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第1章 绪论1

1.1机械电子工程的概念及发展过程1

1.2机械电子工程在产品及其设计中的应用5

1.3机械电子工程在制造业中的应用8

1.4学习机械电子工程的意义与要求10

思考题11

第一篇 执行机构与驱动器14

第2章 执行与驱动14

思考题20

第3章 执行机构21

3.1基本概念21

3.1.1几个常用术语21

3.1.2执行机构的基本作用22

3.1.3执行机构的分类22

3.1.4执行机构的几个例子23

3.2带轮机构23

3.3链轮机构24

3.4齿轮机构24

3.5螺旋机构26

3.6蜗轮蜗杆机构27

3.7直线导轨27

3.8连杆机构28

3.9凸轮、棘轮和槽轮29

3.9.1凸轮推杆机构29

3.9.2棘轮机构29

3.9.3槽轮机构30

3.10机架30

3.11机构的组合30

思考题31

第4章 电气执行元件32

4.1直流电动机32

4.1.1稳态特性33

4.1.2动态特性33

4.1.3直流电动机调速装置34

4.2交流异步电动机35

4.2.1交流异步电动机的稳态特性35

4.2.2交流变频调速37

4.2.3两相异步执行电动机的电压控制39

4.3步进电动机40

4.3.1反应式步进电动机的工作原理40

4.3.2步进电动机的起动和运行41

4.3.3步进电动机的主要参数与性能指标41

4.3.4步进电动机的控制系统及功率驱动电源42

4.3.5步进电动机的选用原则43

4.4直线电动机45

4.4.1直线电动机的基本原理45

4.4.2直线电动机的分类46

4.4.3直线电动机的特点46

4.5电力电子器件47

思考题48

第5章 液压与气动执行装置49

5.1能源装置50

5.1.1液压能源装置50

5.1.2气动能源装置51

5.2执行元件52

5.2.1液压执行元件52

5.2.2气动执行元件55

5.3控制元件56

5.3.1液压控制元件56

5.3.2气动控制元件60

5.4辅助元件62

5.4.1液压系统典型辅助元件62

5.4.2气动系统典型辅助元件63

5.5基本回路64

5.5.1液压基本回路64

5.5.2气动基本回路66

思考题68

第二篇 测量系统70

第6章 测量与感知70

6.1测量系统的基本性能71

6.1.1精度71

6.1.2稳定性72

6.1.3输入输出特性72

6.2测量方法74

6.2.1直接法、间接法测量74

6.2.2偏差式、零位式、微差式测量法74

6.3测量误差75

6.3.1绝对误差和相对误差75

6.3.2工具误差和方法误差75

6.3.3系统误差、随机误差和粗大误差76

6.4信号处理和信息管理76

6.5测量系统的设计77

思考题80

第7章 传感器与转换器81

7.1概述81

7.1.1传感器和转换器的分类82

7.1.2传感器技术的发展82

7.2电阻型传感器83

7.2.1电位器83

7.2.2应变片84

7.2.3电阻式温度传感器85

7.3电容式传感器86

7.4电感式传感器88

7.4.1线性可调差动变压器88

7.4.2线性可调电感传感器89

7.4.3感应同步器89

7.4.4电感式速度传感器90

7.5热电传感器90

7.6光电传感器91

7.6.1光电探测器91

7.6.2光电编码器95

7.7固体传感器96

7.7.1磁场的测量97

7.7.2温度的测量98

7.8压电传感器和超声换能器99

7.8.1压电器件99

7.8.2超声系统101

7.8.3超声法测流量101

7.8.4超声法测距离102

7.9传感器的线性化103

7.9.1模拟线性化技术103

7.9.2数字线性化技术103

思考题104

第8章 信号处理105

8.1运算放大器基本电路105

8.1.1理想运算放大器105

8.1.2反相放大器106

8.1.3同相放大器106

8.1.4差动放大器107

8.1.5积分器108

8.1.6微分器108

8.1.7电荷放大器108

8.1.8电流一电压转换器109

8.1.9电压—电流转换器109

8.1.10对数放大器110

8.1.11比较器110

8.1.12施密特触发器110

8.2实用运算放大器111

8.2.1放大器的性能指标112

8.2.2斩波稳零放大器113

8.2.3自动调零放大器113

8.3信号隔离114

8.3.1隔离放大器114

8.3.2隔离变压器114

8.3.3光隔离器115

8.4相敏检波器和锁相环115

8.4.1相敏检波器115

8.4.2锁相环115

8.5多路复用115

8.5.1时分复用115

8.5.2频分复用116

8.6滤波器116

8.6.1模拟滤波器116

8.6.2数字滤波器118

8.6.3预处理滤波器和后整理滤波器119

8.7数字信号的处理和分析119

8.7.1数字信号处理119

8.7.2离散傅里叶分析120

8.8信号处理技术的发展120

8.8.1智能型敏感器件120

8.8.2专家系统、人工智能在测量中的应用121

思考题121

第9章 干扰与噪声122

9.1电磁干扰和噪声的分类122

9.1.1按电磁干扰的来源分类122

9.1.2按电磁干扰的发生机理分类123

9.1.3按噪声的发生机理分类124

9.1.4按噪声的频谱特点分类125

9.1.5噪声因子125

9.2干扰的传播途径125

9.2.1干扰通过导线传输到输入端口126

9.2.2干扰通过共阻抗耦合127

9.2.3干扰通过空间传播127

9.3干扰对敏感设备的影响128

9.3.1敏感度门限128

9.3.2干扰对模拟电路的影响128

9.3.3干扰对数字电路的影响129

9.4干扰的抑制和防护技术129

9.4.1输入端传导防护130

9.4.2滤波130

9.4.3屏蔽与防护131

9.4.4接地132

9.4.5隔离133

9.5系统内部器件产生的干扰及其抑制133

9.5.1晶闸管产生的噪声及其抑制134

9.5.2电感性负载切断时产生的瞬变噪声及其抑制135

9.5.3负载接通时的冲击电流及其抑制136

9.5.4开关触点的抖动136

9.5.5电源变压器干扰的抑制137

9.6软件抗干扰技术137

9.6.1软件陷阱和“看门狗”137

9.6.2变采样周期138

9.6.3数字滤波138

9.6.4判断剔除干扰138

思考题139

第三篇 嵌入式控制系统142

第10章 机械电子系统中的微处理器142

10.1嵌入式微处理器系统142

10.1.1嵌入式微处理器系统的特点142

10.1.2嵌入式系统的发展历史144

10.1.3嵌入式系统的发展趋势145

10.2机械电子系统中微处理器的作用146

10.3嵌入式系统的设计方法147

10.3.1模块化：一种行之有效的嵌入式系统设计方法148

10.3.2嵌入式系统标准模块——PC／104总线模块150

思考题151

第11章 嵌入式微处理器系统的应用设计152

11.1微处理器与内存及I／O接口电路的连接152

11.1.1存储器与I／O端口的编址方式153

11.1.2微处理器系统中的地址译码技术156

11.1.3系统总线负载能力的考虑160

11.2微处理器与数字式外部设备的接口161

11.2.1键盘的接口161

11.2.2七段LED数码管的接口165

11.3过程通道166

11.3.1过程通道的分类166

11.3.2模拟信号的采样、量化和编码167

11.4模拟量输入通道169

11.4.1模拟量输入通道的一般组成170

11.4.2多路转换器170

11.4.3可编程放大器172

11.4.4采样／保持器173

11.5 D／A转换与A／D转换技术174

11.5.1 D／A转换原理174

11.5.2 A／D转换原理176

11.6模拟量输出通道178

11.6.1多路模拟量输出通道的结构形式178

11.6.2单片D／A转换器及其与微处理器的接口179

11.6.3双极性模拟量输出的实现180

思考题181

第12章 机械电子系统的建模182

12.1机械电子系统的描述方法183

12.1.1机械电子系统的状态信息183

12.1.2状态变量的几种类型183

12.1.3不同类型的变量与不同类型的模型184

12.1.4复杂系统的建模方法184

12.2控制对象的数学模型185

12.2.1数学模型185

12.2.2线性与非线性系统186

12.2.3时域解析模型与时域分析186

12.2.4拉普拉斯变换187

12.2.5解析建模的方法187

12.3一、二阶线性定常系统的解析建模188

12.3.1机械系统建模188

12.3.2电路系统建模189

12.3.3液位系统建模190

12.4一、二阶线性常系数齐次微分方程的典型形式191

12.4.1一阶线性常系数齐次微分方程的典型形式191

12.4.2二阶线性常系数齐次微分方程的典型形式191

12.5一、二阶线性定常系统的单位阶跃响应192

12.5.1一阶线性定常系统的单位阶跃响应及时域分析192

12.5.2二阶线性定常系统的单位阶跃响应及时域分析193

12.6系统的物理仿真195

12.6.1相似性原理195

12.6.2物理仿真195

思考题196

第13章 机械电子系统中的微机控制197

13.1顺序控制和数值控制197

13.1.1顺序控制197

13.1.2数值控制198

13.2开环控制系统与闭环控制系统199

13.2.1开环控制系统199

13.2.2闭环控制系统199

13.3控制系统的品质和性能指标200

13.4闭环控制系统的构成及PID控制201

13.4.1常规PID控制202

13.4.2分离式PID控制204

13.5 PID参数整定205

13.5.1采样周期的选择205

13.5.2 PID参数整定的方法205

13.6 PID控制的改进206

13.6.1控制器饱和206

13.6.2防止控制器饱和的基本措施207

13.6.3积分项的改进207

13.6.4微分项的改进207

13.7智能型自适应PID控制209

13.8模糊控制器及其特点211

13.8.1经典和现代控制理论的发展及应用211

13.8.2模糊控制理论的发展及应用212

13.8.3模糊量及模糊控制212

13.8.4模糊集合和隶属函数的概念213

13.9模糊控制器的设计216

13.9.1精确量的模糊化216

13.9.2模糊控制规则的构成216

13.9.3输出信息的模糊判决220

13.10模糊控制方法在温度控制系统中的应用221

13.10.1 PID控制系统221

13.10.2 PID控制与模糊控制的实验比较223

思考题226

第14章 机械电子系统的网络监控227

14.1控制系统和通信系统的分层体系227

14.2数据通信基础229

14.2.1信号带宽和信道容量229

14.2.2信道的主要技术指标229

14.2.3通信介质和通信线路的连接形式230

14.2.4信道的通信方式231

14.2.5数据传输方式和调制方式232

14.2.6同步方式233

14.3数据通信网络的体系结构234

14.3.1资源共享235

14.3.2开放系统互连模型235

14.4局域网237

14.4.1局部网的拓扑结构237

14.4.2局域网协议结构238

14.5工业现场中的通信240

14.5.1现场总线的发展240

14.5.2现场总线标准241

14.5.3现场总线的典型结构242

14.5.4现场总线的特点243

思考题244

第15章 机械电子系统的总体设计245

15.1机械电子系统设计概述245

15.1.1机械电子工程设计方法的特点245

15.1.2机械电子系统中的控制248

15.1.3机械电子系统的设计过程249

15.2机械电子系统中的机构250

15.2.1机构的作用251

15.2.2机构的载荷传递及应力分布252

15.2.3机构的建模和仿真254

15.3机械电子系统的结构255

15.3.1结构的作用255

15.3.2结构的载荷及应力256

15.3.3结构的柔性256

15.3.4结构的建模分析257

15.3.5机械电子系统的外壳与封装257

15.4机械电子系统人-机界面的设计258

15.4.1工业设计和人体工程学258

15.4.2人-机信息交互259

15.5安全性261

15.5.1操作者的安全261

15.5.2系统的安全262

思考题263

第四篇 系统应用266

第16章 软盘驱动器266

16.1磁头系统266

16.1.1磁头小车267

16.1.2磁头小车的运动267

16.2主轴系统267

16.2.1直流无刷电动机267

16.2.2转子位置传感器269

16.3磁头系统与主轴系统的协同工作269

16.3.1磁道格式269

16.3.2读写操作270

16.3.3控制器的作用271

16.3.4工作状态检测271

16.4磁盘进出机构272

16.5主板272

16.6盘片和盘套274

16.7主要技术特性274

思考题275

第17章 关节式机器人设计276

17.1关节式机器人简介276

17.2总体设计276

17.2.1系统分析276

17.2.2技术设计277

17.2.3仿真分析280

17.3机器人机械本体的设计284

17.4机器人控制系统的设计285

17.4.1机器人控制系统的组成285

17.4.2机器人运动轨迹的控制285

思考题286

第18章 移动式机器人设计287

18.1移动式机器人简介287

18.2移动式机器人的行走机构288

18.2.1车轮式288

18.2.2履带式289

18.2.3足式289

18.3一种瑞士轮式全方位移动机器人的设计289

18.3.1机构设计方案的选择289

18.3.2全方位移动机器人的机构设计291

18.3.3全方位移动机器人的运动学分析293

思考题295

第19章 移动式机器人视觉导航系统的设计296

19.1计算机视觉简介296

19.2立体视觉概述296

19.2.1生物视觉系统296

19.2.2机器人立体视觉的原理297

19.3摄像机标定298

19.3.1摄像机模型298

19.3.2摄像机标定过程300

19.4图像理解300

19.4.1道路检测301

19.4.2障碍物检测302

19.5机器人视觉导航的应用304

思考题305

第20章 飞行动力训练地面模拟系统的设计306

20.1转速控制简介306

20.2初步设计307

20.2.1设计任务的设想307

20.2.2系统方案的选择307

20.2.3设计要求310

20.3具体设计310

20.3.1设计中的问题311

20.3.2设计方法311

20.3.3模拟驾驶环境321

20.3.4安全问题321

思考题322

参考文献323