结构

7.1.3 三维结构

7.2 自适应陷波器

7.2.1 快速傅立叶变换

7.2.2 模拟

7.2.3 试验

7.3 实时振动分析仪

7.3.1 学习模式

7.3.2 监测模式

7.3.3 诊断模式

7.3.4 试验

7.3.5 远程监控

7.3.6 实现

第8章 其他工程方面

8.1 规格

8.2 选择电动机和驱动器

8.3 选择光学编码器

8.4 控制平台

8.4.1 硬体结构

8.4.2 软体开发平台

8.4.3 用户界面

8.5 精度测量

8.6 数字通信协定

8.6.1 现场汇流排协定栈

8.6.2 常见的现场汇流排

附录雷射校準光学仪器、附属档案和配置

参考文献