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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

CPU275

存储器和地址276

I／O和外设277

ALU277

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

RALU298

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

CPU414

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 MATLAB424

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／CAM435

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LSV531

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