智能控制基础（卢明明）

本书是“高等院校智能制造应用型人才培养系列教材”之一，全书共7章，内容涵盖控制系统建模的理论基础、控制系统的信号与性能分析基础、智能控制算法基础、机械臂的智能控制应用案例分析、AGV小车的智能应用案例分析、智能控制技术未来的发展等。本教材重点概述或阐述了智能控制相关的基础概念、发展历程和趋势，对智能控制的基础理论和关键技术进行了简明而生动的阐述、归纳与总结。本教材内容丰富，适合作为机械类（机械制造及其自动化、机械电子、机械设计、智能制造等）专业核心课程的教材，也可作为研究生的专业基础课程教材或相关工程技术人员的参考资料。

卢明明，长春工业大学教授。吉林省微纳与精密制造重点实验室骨干成员，中国机械工程学会特种加工分会理事，吉林省增材制造学会理事，吉林省拔尖创新人才，长春工业大学优秀青年学者。一直从事振动辅助切削、微纳与精密加工等方向的研究，目前为止主持国家自然科学基金项目1项，吉林省重点研发项目1项，吉林省自然科学基金主题科学家专项1项，青年基金1项。作为科研骨干参与国家自然科学基金项目4项、国家重点研发计划1项、省部级科研项目10余项。近五年，成果获吉林省科学技术奖技术发明类一等奖2 项、自然科学学术成果奖二等奖1项、发明专利授权11 件、发表SCI检索论文50余篇。在参与科研项目的过程中申请人对基于FTS的金刚石车削技术、精密CNC车床运动轴的误差动态补偿技术、三维椭圆振动辅助切削技术等方面进行了深入的研究，取得了阶段性理论研究成果和实用技术。主要讲授机械控制工程基础、液压与气压传动、难加工材料高效加工技术、智能制造导论等专业课程。

第1章　绪论 11.1 智能控制的起源 21.1.1 智能控制的提出 31.1.2 智能控制的概念 41.1.3 智能控制的发展 51.1.4 智能控制的特点 61.2 工业控制对智能控制技术的需求 61.3 智能控制技术要求与实施方案 71.4 智能控制的主要内容 91.4.1 控制系统建模与分析 91.4.2 智能控制算法基础 91.4.3 智能控制算法在工业控制中的应用 91.5 本章小结 10课后习题 10第2章 控制系统建模的理论基础 112.1 基本定义与概念 122.1.1 控制系统的基本控制方式 132.1.2 控制系统的类型 152.1.3 控制系统的性能要求 162.1.4 典型输入信号 172.2 控制系统的微分方程 192.2.1 列写微分方程的一般方法 192.2.2 线性系统的基本特性 212.2.3 线性微分方程的求解 212.3 拉氏变换及其应用 212.3.1 拉氏变换的定义 222.3.2 常见拉氏变换 222.3.3 拉氏变换定理 232.3.4 拉氏反变换 262.3.5 用拉氏变换求解微分方程 292.4 控制系统的传递函数 302.4.1 传递函数的定义 302.4.2 传递函数的性质和含义 312.4.3 典型环节的传递函数 322.5 控制系统的结构图与信号流图 372.5.1 系统结构图的组成和绘制 372.5.2 结构图的等效变换和简化 402.5.3 信号流图的组成及性质 422.5.4 信号流图的绘制 432.5.5 梅森增益公式 442.6 控制系统建模实例 462.7 本章小结 53课后习题 55第3章 控制系统的信号与性能分析基础 573.1 控制系统的信号分析基础 583.2 控制系统的时域分析 593.2.1 定义与概念 593.2.2 一阶时域系统分析 603.2.3 二阶时域系统分析 633.2.4 高阶时域系统分析 703.2.5 基于Matlab的机床多轴运动控制系统时域分析 733.3 控制系统的频域分析 743.3.1 定义与概念 743.3.2 开环辐相频率特性曲线（极坐标图）绘制 813.3.3 开环对数频率特性曲线（Bode图）绘制 863.3.4 基于Matlab的机床振动信号频域分析 933.3.5 闭环系统的频域分析 943.4 控制系统的稳定性分析与误差分析 963.4.1 控制系统的性能分析基础 963.4.2 控制系统的劳斯稳定判据 993.4.3 控制系统的奈奎斯特稳定判据 1053.4.4 控制系统的稳态误差分析 1153.4.5 控制系统稳定性分析实例 1243.5 本章小结 132课后习题 133第4章 智能控制算法基础 1384.1 PID控制 1394.2 模糊控制 1414.2.1 模糊控制原理 1414.2.2 模糊控制系统的工作原理 1444.2.3 模糊规则的描述 1454.3 神经网络控制 1484.3.1 神经网络控制的历史 1484.3.2 神经网络理论基础及原理 1494.3.3 神经网络的分类 1514.3.4 神经网络学习算法 1524.3.5 神经网络的特点 1544.3.6 典型神经网络 1554.4 仿生智能算法 1614.4.1 数学基础 1624.4.2 仿人智能算法 1664.4.3 仿动物群智能算法 1764.4.4 仿植物智能算法 1854.4.5 仿自然智能算法 1904.4.6 进化算法 2004.5 Hough变换与傅里叶变换 2084.5.1 变换思维意识概述 2084.5.2 Hough变换 2094.5.3 傅里叶变换 2174.6 PWM电机控制算法 2224.6.1 概述 2224.6.2 PWM控制的基本原理 2244.6.3 PWM逆变电路及其控制算法 2264.6.4 直流电机的PWM控制 2304.7 本章小结 234课后习题 236第5章 机械臂的智能控制应用案例分析 2375.1 机械臂控制器单元智能控制算法应用 2385.1.1 速度输入下的位置控制 2395.1.2 转矩输入下的位置控制 2415.2 机械臂末端图像处理单元智能控制算法应用 2455.2.1 图像处理 2455.2.2 位姿获取 2485.3 机械臂用伺服电机智能控制算法应用 2505.3.1 线性伺服系统理论 2505.3.2 稳定裕度与灵敏度 2525.3.3 基于位置的视觉伺服 2535.3.4 基于图像的视觉伺服 2555.3.5 复合视觉伺服 2565.4 机械臂整机简单智能控制算法应用 2575.4.1 机械臂独立PD控制 2575.4.2 基于模糊补偿的机械臂模糊自适应滑模控制 2595.5 本章小结 263课后习题 264第6章 AGV小车的智能应用案例分析 2656.1 AGV基本概述 2666.1.1 AGV的发展现状 2666.1.2 AGV的系统构成 2676.2 AGV控制器单元智能控制算法应用 2716.2.1 AGV动力电池控制单元 2716.2.2 AGV电机与电机控制单元 2746.3 ROS系统 2816.4 视觉导引的AGV智能控制 2826.5 AGV定位系统 2846.5.1 室内定位技术概述 2846.5.2 UWB定位技术的历史 2856.5.3 UWB技术优势 2856.6 本章小结 286课后习题 286第7章 未来与展望 2877.1 机遇与问题 2887.1.1 机遇 2887.1.2 问题 2887.2 智能控制技术目前的应用 2897.2.1 5G技术 2897.2.2 工业大数据技术 2927.3 展望 2937.4 本章小结 294附录 295附录1 295附录2 298附录3 299附录4 301附录5 302附录6 303参考文献 304

科技基础能力是国家综合科技实力的重要体现，是国家创新体系的重要基石，是实现高水平科技自立自强的战略支撑。党的二十大报告指出，要加强科技基础能力建设。制造业决定了一个国家的综合实力和国际竞争力，是我国经济命脉所系，是立国之本、强国之基。而在新一代科技革命和产业变革日新月异的大背景下，智能制造是我国制造业高质量发展并构建国际竞争新优势的主攻方向和坚实根基。智能控制是实现智能制造的核心技术，也是工业4.0的基础技术。通过智能控制，能够实现生产率、可靠性和能效性的全面均衡。对于大量智能制造领域的技术开发人员，重点需要掌握的，往往是智能控制的应用，这就需要具备相关的基础知识，知其然，亦可继而索之，知其所以然。基于此，本书从更便于自学的角度，力求按教学规律来阐述智能控制的基础知识。本书主要内容包括：智能控制的内涵，控制系统的建模、信号与性能分析，智能控制算法，智能控制的经典应用案例，智能控制的发展方向等。本书可作为普通高等学校机械、电气、自动化、计算机等专业本科生的专业核心课教材，也可供从事智能控制技术研究工作的科技人员参考。本书由卢明明、李明达、宋盾兰主编，陈逸达、齐升参编。分工如下：第1、3、5章由卢明明、陈逸达编写，第2章由宋盾兰、齐升编写，第4、7章由李明达、宋盾兰编写，第6章由李明达编写。在本书的编写过程中，编者参阅和引用了不少国内外的学术文献，已在书中的参考文献中列出，在此表示感谢！同时，侯彦斌、刘宇强、邱令伟、李昊、朱家鑫、崔航、郭洪鑫、王卓识、王铭等研究生做了大量的文字和图表的处理工作，特此表示感谢。智能控制技术作为智能制造的重点，涉及面广，书中难免存在不足之处，恳请读者给予批评指正，感激不尽！编者