机械电气学 机械和电气工程中的电气控制系统 原书第5版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

1.3 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 闭环系统的基本单元 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 数字摄像机与自动对焦 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 21

2.2 性能术语 22

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

2.6 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 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 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 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

6.2 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

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

7.6 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 滑动径向轴承 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

9.3 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 173

本章小结 175

习题 176

第四部分 系统模型 177

第10章 基本系统模型 177

10.1 数学模型 177

10.2 机械系统模块 178

10.2.1 转动系统 179

10.2.2 构建一个机械系统 180

10.3 电气系统模块 183

10.3.1 构建电气系统模型 184

10.3.2 电气和机械系统的比较 186

10.4 流体系统模块 186

10.5 热系统模块 192

本章小结 194

习题 194

第11章 工程系统模型 197

11.1 工程系统 197

11.2 转动-平动系统 197

11.3 机电一体化系统 198

11.3.1 电位器 198

11.3.2 直流电动机 198

11.4 线性度 200

11.5 液压机械系统 202

本章小结 204

习题 204

第12章 系统的动态响应 205

12.1 动态系统建模 205

12.2 术语 205

12.2.1 自然响应与受迫响应 205

12.2.2 瞬态与稳态响应 206

12.2.3 输入的形式 206

12.3 一阶系统 207

12.3.1 自然响应 207

12.3.2 受迫输入响应 208

12.3.3 一阶系统的例子 209

12.3.4 时间常量 210

12.4 二阶系统 211

12.4.1 自然响应 212

12.4.2 有受迫输入时的响应 214

12.4.3 二阶系统的例子 215

12.5 二阶系统的性能指标 216

12.6 系统辨识 218

本章小结 218

习题 219

第13章 系统传递函数 222

13.1 传递函数 222

13.2 一阶系统 224

13.2.1 具有阶跃输入的一阶系统 224

13.2.2 一阶系统的例子 224

13.3 二阶系统 226

13.3.1 具有阶跃输入的二阶系统 226

13.3.2 二阶系统的例子 227

13.4 串联的系统 227

13.5 带反馈环的系统 228

13.6 极点位置对瞬态响应的影响 229

13.6.1 s平面 230

13.6.2 校正 230

本章小结 231

习题 231

第14章 频率响应 233

14.1 正弦输入 233

14.2 相量 233

14.3 频率响应 235

14.3.1 一阶系统的频率响应 235

14.3.2 二阶系统的频率响应 237

14.4 伯德图 237

14.4.1 G(s)=K的伯德图 237

14.4.2 G(s)=1/s的伯德图 238

14.4.3 一阶系统的伯德图 238

14.4.4 二阶系统的伯德图 239

14.4.5 建立伯德图 239

14.4.6 系统辨识 242

14.5 性能指标 244

14.6 稳定性 244

本章小结 245

习题 245

第15章 闭环控制器 247

15.1 连续与离散控制过程 247

15.2 术语 248

15.2.1 滞后 248

15.2.2 稳态误差 248

15.2.3 控制模式 249

15.3 两步控制模式 250

15.4 比例模式 251

15.4.1 电子比例控制器 251

15.4.2 系统响应 252

15.5 微分控制 252

15.6 积分控制 253

15.7 PID控制器 255

15.8 数字控制器 256

15.8.1 控制模式的实现 256

15.8.2 采样速率 257

15.8.3 计算机控制系统 257

15.9 控制系统性能 257

15.10 控制器校正 258

15.10.1 阶跃响应法 258

15.10.2 临界比例度法 259

15.11 速度控制 259

15.12 自适应控制 260

15.12.1 变增益控制 261

15.12.2 自校正 261

15.12.3 模型参考自适应系统 262

本章小结 262

习题 262

第16章 人工智能 264

16.1 什么是人工智能 264

16.2 感知和识别 264

16.2.1 识别 264

16.2.2 神经网络 265

16.3 推理 265

16.3.1 推理机理 265

16.3.2 基于规则的推理 266

16.4 学习 267

本章小结 268

习题 268

第五部分 微处理器系统 269

第17章 微处理器 269

17.1 控制 269

17.2 微处理器系统 269

17.2.1 总线 269

17.2.2 微处理器 271

17.2.3 存储器 273

17.2.4 输入／输出 275

17.2.5 系统示例 276

17.3 微 控制器 278

17.3.1 摩托罗拉M68HC11 279

17.3.2 Intel 8051 283

17.3.3 Microchip TM微控制器 285

17.3.4 选择微控制器 290

17.4 应用 291

17.4.1 温度测量系统 291

17.4.2 家用洗衣机 292

17.5 编程 292

本章小结 294

习题 294

第18章 汇编语言 296

18.1 语言 296

18.2 指令集 296

18.2.1 寻址 299

18.2.2 数据转移 300

18.3 汇编语言程序 301

18.4 子程序 306

18.5 查找表 308

18.6 嵌入式系统 311

本章小结 313

习题 314

第19章 C语言 315

19.1 为什么选择C语言 315

19.2 程序结构 315

19.2.1 主要特征 315

19.2.2 一个C程序的示例 319

19.3 分支和循环 319

19.4 数组 322

19.5 指针 323

19.5.1 指针的算术运算 323

19.5.2 指针和数组 324

19.6 程序开发 324

19.7 程序的示例 325

19.7.1 电动机的启动与关闭 325

19.7.2 读ADC通道 325

本章小结 326

习题 327

第20章 输入／输出系统 328

20.1 接口 328

20.2 输入／输出寻址 328

20.3 接口要求 330

20.3.1 缓冲器 331

20.3.2 握手 331

20.3.3 轮询和中断 332

20.3.4 串行接口 335

20.4 外设接口适配器 335

20.4.1 PIA初始化 337

20.4.2 通过PIA连接中断信号 338

20.4.3 与PIA接口的例子 339

20.5 串行通信接口 339

20.6 接口的示例 342

20.6.1 通过译码器控制七段数码管 342

20.6.2 模拟接口 344

本章小结 345

习题 345

第21章 可编程逻辑控制器 346

21.1 简介 346

21.2 PLC基本结构 346

21.2.1 输入／输出 346

21.2.2 输入程序 348

21.2.3 PLC的形式 348

21.3 输入／输出处理 349

21.3.1 持续更新 349

21.3.2 大规模输入／输出复制 349

21.3.3 I/O地址 349

21.4 梯形图编程 349

21.5 指令列表 352

21.5.1 指令列表和逻辑函数 353

21.5.2 指令列表和分支程序 353

21.6 自锁和内部继电器 354

21.7 顺序控制 356

21.8 定时器与计数器 357

21.8.1 定时器 357

21.8.2 计数器 358

21.9 移位寄存器 359

21.10 主控指令和跳转指令控制 360

21.11 数据处理 361

21.11.1 数据移动 362

21.11.2 数据比较 362

21.11.3 算术运算 362

21.11.4 代码转换 363

21.12 模拟输入／输出 363

本章小结 364

习题 364

第22章 通信系统 367

22.1 数字通信 367

22.2 集中式、分层式与分布式控制 367

22.2.1 并行与串行数据传输 368

22.2.2 串行数据通信方式 368

22.3 网络 369

22.3.1 网络访问控制 370

22.3.2 宽带与基带 370

22.4 协议 370

22.5 开放系统互联通信模型 371

22.6 串行通信接口 373

22.6.1 RS-232 373

22.6.2 20mA电流环 375

22.6.3 I2C总线 375

22.6.4 CAN总线 376

22.6.5 USB 377

22.6.6 火线 378

22.7 并行通信接口 378

22.8 无线协议 381

本章小结 381

习题 382

第23章 故障检测 383

23.1 故障检测技术 383

23.2 看门狗定时器 384

23.3 奇偶校验与误码检测 384

23.4 常见的硬件故障 386

23.4.1 传感器 386

23.4.2 开关和继电器 386

23.4.3 电动机 386

23.4.4 液压和气动系统 386

23.5 微处理器系统 386

23.5.1 故障检测技术 387

23.5.2 系统故障定位方法 389

23.5.3 自测试系统 389

23.6 仿真和模拟 389

23.7 PLC系统 390

23.7.1 程序测试 390

23.7.2 输入／输出测试 391

23.7.3 PLC作为系统的监视器 391

本章小结 392

习题 393

第六部分 总结 395

第24章 机电一体化系统 395

24.1 机电设计 395

24.1.1 定时开关 395

24.1.2 刮水器运动 398

24.1.3 浴室秤 401

24.2 案例研究 404

24.2.1 取放机器人 404

24.2.2 停车栏杆系统 407

24.2.3 数码相机 408

24.2.4 汽车发动机管理 411

24.2.5 条形码阅读器 413

24.2.6 硬盘驱动器 414

本章小结 415

习题 416

第七部分 附录 417

附录A 拉普拉斯变换 417

附录B 数字系统 424

附录C 布尔代数 429

附录D 指令集 437

附录E C库函数 441

附录F MATLAB和SIMULINK 444

附录G 电路分析 449

进一步的参考信息 456

习题参考答案 458

索引 472