第一章 引论 1
1.1 机电一体化基本概念 1
1.1.1 机电一体化的起源 1
1.1.2 机电一体化的发展 2
1.1.3 机电一体化的范畴 3
1.1.4 机电一体化系统的基本组成要素 4
1.2 机电一体化的理论基础与共性关键技术 7
1.2.1 机电一体化的理论基础 7
1.2.2 机电一体化的共性关键技术 8
1.3 现代制造业中的机电一体化技术 11
1.3.1 现代制造系统与新生产方式 11
1.3.2 机床产业数控化 20
1.3.3 机器人产业兴起 21
1.3.4 未来的工厂 22
1.4 机电一体化发展趋势 23
1.4.1 机电一体化与高新技术发展战略 23
1.4.2 从典型机电一体化产品看机电一体化发展趋势 24
第二章 机电一体化系统数学建模 28
2.1 机械系统模型 28
2.1.1 机械移动系统 28
2.1.2 机械转动系统 31
2.2 电路系统模型 33
2.2.1 电路网络 33
2.2.2 控制电机 37
2.3 液压、气压系统模型 41
2.3.1 液压伺服马达的传递函数 42
2.3.2 气动伺服马达的传递函数 48
2.3.3 液压力矩放大器 52
2.3.4 气动伺服马达中的平衡气瓶 53
2.3.5 电液伺服阀 54
2.4 热力系统模型 57
2.4.1 热力系统元件 57
2.4.2 热力系统建模 58
2.5 连续系统模型统一性 59
2.5.1 统一性元件 60
2.5.2 统一性元件关系 61
2.6 数字系统模型 63
2.6.1 离散时间系统模型 63
2.6.2 采样器与数据保持 65
2.6.3 数字控制器模型 67
2.6.4 采样数据系统模型 69
2.7 机电一体化系统建模实例 71
2.7.1 位置随动系统 71
2.7.2 电液伺服系统 75
习题 78
第三章 机电一体化系统检测与转换技术 81
3.1 概述 81
3.2 传感器测量误差 81
3.2.1 误差的基本概念 82
3.2.2 误差的分类 82
3.3 传感器的一般特性 84
3.3.1 传感器的静态特性 84
3.3.2 传感器的动态特性 86
3.4 机电一体化系统传感器分类 86
3.4.1 传感器分类 86
3.4.2 不同领域使用的传感器 87
3.5 位移检测 88
3.5.1 电感式位移传感器 88
3.5.2 电容式位移传感器 90
3.5.3 光栅 92
3.5.4 感应同步器 93
3.6 速度、加速度检测 95
3.6.1 速度检测 95
3.6.2 加速度检测 96
3.7 力和扭矩检测 96
3.7.1 力能检测 97
3.7.2 转矩（扭矩）检测 98
3.8 位置检测 99
3.8.1 接触式位置传感器 99
3.8.2 接近式位置传感器 100
3.9 其他工程量检测 101
3.9.1 温度检测 101
3.9.2 湿度检测 102
3.9.3 流量检测 104
3.9.4 气体检测 105
3.10 几种重要的传感器检测技术 106
3.10.1 超声波传感器检测 106
3.10.2 霍耳传感器检测 107
3.10.3 光传感器检测 108
3.11 传感器信号变换和处理 111
3.11.1 测量放大器 111
3.11.2 程控增益放大器 112
3.11.3 隔离放大器 113
3.12 传感器接口技术 114
3.12.1 传感器信号的采样／保持 114
3.12.2 多通道模拟信号输入技术 115
3.12.3 A/D转换器接口技术 118
3.13 数字滤波技术 120
3.13.1 算术平均值法 120
3.13.2 中值滤波法 120
3.13.3 防脉冲干扰平均值法 121
3.13.4 惯性滤波法 121
3.13.5 程序判断滤波法 121
3.14 传感器非线性补偿处理 122
习题 125
第四章 机电一体化系统驱动技术与执行装置 127
4.1 概述 127
4.2 典型载荷分析 127
4.2.1 摩擦载荷 127
4.2.2 惯性载荷 128
4.2.3 环境载荷 129
4.3 负载的力矩特性 130
4.4 传动链的精度分析 135
4.4.1 传动精度的概念 135
4.4.2 提高传动精度的结构措施 136
4.5 电动机驱动系统 140
4.5.1 直流电动机拖动系统 141
4.5.2 交流电动机拖动系统 149
4.5.3 步进电动机拖动系统 152
4.5.4 力矩电动机拖动系统 157
4.6 液压驱动系统和气压驱动系统 162
4.6.1 液压传动系统 163
4.6.2 气压传动系统 166
4.7 其他新型驱动系统 167
4.7.1 压电驱动器 167
4.7.2 超声波驱动器 168
4.7.3 磁致伸缩驱动器 169
习题 169
第五章 机电一体化中的计算机系统 171
5.1 概述 171
5.1.1 微处理器简介 171
5.1.2 一个简单控制系统举例 173
5.1.3 工业控制机的主要特点 174
5.1.4 工业控制机简介 176
5.2 计算机控制系统 178
5.2.1 计算机控制系统基本结构 179
5.2.2 计算机控制系统的组成 179
5.2.3 计算机控制系统的分类 181
5.2.4 计算机控制系统的发展 184
5.3 总线 185
5.3.1 总线概述 185
5.3.2 常用计算机总线 190
5.4 现场总线 199
5.4.1 现场总线概述 199
5.4.2 常用现场总线 204
5.5 串行数据通信 211
5.5.1 串行通信 211
5.5.2 通信总线及规程 213
5.6 计算机控制网络 218
5.6.1 局部网络 218
5.6.2 网络的组成 219
5.6.3 典型的工业控制局部网络简介 223
5.7 CompactPCI/PXI总线工业控制机 225
5.7.1 工业控制机的发展及其应用 225
5.7.2 CompactPCI/PXI总线技术的产生和发展 228
5.7.3 CompactPCI总线及其特点 229
5.7.4 PXI总线规范 230
5.7.5 CompactPCI/PXI的热插拔技术 233
5.7.6 CompactPCI/PXI技术的应用 235
5.8 PLC工业控制机 236
5.8.1 概述 236
5.8.2 PLC的基本指令 241
5.8.3 状态转移图及编程方法 246
习题 253
第六章 机电一体化系统常见控制技术 256
6.1 PID控制 256
6.1.1 模拟PID控制器 256
6.1.2 数字PID控制算法 257
6.1.3 对标准PID算法的改进 258
6.1.4 PID的参数整定 260
6.1.5 采样周期的选取 263
6.2 常见复杂控制 264
6.2.1 串级控制 264
6.2.2 前馈控制 267
6.2.3 纯滞后补偿控制 271
6.2.4 多变量解耦控制 274
6.3 模糊控制 278
6.3.1 模糊数学基础 278
6.3.2 模糊控制原理及设计 280
6.4 智能控制 290
6.4.1 多级递阶智能控制 290
6.4.2 专家控制系统与专家控制器 291
6.4.3 仿人智能控制 293
6.4.4 自寻优模糊智能控制系统 295
6.4.5 学习控制系统 295
6.4.6 自学习控制系统 295
6.4.7 基于神经元网络的控制系统 295
6.5 神经网络控制 297
6.5.1 神经网络理论基础 297
6.5.2 神经网络控制 300
习题 301
第七章 机电一体化系统设计及实例 303
7.1 机电一体化系统设计概述 303
7.1.1 总体设计过程 303
7.1.2 总体设计原则与方法 305
7.1.3 总体设计中的关键因素 307
7.2 机电一体化系统开发的基本思路 309
7.2.1 机电一体化系统分析 309
7.2.2 机电一体化系统开发过程 310
7.3 机电一体化系统的干扰抑制与处理 315
7.3.1 现场干扰的抑制与隔离 315
7.3.2 从可靠性设计入手提高机电一体化产品的抗干扰能力 317
7.3.3 从安装和工艺等方面采取措施以消除干扰 318
7.4 机电一体化系统应用举例 320
7.4.1 计算机集成制造系统（CIMS） 320
7.4.2 锭脚加工机床的数控改造 325
7.4.3 直线加速器微机测控系统 329
7.4.4 点焊机器人 332
7.4.5 纸张定量、水分测控系统 334
7.4.6 水泥回转窑热工系统稳定控制 338
7.4.7 微波电子枪阴极热功率平衡控制系统 345
习题 352
附录 拉普拉斯变换和Z变换 354
Ⅰ.拉普拉斯变换 354
Ⅱ.Z变换 358
参考文献 365