本书从MATLAB仿真角度系统地介绍了滑模变结构控制的几种先进方法和应用技术，是作者多年来从事控制系统教学和科研工作的结晶，同时融入了国内外同行近年来所取得的新成果。

   本书是在原有第三版基础上修改而成，并增加和修改了部分内容。全书共分十四章，包括欠驱动系统滑模控制、基于观测器和解耦算法的滑模控制、控制输入受限条件下的滑模控制、挠性系统和奇异摄动系统的滑模控制、机械手滑模控制、基于函数逼近的机械手滑模控制、基于干扰观测器的机械手滑模控制、柔性机械手滑模控制、飞行器滑模控制、基于**轨迹规划的滑模控制、基于传感器和执行器容错的滑模控制、基于事件驱动的滑模控制、主辅电机的协调跟踪滑模控制和具有控制输入延迟的滑模控制。每种控制方法都通过MATLAB仿真程序进行了仿真分析。

    本书各部分内容既相互联系又相互独立，读者可根据自己需要选择学习。本书适用于从事生产过程自动化、计算机应用、机械电子和电气自动化领域工作的工程技术人员阅读，也可作为大专院校工业自动化、自动控制、机械电子、自动化仪表、计算机应用等专业的教学参考书。

有关机器人控制理论及其工程应用，近年来已有大量的论文发表。作者多年来一直从事控制理论及应用方面的教学和研究工作。为了促进机器人控制和自动化技术的进步，反映机器人控制设计与应用的最新研究成果，并使广大研究人员和工程技术人员能了解、掌握和应用这一领域的最新技术，学会用MATLAB语言进行各种机器人控制算法的分析和设计，作者编写了本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。

本书是在作者总结多年研究成果的基础上，进一步理论化、系统化、规范化、实用化而成的，其特点是： 

(1) 控制算法取材新颖，内容先进，重点放在学科交叉部分的前沿研究上，介绍一些有潜力的新思想、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法。

(2) 针对每种控制算法给出了完整的MATLAB仿真程序，并给出了程序说明和仿真结果，具有很强的可读性。

(3) 着重从应用领域角度出发，突出理论联系实际的特点，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及其结果分析，为读者提供了有益的借鉴。

(4) 所给出的各种控制算法完整，程序设计、结构设计力求简单明了，便于读者自学和进一步开发。

(5) 所介绍的方法不局限于机械手的控制，同时也适合于解决运动控制领域其他背景的控制问题。

本书主要以机械手为被控对象，此外，为了介绍一些新的运动控制方法，本书还以机械系统、电机、倒立摆和四旋翼飞行器为被控对象来辅助说明。

本书是在原有《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真——先进控制方法》（ISBN 9787302470083）的基础上撰写而成，并增加、修改和删除了部分内容。本书以电机、机械手、倒立摆、移动机器人和四旋翼飞行器为对象，共分14章，其中前2章和第11章以单入单出的电机为被控对象。第1章介绍控制系统输出受限控制的设计方法，第2章介绍控制系统输入受限控制的设计方法，第3章介绍基于轨迹规划的机械手控制的设计方法，第4章介绍机械手模糊自适应反演控制的设计方法，第5章介绍基于自适用迭代学习算法的机械手迭代学习控制方法，第6章介绍柔性机械手控制的几种设计方法，第7章介绍柔性机械臂分布式参数建模和边界控制设计方法，第8章介绍基于反演控制和迭代学习理论的移动机器人轨迹跟踪控制方法。第9章和第10章介绍基于双闭环控制系统的设计方法，其中第9章介绍移动机器人双环轨迹跟踪控制方法，第10章介绍四旋翼飞行器轨迹控制方法。第11章和第12章分别介绍基于LMI（线性矩阵不等式）的控制系统设计方法及倒立摆TS模糊控制方法。第13章介绍执行器自适应容错控制方法。第14章介绍多智能体系统的一致性控制的设计与分析方法。

本书所介绍的部分控制方法选自高水平国际期刊和著作中的经典控制方法，并对其中一些算法进行了修正或补充。通过对一些典型控制器设计方法较详细的理论分析和仿真分析，使一些深奥的控制理论易于掌握，为读者进行深入研究打下基础。

本书基于当前高级MATLAB环境开发，各章节的内容具有很强的独立性，读者可以结合自己的工作方向深入地进行研究。

由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和疏漏之处，真诚欢迎广大读者批评指正。若读者有指正或需与作者商讨，或对控制算法及仿真程序有疑问，请通过电子邮件与作者联系。相信通过与广大同行的交流，作者会得到许多新的有益的建议，从而将本书写得更好。

刘金琨

2023年2月于北京航空航天大学

（1） 所有仿真算法按章归类，下载的程序名与书中一一对应。

（2） 将下载的仿真程序复制到硬盘MATLAB运行的路径中，便可仿真运行。

（3） 本书算法在MATLAB 2015版本下运行成功，并适用于其他更高版本。

（4） 仿真程序下载网址： 

清华大学出版社网站（www.tup.com.cn）本书页面。

第1章控制系统输出受限控制

1.1输出受限引理

1.2位置输出受限控制

1.2.1系统描述

1.2.2控制器设计

1.2.3仿真实例

1.3位置及速度输出受限控制

1.3.1多状态输出受限引理

1.3.2系统描述

1.3.3控制器设计与分析

1.3.4仿真实例

1.4按设定误差性能指标收敛控制

1.4.1问题描述

1.4.2跟踪误差性能函数设计

1.4.3收敛性分析

1.4.4仿真实例

参考文献

第2章控制系统输入受限控制

2.1基于双曲正切的控制输入受限控制

2.1.1定理及分析

2.1.2基于双曲正切的控制输入受限控制

2.1.3仿真实例

2.2负载未知下的控制输入受限控制

2.2.1问题的提出

2.2.2自适应控制律设计

2.2.3闭环系统稳定性分析

2.2.4仿真实例

2.3带扰动的控制输入受限控制

2.3.1系统描述

2.3.2指数收敛干扰观测器设计

2.3.3控制器的设计及分析

2.3.4仿真实例

2.4基于反演的非线性系统控制输入受限控制

2.4.1系统描述

2.4.2双曲正切光滑函数特点

2.4.3控制输入受限方法

2.4.4基于反演的控制算法设计

2.4.5仿真实例

2.5基于输出受限和输入受限的控制

2.5.1系统描述

2.5.2控制器设计

2.5.3基于反演的控制算法设计

2.5.4仿真实例

2.6基于反演的控制输入及变化率受限控制

2.6.1系统描述

2.6.2控制输入受限方法

2.6.3基于反演的控制算法设计

2.6.4仿真实例

2.7基于反演的控制输入及变化率受限轨迹跟踪控制

2.7.1系统描述

2.7.2控制输入受限方法

2.7.3基于反演的控制算法设计

2.7.4仿真实例

2.8基于反演的控制输入及变化率受限鲁棒控制

2.8.1系统描述

2.8.2控制输入受限方法

2.8.3基于反演的控制算法设计

2.9基于Nussbaum函数的控制输入受限控制

2.9.1系统描述

2.9.2输入受限控制方法

2.9.3基于反演的输入受限控制算法设计

2.9.4仿真实例

附录

参考文献

第3章基于轨迹规划的机械手控制

3.1差分进化算法

3.1.1差分进化算法的提出

3.1.2标准差分进化算法

3.1.3差分进化算法的基本流程

3.1.4差分进化算法的参数设置

3.1.5基于差分进化算法的函数优化

3.2轨迹规划算法的设计

3.2.1一个简单的样条插值实例

3.2.2轨迹规划算法介绍

3.2.3最优轨迹的设计

3.3单关节机械手最优轨迹控制

3.3.1问题的提出

3.3.2最优轨迹的优化

3.3.3仿真实例

3.4双关节机械手最优轨迹控制

3.4.1系统描述

3.4.2规划器设计

3.4.3仿真实例

参考文献

第4章机械手模糊自适应反演控制

4.1基于反演方法的单关节机器人自适应模糊控制

4.1.1系统描述

4.1.2Backstepping控制器设计

4.1.3基于Backstepping的自适应模糊控制

4.1.4仿真实例

4.2双关节机械臂的自适应模糊反演控制

4.2.1系统描述

4.2.2传统Backstepping控制器设计及稳定性分析

4.2.3仿真实例

参考文献

第5章机械手自适应迭代学习控制

5.1控制器增益自适应整定的机械手迭代学习控制

5.1.1问题的提出

5.1.2控制器设计

5.1.3收敛性分析

5.1.4仿真实例

5.2基于增益自适应整定的机械手迭代学习控制的改进

5.2.1算法的改进

5.2.2仿真实例

5.3基于切换增益的单关节机械手迭代学习控制

5.3.1问题描述

5.3.2自适应迭代学习控制器设计

5.3.3收敛性分析

5.3.4仿真实例

5.4基于切换增益的多关节机械手迭代学习控制

5.4.1问题的提出

5.4.2三个定理及收敛性分析

5.4.3仿真实例

附录

参考文献

第6章柔性机械手控制

6.1柔性机械手的反演控制

6.1.1系统描述

6.1.2反演控制器设计

6.1.3仿真实例

6.2柔性机械手动态面控制

6.2.1系统描述

6.2.2控制律设计

6.2.3稳定性分析

6.2.4仿真实例

6.3柔性关节机械手K观测器设计及分析

6.3.1K观测器设计原理

6.3.2柔性关节机械手模型描述与变换

6.3.3柔性关节机械手K观测器设计与分析

6.3.4按A0为Hurwitz进行K的设计

6.3.5仿真实例

6.4基于K观测器的柔性关节机械手动态面控制

6.4.1控制算法设计

6.4.2稳定性分析

6.4.3仿真实例

6.5柔性机械手神经网络反演控制

6.5.1系统描述

6.5.2反演控制器设计

6.5.3仿真实例

6.6柔性机械手欠驱动滑模控制

6.6.1系统描述

6.6.2控制器设计及稳定性分析

6.6.3收敛性分析

6.6.4仿真实例

6.7柔性机械手双闭环控制

6.7.1系统描述

6.7.2控制器设计与分析

6.7.3微分器的设计

6.7.4仿真实例

参考文献

第7章柔性机械臂分布式参数边界控制

7.1柔性机械臂的偏微分方程动力学建模

7.1.1柔性机械臂的控制问题

7.1.2柔性机械臂的偏微分方程建模

7.2柔性机械臂分布式参数边界控制——指数收敛方法

7.2.1引理

7.2.2边界控制律的设计 

7.2.3仿真实例

7.3柔性机械臂分布式参数边界控制——LaSalle分析方法

7.3.1模型描述

7.3.2模型的空间转换

7.3.3闭环系统耗散性分析 

7.3.4半群和紧凑性分析

7.3.5收敛性分析

7.3.6仿真实例

附录

参考文献

第8章移动机器人的轨迹跟踪控制

8.1移动机器人运动学反演控制

8.1.1运动学模型的建立

8.1.2反演控制器设计

8.1.3仿真实例

8.2移动机器人动力学反演控制

8.2.1动力学模型的建立

8.2.2反演控制器设计

8.2.3仿真实例

8.3移动机器人轨迹跟踪迭代学习控制

8.3.1数学基础

8.3.2系统描述

8.3.3控制律设计及收敛性分析

8.3.4仿真实例

8.4基于蚁群算法的避障及路径规划

8.4.1问题描述

8.4.2栅格法

8.4.3基于蚁群算法的最短路径规划

8.4.4仿真实例

参考文献

第9章移动机器人双环轨迹跟踪控制

9.1移动机器人的滑模轨迹跟踪控制

9.1.1移动机器人运动学模型

9.1.2位置控制律设计（外环）

9.1.3姿态控制律设计（内环）

9.1.4闭环系统的设计关键

9.1.5仿真实例

9.2基于全局稳定的移动机器人双环轨迹跟踪控制

9.2.1移动机器人运动学模型

9.2.2动态系统全局渐近稳定定理

9.2.3控制系统设计

9.2.4整个闭环稳定性分析

9.2.5仿真实例

9.3移动机器人双环编队控制

9.3.1移动机器人运动学模型

9.3.2控制系统设计

9.3.3整个闭环稳定性分析

9.3.4仿真实例

参考文献

第10章四旋翼飞行器轨迹控制

10.1基于内外环的四旋翼飞行器的PD控制

10.1.1四旋翼飞行器动力学模型

10.1.2位置控制律设计

10.1.3虚拟姿态角度求解

10.1.4姿态控制律设计

10.1.5闭环系统的设计关键

10.1.6仿真实例

10.2基于双闭环的四旋翼飞行器速度控制

10.2.1四旋翼飞行器动力学模型

10.2.2四旋翼飞行器速度控制

10.2.3虚拟姿态角度求解

10.2.4姿态控制律设计

10.2.5闭环系统的设计关键

10.2.6仿真实例

10.3基于双闭环的四旋翼飞行器编队控制

10.3.1四旋翼飞行器动力学模型

10.3.2四旋翼飞行器编队控制

10.3.3虚拟姿态角度求解

10.3.4姿态控制律设计

10.3.5闭环系统的设计关键

10.3.6仿真实例

参考文献

第11章基于LMI的控制系统设计

11.1控制系统LMI控制算法设计

11.1.1系统描述

11.1.2控制器设计与分析

11.1.3仿真实例

11.2位置跟踪控制系统LMI算法设计

11.2.1系统描述

11.2.2控制器设计

11.2.3控制器设计与分析

11.2.4仿真实例

11.3带扰动的控制系统LMI控制算法设计

11.3.1系统描述

11.3.2基于H∞指标控制器设计与分析

11.3.3LMI设计

11.3.4仿真实例

11.4带扰动的控制系统LMI跟踪控制算法设计

11.4.1系统描述

11.4.2仿真实例

11.5控制输入受限下的LMI控制算法设计

11.5.1系统描述

11.5.2控制器的设计与分析

11.5.3LMI设计

11.5.4仿真实例

11.6控制输入受限下位置跟踪LMI控制算法

11.6.1系统描述

11.6.2控制器设计

11.6.3控制器设计与分析

11.6.4仿真实例

11.7控制输入受限下的LMI倒立摆系统镇定

11.7.1系统描述

11.7.2控制器设计与分析

11.7.3仿真实例

11.8基于LMI的控制输入及其变化率受限控制算法

11.8.1系统描述

11.8.2控制器的设计与分析

11.8.3仿真实例

附录

参考文献

第12章基于LMI的倒立摆TS模糊控制

12.1单级倒立摆的TS模糊建模

12.1.1TS模糊系统

12.1.2倒立摆系统的控制问题

12.1.3基于2条模糊规则的设计

12.1.4基于4条模糊规则的设计

12.2基于LMI的单级倒立摆TS模糊控制 

12.2.1LMI不等式的设计及分析

12.2.2不等式的转换

12.2.3LMI的设计实例

12.2.4基于LMI的单级倒立摆TS模糊控制

参考文献

第13章执行器自适应容错控制

13.1SISO系统执行器自适应容错控制

13.1.1控制问题描述

13.1.2控制律的设计与分析

13.1.3仿真实例

13.2MISO系统执行器自适应容错控制

13.2.1控制问题描述

13.2.2控制律的设计与分析

13.2.3仿真实例

13.3带执行器卡死的MISO系统自适应容错控制

13.3.1控制问题描述

13.3.2控制律的设计与分析

13.3.3仿真实例

13.4基于状态输出受限性能的切换容错控制

13.4.1多状态输出受限引理

13.4.2系统描述

13.4.3基于Barrier Lyapunov的状态输出受限控制

13.4.4监控函数设计

13.4.5仿真实例

13.5单输入条件下时变执行器故障和控制方向未知时的跟踪控制

13.5.1系统描述

13.5.2控制律设计与分析

13.5.3仿真实例

13.6多输入条件下时变执行器故障和控制方向未知时的跟踪控制

13.6.1系统描述

13.6.2控制律设计与分析

13.6.3仿真实例

附录

参考文献

第14章多智能体系统的一致性控制的设计与分析

14.1二阶多智能体系统的一致性协调鲁棒控制

14.1.1系统描述

14.1.2控制律设计与分析

14.1.3仿真实例

14.2基于通信感知半径的多智能体系统一致性跟踪控制

14.2.1系统描述

14.2.2控制律设计与分析

14.2.3仿真实例

14.3基于控制输入受限的多智能体系统一致性控制

14.3.1系统描述

14.3.2控制律设计与分析

14.3.3仿真实例

14.4基于执行器容错的单关节机械手多智能体系统一致性协调控制

14.4.1系统描述

14.4.2控制律设计与分析

14.4.3仿真实例

参考文献

本书主要以机械手为被控对象，在第1版的基础上，增加、修改和删除了部分内容，系统地论述了几种先进控制器的设计和分析方法，对于每种控制方法都给出了算法推导、实例分析和相应的MATLAB仿真设计程序。本书具有理论化、系统化、规范化和实用化的特点。

刘金琨，北京航空航天大学教授，博士生导师。分别于1989年7月、1994年3月和1997年3月获东北大学工学学士、工学硕士和工学博士学位。1997年3月─1998年12月在浙江大学工业控制技术研究所做博士后研究工作；1999年1月─1999年7月在香港科技大学从事合作研究；1999年11月至今在北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院从事教学与科研工作，主讲“智能控制”“先进控制系统设计”“系统辨识”等课程，主要研究方向为控制理论与应用。先后主持国家自然科学基金等科研项目10余项，发表学术论文100余篇，出版《先进PID控制MATLAB仿真》《滑模变结构控制MATLAB仿真》《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真》《RBF神经网络自适应控制MATLAB仿真》《系统辨识》《智能控制——理论基础、算法设计与应用》等著作。