机械电子学

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...

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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

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
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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
· · · · · · (收起)