Applied Mechatronics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford Univ Pr

作者:Not Available (NA)

出品人:

页数:848

译者:

出版时间:

价格:98

装帧:Pap

isbn号码:9780195322392

丛书系列:

图书标签:

• Mechatronics
• Robotics
• Automation
• Control Systems
• Engineering
• Mechanical Engineering
• Electrical Engineering
• Sensors
• Actuators
• Embedded Systems

机械电子学前沿：面向智能系统的设计与实现 内容简介 本书深入探讨了现代机械电子学（Mechatronics）的理论基础、核心技术以及在面向智能系统设计与实现中的关键应用。它旨在为读者提供一个全面且深入的视角，超越传统机械与电子工程的界限，聚焦于如何有效地集成机、电、控、算等多领域知识，以构建高性能、高可靠性、高智能化的复杂系统。 本书结构严谨，内容涵盖了从基础的传感、驱动技术到先进的系统集成、智能控制策略，并辅以大量实际工程案例，确保理论与实践的紧密结合。 --- 第一部分：机械电子系统基础与建模 本部分奠定了理解复杂机械电子系统的必要理论框架，重点关注系统的物理建模、动态特性分析以及关键元件的机电耦合机制。 第一章：机械电子系统概述与集成化思维 本章首先界定了现代机械电子学的核心概念，强调其跨学科的本质。它详细阐述了从纯机械系统到机电一体化，再到当前智能系统的演进路径。重点讨论了系统集成（System Integration）的挑战与机遇，包括不同工程领域语言的统一、模块化设计方法（如面向对象的设计原则在硬件描述中的应用）以及生命周期管理（PLM）在机电产品开发中的重要性。 第二章：传感器技术与信号调理 传感器是系统感知世界的窗口。本章深入剖析了各类关键传感器的工作原理、性能指标（如精度、分辨率、迟滞和噪声特性）及其在恶劣工业环境下的鲁棒性设计。内容覆盖了： 位置与位移测量： 高精度编码器（光学、磁性）、激光测距仪及其在反馈回路中的应用。 力与扭矩传感： 应变片理论的深入分析、压电传感器和智能力矩传感器在人机交互（HRI）中的应用。 环境感知： 机器视觉的基础理论、超声波与雷达在障碍物检测中的优势与局限。 信号调理与数字化： 噪声抑制技术（如滤波器设计）、模数转换器的关键参数选择，以及数据采集的同步与时间戳处理。 第三章：执行器技术与动力学 执行器是系统实现动作的物理载体。本章系统地梳理了现代机械电子系统中常用的驱动技术，并侧重于其动态特性建模。 电机驱动系统： 详细分析了直流无刷电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）的电磁学基础和等效电路模型。探讨了伺服驱动器的脉冲宽度调制（PWM）策略及其对电机动态响应的影响。 非电机驱动： 气动和液压系统的建模，包括流量控制阀的非线性特性分析和快速响应系统的设计考量。 摩擦学与磨损分析： 探讨了机械部件（如轴承、导轨）的摩擦模型（如Stribeck模型），以及摩擦补偿技术在提高低速定位精度中的作用。 第四章：系统建模与仿真 精确的系统模型是进行有效控制和优化设计的前提。本章聚焦于多物理场耦合系统的建模方法。 状态空间表示法： 建立高阶线性与非线性系统的标准状态空间模型。 拉格朗日-欧拉法： 在复杂机械结构（如机械臂）动力学分析中的应用，导出系统的微分方程组。 有限元方法（FEM）与多体动力学（MBD）： 如何利用这些工具分析结构柔性、振动模式及其对控制性能的影响。 混合建模（Hybrid Modeling）： 结合离散事件（如开关、逻辑判断）与连续动态过程的仿真技术。 --- 第二部分：智能控制与反馈设计 本部分将理论模型转化为实际的控制律，重点研究如何利用先进的控制算法来提升系统的性能、适应性和鲁棒性。 第五章：经典反馈控制回顾与扩展 本章复习了PID控制的局限性，并介绍了如何通过现代控制理论解决实际工程中的非理想问题。 根轨迹与频率响应分析： 系统稳定性裕度和性能指标（如超调、建立时间）的精确设计。 前馈控制与耦合解耦： 针对多输入多输出（MIMO）系统，设计前馈补偿器以快速跟踪参考信号，并利用逆模型进行内部耦合的解耦。 延迟与非线性补偿： 讨论了Smith预估器等先进方法处理系统固有时间延迟的方法。 第六章：先进自适应与鲁棒控制 面对系统参数的在线变化（如负载变化、磨损），自适应控制是保证系统性能的关键。 鲁棒控制基础： $mathrm{H}_{infty}$ 控制理论在约束性能设计中的应用，确保系统在模型不确定性下的稳定性。 自整定与参数估计： 最小二乘法（LMS）在在线辨识系统参数中的应用，以及基于梯度下降的自整定PID控制器。 滑模控制（SMC）： 深入探讨SMC在处理外部扰动和强非线性时的超强鲁棒性，并分析其“抖振”现象及其抑制策略。 第七章：基于计算智能的控制策略 随着计算能力的提升，智能算法在复杂系统优化控制中的作用日益凸显。 模糊逻辑控制（FLC）： 模糊规则库的构建、隶属度函数的选择以及Fuzzy-PID混合控制器的设计，适用于缺乏精确数学模型的系统。 神经网络在系统辨识与控制中的应用： 使用前馈神经网络实时逼近系统逆模型，实现高精度跟踪。 强化学习（RL）在决策中的初步应用： 探讨了如何将RL应用于运动规划和复杂任务序列的优化调度，而非传统的闭环反馈。 --- 第三部分：系统集成、嵌入式实现与应用 本部分关注如何将理论转化为可运行、可部署的物理产品，强调硬件架构、实时性要求和数据通信协议。 第八章：嵌入式控制系统架构 现代机械电子系统的核心往往是一块高性能的嵌入式控制器。本章详细介绍了工业级嵌入式系统的设计要求。 实时操作系统（RTOS）选型： 对FreeRTOS、VxWorks等RTOS在任务调度、中断响应和资源管理上的对比分析。 微控制器（MCU）与数字信号处理器（DSP）： 高速运算单元的选择标准，特别是对浮点运算单元（FPU）和快速ADC接口的要求。 可靠性与安全设计： 硬件看门狗定时器、电源管理、电磁兼容性（EMC）设计规范。 第九章：数据通信与网络化控制 工业4.0的实现依赖于系统间的无缝通信。本章专注于工业现场总线与物联网（IoT）集成。 现场总线技术深入解析： EtherCAT、CANopen和Profinet在同步性、带宽和拓扑结构上的差异化应用。 时间敏感网络（TSN）： 讨论TSN技术如何保证确定性以满足高精度控制回路的需求。 安全通信： 数据加密与身份验证在开放网络环境下集成控制设备的必要性。 第十章：典型机电系统案例分析 本章通过分析几个具有代表性的复杂机电系统，综合运用前述章节的知识点，展示系统级的设计流程。 高精度运动平台设计： 涉及刚柔耦合分析、双闭环控制以及振动抑制技术。 自主移动机器人（AMR）的感知与导航： 传感器融合（Sensor Fusion）算法、局部路径规划与全局地图构建的集成。 智能制造中的人机协作系统： 侧重于力矩控制、安全区域监测以及基于视觉的意图识别。 结论与展望 本书最后总结了当前机械电子学面临的挑战，如超高速/超高精度制造、人机安全共存、以及异构系统间的互操作性。展望了量子传感、AI驱动的自主系统设计等未来发展方向。 --- 本书内容翔实，分析深入，不仅适用于机械、电子、自动化专业的高年级本科生和研究生，也是从事精密仪器、机器人、航空航天及高端装备制造业的工程师进行知识更新和项目研发的理想参考手册。阅读本书，将使读者建立起一个完整、现代化的机械电子系统认知框架。

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