机械电气学 机械和电气工程中的电气控制系统 原书第5版2025|PDF|Epub|mobi|kindle电子书版本百度云盘下载

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第一部分 概述1

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

1.7.3 MEMS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21

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

4.3.1 DAC71

4.3.2 ADC73

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

5.2.1 AND门82

5.2.2 OR门83

5.2.3 NOT门84

5.2.4 NAND门84

5.2.5 NOR门85

5.2.6 XOR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

5.4.3 JK触发器95

5.4.4 D触发器96

5.4.5 寄存器97

5.4.6 555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121

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

9.3.4 MOSFET159

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173

本章小结175

习题176

第四部分 系统模型177

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

13.6.1 s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

14.4.1 G(s)=K的伯德图237

14.4.2 G(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

15.7 PID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269

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

17.3.2 Intel 8051283

17.3.3 Microchip TM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

20.4.1 PIA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

21.2 PLC基本结构346

21.2.1 输入／输出346

21.2.2 输入程序348

21.2.3 PLC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

21.3.3 I/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

22.6.1 RS-232373

22.6.2 20mA电流环375

22.6.3 I2C总线375

22.6.4 CAN总线376

22.6.5 USB377

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

23.7 PLC系统390

23.7.1 程序测试390

23.7.2 输入／输出测试391

23.7.3 PLC作为系统的监视器391

本章小结392

习题393

第六部分 总结395

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417

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E C库函数441

附录F MATLAB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