機電係統計算機控製工程 pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:

作者:熊世和 編

出品人:

頁數:352

译者:

出版時間:1999-8

價格:25.00元

裝幀:

isbn號碼:9787810651967

叢書系列:

圖書標籤:

• 機電係統
• 計算機控製
• 工程
• 自動化
• 控製工程
• 電氣工程
• 機械工程
• 嵌入式係統
• 智能控製
• 工業控製

《現代機電一體化係統設計與應用》 引言 在科技飛速發展的今天，機電一體化技術已成為推動工業自動化、提升生産效率和改善産品性能的核心驅動力。從精密製造到航空航天，從智能傢居到醫療設備，機電一體化係統無處不在，深刻地改變著我們的生活與工作方式。本書旨在係統地闡述現代機電一體化係統的設計原理、關鍵技術、分析方法以及實際應用，為讀者提供一個全麵而深入的理解框架，幫助工程師、技術人員和相關專業學生掌握構建高效、可靠、智能機電一體化係統的必備知識與技能。 第一章 機電一體化係統概述 本章將深入探討機電一體化係統的基本概念、發展曆程、核心組成要素及其相互作用。我們將首先定義機電一體化，闡釋其“機”與“電”的深度融閤如何實現功能的集成與優化。隨後，追溯機電一體化技術從早期機械自動化到現代智能控製的發展軌跡，分析其技術革新驅動力，例如微處理器、傳感器、執行器以及先進控製算法的進步。 接著，我們將詳細解析機電一體化係統的典型構成，包括機械結構、電氣驅動、傳感器與測量單元、控製器以及人機交互界麵。每個組成部分的功能、作用以及它們之間如何協同工作將得到細緻的講解。通過對不同類型機電一體化係統（如工業機器人、數控機床、自動化生産綫）的案例分析，讀者將能更直觀地理解機電一體化設計的復雜性與創造性。最後，本章將概述機電一體化技術在國民經濟各領域的重要意義和廣闊前景，激發讀者對該領域的學習熱情。 第二章 機械設計與製造基礎 作為機電一體化係統的物理載體，精良的機械設計是係統性能的基石。本章將重點關注機電一體化係統中機械部分的特殊設計要求和製造工藝。我們將迴顧機械設計的基本原理，包括材料選擇、受力分析、結構優化、傳動設計以及動力學特性。 在機電一體化語境下，我們尤其關注那些對精度、響應速度、剛度、減震性、輕量化以及能量效率有特殊要求的機械部件。例如，精密導軌、滾珠絲杠、高精度齒輪傳動、諧波減速器以及伺服電機與傳動係統的匹配設計。本章還將探討先進的製造技術，如精密加工（CNC加工、磨削）、增材製造（3D打印）、精密鑄造和精密鍛造，它們如何為實現復雜、高性能的機電一體化部件提供可能。此外，裝配與調試的工藝流程，以及如何確保機械係統的集成精度和穩定性，也將作為重點進行闡述。 第三章 電氣驅動與執行機構 電氣驅動與執行機構是機電一體化係統中將電信號轉換為機械運動的關鍵環節。本章將深入介紹各種類型的電氣驅動係統及其在機電一體化應用中的選擇與配置。我們將從直流電機、交流電機（同步電機、異步電機）講起，重點介紹伺服電機（直流伺服、交流伺服）和步進電機，分析它們的結構原理、工作特性、優缺點以及適用場景。 針對伺服係統，我們將詳細講解伺服驅動器的工作原理，包括位置、速度和力矩控製模式，以及伺服係統中的反饋機製（編碼器、解析器）。對於步進電機，我們將探討其微步進技術和閉環控製的應用。此外，本章還將涵蓋電液伺服係統、氣動執行機構以及各種特種執行機構（如電磁閥、電液比例閥）在機電一體化中的應用，分析其性能指標和選型依據。最後，我們將討論驅動係統的功率選擇、熱管理以及電磁兼容性（EMC）問題，確保驅動係統能夠穩定、高效地工作。 第四章 傳感器與測量技術 精確可靠的測量是機電一體化係統實現智能控製的前提。本章將係統介紹機電一體化係統中常用的各類傳感器及其測量原理。我們將從基礎的測量參數入手，如位置、速度、加速度、力、力矩、溫度、壓力、流量等，並深入講解實現這些測量的傳感技術。 重點將放在位移傳感器（如編碼器、激光測距傳感器、LVDT）、速度傳感器（如測速發電機、霍爾傳感器）、力/力矩傳感器（如應變片式傳感器）、溫度傳感器（如熱電偶、熱電阻）以及視覺傳感器（攝像頭、圖像處理）等。每種傳感器都將詳細介紹其工作原理、技術規格、精度等級、響應時間、環境適應性以及選型注意事項。 本章還將探討傳感器的信號調理、放大、濾波以及模數轉換（ADC）等數據采集過程，為後續的信號處理和控製提供高質量的數據基礎。此外，將介紹如何進行傳感器的標定與校準，以保證測量結果的準確性。傳感器的集成與布設策略，以及如何實現對被控對象的全麵、實時監測，也將作為重要內容進行闡述。 第五章 控製係統設計與算法 控製係統是機電一體化係統的大腦，負責接收傳感器信息，經過處理後嚮執行機構發齣指令，實現預期的運動或功能。本章將詳細介紹機電一體化係統的控製理論與算法。我們將從經典的PID（比例-積分-微分）控製入手，深入分析其原理、參數整定方法（如Ziegler-Nichols法、臨界比例法）以及在機電一體化中的應用。 在此基礎上，我們將探討更先進的控製策略，包括狀態空間法、模糊邏輯控製、神經網絡控製、自適應控製以及模型預測控製（MPC）等。每種控製方法都將闡述其基本原理、數學模型、設計步驟以及在復雜機電一體化係統中的優勢與局限。 本章還將重點介紹數字控製器的實現，包括微處理器、DSP（數字信號處理器）或FPGA（現場可編程門陣列）的選擇與應用，以及實時操作係統（RTOS）的作用。控製算法的離散化、采樣周期選擇、抗積分飽和、抗擾動等工程實現細節也將得到詳盡講解。最後，我們將討論多軸聯動控製、軌跡規劃以及高級運動控製技術，為實現機電一體化係統的復雜功能奠定理論基礎。 第六章 嵌入式係統與通信技術 現代機電一體化係統高度依賴嵌入式係統進行信息處理、控製邏輯執行和係統集成。本章將聚焦於嵌入式係統在機電一體化中的角色，以及係統內部和外部的通信技術。我們將介紹嵌入式微控製器（MCU）和嵌入式處理器（如ARM係列）的架構、指令集以及開發環境。 深入講解嵌入式係統與傳感器、執行器之間的接口設計，包括數字 I/O、模擬 I/O、PWM 輸齣、定時器/計數器、中斷處理等。同時，本章還將詳細介紹機電一體化係統中常用的通信協議，如串行通信（UART, SPI, I2C）、現場總綫（CAN, Profibus, EtherNet/IP）以及工業以太網。我們將分析不同通信協議的特點、優勢、適用場景，以及如何在多傳感器、多執行器、多控製器組成的復雜係統中實現高效、可靠的數據傳輸。 此外，本章還將探討嵌入式係統的軟件開發流程，包括程序編寫、編譯、調試以及固件升級。人機交互界麵的設計與實現，以及如何通過嵌入式係統實現遠程監控和診斷，也將作為重要內容進行介紹。 第七章 機電一體化係統的建模與仿真 在機電一體化係統的設計過程中，建立準確的數學模型並進行仿真分析，能夠有效地預測係統性能、優化設計參數、降低開發風險並縮短開發周期。本章將係統介紹機電一體化係統的建模方法和仿真技術。 我們將從建立物理係統的數學模型入手，包括機械部分的運動學模型、動力學模型，以及電氣部分的電路模型、電機模型。針對不同組件，我們將介紹使用拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等方法建立多體動力學模型。 在模型建立完成後，本章將重點介紹常用的仿真軟件平颱，如MATLAB/Simulink、Adams、Amesim等，並演示如何利用這些工具進行係統的仿真分析。我們將講解如何構建仿真模型，設置仿真參數，運行仿真，並對仿真結果進行分析和解讀。仿真分析將涵蓋係統響應特性、穩定性分析、參數優化、故障診斷以及不同控製策略的性能比較。 本章還將探討虛擬樣機技術，即在計算機環境中創建並測試整個機電一體化係統，從而在物理原型製造之前發現潛在問題。建模與仿真技術的熟練運用，將極大地提升機電一體化係統的設計效率和質量。 第八章 機電一體化係統的故障診斷與可靠性設計 機電一體化係統的高度集成化與復雜性，使得故障診斷與可靠性設計成為保障係統穩定運行的關鍵環節。本章將深入探討機電一體化係統的故障錶現、診斷方法以及可靠性設計策略。 我們將首先分析機電一體化係統中可能齣現的各類故障，如機械磨損、電氣短路/斷路、傳感器失效、控製器死機、通信中斷等，並介紹這些故障對係統性能的影響。隨後，我們將詳細介紹各種故障診斷技術，包括基於模型的診斷、基於數據的診斷（如專傢係統、機器學習算法）、基於信號特徵的診斷以及在綫監測與診斷。 本章還將闡述如何通過係統級的設計來提高機電一體化係統的可靠性。這包括冗餘設計、容錯控製、過載保護、熱管理優化、抗乾擾設計以及材料選擇與壽命預測。我們將介紹可靠性分析方法，如故障模式與影響分析（FMEA）、故障樹分析（FTA），以及如何將這些分析結果應用於設計改進。 最後，本章將討論機電一體化係統的維護策略，包括預防性維護、預測性維護以及故障排除流程。通過有效的故障診斷與可靠性設計，可以顯著提高機電一體化係統的可用性、穩定性和經濟效益。 第九章 機電一體化係統應用實例分析 為瞭鞏固和深化讀者對機電一體化理論知識的理解，本章將通過多個典型的應用實例，展示機電一體化技術在不同領域的實際應用。我們將選取具有代錶性的案例，如： 工業機器人： 分析其多自由度機械結構、高精度伺服驅動、視覺導航與路徑規劃、以及與生産綫的集成。 數控（CNC）機床： 探討其精密機械傳動、高性能伺服控製、實時插補算法、刀具補償與主軸控製。 自動化生産綫： 講解其各工位機電一體化單元的協同工作，如傳送帶、裝配機械臂、視覺檢測單元、傳感器網絡和PLC/DCS控製係統。 智能製造設備： 剖析如3D打印機、激光切割機、注塑機等設備中的核心機電一體化技術。 醫療設備： 舉例說明如手術機器人、精密診斷儀器、康復訓練設備等中的應用。 對於每個案例，我們將從係統構成、關鍵技術、設計難點、性能指標、以及所帶來的效益等方麵進行詳細分析。通過這些實際案例，讀者將能夠清晰地看到理論知識如何轉化為實際應用，並理解不同行業對機電一體化係統的具體需求與挑戰。 第十章 機電一體化技術發展趨勢與展望 本章將對機電一體化技術的未來發展方嚮進行探討和展望。我們將關注以下幾個主要趨勢： 智能化與深度學習： 探討人工智能、機器學習、深度學習等技術如何進一步提升機電一體化係統的感知、決策和自主學習能力，使其能夠適應更復雜、動態的環境。 物聯網（IoT）與工業4.0： 分析機電一體化係統如何融入物聯網架構，實現設備間的互聯互通、數據共享以及遠程協同，推動智能製造的實現。 人機協作與柔性化： 展望未來人機協同工作的模式，以及機電一體化係統如何實現更高級彆的柔性生産和定製化製造。 新材料與微納技術： 探討新型材料（如智能材料、納米材料）以及微納機電係統（MEMS）在機電一體化中的應用潛力，催生更小型化、集成化、高性能的設備。 綠色製造與可持續發展： 關注機電一體化技術在節能減排、資源優化利用以及循環經濟中的作用。 通過對這些前沿趨勢的分析，本書旨在幫助讀者把握機電一體化技術未來的發展脈絡，為從事相關領域的研究、開發與應用提供前瞻性的視野。 結語 《現代機電一體化係統設計與應用》力求為讀者構建一個係統、嚴謹、實用的機電一體化知識體係。通過對本書內容的學習，讀者將能夠掌握機電一體化係統的設計理念、分析工具和應用方法，為應對未來技術挑戰、推動産業升級貢獻力量。我們希望本書能成為機電一體化領域從業者和學習者的重要參考。

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