第1章 绪论 1
1.1机械电子工程的概念及发展过程 1
1.2机械电子工程在产品及其设计中的应用 5
1.3机械电子工程在制造业中的应用 8
1.4学习机械电子工程的意义与要求 10
思考题 11
第一篇 执行机构与驱动器 14
第2章 执行与驱动 14
思考题 20
第3章 执行机构 21
3.1基本概念 21
3.1.1几个常用术语 21
3.1.2执行机构的基本作用 22
3.1.3执行机构的分类 22
3.1.4执行机构的几个例子 23
3.2带轮机构 23
3.3链轮机构 24
3.4齿轮机构 24
3.5螺旋机构 26
3.6蜗轮蜗杆机构 27
3.7直线导轨 27
3.8连杆机构 28
3.9凸轮、棘轮和槽轮 29
3.9.1凸轮推杆机构 29
3.9.2棘轮机构 29
3.9.3槽轮机构 30
3.10机架 30
3.11机构的组合 30
思考题 31
第4章 电气执行元件 32
4.1直流电动机 32
4.1.1稳态特性 33
4.1.2动态特性 33
4.1.3直流电动机调速装置 34
4.2交流异步电动机 35
4.2.1交流异步电动机的稳态特性 35
4.2.2交流变频调速 37
4.2.3两相异步执行电动机的电压控制 39
4.3步进电动机 40
4.3.1反应式步进电动机的工作原理 40
4.3.2步进电动机的起动和运行 41
4.3.3步进电动机的主要参数与性能指标 41
4.3.4步进电动机的控制系统及功率驱动电源 42
4.3.5步进电动机的选用原则 43
4.4直线电动机 45
4.4.1直线电动机的基本原理 45
4.4.2直线电动机的分类 46
4.4.3直线电动机的特点 46
4.5电力电子器件 47
思考题 48
第5章 液压与气动执行装置 49
5.1能源装置 50
5.1.1液压能源装置 50
5.1.2气动能源装置 51
5.2执行元件 52
5.2.1液压执行元件 52
5.2.2气动执行元件 55
5.3控制元件 56
5.3.1液压控制元件 56
5.3.2气动控制元件 60
5.4辅助元件 62
5.4.1液压系统典型辅助元件 62
5.4.2气动系统典型辅助元件 63
5.5基本回路 64
5.5.1液压基本回路 64
5.5.2气动基本回路 66
思考题 68
第二篇 测量系统 70
第6章 测量与感知 70
6.1测量系统的基本性能 71
6.1.1精度 71
6.1.2稳定性 72
6.1.3输入输出特性 72
6.2测量方法 74
6.2.1直接法、间接法测量 74
6.2.2偏差式、零位式、微差式测量法 74
6.3测量误差 75
6.3.1绝对误差和相对误差 75
6.3.2工具误差和方法误差 75
6.3.3系统误差、随机误差和粗大误差 76
6.4信号处理和信息管理 76
6.5测量系统的设计 77
思考题 80
第7章 传感器与转换器 81
7.1概述 81
7.1.1传感器和转换器的分类 82
7.1.2传感器技术的发展 82
7.2电阻型传感器 83
7.2.1电位器 83
7.2.2应变片 84
7.2.3电阻式温度传感器 85
7.3电容式传感器 86
7.4电感式传感器 88
7.4.1线性可调差动变压器 88
7.4.2线性可调电感传感器 89
7.4.3感应同步器 89
7.4.4电感式速度传感器 90
7.5热电传感器 90
7.6光电传感器 91
7.6.1光电探测器 91
7.6.2光电编码器 95
7.7固体传感器 96
7.7.1磁场的测量 97
7.7.2温度的测量 98
7.8压电传感器和超声换能器 99
7.8.1压电器件 99
7.8.2超声系统 101
7.8.3超声法测流量 101
7.8.4超声法测距离 102
7.9传感器的线性化 103
7.9.1模拟线性化技术 103
7.9.2数字线性化技术 103
思考题 104
第8章 信号处理 105
8.1运算放大器基本电路 105
8.1.1理想运算放大器 105
8.1.2反相放大器 106
8.1.3同相放大器 106
8.1.4差动放大器 107
8.1.5积分器 108
8.1.6微分器 108
8.1.7电荷放大器 108
8.1.8电流一电压转换器 109
8.1.9电压—电流转换器 109
8.1.10对数放大器 110
8.1.11比较器 110
8.1.12施密特触发器 110
8.2实用运算放大器 111
8.2.1放大器的性能指标 112
8.2.2斩波稳零放大器 113
8.2.3自动调零放大器 113
8.3信号隔离 114
8.3.1隔离放大器 114
8.3.2隔离变压器 114
8.3.3光隔离器 115
8.4相敏检波器和锁相环 115
8.4.1相敏检波器 115
8.4.2锁相环 115
8.5多路复用 115
8.5.1时分复用 115
8.5.2频分复用 116
8.6滤波器 116
8.6.1模拟滤波器 116
8.6.2数字滤波器 118
8.6.3预处理滤波器和后整理滤波器 119
8.7数字信号的处理和分析 119
8.7.1数字信号处理 119
8.7.2离散傅里叶分析 120
8.8信号处理技术的发展 120
8.8.1智能型敏感器件 120
8.8.2专家系统、人工智能在测量中的应用 121
思考题 121
第9章 干扰与噪声 122
9.1电磁干扰和噪声的分类 122
9.1.1按电磁干扰的来源分类 122
9.1.2按电磁干扰的发生机理分类 123
9.1.3按噪声的发生机理分类 124
9.1.4按噪声的频谱特点分类 125
9.1.5噪声因子 125
9.2干扰的传播途径 125
9.2.1干扰通过导线传输到输入端口 126
9.2.2干扰通过共阻抗耦合 127
9.2.3干扰通过空间传播 127
9.3干扰对敏感设备的影响 128
9.3.1敏感度门限 128
9.3.2干扰对模拟电路的影响 128
9.3.3干扰对数字电路的影响 129
9.4干扰的抑制和防护技术 129
9.4.1输入端传导防护 130
9.4.2滤波 130
9.4.3屏蔽与防护 131
9.4.4接地 132
9.4.5隔离 133
9.5系统内部器件产生的干扰及其抑制 133
9.5.1晶闸管产生的噪声及其抑制 134
9.5.2电感性负载切断时产生的瞬变噪声及其抑制 135
9.5.3负载接通时的冲击电流及其抑制 136
9.5.4开关触点的抖动 136
9.5.5电源变压器干扰的抑制 137
9.6软件抗干扰技术 137
9.6.1软件陷阱和“看门狗” 137
9.6.2变采样周期 138
9.6.3数字滤波 138
9.6.4判断剔除干扰 138
思考题 139
第三篇 嵌入式控制系统 142
第10章 机械电子系统中的微处理器 142
10.1嵌入式微处理器系统 142
10.1.1嵌入式微处理器系统的特点 142
10.1.2嵌入式系统的发展历史 144
10.1.3嵌入式系统的发展趋势 145
10.2机械电子系统中微处理器的作用 146
10.3嵌入式系统的设计方法 147
10.3.1模块化：一种行之有效的嵌入式系统设计方法 148
10.3.2嵌入式系统标准模块——PC／104总线模块 150
思考题 151
第11章 嵌入式微处理器系统的应用设计 152
11.1微处理器与内存及I／O接口电路的连接 152
11.1.1存储器与I／O端口的编址方式 153
11.1.2微处理器系统中的地址译码技术 156
11.1.3系统总线负载能力的考虑 160
11.2微处理器与数字式外部设备的接口 161
11.2.1键盘的接口 161
11.2.2七段LED数码管的接口 165
11.3过程通道 166
11.3.1过程通道的分类 166
11.3.2模拟信号的采样、量化和编码 167
11.4模拟量输入通道 169
11.4.1模拟量输入通道的一般组成 170
11.4.2多路转换器 170
11.4.3可编程放大器 172
11.4.4采样／保持器 173
11.5 D／A转换与A／D转换技术 174
11.5.1 D／A转换原理 174
11.5.2 A／D转换原理 176
11.6模拟量输出通道 178
11.6.1多路模拟量输出通道的结构形式 178
11.6.2单片D／A转换器及其与微处理器的接口 179
11.6.3双极性模拟量输出的实现 180
思考题 181
第12章 机械电子系统的建模 182
12.1机械电子系统的描述方法 183
12.1.1机械电子系统的状态信息 183
12.1.2状态变量的几种类型 183
12.1.3不同类型的变量与不同类型的模型 184
12.1.4复杂系统的建模方法 184
12.2控制对象的数学模型 185
12.2.1数学模型 185
12.2.2线性与非线性系统 186
12.2.3时域解析模型与时域分析 186
12.2.4拉普拉斯变换 187
12.2.5解析建模的方法 187
12.3一、二阶线性定常系统的解析建模 188
12.3.1机械系统建模 188
12.3.2电路系统建模 189
12.3.3液位系统建模 190
12.4一、二阶线性常系数齐次微分方程的典型形式 191
12.4.1一阶线性常系数齐次微分方程的典型形式 191
12.4.2二阶线性常系数齐次微分方程的典型形式 191
12.5一、二阶线性定常系统的单位阶跃响应 192
12.5.1一阶线性定常系统的单位阶跃响应及时域分析 192
12.5.2二阶线性定常系统的单位阶跃响应及时域分析 193
12.6系统的物理仿真 195
12.6.1相似性原理 195
12.6.2物理仿真 195
思考题 196
第13章 机械电子系统中的微机控制 197
13.1顺序控制和数值控制 197
13.1.1顺序控制 197
13.1.2数值控制 198
13.2开环控制系统与闭环控制系统 199
13.2.1开环控制系统 199
13.2.2闭环控制系统 199
13.3控制系统的品质和性能指标 200
13.4闭环控制系统的构成及PID控制 201
13.4.1常规PID控制 202
13.4.2分离式PID控制 204
13.5 PID参数整定 205
13.5.1采样周期的选择 205
13.5.2 PID参数整定的方法 205
13.6 PID控制的改进 206
13.6.1控制器饱和 206
13.6.2防止控制器饱和的基本措施 207
13.6.3积分项的改进 207
13.6.4微分项的改进 207
13.7智能型自适应PID控制 209
13.8模糊控制器及其特点 211
13.8.1经典和现代控制理论的发展及应用 211
13.8.2模糊控制理论的发展及应用 212
13.8.3模糊量及模糊控制 212
13.8.4模糊集合和隶属函数的概念 213
13.9模糊控制器的设计 216
13.9.1精确量的模糊化 216
13.9.2模糊控制规则的构成 216
13.9.3输出信息的模糊判决 220
13.10模糊控制方法在温度控制系统中的应用 221
13.10.1 PID控制系统 221
13.10.2 PID控制与模糊控制的实验比较 223
思考题 226
第14章 机械电子系统的网络监控 227
14.1控制系统和通信系统的分层体系 227
14.2数据通信基础 229
14.2.1信号带宽和信道容量 229
14.2.2信道的主要技术指标 229
14.2.3通信介质和通信线路的连接形式 230
14.2.4信道的通信方式 231
14.2.5数据传输方式和调制方式 232
14.2.6同步方式 233
14.3数据通信网络的体系结构 234
14.3.1资源共享 235
14.3.2开放系统互连模型 235
14.4局域网 237
14.4.1局部网的拓扑结构 237
14.4.2局域网协议结构 238
14.5工业现场中的通信 240
14.5.1现场总线的发展 240
14.5.2现场总线标准 241
14.5.3现场总线的典型结构 242
14.5.4现场总线的特点 243
思考题 244
第15章 机械电子系统的总体设计 245
15.1机械电子系统设计概述 245
15.1.1机械电子工程设计方法的特点 245
15.1.2机械电子系统中的控制 248
15.1.3机械电子系统的设计过程 249
15.2机械电子系统中的机构 250
15.2.1机构的作用 251
15.2.2机构的载荷传递及应力分布 252
15.2.3机构的建模和仿真 254
15.3机械电子系统的结构 255
15.3.1结构的作用 255
15.3.2结构的载荷及应力 256
15.3.3结构的柔性 256
15.3.4结构的建模分析 257
15.3.5机械电子系统的外壳与封装 257
15.4机械电子系统人-机界面的设计 258
15.4.1工业设计和人体工程学 258
15.4.2人-机信息交互 259
15.5安全性 261
15.5.1操作者的安全 261
15.5.2系统的安全 262
思考题 263
第四篇 系统应用 266
第16章 软盘驱动器 266
16.1磁头系统 266
16.1.1磁头小车 267
16.1.2磁头小车的运动 267
16.2主轴系统 267
16.2.1直流无刷电动机 267
16.2.2转子位置传感器 269
16.3磁头系统与主轴系统的协同工作 269
16.3.1磁道格式 269
16.3.2读写操作 270
16.3.3控制器的作用 271
16.3.4工作状态检测 271
16.4磁盘进出机构 272
16.5主板 272
16.6盘片和盘套 274
16.7主要技术特性 274
思考题 275
第17章 关节式机器人设计 276
17.1关节式机器人简介 276
17.2总体设计 276
17.2.1系统分析 276
17.2.2技术设计 277
17.2.3仿真分析 280
17.3机器人机械本体的设计 284
17.4机器人控制系统的设计 285
17.4.1机器人控制系统的组成 285
17.4.2机器人运动轨迹的控制 285
思考题 286
第18章 移动式机器人设计 287
18.1移动式机器人简介 287
18.2移动式机器人的行走机构 288
18.2.1车轮式 288
18.2.2履带式 289
18.2.3足式 289
18.3一种瑞士轮式全方位移动机器人的设计 289
18.3.1机构设计方案的选择 289
18.3.2全方位移动机器人的机构设计 291
18.3.3全方位移动机器人的运动学分析 293
思考题 295
第19章 移动式机器人视觉导航系统的设计 296
19.1计算机视觉简介 296
19.2立体视觉概述 296
19.2.1生物视觉系统 296
19.2.2机器人立体视觉的原理 297
19.3摄像机标定 298
19.3.1摄像机模型 298
19.3.2摄像机标定过程 300
19.4图像理解 300
19.4.1道路检测 301
19.4.2障碍物检测 302
19.5机器人视觉导航的应用 304
思考题 305
第20章 飞行动力训练地面模拟系统的设计 306
20.1转速控制简介 306
20.2初步设计 307
20.2.1设计任务的设想 307
20.2.2系统方案的选择 307
20.2.3设计要求 310
20.3具体设计 310
20.3.1设计中的问题 311
20.3.2设计方法 311
20.3.3模拟驾驶环境 321
20.3.4安全问题 321
思考题 322
参考文献 323