机械电子学

作者简介

这是一本为工科学生写的教科书，可以作为机械电子学领域的综合性教材。本书详尽地论述了传感器与信号调理、数字信号、数字逻辑、数据显示、气动和液压驱动系统、机械驱动系统、电气驱动系统、系统模型、系统的动态响应、系统传递函数、频率响应、闭环控制系统、人工智能、微处理器、汇编语言、c语言、输入输出系统、plc、通信系统、故障检测、机电系统设计案例等方面的相关知识。

《机械电子学：机械和电子工程中的电子控制系统(原书第5版)》内容丰富，实用性强，不但可作为高等院校机械、电气、控制工程等专业本科生和研究生教材，也可作为广大工程技术人员的参考书。

书籍目录

译者序

前言

第一部分概述

第1章机械电子学导论1

1.1什么是机械电子学1

1.1.1机电一体化系统实例1

1.1.2嵌入式系统2

1.2设计流程2

1.3系统4

1.3.1系统建模4

1.3.2连接系统5

1.4测量系统5

1.5控制系统6

1.5.1反馈6

1.5.2开环与闭环系统7

1.5.3闭环系统的基本单元8

1.5.4模拟和数字控制系统11

1.5.5顺序控制器14

1.6可编程逻辑控制器15

1.7机电一体化系统的例子16

1.7.1数字摄像机与自动对焦16

1.7.2发动机管理系统17

1.7.3mems和汽车安全气囊18

本章小结18

习题19

第二部分传感器与信号调理

第2章传感器和变送器21

2.1传感器和变送器21

2.2性能术语22

2.3位移、位置和接近25

2.3.1电位器传感器25

2.3.2应变片26

2.3.3电容元件27

2.3.4差动变压器29

2.3.5涡流式接近传感器30

2.3.6电感式接近开关30

2.3.7光学编码器30

2.3.8气动传感器32

2.3.9接近开关32

2.3.10霍尔效应传感器33

2.4速度和运动34

2.4.1增量式编码器34

2.4.2测速发电机34

2.4.3热释电传感器35

2.5力36

2.6流体压力36

2.6.1压电传感器38

2.6.2触觉传感器39

2.7液体流动39

2.7.1孔板39

2.7.2涡轮流量计40

2.8液位40

2.8.1浮块40

2.8.2压差40

2.9温度40

2.9.1双金属片41

2.9.2电阻温度检测器41

2.9.3热敏电阻41

2.9.4热敏二极管和晶体管42

2.9.5热电偶42

2.10光敏传感器44

2.11传感器的选择45

2.12通过开关输入数据45

2.12.1消抖46

2.12.2键盘47

本章小结47

习题47

第3章信号调理50

3.1信号调理50

3.2运算放大器51

3.2.1反相放大器51

3.2.2同相放大器52

3.2.3加法放大器52

3.2.4积分和微分放大器53

3.2.5差分放大器54

3.2.6对数放大器56

3.2.7比较器57

3.2.8实际放大器58

3.3保护59

3.4滤波60

3.5惠斯通电桥61

3.5.1温度补偿62

3.5.2热电偶补偿64

3.6脉冲调制64

3.7与信号相关的问题65

3.7.1接地65

3.7.2电磁干扰66

3.8功率输送67

本章小结67

习题68

第4章数字信号69

4.1数字信号69

4.2模拟信号和数字信号69

4.2.1采样定理71

4.2.2数模转换71

4.3数模转换器和模数转换器71

4.3.1dac71

4.3.2adc73

4.3.3采样和保持放大器76

4.4多路复用器77

4.4.1数字多路复用器77

4.4.2时分多路复用78

4.5数据采集78

4.5.1数据精度79

4.5.2错误检测的奇偶校验方法79

4.6数字信号处理80

本章小结81

习题81

第5章数字逻辑82

5.1数字逻辑82

5.2逻辑门82

5.2.1and门82

5.2.2or门83

5.2.3not门84

5.2.4nand门84

5.2.5nor门85

5.2.6xor门85

5.2.7逻辑门的组合86

5.2.8逻辑系列与集成电路87

5.3逻辑门的应用88

5.3.1校验位发生器88

5.3.2数字比较器88

5.3.3编码器89

5.3.4译码器89

5.4时序逻辑93

5.4.1触发器93

5.4.2同步系统94

5.4.3jk触发器95

5.4.4d触发器96

5.4.5寄存器97

5.4.6555定时器97

本章小结98

习题98

第6章数据显示系统100

6.1显示方式100

6.2数据显示元件101

6.2.1模拟仪表和数字仪表101

6.2.2模拟图记录仪101

6.2.3阴极射线示波器101

6.2.4视觉显示单元102

6.2.5打印机103

6.3磁记录104

6.3.1磁记录码105

6.3.2磁盘107

6.4光学记录107

6.5显示器108

6.5.1发光二极管109

6.5.2液晶显示器110

6.6数据采集系统111

6.6.1计算机与插件板111

6.6.2数据记录器113

6.7测量系统114

6.7.1用于检测提起重量的称重传感器114

6.7.2温度警报系统115

6.7.3滑轮的角位置115

6.7.4温度测量的二进制输出116

6.8测试和校准116

本章小结118

习题118

第三部分驱动

第7章气动与液压驱动系统121

7.1驱动系统121

7.2气动与液压系统121

7.2.1液压系统121

7.2.2气动系统123

7.2.3阀124

7.3方向控制阀124

7.3.1阀的符号125

7.3.2先导阀126

7.3.3单向阀127

7.4压力控制阀127

7.5缸体128

7.6伺服和比例控制阀132

7.7过程控制阀132

7.7.1阀体和阀芯133

7.7.2控制阀的尺寸计算135

7.7.3流体控制系统举例135

7.8旋转驱动器136

本章小结136

习题137

第8章机械驱动系统139

8.1机械系统139

8.2运动类型139

8.2.1自由度和约束140

8.2.2负载141

8.3运动链141

8.3.1四杆链141

8.3.2滑块曲柄机构142

8.4凸轮143

8.5齿轮145

8.5.1齿轮系146

8.5.2转动和平动的转换147

8.6棘轮和棘爪147

8.7带传动和链传动147

8.7.1带的类型148

8.7.2链传动149

8.8轴承149

8.8.1滑动径向轴承149

8.8.2球轴承和滚柱轴承150

8.8.3轴承的选择151

本章小结151

习题151

第9章电气驱动系统153

9.1电气系统153

9.2机械开关153

9.3固态开关154

9.3.1二极管155

9.3.2晶闸管和三端双向可控硅元件155

9.3.3双极型晶体管157

9.3.4mosfet159

9.4螺线管159

9.5直流电动机160

9.5.1有刷直流电动机161

9.5.2含励磁线圈的有刷直流电动机162

9.5.3有刷直流电动机的控制163

9.5.4无刷永磁直流电动机165

9.6交流电动机167

9.7步进电动机168

9.7.1步进电动机技术参数169

9.7.2步进电动机控制170

9.7.3步进电动机的选择172

9.8电动机选择173

9.8.1惯量匹配173

9.8.2转矩要求174

9.8.3功率要求175

本章小结175

习题176

第四部分系统模型

第10章基本系统模型177

10.1数学模型177

10.2机械系统模块178

10.2.1转动系统179

10.2.2构建一个机械系统180

10.3电气系统模块183

10.3.1构建电气系统模型184

10.3.2电气和机械系统的比较186

10.4流体系统模块186

10.5热系统模块192

本章小结194

习题194

第11章工程系统模型197

11.1工程系统197

11.2转动－平动系统197

11.3机电一体化系统198

11.3.1电位器198

11.3.2直流电动机198

11.4线性度200

11.5液压机械系统202

本章小结204

习题204

第12章系统的动态响应205

12.1动态系统建模205

12.2术语205

12.2.1自然响应与受迫响应205

12.2.2瞬态与稳态响应206

12.2.3输入的形式206

12.3一阶系统207

12.3.1自然响应207

12.3.2受迫输入响应208

12.3.3一阶系统的例子209

12.3.4时间常量210

12.4二阶系统211

12.4.1自然响应212

12.4.2有受迫输入时的响应214

12.4.3二阶系统的例子215

12.5二阶系统的性能指标216

12.6系统辨识218

本章小结218

习题219

第13章系统传递函数222

13.1传递函数222

13.2一阶系统224

13.2.1具有阶跃输入的一阶系统224

13.2.2一阶系统的例子224

13.3二阶系统226

13.3.1具有阶跃输入的二阶系统226

13.3.2二阶系统的例子227

13.4串联的系统227

13.5带反馈环的系统228

13.6极点位置对瞬态响应的影响229

13.6.1s平面230

13.6.2校正230

本章小结231

习题231

第14章频率响应233

14.1正弦输入233

14.2相量233

14.3频率响应235

14.3.1一阶系统的频率响应235

14.3.2二阶系统的频率响应237

14.4伯德图237

14.4.1g（s）=k的伯德图237

14.4.2g（s）=1/s的伯德图238

14.4.3一阶系统的伯德图238

14.4.4二阶系统的伯德图239

14.4.5建立伯德图239

14.4.6系统辨识242

14.5性能指标244

14.6稳定性244

本章小结245

习题245

第15章闭环控制器247

15.1连续与离散控制过程247

15.2术语248

15.2.1滞后248

15.2.2稳态误差248

15.2.3控制模式249

15.3两步控制模式250

15.4比例模式251

15.4.1电子比例控制器251

15.4.2系统响应252

15.5微分控制252

15.6积分控制253

15.7pid控制器255

15.8数字控制器256

15.8.1控制模式的实现256

15.8.2采样速率257

15.8.3计算机控制系统257

15.9控制系统性能257

15.10控制器校正258

15.10.1阶跃响应法258

15.10.2临界比例度法259

15.11速度控制259

15.12自适应控制260

15.12.1变增益控制261

15.12.2自校正261

15.12.3模型参考自适应系统262

本章小结262

习题262

第16章人工智能264

16.1什么是人工智能264

16.2感知和识别264

16.2.1识别264

16.2.2神经网络265

16.3推理265

16.3.1推理机理265

16.3.2基于规则的推理266

16.4学习267

本章小结268

习题268

第五部分微处理器系统

第17章微处理器269

17.1控制269

17.2微处理器系统269

17.2.1总线269

17.2.2微处理器271

17.2.3存储器273

17.2.4输入/输出275

17.2.5系统示例276

17.3微控制器278

17.3.1摩托罗拉 m68hc11279

17.3.2intel 8051283

17.3.3microchiptm微控制器285

17.3.4选择微控制器290

17.4应用291

17.4.1温度测量系统291

17.4.2家用洗衣机292

17.5编程292

本章小结294

习题294

第18章汇编语言296

18.1语言296

18.2指令集296

18.2.1寻址299

18.2.2数据转移300

18.3汇编语言程序301

18.4子程序306

18.5查找表308

18.6嵌入式系统311

本章小结313

习题314

第19章c语言315

19.1为什么选择c语言315

19.2程序结构315

19.2.1主要特征315

19.2.2一个c程序的示例319

19.3分支和循环319

19.4数组322

19.5指针323

19.5.1指针的算术运算323

19.5.2指针和数组324

19.6程序开发324

19.7程序的示例325

19.7.1电动机的启动与关闭325

19.7.2读adc通道325

本章小结326

习题327

第20章输入/输出系统328

20.1接口328

20.2输入/输出寻址328

20.3接口要求330

20.3.1缓冲器331

20.3.2握手331

20.3.3轮询和中断332

20.3.4串行接口335

20.4外设接口适配器335

20.4.1pia初始化337

20.4.2通过pia连接中断信号338

20.4.3与pia接口的例子339

20.5串行通信接口339

20.6接口的示例342

20.6.1通过译码器控制七段数码管342

20.6.2模拟接口344

本章小结345

习题345

第21章可编程逻辑控制器346

21.1简介346

21.2plc基本结构346

21.2.1输入/输出346

21.2.2输入程序348

21.2.3plc的形式348

21.3输入/输出处理349

21.3.1持续更新349

21.3.2大规模输入/输出复制349

21.3.3i/o地址349

21.4梯形图编程349

21.5指令列表352

21.5.1指令列表和逻辑函数353

21.5.2指令列表和分支程序353

21.6自锁和内部继电器354

21.7顺序控制356

21.8定时器与计数器357

21.8.1定时器357

21.8.2计数器358

21.9移位寄存器359

21.10主控指令和跳转指令控制360

21.11数据处理361

21.11.1数据移动362

21.11.2数据比较362

21.11.3算术运算362

21.11.4代码转换363

21.12模拟输入/输出363

本章小结364

习题364

第22章通信系统367

22.1数字通信367

22.2集中式、分层式与分布式控制367

22.2.1并行与串行数据传输368

22.2.2串行数据通信方式368

22.3网络369

22.3.1网络访问控制370

22.3.2宽带与基带370

22.4协议370

22.5开放系统互联通信模型371

22.6串行通信接口373

22.6.1rs-232373

22.6.220ma电流环375

22.6.3i2c总线375

22.6.4can总线376

22.6.5usb377

22.6.6火线378

22.7并行通信接口378

22.8无线协议381

本章小结381

习题382

第23章故障检测383

23.1故障检测技术383

23.2看门狗定时器384

23.3奇偶校验与误码检测384

23.4常见的硬件故障386

23.4.1传感器386

23.4.2开关和继电器386

23.4.3电动机386

23.4.4液压和气动系统386

23.5微处理器系统386

23.5.1故障检测技术387

23.5.2系统故障定位方法389

23.5.3自测试系统389

23.6仿真和模拟389

23.7plc系统390

23.7.1程序测试390

23.7.2输入/输出测试391

23.7.3plc作为系统的监视器391

本章小结392

习题393

第六部分总结

第24章机电一体化系统395

24.1机电设计395

24.1.1定时开关395

24.1.2刮水器运动398

24.1.3浴室秤401

24.2案例研究404

24.2.1取放机器人404

24.2.2停车栏杆系统407

24.2.3数码相机408

24.2.4汽车发动机管理411

24.2.5条形码阅读器413

24.2.6硬盘驱动器414

本章小结415

习题416

第七部分附录

附录a拉普拉斯变换417

附录b数字系统424

附录c布尔代数429

附录d指令集437

附录ec库函数441

附录fmatlab和simulink444

附录g电路分析449

进一步的参考信息456

习题参考答案458

索引472

内容概要

本书是William Bolton先生编写的机械电子学国际通用教材，内容涵盖传感器与信号调理、数字信号、数字逻辑、数据显示、气动和液压驱动系统、机械驱动系统、电气驱动系统、系统模型、系统的动态响应、系统传递函数、频率响应、闭环控制系统、人工智能、微处理器、汇编语言、C语言、输入/输出系统、PLC、通信系统、故障检测和机电系统设计案例等，是一本多学科交叉融合的综合性教材。该教材理论讲解深入浅出，体系结构完整，机械电子结合充分，习题丰富，一直被国外各大学采用，获得了非常好的评价。

通过翻译引进该教材，可借鉴国外机械电子教学的先进经验，有利于推动国内大学机械电子课程教学与国外大学的接轨，进而推动我国本科生和研究生课程的国际化建设。

本书不但可以作为高等院校的机械、电气、控制工程等工科专业本科生和研究生的教材，也可作为广大工程技术人员的参考书。

本书第3～5章、第9～12章、第14章、第16～19章、第21章、第23章和索引由付庄翻译，第1章由付庄、管恩广翻译，第2章由付庄、蔡雄风翻译，第6章由闫维新、宋阳翻译，第7章由郑望望翻译，第8章由邓文昊翻译，第13章由汤智诚翻译，第15章由刘基昊翻译，第20章由钱欢翻译，第22章由翟嘉心翻译，第24章由刘文红翻译。附录A由周航飞翻译，附录B和附录C由杨凇翻译，附录D和附录F由刘文红翻译，附录E由薛美风翻译，附录G由魏振红翻译。

译者在机电教学、机器人研究之余完成了本书的翻译，并用尽可能通俗易懂的语言把复杂问题说清楚。第2章、第4章、第7章、第13章、第17章、第18章、第20章和附录由付庄初校，第3章由魏振红初校，第5章由盛致愉初校，第6章由邓文昊初校，第7章由赵言正、付庄初校，第8章由于克媛初校，第9章由俞港初校，第10章由周航飞初校，第1、11、14、16、23章由管恩广初校，第12章由詹世涛初校，第15章由曹峰初校，第19章由李爽初校，第24章由郑望望初校。付庄进行了全书的总审校，编写了原书的勘误表，并修正了书中的错误和疏漏之处。本书的翻译还得到了上海交通大学“机电一体化系统设计”研究生公共基础课建设“985工程”项目的支持和许多老师、同学的帮助，并参考了相关的资料，在此对这些资料的作者以及相关的老师和同学表示衷心的感谢。

由于译者水平有限，本书错译漏译等不足之处在所难免，敬请读者批评指正。如读者能从中略有收获，译者将深感万幸。



译者

2013年12月

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