机电一体化 原理·概念·应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1背景 3

1.2各学科的概要 3

1.3起源 5

1.4机电一体化的发展 5

初级的机电一体化 6

中级的机电一体化 6

第三层次的机电一体化 6

第四层次的机电一体化 6

1.5机电一体化综述 7

1.6制造过程简介 8

1.7设计 10

1.8本书的范围 11

信号分析和工程工具 12

电气元件和电子器件 13

数字技术 13

变换器 14

信号调理电路 14

执行器 16

机械结构 17

微处理器和微控制器 17

建模、系统描述和系统响应 19

反馈控制 20

智能控制 21

诊断 21

开发工具和概念 22

控制结构和集成 22

第2章 信号理论和工程工具 27

2.1引言 29

2.2背景 29

2.3信号的术语 33

随机信号与确定性信号 33

平稳信号与非平稳信号 33

周期信号与非周期信号 33

模拟信号与离散信号 34

2.4信号的分析与处理 35

2.5信号的多域表达 35

2.6周期性模拟信号的分析与表示 37

信号的频域表示 39

2.7非周期模拟信号的分析和表示 40

频域表示 40

2.8离散傅里叶变换和快速傅里叶变换 43

2.9信号的时频域分析 44

2.10微分方程 46

2.11拉普拉斯变换 47

2.12差分方程 53

2.13 Z变换 54

2.14变换方法的总结 58

2.15信号的功率和能量 59

2.16调制和解调 59

第3章 电气元件和电子器件 67

3.1引言 69

3.2电气元件的基础 69

电阻 69

电感 72

电容 73

电抗和阻抗 74

3.3电子器件基础 76

半导体材料 77

结型二极管 79

双极性三极管 82

结型场效应晶体管 86

金属氧化物半导体场效应晶体管 87

单结晶体管 88

可控硅整流器 88

双向可控硅开关元件 89

集成电路 89

运算放大器 90

网络电缆 91

第4章 数字技术基础 99

4.1引言 101

4.2数制 101

4.3二进制数制的范围和权重 102

4.4二进制数的权 103

4.5数制转换 103

4.6八进制和十六进制 105

4.7 BCD编码的数制 107

4.8格雷码 108

4.9二进制算术的算法 110

二进制加法 110

二进制减法 111

二进制乘法 112

有符号的二进制数 112

4.10布尔代数 112

4.11逻辑状态 113

4.12逻辑函数 114

4.13其他种类的逻辑门电路 115

4.14通用的门电路 118

4.15异或门电路 118

4.16组合逻辑电路和时序逻辑电路 120

4.17触发器 121

SR触发器 121

D触发器 123

JK触发器 124

寄存器 124

计数器 126

多路选择器 127

4.18布尔表达式的最简形式 127

4.19卡诺图 130

4.20 TTL门电路与CMOS门电路 135

4.21存储器 136

第5章 变换器和传感器 145

5.1背景介绍 147

5.2变换器和传感器之间的差别 147

5.3变换器类型 148

5.4转换原理 148

5.5光电变换器 148

光电发射变换器 149

光电导变换器 150

光伏式变换器 150

5.6热敏电阻 151

5.7感热器件 153

5.8热电偶 153

5.9感应变换器 155

5.10电容变换器 158

5.11热电变换器 159

5.12压电式变换器 159

5.13霍耳效应变换器 161

5.14电离变换器 162

5.15发光二极管 163

5.16光编码器 164

增量式编码器 164

绝对式编码器 165

5.17双金属片 168

5.18波登管 168

5.19应变计 169

5.20测压元件 170

5.21弹性膜片 171

5.22机械式开关 172

5.23流量变换器 172

5.24光纤变换器 173

第6章 信号调理的理论、电路与系统 179

6.1简介 181

6.2分压器 181

6.3整流 182

6.4稳压二极管 184

6.5限幅和箝位电路 185

6.6放大器 186

运算放大器电路 187

其他滤波电路 191

6.7隔离器（单位增益放大器） 192

6.8仪表放大器 193

6.9电桥电路 194

6.10比较器 195

过零检测器 197

6.11振荡器 197

6.12 555定时器 201

6.13采样与保持 204

6.14时钟 205

6.15模-数转换 206

数-模转换 208

基于计数器的模-数转换器 211

逐次逼近型模-数转换器 213

6.16检流计、电流表和电压表 214

6.17阴极射线示波器 215

第7章 执行器和机械装置 223

7.1简介 225

7.2执行器类型和应用领域 226

7.3机电执行器 226

7.4直流电动机 227

有刷式直流电动机 230

无刷式 231

无芯式 231

7.5交流电动机 232

感应电动机 232

同步电动机 232

步进电机 233

7.6液压执行器 236

气动执行器 236

阀门 238

水力执行器 239

比较 240

7.7压电执行器 240

实例 241

压电电动机 242

7.8磁致伸缩执行器 242

7.9记忆金属执行器 243

7.10离子交换聚合物金属复合材料 243

7.11化学执行器 243

7.12机械装置 243

7.13轴承 244

滑动轴承 244

轴颈轴承 244

滚动轴承 245

磁性轴承 248

分子轴承 249

7.14皮带、链条 249

7.15滑轮 249

7.16齿轮 251

齿轮传动比 253

7.17齿条和小齿轮 254

7.18棘轮、棘爪和曲柄 255

7.19滑块和曲柄 255

7.20凸轮和随动件 256

凸轮的形状 258

随动件的形状 258

7.21链条和链轮 259

7.22间歇传动轮 260

7.23四连杆机构 260

第8章 微处理器和微控制器 269

8.1简介 271

8.2一个基于微处理器的数字控制实例 272

8.3控制系统的基本元素 274

8.4通过自检来决定下一步做什么 274

8.5微处理器结构 275

8.6专有名词 275

CPU 275

存储器和地址 276

I／O和外设 277

ALU 277

指令和程序 277

汇编器 278

数据 278

操作数、助记符和操作码 279

寄存器 279

取指周期 282

写周期 283

状态 283

总线 284

指令译码器或微码引擎 284

中断 285

堆栈和堆栈指针（SP） 286

8.7指令类型 288

8.8寻址方式 288

8.9现在你所了解的内容 288

8.10 Intel 8085A微处理器 289

8.11微控制器 292

微处理器和微控制器之间的区别 292

8.12控制领域的一般性需求及其在微控制器中的实现 294

数学运算 294

实时操作和任务切换 294

通信 295

采样速率 295

8.13分类 296

8.14 Intel 8XC196KC／KD微控制器 296

核心单元 297

微码引擎 297

队列 298

寄存器文件 298

RALU 298

存储总线 299

存储器控制器 299

中断控制器和外设处理服务器 299

1／O端口 299

看门狗定时器 300

A／D转换器 300

脉宽调制器 301

数据类型和寻址方式 301

8.15可编程逻辑控制器（PLC） 302

第9章 建模 309

9.1引言 311

9.2系统 311

9.3建模 312

9.4机械系统 313

弹簧 313

阻尼元件 315

质量-惯性元件 315

9.5电气系统 316

9.6流体系统 317

惯量 317

流阻 318

流容 318

9.7热系统 319

热容 319

热阻 319

9.8工程系统 320

9.9含有弹簧、阻尼器和质量块的平动机械系统 321

9.10由弹簧、阻尼器和质量块组成的转动系统 322

9.11电动机建模 323

速度控制 325

9.12填充流体的容器建模 326

9.13气动执行器建模 326

第10章 系统响应 333

10.1引言 335

10.2输入-输出方程和系统描述 335

输出响应 336

多输入多输出系统 337

线性和非线性系统 337

时变系统 338

10.3瞬态、滞后和延时响应 338

10.4瞬态响应特性 339

10.5测试信号 340

10.6一阶系统的输出响应 341

自由响应（零激励） 341

阶跃信号输入 341

斜坡激励 343

正弦激励 343

10.7二阶系统的输出响应 345

自由响应 345

过阻尼情况 347

临界阻尼情况 347

欠阻尼情况 347

10.8二阶系统的阶跃响应 348

过阻尼情况 348

临界阻尼情况 350

欠阻尼情况 350

10.9二阶系统的正弦响应 352

10.10状态空间模型 353

基本原理 354

10.11 n阶SISO系统的状态空间模型 356

第11章 传递函数和频率响应 361

11.1引言 363

11.2频率响应的背景知识 363

11.3传递函数及其背景 364

11.4更多关于传递函数的内容 365

一阶系统的传递函数 365

二阶系统的传递函数 366

11.5使用拉普拉斯变换求输出响应 367

阶跃信号作为输入的一阶系统 367

斜变信号作为输入的一阶系统 367

阶跃信号作为输入的二阶系统 369

斜变信号作为输入的二阶系统 369

11.6系统的频率响应 370

11.7一阶系统的频率响应 370

波特图 371

11.8二阶系统的频率响应 373

11.9零极点图 375

第12章 反馈和智能控制原理 381

12.1引言 383

12.2控制系统 383

12.3开环控制系统 384

12.4闭环控制系统 385

注释 385

可达到性 386

传递函数 386

12.5控制器 387

开关控制器 388

比例控制器 388

积分控制器 389

微分控制器 390

比例-积分控制器 390

比例-微分控制器 390

比例-积分-微分控制器 390

比较 391

12.6自动控制的其他内容 391

12.7自动控制方法的定义 392

12.8人工神经网络 393

12.9模糊逻辑 395

模糊集和隶属度 396

12.10诊断学 399

过程和故障的数学描述 399

故障检测与隔离步骤 400

故障检测与隔离方法 400

优缺点 402

12.11模拟与数字控制的对比 403

可编程 404

可配置性 404

噪声免疫力 404

自动控制 405

无传感器控制 406

辅助功能 406

通信 407

第13章 开发工具和概念 411

13.1引言 413

13.2计算机 413

基本单元 413

CPU 414

电子存储器 415

输入-输出设备（外围设备） 416

通信端口和插槽 416

电子线路 418

时钟 418

13.3软件 419

13.4操作系统软件 419

通用操作系统 420

分布式操作系统（DOS） 421

实时操作系统 421

13.5应用软件 422

编译器 422

专用应用软件 423

语言和GUI环境 423

仿真软件 424

13.6 MATLAB 424

MATLAB工具箱 425

控制 425

MATLAB命令窗口和函数 426

一些操作 426

编程—简单举例 430

13.7更多常用的程序和软件 434

驱动器 434

数据库 435

CAD／CAM 435

13.8软件方法学 436

客户服务器结构 436

面向对象方法学 437

13.9计算机网络 437

局域网 439

13.10工业计算机 439

13.11控制结构 440

13.12分布式控制系统 441

节点内部结构 442

典型特征 443

总结 445

13.13现场总线技术 446

现场总线协议与数据网络协议 449

益处 450

基于现场总线的开发过程 450

选择一个现场总线 450

13.14基于网络的监视和控制 452

第14章 基于组件的模块化设计和系统验证 459

14.1引言 461

14.2基于组件的模块化设计方法 461

组件：定义 462

14.3系统验证 464

全面自动化 465

安全控制的实现 465

智能化 465

可持续性 466

14.4验证方法学 467

整合方法 467

独立设计 468

分布式局部层（现场层）的实现 469

开放系统的应用 469

综合、便携、迅速和可靠 470

14.5验证方案的其他方面 470

学习阶段 470

试运转阶段 472

14.6融合技术：一个视觉系统的例子 472

第15章 集成 477

15.1引言 479

15.2背景 479

15.3高级执行器 479

高级机动执行器 480

气动执行器 482

伺服执行系统 483

15.4消费机械电子产品 484

15.5液压手指 485

15.6外科手术设备 485

15.7工业机器人 485

机器人的不同组成部分 486

控制器 486

驱动器 487

机械臂 487

终端执行器 488

传感器 488

功能要求 489

基于机器人的自动化 490

15.8自动制导车辆（AGV） 491

AGV结构 492

基于组件的DCS观点 492

人机接口 493

用现场总线技术设计 494

15.9钻孔机 494

15.10基于传送装置的材料处理系统 495

验证 497

设计 500

15.11讨论 503

基于现场总线的DCS解决方法的前景 503

选择现场总线的前景 504

LonWorks基于DCS的现场总线的前景 505

构建控制任务的前景 505

自诊断设备和网络的前景 506

第16章 机械电子设计策略：高速主轴举例 511

16.1背景和介绍 513

介绍 513

16.2主轴系统回顾 515

16.3 HSSS的动态建模 516

系统辨识 516

16.4重要的设计参数 520

Q点曲线 521

热变形和轴承环境 523

轴承摩擦 525

电磁平衡器（EMB） 525

16.5诊断和预测 527

公式 528

实验 529

16.6 SEA方案 529

机器进化和可持续性 529

SEA变量和LSV 531

实现方法和结果 531

16.7控制系统的设计方法 534

DCS实现平台 535

16.8远程监测和控制 537

DN和CN界面接口的需求 538

实现方法的研究 538

参考文献 543

附录 551

中英文对照表 553

译者跋 575