机械电子学 机械和电气工程中的电子控制系统PDF电子书下载

第一部分 概述 1

第1章 机械电子学导论 1

1.1 什么是机械电子学 1

1.1.1 机电一体化系统实例 1

1.1.2 嵌入式系统 2

1.2 设计流程 2

1.2.1 传统的机械电子学设计 3

1.3 系统 4

1.3.1 系统建模 4

1.3.2 连接系统 5

1.4 测量系统 5

1.5 控制系统 6

1.5.1 反馈 6

1.5.2 开环与闭环系统 7

1.5.3 闭环系统的基本要素 8

1.5.4 模拟和数字控制系统 11

1.5.5 顺序控制器 14

1.6 可编程逻辑控制器 15

1.7 机电一体化系统的例子 16

1.7.1 数码相机与自动对焦 16

1.7.2 发动机管理系统 17

1.7.3 MEMS和汽车安全气囊 18

本章小结 18

习题 19

第二部分 传感器与信号调理 21

第2章 传感器和变送器 21

2.1 传感器和变送器简介 21

2.1.1 智能传感器 21

2.2 性能术语 22

2.2.1 静态和动态特性 24

2.3 位移、位置和接近 25

2.3.1 电位器传感器 25

2.3.2 应变片 26

2.3.3 电容元件 27

2.3.4 差动变压器 29

2.3.5 涡流式接近传感器 30

2.3.6 电感式接近开关 30

2.3.7 光学编码器 30

2.3.8 气动传感器 32

2.3.9 接近开关 32

2.3.10 霍尔效应传感器 33

2.4 速度和运动 34

2.4.1 增量式编码器 34

2.4.2 测速发电机 34

2.4.3 热释电传感器 35

2.5 力 36

2.5.1 应变式称重传感器 36

2.6 流体压力 36

2.6.1 压电传感器 38

2.6.2 触觉传感器 39

2.7 液体流动 39

2.7.1 孔板 39

2.7.2 涡轮流量计 40

2.8 液位 40

2.8.1 浮块 40

2.8.2 压差 40

2.9 温度 40

2.9.1 双金属片 41

2.9.2 电阻温度检测器 41

2.9.3 热敏电阻 41

2.9.4 热敏二极管和晶体管 42

2.9.5 热电偶 42

2.10 光敏传感器 44

2.11 传感器的选择 45

2.12 通过开关输入数据 45

2.12.1 消抖 46

2.12.2 键盘 47

本章小结 47

习题 47

第3章 信号调理 50

3.1 信号调理简介 50

3.1.1 信号调理流程 50

3.2 运算放大器 51

3.2.1 反相放大器 51

3.2.2 同相放大器 52

3.2.3 加法放大器 52

3.2.4 积分和微分放大器 53

3.2.5 差分放大器 54

3.2.6 对数放大器 56

3.2.7 比较器 57

3.2.8 实际放大器 58

3.3 保护 59

3.4 滤波 60

3.5 惠斯通电桥 61

3.5.1 温度补偿 62

3.5.2 热电偶补偿 64

3.6 脉冲调制 64

3.7 与信号相关的问题 65

3.7.1 接地 65

3.7.2 电磁干扰 66

3.8 功率输送 67

本章小结 67

习题 68

第4章 数字信号 69

4.1 数字信号简介 69

4.1.1 二进制数 69

4.2 模拟信号和数字信号 69

4.2.1 采样定理 71

4.2.2 数模转换 71

4.3 数模转换器和模数转换器 71

4.3.1 DAC 71

4.3.2 ADC 73

4.3.3 采样和保持放大器 76

4.4 多路复用器 77

4.4.1 数字多路复用器 77

4.4.2 时分多路复用 78

4.5 数据采集 78

4.5.1 数据精度 79

4.5.2 错误检测的奇偶校验方法 79

4.6 数字信号处理 80

本章小结 81

习题 81

第5章 数字逻辑 82

5.1 数字逻辑简介 82

5.2 逻辑门 82

5.2.1 AND门 82

5.2.2 OR门 83

5.2.3 NOT门 84

5.2.4 NAND门 84

5.2.5 NOR门 85

5.2.6 XOR门 85

5.2.7 逻辑门的组合 86

5.2.8 逻辑系列与集成电路 87

5.3 逻辑门的应用 88

5.3.1 校验位发生器 88

5.3.2 数字比较器 88

5.3.3 编码器 89

5.3.4 译码器 89

5.4 时序逻辑 93

5.4.1 触发器 93

5.4.2 同步系统 94

5.4.3 JK触发器 95

5.4.4 D触发器 96

5.4.5 寄存器 97

5.4.6 555定时器 97

本章小结 98

习题 98

第6章 数据显示系统 100

6.1 显示方式 100

6.1.1 负载效应 100

6.2 数据显示元件 101

6.2.1 模拟仪表和数字仪表 101

6.2.2 模拟图记录仪 101

6.2.3 阴极射线示波器 101

6.2.4 视觉显示单元 102

6.2.5 打印机 103

6.3 磁记录 104

6.3.1 磁记录码 105

6.3.2 磁盘 107

6.4 光学记录 107

6.5 显示器 108

6.5.1 发光二极管 109

6.5.2 液晶显示器 110

6.6 数据采集系统 111

6.6.1 计算机与插件板 111

6.6.2 数据记录器 113

6.7 测量系统 114

6.7.1 用于检测提起重量的称重传感器 114

6.7.2 温度警报系统 115

6.7.3 滑轮的角位置 115

6.7.4 温度测量的二进制输出 116

6.8 测试和校准 116

6.8.1 校准 117

本章小结 118

习题 118

第三部分 驱动 121

第7章 气动与液压驱动系统 121

7.1 驱动系统 121

7.2 气动与液压系统 121

7.2.1 液压系统 121

7.2.2 气动系统 123

7.2.3 阀 124

7.3 方向控制阀 124

7.3.1 阀的符号 125

7.3.2 先导阀 126

7.3.3 单向阀 127

7.4 压力控制阀 127

7.5 缸体 128

7.5.1 缸的顺序控制 130

7.6 伺服和比例控制阀 132

7.7 过程控制阀 132

7.7.1 阀体和阀芯 133

7.7.2 控制阀的尺寸计算 135

7.7.3 流体控制系统举例 135

7.8 旋转驱动器 136

本章小结 136

习题 137

第8章 机械驱动系统 139

8.1 机械系统 139

8.2 运动类型 139

8.2.1 自由度和约束 140

8.2.2 负载 141

8.3 运动链 141

8.3.1 四杆链 141

8.3.2 滑块曲柄机构 142

8.4 凸轮 143

8.5 齿轮 145

8.5.1 齿轮系 146

8.5.2 转动和平动的转换 147

8.6 棘轮和棘爪 147

8.7 带传动和链传动 147

8.7.1 带的类型 148

8.7.2 链传动 149

8.8 轴承 149

8.8.1 径向滑动轴承 149

8.8.2 球轴承和滚柱轴承 150

8.8.3 轴承的选择 151

本章小结 151

习题 151

第9章 电气驱动系统 153

9.1 电气系统 153

9.2 机械开关 153

9.2.1 继电器 153

9.3 固态开关 154

9.3.1 二极管 155

9.3.2 晶闸管和三端双向可控硅元件 155

9.3.3 双极型晶体管 157

9.3.4 MOSFET 159

9.4 螺线管 159

9.5 直流电动机 160

9.5.1 有刷直流电动机 161

9.5.2 含励磁线圈的有刷直流电动机 162

9.5.3 有刷直流电动机的控制 163

9.5.4 无刷永磁直流电动机 165

9.6 交流电动机 167

9.7 步进电动机 168

9.7.1 步进电动机技术参数 169

9.7.2 步进电动机控制 170

9.7.3 步进电动机的选择 172

9.8 电动机选择 173

9.8.1 惯量匹配 173

9.8.2 转矩要求 174

9.8.3 功率要求 175

本章小结 175

习题 176

第四部分 微处理器系统 177

第10章 微处理器和微控制器 177

10.1 控制 177

10.2 微处理器系统 177

10.2.1 总线 177

10.2.2 微处理器 179

10.2.3 存储器 181

10.2.4 输入/输出 183

10.2.5 系统示例 184

10.3 微控制器 186

10.3.1 摩托罗拉M68HC 11 187

10.3.2 Intel 8051 191

10.3.3 Microchip微控制器 193

10.3.4 Atmel AVR微控制器和Arduino 198

10.3.5 选择微控制器 200

10.4 应用 200

10.4.1 温度测量系统 201

10.4.2 家用洗衣机 201

10.5 编程 202

10.5.1 伪代码 202

本章小结 203

习题 204

第11章 汇编语言 205

11.1 语言 205

11.2 指令集 205

11.2.1 寻址 208

11.2.2 数据移动 209

11.3 汇编语言程序 210

11.3.1 汇编语言程序的范例 211

11.4 子程序 215

11.4.1 延时子程序 215

11.5 查找表 217

11.5.1 步进电动机的控制延时 218

11.6 嵌入式系统 220

11.6.1 嵌入式程序 220

本章小结 222

习题 223

第12章 C语言 224

12.1 为什么选择C语言 224

12.2 程序结构 224

12.2.1 主要特征 224

12.2.2 一个C程序的示例 228

12.3 分支和循环 228

12.4 数组 231

12.5 指针 232

12.5.1 指针的算术运算 232

12.5.2 指针和数组 233

12.6 程序开发 233

12.6.1 头文件 233

12.7 程序的示例 234

12.7.1 电动机的起动与停止 234

12.7.2 读ADC通道 234

12.8 Arduino编程 235

本章小结 238

习题 238

第13章 输入/输出系统 240

13.1 接口 240

13.2 输入/输出寻址 240

13.2.1 输入/输出寄存器 241

13.3 接口要求 242

13.3.1 缓冲器 243

13.3.2 握手 243

13.3.3 轮询和中断 244

13.3.4 串行接口 247

13.4 外设接口适配器 247

13.4.1 PIA初始化 249

13.4.2 通过PIA连接中断信号 250

13.4.3 与PIA接口的例子 251

13.5 串行通信接口 251

13.5.1 微处理器的串行接口 253

13.6 接口的示例 254

13.6.1 通过译码器控制七段数码管 254

13.6.2 模拟接口 256

本章小结 257

习题 257

第14章 可编程逻辑控制器 258

14.1 简介 258

14.2 PLC基本结构 258

14.2.1 输入/输出 258

14.2.2 输入程序 260

14.2.3 PLC的形式 260

14.3 输入/输出处理 261

14.3.1 持续更新 261

14.3.2 大规模输入/输出复制 261

14.3.3 输入/输出地址 261

14.4 梯形图编程 261

14.4.1 逻辑函数 263

14.5 指令列表 264

14.5.1 指令列表和逻辑函数 265

14.5.2 指令列表和分支程序 265

14.6 自锁和内部继电器 266

14.6.1 内部继电器 266

14.7 顺序控制 268

14.8 定时器与计数器 269

14.8.1 定时器 269

14.8.2 计数器 270

14.9 移位寄存器 271

14.10 主控指令和跳转指令控制 272

14.10.1 跳转 273

14.11 数据处理 273

14.11.1 数据移动 274

14.11.2 数据比较 274

14.11.3 算术运算 274

14.11.4 代码转换 275

14.12 模拟输入/输出 275

本章小结 276

习题 276

第15章 通信系统 279

15.1 数字通信 279

15.2 集中式、分层式与分布式控制 279

15.2.1 并行与串行数据传输 280

15.2.2 串行数据通信方式 280

15.3 网络 281

15.3.1 网络访问控制 282

15.3.2 宽带与基带 282

15.4 协议 282

15.5 开放系统互连通信模型 283

15.5.1 网络标准 284

15.6 串行通信接口 285

15.6.1 RS-232 285

15.6.2 20mA电流环 287

15.6.3 I2C总线 287

15.6.4 CAN总线 288

15.6.5 USB 289

15.6.6 相线 290

15.7 并行通信接口 290

15.7.1 其他总线 292

15.8 无线协议 293

本章小结 293

习题 294

第16章 故障检测 295

16.1 故障检测技术 295

16.2 看门狗定时器 296

16.3 奇偶校验与误码检测 296

16.4 常见的硬件故障 298

16.4.1 传感器 298

16.4.2 开关和继电器 298

16.4.3 电动机 298

16.4.4 液压和气动系统 298

16.5 微处理器系统 298

16.5.1 故障检测技术 299

16.5.2 系统故障定位方法 301

16.5.3 自测试系统 301

16.6 仿真和模拟 301

16.6.1 模拟 302

16.7 PLC系统 302

16.7.1 程序测试 302

16.7.2 输入/输出测试 303

16.7.3 PLC作为系统的监视器 303

本章小结 304

习题 305

第五部分 系统模型 307

第17章 基本系统模型 307

17.1 数学模型 307

17.2 机械系统模块 308

17.2.1 转动系统 309

17.2.2 构建一个机械系统 310

17.3 电气系统模块 313

17.3.1 构建电气系统模型 314

17.3.2 电气和机械系统的比较 316

17.4 流体系统模块 316

17.4.1 构建流体系统模型 319

17.5 热力系统模块 322

17.5.1 构建热系统模型 323

本章小结 324

习题 324

第18章 工程系统模型 327

18.1 工程系统 327

18.2 转动-平动系统 327

18.3 机电一体化系统 328

18.3.1 电位器 328

18.3.2 直流电动机 328

18.4 线性度 330

18.5 液压机械系统 332

本章小结 334

习题 334

第19章 系统的动态响应 335

19.1 动态系统建模 335

19.1.1 微分方程 335

19.2 术语 335

19.2.1 自然响应与受迫响应 335

19.2.2 瞬态与稳态响应 336

19.2.3 输入的形式 336

19.3 一阶系统 337

19.3.1 自然响应 337

19.3.2 受迫输入响应 338

19.3.3 一阶系统的例子 339

19.3.4 时间常量 340

19.4 二阶系统 341

19.4.1 自然响应 342

19.4.2 有受迫输入时的响应 344

19.4.3 二阶系统的例子 345

19.5 二阶系统的性能指标 346

19.6 系统辨识 348

本章小结 348

习题 349

第20章 系统传递函数 352

20.1 传递函数 352

20.1.1 拉普拉斯变换 353

20.2 一阶系统 354

20.2.1 具有阶跃输入的一阶系统 354

20.2.2 一阶系统的例子 354

20.3 二阶系统 356

20.3.1 具有阶跃输入的二阶系统 356

20.3.2 二阶系统的例子 357

20.4 串联的系统 357

20.4.1 串联系统的例子 357

20.5 带反馈环的系统 358

20.5.1 负反馈系统的例子 358

20.6 极点位置对瞬态响应的影响 359

20.6.1 s平面 360

20.6.2 校正 360

本章小结 361

习题 361

第21章 频率响应 363

21.1 正弦输入 363

21.1.1 系统对正弦输入的响应 363

21.2 相量 363

21.2.1 相量方程 364

21.3 频率响应 365

21.3.1 一阶系统的频率响应 365

21.3.2 二阶系统的频率响应 367

21.4 伯德图 367

21.4.1 G（s）=K的伯德图 367

21.4.2 G（s）= 1/s的伯德图 368

21.4.3 一阶系统的伯德图 368

21.4.4 二阶系统的伯德图 369

21.4.5 建立伯德图 369

21.4.6 系统辨识 372

21.5 性能指标 374

21.6 稳定性 374

本章小结 375

习题 375

第22章 闭环控制系统 377

22.1 连续与离散控制过程 377

22.1.1 开环与闭环控制系统 377

22.2 术语 378

22.2.1 滞后 378

22.2.2 稳态误差 378

22.2.3 控制模式 379

22.3 两步控制模式 380

22.4 比例模式 381

22.4.1 电子比例控制器 381

22.4.2 系统响应 382

22.5 微分控制 382

22.5.1 比例微分（PD）控制 383

22.6 积分控制 383

22.6.1 比例积分（PI）控制 384

22.7 PID控制器 385

22.7.1 运算放大器PID电路 385

22.8 数字控制器 386

22.8.1 控制模式的实现 386

22.8.2 采样速率 387

22.8.3 计算机控制系统 387

22.9 控制系统性能 387

22.10 控制器校正 388

22.10.1 阶跃响应法 388

22.10.2 临界比例度法 389

22.11 速度控制 389

22.12 自适应控制 390

22.12.1 变增益控制 391

22.12.2 自校正 391

22.12.3 模型参考自适应系统 392

本章小结 392

习题 392

第23章 人工智能 394

23.1 什么是人工智能 394

23.1.1 自我调控 394

23.2 感知和识别 394

23.2.1 识别 394

23.2.2 神经网络 395

23.3 推理 395

23.3.1 推理机理 395

23.3.2 基于规则的推理 396

23.4 学习 397

本章小结 398

习题 398

第六部分 总结 399

第24章 机电一体化系统 399

24.1 机电设计 399

24.1.1 定时开关 399

24.1.2 刮水器运动 402

24.1.3 浴室秤 405

24.2 案例研究 408

24.2.1 取放机器人 408

24.2.2 停车栏杆系统 411

24.2.3 数码相机 412

24.2.4 汽车控制系统 415

24.2.5 条形码阅读器 418

24.2.6 硬盘驱动器 419

24.3 机器人学 420

24.3.1 机器人学的三大法则 421

24.3.2 机器人组件 421

24.3.3 机器人应用 422

24.3.4 Arduino机器人 423

本章小结 423

习题 423

第七部分 附录 425

附录A拉普拉斯变换 425

附录B数字系统 432

附录C布尔代数 437

附录D指令集 445

附录E C库函数 449

附录F MATLAB和SIMULINK 452

附录G电路分析 457

进一步的参考信息 464

习题参考答案 468

索引 482