机电系统计算机控制工程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:熊世和 编

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:1999-8

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787810651967

丛书系列:

图书标签:

• 机电系统
• 计算机控制
• 工程
• 自动化
• 控制工程
• 电气工程
• 机械工程
• 嵌入式系统
• 智能控制
• 工业控制

《现代机电一体化系统设计与应用》 引言 在科技飞速发展的今天，机电一体化技术已成为推动工业自动化、提升生产效率和改善产品性能的核心驱动力。从精密制造到航空航天，从智能家居到医疗设备，机电一体化系统无处不在，深刻地改变着我们的生活与工作方式。本书旨在系统地阐述现代机电一体化系统的设计原理、关键技术、分析方法以及实际应用，为读者提供一个全面而深入的理解框架，帮助工程师、技术人员和相关专业学生掌握构建高效、可靠、智能机电一体化系统的必备知识与技能。 第一章 机电一体化系统概述 本章将深入探讨机电一体化系统的基本概念、发展历程、核心组成要素及其相互作用。我们将首先定义机电一体化，阐释其“机”与“电”的深度融合如何实现功能的集成与优化。随后，追溯机电一体化技术从早期机械自动化到现代智能控制的发展轨迹，分析其技术革新驱动力，例如微处理器、传感器、执行器以及先进控制算法的进步。 接着，我们将详细解析机电一体化系统的典型构成，包括机械结构、电气驱动、传感器与测量单元、控制器以及人机交互界面。每个组成部分的功能、作用以及它们之间如何协同工作将得到细致的讲解。通过对不同类型机电一体化系统（如工业机器人、数控机床、自动化生产线）的案例分析，读者将能更直观地理解机电一体化设计的复杂性与创造性。最后，本章将概述机电一体化技术在国民经济各领域的重要意义和广阔前景，激发读者对该领域的学习热情。 第二章 机械设计与制造基础 作为机电一体化系统的物理载体，精良的机械设计是系统性能的基石。本章将重点关注机电一体化系统中机械部分的特殊设计要求和制造工艺。我们将回顾机械设计的基本原理，包括材料选择、受力分析、结构优化、传动设计以及动力学特性。 在机电一体化语境下，我们尤其关注那些对精度、响应速度、刚度、减震性、轻量化以及能量效率有特殊要求的机械部件。例如，精密导轨、滚珠丝杠、高精度齿轮传动、谐波减速器以及伺服电机与传动系统的匹配设计。本章还将探讨先进的制造技术，如精密加工（CNC加工、磨削）、增材制造（3D打印）、精密铸造和精密锻造，它们如何为实现复杂、高性能的机电一体化部件提供可能。此外，装配与调试的工艺流程，以及如何确保机械系统的集成精度和稳定性，也将作为重点进行阐述。 第三章 电气驱动与执行机构 电气驱动与执行机构是机电一体化系统中将电信号转换为机械运动的关键环节。本章将深入介绍各种类型的电气驱动系统及其在机电一体化应用中的选择与配置。我们将从直流电机、交流电机（同步电机、异步电机）讲起，重点介绍伺服电机（直流伺服、交流伺服）和步进电机，分析它们的结构原理、工作特性、优缺点以及适用场景。 针对伺服系统，我们将详细讲解伺服驱动器的工作原理，包括位置、速度和力矩控制模式，以及伺服系统中的反馈机制（编码器、解析器）。对于步进电机，我们将探讨其微步进技术和闭环控制的应用。此外，本章还将涵盖电液伺服系统、气动执行机构以及各种特种执行机构（如电磁阀、电液比例阀）在机电一体化中的应用，分析其性能指标和选型依据。最后，我们将讨论驱动系统的功率选择、热管理以及电磁兼容性（EMC）问题，确保驱动系统能够稳定、高效地工作。 第四章 传感器与测量技术 精确可靠的测量是机电一体化系统实现智能控制的前提。本章将系统介绍机电一体化系统中常用的各类传感器及其测量原理。我们将从基础的测量参数入手，如位置、速度、加速度、力、力矩、温度、压力、流量等，并深入讲解实现这些测量的传感技术。 重点将放在位移传感器（如编码器、激光测距传感器、LVDT）、速度传感器（如测速发电机、霍尔传感器）、力/力矩传感器（如应变片式传感器）、温度传感器（如热电偶、热电阻）以及视觉传感器（摄像头、图像处理）等。每种传感器都将详细介绍其工作原理、技术规格、精度等级、响应时间、环境适应性以及选型注意事项。 本章还将探讨传感器的信号调理、放大、滤波以及模数转换（ADC）等数据采集过程，为后续的信号处理和控制提供高质量的数据基础。此外，将介绍如何进行传感器的标定与校准，以保证测量结果的准确性。传感器的集成与布设策略，以及如何实现对被控对象的全面、实时监测，也将作为重要内容进行阐述。 第五章 控制系统设计与算法 控制系统是机电一体化系统的大脑，负责接收传感器信息，经过处理后向执行机构发出指令，实现预期的运动或功能。本章将详细介绍机电一体化系统的控制理论与算法。我们将从经典的PID（比例-积分-微分）控制入手，深入分析其原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、临界比例法）以及在机电一体化中的应用。 在此基础上，我们将探讨更先进的控制策略，包括状态空间法、模糊逻辑控制、神经网络控制、自适应控制以及模型预测控制（MPC）等。每种控制方法都将阐述其基本原理、数学模型、设计步骤以及在复杂机电一体化系统中的优势与局限。 本章还将重点介绍数字控制器的实现，包括微处理器、DSP（数字信号处理器）或FPGA（现场可编程门阵列）的选择与应用，以及实时操作系统（RTOS）的作用。控制算法的离散化、采样周期选择、抗积分饱和、抗扰动等工程实现细节也将得到详尽讲解。最后，我们将讨论多轴联动控制、轨迹规划以及高级运动控制技术，为实现机电一体化系统的复杂功能奠定理论基础。 第六章 嵌入式系统与通信技术 现代机电一体化系统高度依赖嵌入式系统进行信息处理、控制逻辑执行和系统集成。本章将聚焦于嵌入式系统在机电一体化中的角色，以及系统内部和外部的通信技术。我们将介绍嵌入式微控制器（MCU）和嵌入式处理器（如ARM系列）的架构、指令集以及开发环境。 深入讲解嵌入式系统与传感器、执行器之间的接口设计，包括数字 I/O、模拟 I/O、PWM 输出、定时器/计数器、中断处理等。同时，本章还将详细介绍机电一体化系统中常用的通信协议，如串行通信（UART, SPI, I2C）、现场总线（CAN, Profibus, EtherNet/IP）以及工业以太网。我们将分析不同通信协议的特点、优势、适用场景，以及如何在多传感器、多执行器、多控制器组成的复杂系统中实现高效、可靠的数据传输。 此外，本章还将探讨嵌入式系统的软件开发流程，包括程序编写、编译、调试以及固件升级。人机交互界面的设计与实现，以及如何通过嵌入式系统实现远程监控和诊断，也将作为重要内容进行介绍。 第七章 机电一体化系统的建模与仿真 在机电一体化系统的设计过程中，建立准确的数学模型并进行仿真分析，能够有效地预测系统性能、优化设计参数、降低开发风险并缩短开发周期。本章将系统介绍机电一体化系统的建模方法和仿真技术。 我们将从建立物理系统的数学模型入手，包括机械部分的运动学模型、动力学模型，以及电气部分的电路模型、电机模型。针对不同组件，我们将介绍使用拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等方法建立多体动力学模型。 在模型建立完成后，本章将重点介绍常用的仿真软件平台，如MATLAB/Simulink、Adams、Amesim等，并演示如何利用这些工具进行系统的仿真分析。我们将讲解如何构建仿真模型，设置仿真参数，运行仿真，并对仿真结果进行分析和解读。仿真分析将涵盖系统响应特性、稳定性分析、参数优化、故障诊断以及不同控制策略的性能比较。 本章还将探讨虚拟样机技术，即在计算机环境中创建并测试整个机电一体化系统，从而在物理原型制造之前发现潜在问题。建模与仿真技术的熟练运用，将极大地提升机电一体化系统的设计效率和质量。 第八章 机电一体化系统的故障诊断与可靠性设计 机电一体化系统的高度集成化与复杂性，使得故障诊断与可靠性设计成为保障系统稳定运行的关键环节。本章将深入探讨机电一体化系统的故障表现、诊断方法以及可靠性设计策略。 我们将首先分析机电一体化系统中可能出现的各类故障，如机械磨损、电气短路/断路、传感器失效、控制器死机、通信中断等，并介绍这些故障对系统性能的影响。随后，我们将详细介绍各种故障诊断技术，包括基于模型的诊断、基于数据的诊断（如专家系统、机器学习算法）、基于信号特征的诊断以及在线监测与诊断。 本章还将阐述如何通过系统级的设计来提高机电一体化系统的可靠性。这包括冗余设计、容错控制、过载保护、热管理优化、抗干扰设计以及材料选择与寿命预测。我们将介绍可靠性分析方法，如故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA），以及如何将这些分析结果应用于设计改进。 最后，本章将讨论机电一体化系统的维护策略，包括预防性维护、预测性维护以及故障排除流程。通过有效的故障诊断与可靠性设计，可以显著提高机电一体化系统的可用性、稳定性和经济效益。 第九章 机电一体化系统应用实例分析 为了巩固和深化读者对机电一体化理论知识的理解，本章将通过多个典型的应用实例，展示机电一体化技术在不同领域的实际应用。我们将选取具有代表性的案例，如： 工业机器人： 分析其多自由度机械结构、高精度伺服驱动、视觉导航与路径规划、以及与生产线的集成。 数控（CNC）机床： 探讨其精密机械传动、高性能伺服控制、实时插补算法、刀具补偿与主轴控制。 自动化生产线： 讲解其各工位机电一体化单元的协同工作，如传送带、装配机械臂、视觉检测单元、传感器网络和PLC/DCS控制系统。 智能制造设备： 剖析如3D打印机、激光切割机、注塑机等设备中的核心机电一体化技术。 医疗设备： 举例说明如手术机器人、精密诊断仪器、康复训练设备等中的应用。 对于每个案例，我们将从系统构成、关键技术、设计难点、性能指标、以及所带来的效益等方面进行详细分析。通过这些实际案例，读者将能够清晰地看到理论知识如何转化为实际应用，并理解不同行业对机电一体化系统的具体需求与挑战。 第十章 机电一体化技术发展趋势与展望 本章将对机电一体化技术的未来发展方向进行探讨和展望。我们将关注以下几个主要趋势： 智能化与深度学习： 探讨人工智能、机器学习、深度学习等技术如何进一步提升机电一体化系统的感知、决策和自主学习能力，使其能够适应更复杂、动态的环境。 物联网（IoT）与工业4.0： 分析机电一体化系统如何融入物联网架构，实现设备间的互联互通、数据共享以及远程协同，推动智能制造的实现。 人机协作与柔性化： 展望未来人机协同工作的模式，以及机电一体化系统如何实现更高级别的柔性生产和定制化制造。 新材料与微纳技术： 探讨新型材料（如智能材料、纳米材料）以及微纳机电系统（MEMS）在机电一体化中的应用潜力，催生更小型化、集成化、高性能的设备。 绿色制造与可持续发展： 关注机电一体化技术在节能减排、资源优化利用以及循环经济中的作用。 通过对这些前沿趋势的分析，本书旨在帮助读者把握机电一体化技术未来的发展脉络，为从事相关领域的研究、开发与应用提供前瞻性的视野。 结语 《现代机电一体化系统设计与应用》力求为读者构建一个系统、严谨、实用的机电一体化知识体系。通过对本书内容的学习，读者将能够掌握机电一体化系统的设计理念、分析工具和应用方法，为应对未来技术挑战、推动产业升级贡献力量。我们希望本书能成为机电一体化领域从业者和学习者的重要参考。

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