前言





随着科技发展，人类已将太空探测器送上了火星和月球，数控加工中心、自动导引小车和工业机器人组成了智能制造工厂，无人驾驶汽车在高速公路上可自主超车，微纳米机器人可执行转基因操作和辅助外科手术等，所有这一切都需要精确的运动控制，且运动智能也是人工智能的重要组成部分。运动控制是控制学科与工程学科的重点发展方向，对于国民经济、社会进步和国家安全有着重要的意义。过程控制(process control)和运动控制(motion control)是自动控制领域的两大分支。过程控制重点针对离散的过程量。运动控制主要针对位移、速度、加速度及姿态等，动态性和实时性强。已有运动控制相关著作偏重于电动机原理和交流伺服电动机的控制，不能涵盖完整的运动控制系统知识点。对运动进行建模和控制系统分析设计，可加深对控制理论的理解，更好地指导工程实践。本书秉承启发式、探究式、研讨式的理念编著，力求引发读者的独立思考。
一、 本书内容
本书对运动的起源——驱动器，实现的基础——机构，分析的数学基础——运动学和动力学建模，控制系统的组成——运动感知、控制算法、控制器硬件和软件等方面进行了系统的论述。本书包括理论分析和实践案例，力求使读者能够系统地了解和掌握运动的基础知识和机构，熟悉快速连续变化运动的建模和控制方法，理解伺服电动机的工作原理和控制策略，掌握运动控制系统的数学分析和设计方法，巩固和加强控制理论专业课程和应用技术知识，培养理论联系实际的工程实践能力。
本书共分为8章。
第1章讲解了完整的广义运动概念，运动基础包含的内容以及完整的运动控制系统的组成，使读者对运动有完整的初步认识。
第2章给出了运动机构的类型、组成、典型机构、仿生机构等，为运动建模提供基础。
第3章阐述了运动体坐标系统，运动学建模，动力学建模，模型的正、逆问题求解等，为运动的数学分析提供方法。
第4章分析了常用的位移、角度、速度、角速度、位置及高精密测量传感器，为闭环反馈控制中传感器的选择提供基础。
第5章讲解了致动方式、常用的驱动器及智能材料驱动器等，便于开阔读者的运动控制系统设计视野。
第6章建立了伺服电动机模型，分析了电动机的特性，并结合电磁场理论，阐述了电动机运动控制策略，为运动控制算法设计提出了思路。
第7章详细给出了运动控制对象的建模方法，讲解了常用的运动控制算法，并给出了设计案例和虚拟样机仿真技术，为控制算法设计和有效性验证提供了方法。
第8章阐明了实际工程中运动控制器开发所涉及的通用和专用硬件、软件及操作系统，广域控制系统中的现场总线技术等，为工程应用提供参考。
二、 本书特色
 逻辑关系清晰。按照完整的运动控制系统设计的思路展开。
 知识点完整。涵盖运动机构、驱动器、感知和控制器等运动体必需部分，注重多种专业知识的交叉融合，文字通俗易懂。
 理论与实际应用案例相结合。以机器人、数控机床和交流伺服为典型运动控制对象进行案例分析。
 基础与领域前沿相融合。紧跟运动控制相关领域科技最新前沿。
 难易结合。既可用于本科生教学，部分深入研究内容也可用于研究生教学。
 针对工程专业教育教学，注重学生所学知识的融会贯通。
 本书给出了专业术语英文描述、物理量单位和综合性习题，便于读者学习。
三、 配套资源
 配套的教学课件（PPT）、习题答案、教学大纲等资料，请到清华大学出版社官方网站本书页面下载。
 提供的微课视频，请扫描书中相应位置二维码观看。配套视频与书中内容并非完全一致，仅用于读者学习参考。
注意： 请先刮开封四的刮刮卡，扫描刮开的二维码进行注册，之后再扫描书中的二维码，获取相关资料。
四、 读者对象
本书读者对象为自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、机械电子工程和机械设计制造及其自动化等工科专业学生。
五、 致谢
本书第4章由许宏、金英连编写，第6章由王斌锐、李璟、周坤编写，其他各章由王斌锐编写。感谢东北大学的徐心和教授引领我进入了机器人及其运动控制研究领域。本书部分内容来源于徐教授所授课程。感谢孙冠群老师以及严冬明、方水光、程苗、鲍春雷、冯伟博、陈杭升、任杰、干苏、高国庆等研究生对本书编写工作所提供的帮助。本书得到了国家级“具有计量、质量、标准化特色的机电类专业复合型创新人才培养实验区”“自动化国家特色专业建设”“自动化卓越工程师教育培养计划”项目的支持。
由于运动控制系统发展迅速，相关的理论和方法不断更新，因此，本书很难全面、翔实地讲解运动控制系统的知识。由于编者的学识水平有限，书中难免存在不妥当之处，恳请广大读者及同行专家不吝赐教，以使本书不断发展和完善。
2020年3月于中国计量大学