了得網工業技術_機電一體化繫統設計（原書第2版）

內容簡介

本書詳細介紹機電一體化繫統設計方法，共分8章。第1章討論機電一體化設計過程的關鍵內容，探討其發展方向；第2章重點講解繫統建模和仿真；第3章講述幾種傳感器與換能器的基本理論和概念；第4章討論直流電機、步進電機、流體動力設備等驅動繫統；第5章介紹控制和邏輯方法，包括數字化技術的基本原理、數字化理論以及PLC等；第6章介紹機電一體化繫統中的控制設計，並講述根軌跡法和伯德圖設計方法，以及PI、PD、PID等設計過程；第7章討論實時數據采集的理論和實踐；第8章給出幾個利用LabVIEW和VisSim的案例。本書適合作為機械工程、電子工程、工業工程、生物醫學工程、計算機工程，以及機電一體化工程等學科高年級本科生和研究生的教材，也可供相關專業人士參考。

目錄Contents譯者序第2版前言第1章機電一體化繫統設計概述111機電一體化的概念212機電一體化綜合設計313機電一體化的設計過程514機電一體化關鍵組成815機電一體化應用1516本章小結28習題29參考文獻29第2章機電一體化繫統建模與仿真3121算子符號和傳遞函數3222框圖、操作和仿真3323框圖建模——直接方法3824框圖建模——模擬方法4825電氣繫統5526機械平移繫統5927機械轉動繫統6528機電耦合6929流體繫統73210本章小結83習題83參考文獻87第2章附錄87第3章傳感器和換能器9231傳感器和換能器簡介93器件變化的影響——敏度分析9833運動和位置測量傳感器10234測量運動的數字傳感器11435力、扭矩和觸覺傳感器11836振動——加速度傳感器12837流體測量傳感器13538溫度傳感裝置14439傳感器應用148310本章小結167習題168參考文獻173第4章驅動裝置17441直流電機17542永磁步進電機17943流體力驅動18444流體力繫統的組成18745壓電驅動器19746本章小結198習題199參考文獻200第5章繫統控制——邏輯方法20151機電一體化中的數字繫統20252二進制邏輯20653卡諾圖小化21054PLC21555本章小結223習題223參考文獻226第6章信號、繫統和控制22761信號、繫統和控制簡介22862常微分方程的拉普拉斯變換23063繫統表示23464非線性繫統的線性化23865時間延遲24166繫統性能指標24267根軌跡法24968伯德圖25869采用極點配置法設計控制器264610本章小結268習題268參考文獻270第7章信號調制和實時接口27171引言27272數據采集和控制繫統的組成27273傳感器和信號調制27674數據轉換設備27775數據轉換過程28276應用軟件28877本章小結315參考文獻316第8章案例分析31781綜合案例分析31882數據采集案例分析33283數據采集和控制案例分析33984本章小結349習題349參考文獻349附錄350

前言

第2版前言Preface to the Second Edition全球市場的競爭需要采用現代化技術來生產靈活的、功能豐富的產品，使其比現有的產品更好、更便宜、更智能。我們日常所使用的無數的智能產品，從汽車的導航控制繫統到先進的飛行控制繫統，從洗衣機到多功能的精密機器，已經證實了機電一體化的重要性。數字工程、仿真與建模、機電運動設施、電力電子、計算機和信息學、MEMS、微處理器以及DSP等技術的發展，給工業界和學術界帶來了新的挑戰。機電一體化是機械和電子工程、計算機科學以及信息技術的協同組合，包含采用控制繫統、數字方法來設計具有內置智能的產品。機電一體化領域允許工程師將機械、電子、控制工程和信息技術集成到整個產品設計過程中。建模、仿真、分析、虛擬原型以及可視化等都是開發先進的機電一體化產品的關鍵因素。機電一體化設計注重繫統優化，以保證創造與時俱進的合格產品。為了讓機電一體化產品設計一次成功，需要團隊合作以及多部門、多工程學科之間的協調。通過引入新的軟件仿真工具和繫統串接起來工作，促進了繫統集成，創造了一條有效的機電一體化工作道路。本書第1版是面向高年級本科生或研究生的，涵蓋的專業包括機械工程、電子工程、工業工程、生物醫學工程、計算機工程以及機電一體化工程。本書被廣泛應用於美國、加拿大、中國、歐洲、印度和韓國。根據本領域內專家或使用本書的教師的反饋，本書第2版已經進行了大幅擴展和修訂，所以本書不僅仍舊適合於原來的用戶，而且適應於其他新出現的課程。當前，有一種趨勢是將機電一體化包含進傳統的課程體繫中，其目的是給即將畢業的工程師們提供一些綜合的設計經驗。這種經驗來自於使用測量原理、傳感器、驅動器、電子線路以及耦合了設計、仿真和建模的實時接口。有些課程以案例分析作為結尾，通過一個統一的設計項目，將各種各樣的學科集成到一個成功的設計產品中，以便在實驗室環境下就能快速地裝配和分析這個產品。本書第2版已經全部升級了。目標是全面覆蓋多個領域，從而讓讀者理解工程學科的範圍，將這些學科合在一起形成機電一體化的新領域。本書中所用的跨學科方法為機電一體化產品設計提供了技術背景。本書第2版可作為如下課程的教材或參考書： 獨立的機電一體化課程。 現代儀器和測量課程。 混合電子和機械工程課程，涵蓋傳感器、驅動器、數據采集和控制。 跨學科的工程課程，包括建模、仿真和控制。本書特色全面覆蓋傳感器、驅動器、繫統建模，並且將經典的控制繫統設計與實時計算機接口相結合。 工業實際案例分析。 深入討論物理繫統的建模和仿真。 包含框圖、改進的模擬建模方法和的可視化仿真軟件的使用。 展示如何在圖形環境下利用可視化表示方法進行交互式建模，其對設計過程非常重要。 詳細的機電一體化繫統設計方法。 展示如何實現設計過程的一次性成功。第2版新增內容眾多的設計例子，每一章後面都增加了習題，幫助學生理解基本的機電一體化方法。 實現了一個簡單的運動控制模型，其貫穿於全書8章內容，逐步地涵蓋了機電一體化繫統的各個部分。 使用LabVIEW和VisSim軟件進行仿真和實時接口。 包含當前機電一體化和智能制造的發展趨勢。 在實施案例分析時，結合框圖進行描述，強調廣泛應用數學分析、建模仿真、控制和實時接口等工具。 包含傳感器、實時接口、多輸入和多輸出繫統。 從日常生活中踫到的情況中提取設計例子和習題。 描述機電一體化的協同性及其對設計的影響。 半實物仿真例子以及圖解優化設計。 對多輸入和多輸出情況下的控制繫統分析。 全面展示永磁直流電機與霍爾效應傳感器的集成，以及其數學分析和位置控制。 機電一體化虛擬原型繫統的創建。第1章深入討論機電一體化設計過程的關鍵內容，並探討其發展方向。此外，還介紹近年來在智能制造領域機電一體化技術的發展，並討論利用機電一體化方法對傳統設計的改進。第2章重點講解繫統建模和仿真，學生將學習如何利用改進的類比方法從圖形或其他信息中創建精確的計算機動態模型，這裡將傳遞函數變換成框圖模型的過程分成了6步，這種方法將標準的模擬方法和框圖建模方法相結合，其主要的不同之處在於本方法可以直接處理非線性問題，而不需要引入線性化。第2章還介紹在機電一體化中許多常見的物理繫統，這些繫統包件件件件，該章所開發的模型和技術將按機電一體化設計過程的順序用於後續章節。第3章講述傳感器與換能器的基本理論和概念，包括測量儀器的原理、模擬和數字傳感器、位置傳感器、力傳感器、振動傳感器，以及溫度、流體和距離傳感器。第4章討論幾種類型的驅動設備，包括直流電機、步進電機、流體動力設備和壓電驅動器。第5章介紹繫統控制和邏輯方法，包括數字技術和數字理論的基本原理，諸如布爾邏輯運算、模擬和數字電子學以及PLC。第6章介紹機電一體化繫統中的控制及其設計。重點關注真實環境的約束，包括時滯和非線性。詳細介紹根軌跡法和伯德圖設計方法，同時還介紹幾個通用控制結構的設計過程，包括PI、PD、PID、滯後、超前和純增益。第7章討論實時數據采集的理論和實踐。利用可視化編程方法解決信號處理和數據解釋的問題，舉了幾個利用LabVIEW和VisSim的例子。還利用案例分析一個永磁DC齒輪電機位置控制繫統的PI控制器輸出的脈寬調制功能。第8章列舉一繫列適合實驗室研究的案例。所有案例都通過使用通用的輸入/輸出板、可視化仿真環境以及應用軟件來實施，圖形環境的關鍵因素在於機電一體化應用中參與和交互繫統的可視化表示。結合課堂討論、仿真實驗和實驗室的實驗設計，向學生展示一個實際的機電一體化平臺。編寫本書的真正挑戰在於將那些復雜的、看上去毫無聯繫的話題清楚而準確地聯繫起來，這些都是理解機電一體化所必需的。希望本書的讀者能給予反饋意見，讓我們進一步提高本書的質量。對於學生：通過訪問本書對學生開放的配套網站，下載VisSim試用版的說明，網址：wwwcengagecom/engineering/shetty。對於教師：通過訪問本書對教師開放的配套網站，可以獲取更多的資源，網址：wwwcengage.com/engineering/shetty。本書單位說明本書第2版在全書中采用國際單位制（SI）。美國慣用的單位制（USCS）采用FPS（英尺磅秒）單位，也稱英制單位。SI單位主要是MKS（米千克秒）單位。然而CGS（釐米克秒）單位也常被認為是SI單位，特別是在教科書中。本書中既用MKS單位，又用CGS單位。在本書中，正文和習題中的所有USCS單位或FPS單位都已經轉換成SI單位。但是在數據源自手冊、政府標準以及產品手冊的情況下，如果將所有的數據轉換成SI單位，不僅非常困難，而且會侵犯數據源的版權問題。因此，圖、表和參考文獻中的一些數據仍舊采用FPS單位。不熟悉FPS單位和SI單位關繫的讀者可以參考有關的轉換表。為了解決需要使用源數據的問題，在使用源數據進行計算之前，可以將FPS單位轉化成SI單位。采用SI單位的教師版習題答案手冊關於本書教輔資源，用書教師可向聖智學習出版公司北京代表處申請，電話：01082862096/95/97，電子郵件：kaiyao@Cengagecom或asiainfochina@Cengagecom。——編輯注可以通過銷售代表或登錄本書的網站（www.cengage.com/engineering）來獲取。歡迎讀者提出關於本書SI版的反饋意見，這將長期幫助我們提高後續版本的質量。致謝本書中的內容濃縮了作者在哈特福大學、庫珀聯盟學院和勞倫斯理工大學多年的教學和研究成果，也展示了和United Technologies公司、McDonnell Douglas公司及其他企業緊密合作的心得體會。很多評閱書稿的同行為本書做出了巨大的貢獻。首先感謝上過本課程的幾百個學生，在該課程教學過程中，我們測試了教學材料。其次感謝多位教授，他們在本項目的各個階段提供了評論和建議，幫助我們修改草稿。還要感謝哈特福大學的Claudio Campana教授、多倫多大學的Ridha Ben Mrad教授、北卡羅裡納州立大學的M.K. Ramasubramanian教授，以及勞倫斯理工大學的George Thomas。特別感謝哈特福大學的校長Walter Harrison博士、勞倫斯理工大學的校長Lewis Walker博士、阿爾比恩學院的院長 Donna Randall博士、勞倫斯理工大學的教務長Maria Vaz博士、哈特福大學的Lou Manzione主任和Ivana Milanovic博士，感謝他們的鼓勵。還要感謝Visual Solutions公司和National Instruments公司，感謝他們為本書的相關部分提供實時接口的幫助。感謝美國國家科學基金會和機電一體化聯合技術基金會為本項目提供的資助。同事們給予的巨大支持和鼓勵也是無價的。 ——Devdas ShettyRichard Kolk

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