第1章緒論/1

1.1機電一體化的概念/1

1.2機電一體化的發展階段/7

1.3機電一體化設計方法/9

1.4機電一體化繫統的應用領域/11

1.5機電一體化技術發展趨勢/12

第2章繫統建模與仿真/15

2.1常微分方程的拉普拉斯變換/15

2.2繫統的傳遞函數形式/31

2.3繫統的框圖形式/37

2.4機械繫統/42

2.5電氣繫統/59

2.6機電耦合繫統/65

2.7流體繫統/70

2.8多輸入多輸出繫統/76

第3章傳感與檢測/83

3.1傳感器基礎/83

3.2位置傳感器/92

3.3速度傳感器/113

3.4力和扭矩傳感器/116

3.5加速度傳感器/130

3.6溫度傳感器/133

3.7距離測量原理與方法/139

第4章驅動裝置/144

4.1步進電機/145

4.2伺服電機/160

4.3永磁同步電機/172

4.4交流感應伺服電機/183

第5章可編程序控制器/191

5.1PLC的結構與工作原理/191

5.2S7200繫列PLC的存儲器區域/203

5.3S7200繫列PLC的基本指令/207

5.4S7200繫列PLC的基本功能指令/213

5.5PLC繫統設計應用案例/218

第6章繫統分析與校正/225

6.1繫統的穩定性/225

6.2繫統的精確度/231

6.3繫統的動態特性/234

6.4基於根軌跡法的校正/240

6.5基於伯德圖的校正/262

第7章PID控制技術/270

7.1PID控制原理/270

7.2模擬PID控制/273

7.3數字PID控制/274

7.4PID各環節對控制繫統的影響/277

7.5數字PID控制算法的改進/280

7.6數字PID參數整定/285

7.7PID控制應用案例/289

第8章分數階PIλDμ控制技術/294

8.1基本函數/294

8.2分數階微積分定義/296

8.3分數階控制繫統/298

8.4分數階PIλDμ控制器設計/299

8.5分數階PIλDμ控制器應用案例/312

參考文獻/341 

從共享單車的智能鎖到汽車的自動駕駛，從噴灑農藥的無人機到工業磁盤的精密驅動控制，無不體現出機電一體化繫統的廣泛應用和產品的快速迭代。數字工程、仿真與建模、機電運動裝備、微機電繫統(MEMS)、微處理器及數字信號處理器(DSP)等技術的飛速發展，給工業界和學術界帶來了新的挑戰。在智能制造時代，機電一體化繫統的設計，不同於從前，它比以往任何時候都需要多學科融合、多團隊協同。它通過集成機械、電子、計算機科學與信息技術，采用控制繫統、數字方法，實現智能產品和繫統的設計。機電一體化的獨特之處在於：工程師可將機械、電子、計算機科學與信息技術集成到整個產品的設計過程中。建模、仿真、分析、虛擬原型和可視化驗證等都是開發新型機電一體化產品的關鍵過程和方法。基於此，本書強調繫統規劃的與時俱進，重視設計的方法論和控制策略的精準性，著重討論機電一體化繫統設計的基本理論、數學建模、仿真、控制及相關的關鍵技術，通過機電有機結合的方法，構造機電一體化繫統的*佳設計框架，目的是培養具有繫統分析、頂層設計能力的機電一體化繫統設計人纔。本書是在華中科技大學“雙一流”建設項目——“交叉學科研究生高水平課程”支持下完成的。為了適應機械電子工程、機械設計制造及其自動化、機電一體化專業和其他相近專業的教學要求，我們編寫了這本面向大學高年級和研究生的專業教材。學習本書需要有一定的機械制造技術、數值分析、傳感器與檢測技術、電子計算機技術、控制工程和MATLAB/Simulink等相關基礎知識。在參考了國內外大量機電一體化技術文獻、教材和著作的基礎上，作者結合在機械設計制造及其自動化專業本科生、研究生的多年教學經驗和科研成果編寫了本書。對於機電一體化繫統設計的基礎知識，如機械設計、單片機、工控機等，鋻於大多數高等院校的相關專業已經設置相應課程，同類教材也多有涉及，本書不再贅述，而是重點論述機電一體化繫統分析和設計所必需的典型知識、共性技術，強調繫統的數字建模、仿真分析、控制策略和綜合應用技術，以匹配本書規劃的定位。全書共分為8章。第1章深入討論了機電一體化設計過程的關鍵內容，對比了機電一體化傳統設計和新型設計方法，並探討了其發展方向；第2章重點講解了繫統建模和仿真，介紹了機電一體化中許多常見的物理繫統，這些繫統包件件等，討論了其獨立建模和耦合建模方法；第3章講述了傳感器和換能器的基本原理和特性，包括位置傳感器、速度傳感器和加速度傳感器等；第4章討論了幾種類型的驅動設備，包含步進電機、直流電機和交流電機；第5章闡述了可編程序控制器原理及應用案例；第6章介紹了機電一體化繫統的分析、設計與校正，詳細討論了基於根軌跡法和伯德圖的控制器設計和校正方法。第7章和第8章分別介紹了PID控制技術和分數階PIλDμ控制技術。本書第1章由許劍鋒編寫，第2章到第7章由彭義兵編寫，第8章由羅映編寫，全書由彭義兵統稿。研究生吳琪、顏東鵬、朱思勰、杜瑩瑩、吳竟寧、雷若山、劉璇做了大量資料收集和圖表繪制工作，在此向他們表示衷心的感謝。感謝華中科技大學創新研究院、機械科學與工程學院對本項目的支持。此外，華中科技大學出版社對本書的出版也給予了極大支持，在此深表感謝。本書涉及的專業範圍很廣，限於作者水平，書中難免存在不足與疏漏之處，懇請讀者批評指正。