机器人技术及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:电子工业出版社

作者:张福学

出品人:

页数:662

译者:

出版时间:2000-1

价格:88.00元

装帧:

isbn号码:9787505353961

丛书系列:

图书标签:

• 机器人技术
• 人工智能
• 自动化
• 工业机器人
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• 机械工程
• 电子工程
• 新兴技术
• 智能制造

机械之魂：工业自动化与智能控制系统的深度剖析 图书简介 《机械之魂：工业自动化与智能控制系统的深度剖析》 聚焦于现代工业生产的核心驱动力——自动化技术与复杂控制系统的设计、实现与优化。本书旨在为工业工程师、系统架构师、自动化专业学生以及对前沿制造技术抱有浓厚兴趣的读者，提供一套全面、深入且极具实操价值的理论框架和工程指南。 本书摒弃了对单一机器人硬件的罗列，转而将视野投向了构成现代智能工厂的宏大体系。我们将深入探讨的是如何让庞大的、异构的机械集群像一个有机的整体一样高效运转。 第一部分：工业控制系统的基础架构与演进 本部分首先为读者构建一个坚实的理论基础，理解工业控制系统的拓扑结构、通信协议与硬件选型。我们不会赘述通用传感器的工作原理，而是聚焦于它们在严苛工业环境下的可靠性设计与数据采集策略。 1.1 工业控制系统的层次化模型：从现场设备到企业资源规划（ERP） 详细阐述 ISA-95 模型的五层架构，重点剖析控制层（Level 1/2）与制造执行系统（MES，Level 3）之间的数据交互瓶颈与解决方案。我们将分析如何通过分布式控制系统（DCS） 和可编程逻辑控制器（PLC） 的协同工作，实现实时性与灵活性的平衡。 1.2 工业通信：实时性与确定性的保障 当前，工业网络已从传统的串行通信向高速、确定性的以太网迁移。本书将用大量篇幅对比分析 Profinet IRT、EtherCAT 和 Powerlink 等关键实时以太网协议的技术细节、帧结构、调度算法及其在不同运动控制场景下的适用性。我们探讨如何利用时间敏感网络（TSN）技术，在通用以太网基础设施上构建可预测的控制网络。 1.3 嵌入式系统在控制中的角色：边缘计算与数据预处理 现代控制系统要求在靠近现场的位置进行初步的数据处理和决策。本章将深入探讨基于 FPGA 和高性能微处理器（如ARM Cortex-R系列） 的实时嵌入式系统的设计要点，包括中断处理机制、实时操作系统（RTOS）的选择（如VxWorks, FreeRTOS）以及如何在资源受限的环境下实现高效的运动学解算与状态监测。 第二部分：先进过程控制（APC）与优化理论 本部分超越了基础的 PID 控制，转向了在复杂、多变量、强耦合系统中实现最优性能的方法论。 2.1 多变量控制与模型预测控制（MPC）的精髓 我们将详细介绍 MPC 的核心机制：基于系统动态模型的在线优化、滚动时域计算以及约束处理能力。通过具体的化工、冶金过程案例，演示如何构建精确的系统辨识模型（包括线性化模型和非线性模型），并利用二次规划（QP） 求解器实时计算控制律。本书特别强调了 MPC 在处理输入饱和和状态约束方面的优势。 2.2 鲁棒控制与自适应控制策略 在工业现场，系统参数和外部扰动往往难以精确建模。本章将讲解如何利用 $ ext{H}_infty$ 控制设计来保证系统在模型不确定性下的稳定性与性能。此外，对于参数随时间变化的系统，我们将深入探讨自整定 PID 与基于梯度下降的自适应控制算法，以确保控制回路的长期有效性。 2.3 过程数据挖掘与状态估计 通过分析传感器采集的海量数据，实现对不可直接测量变量（如反应器的转化率、机械部件的磨损程度）的准确估计至关重要。本部分详细阐述了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其扩展形式（EKF, UKF） 在噪声数据融合与状态估计中的应用，这对于实现真正的预测性维护至关重要。 第三部分：智能驱动与精密运动控制 本部分关注的是驱动技术如何从简单的开环或闭环转向高精度、高动态响应的智能驱动。 3.1 伺服驱动系统的动态特性与调谐 详细解析现代永磁同步电机（PMSM）的控制原理，包括磁场定向控制（FOC） 的数学基础和实现细节。我们侧重于讨论如何精确调谐速度环、位置环的参数，以及如何通过前馈控制和扰动观测器（DOD） 来抵消摩擦力、齿隙等非线性负载对控制精度的影响。 3.2 复杂运动轨迹规划与逆运动学求解 对于多轴联动系统（如龙门架、并联机构），轨迹规划是实现平滑、高效运动的关键。本章将对比分析点位控制、直线插补（DDA）和样条插值（如三次B样条） 的计算复杂度与平稳性。此外，我们将提供解析法和数值法的逆运动学求解范例，特别关注在奇异点附近如何保证解算稳定性。 3.3 视觉反馈与基于视觉的伺服（Vision-Based Servoing, VBS） 将视觉系统无缝集成到闭环控制中是实现高精度装配和跟踪的关键。本书将详细介绍基于图像特征的相对定位算法，并解释如何将视觉系统的输出（如特征点的位置误差）作为附加反馈信号输入到现有的控制回路中，实现亚像素级的跟踪和校正。 第四部分：系统集成、安全与未来趋势 本部分将视角提升到整个制造单元的层面，探讨可靠性、安全规范以及面向工业物联网（IIoT）的架构转型。 4.1 工业控制系统的网络安全与功能安全 随着控制系统接入企业网络，安全防护成为首要任务。我们将分析针对 SCADA 和 PLC 系统的典型攻击向量，并介绍纵深防御（Defense in Depth） 策略。同时，系统地解读 IEC 61508/61511 等功能安全标准，阐述如何通过安全完整性等级（SIL）的确定和安全连锁（Interlock）的设计，保障人员和设备的安全。 4.2 预测性维护（PdM）的实施框架 预测性维护不再是简单的阈值报警。本书将介绍如何结合振动分析、声学监测数据，利用机器学习模型（如LSTM网络） 来预测设备剩余使用寿命（RUL）。我们将提供一个从数据采集到模型部署的完整 PdM 流程图，重点在于特征工程和模型验证。 4.3 工业物联网（IIoT）与数据驱动的控制 探讨 IIoT 平台（如 OPC UA, MQTT）在跨域数据集成中的作用。重点分析如何利用云计算/雾计算能力，将复杂的全局优化计算（如生产调度）下沉到边缘层，从而实现云边协同的智能制造体系。 《机械之魂》 致力于为读者提供一个扎实的、面向工程实践的知识体系，使读者能够驾驭复杂工业系统，从“操作机器”升级为“设计与优化系统”的能力。

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