机电一体化是微电子技术向传统机械工程渗透而形成的融合机械工程、电气工程、计算机科学、信息技术等学科为一体的新兴交叉学科。本书介绍了机电一体化技术基本原理所涉及的各种专题，通过系统建模技术将复杂分散的机电一体化技术与内容用清楚和简洁的方式融合起来，进而选择和设计传感器、执行器、控制器、接口硬件与信息处理系统软件。本书所有案例都可以用I/O板、低价的设备、可视化的仿真软件实现,书中还为读者提供了策划、试验和实现良好机电一体化系统的最新工具。
本书特点
● 从系统建模的角度对机电一体化加以综述和解释
● 创建物理系统动态模型的修正模拟方法
● 详细描述许多装置中的传感器与执行器的操作和选择
● 结合现实世界的约束条件全面讨论经典控制
● 讨论用于实时计算机接口模拟和数字硬件的器件
● 汇集了许多带零部件表的实例研究，适合实验练习
● 概括了机电一体化领域最新的成果和未来的发展趋势
无
机电一体化是由机械工程、电气工程、计算机科学和信息技术等有机结合而成的学科，包括控制系统以及设计具有内置智能产品的数值方法。
本书适用于机械工程、工业工程、制造工程、土木工程、电气工程和机械电子工程专业的高年级本科生和研究生。本书综合了系统建模、仿真、传感器、执行器、实时计算机接口和控制等机电一体化的相关内容，适合作为大学机电一体化课程的教材。本书还向学生介绍了机电一体化技术的基本原理所涉及的各种专题。
本书的独特之处在于涵盖了物理系统的建模和仿真。传统上，学习本课程需要至少熟练一门计算机语言，如FORTRAN、C或BASIC。有鉴于此，在本书中，我们使用基于可视化编程环境框图来完成所有建模和仿真任务。学生会发现这个环境很直观、灵活，更容易理解。
本书特色
本书是为学生和在职工程师而编写的，既可作为参考书也可用作说明性资料。本书的主要特点如下：
* 从系统建模的角度对机电一体化加以综述和解释。
* 创建物理系统动态模型的修正模拟法。
* 详细描述许多装置中的传感器与执行器的操作和选择。
* 结合现实世界的约束条件全面讨论经典控制。
* 讨论用于实时计算机接口的模拟和数字硬件器件。
* 汇集了许多带零部件表的实例研究，适合于实验练习。
* 概括了机电一体化领域最新的成果和未来的发展趋势。
随着微电子技术、新材料和控制技术的广泛应用，许多以前外置的处理电路现在通常被内置或集成于产品中。例如，具有线性化和信号修整功能的集成微电子电路的智能传感器做成传感器模块，易于广泛应用。微型传感器和微机电系统在消费品、卫生保健、过程控制、军事/航天和环境工程中有着数不胜数的应用。它们微小的尺寸、优越的性能和广泛的应用能力为工程师们改善系统设计提供了新的可能。
章节编排
基于本书的机电一体化课程，可以通过示例、问题以及在实验室环境迅速组装并试验的研究实例向学生介绍机电一体化的设计过程。
* 第1章介绍机电一体化的基础知识，然后深入探讨机电一体化的设计过程。
* 第2章专门介绍系统建模和仿真。学生将学会用修正模拟法从图表和其他信息资料中创建准确的基于计算机的动态模型。这一独特的方法结合了在许多教材中可以找到的建模的标准模拟法和框图，其主要区别是具有直接包含非线性环节的能力而毋需线性化。该章还讨论了许多在机电一体化中碰到的物理系统，包括机械系统、电气系统、热系统、流体系统和液压元件。这一章中阐述的模型和技术将会在随后的机电一体化设计过程章节中运用到。
* 第3章主要介绍传感器和变换器的基本理论概念和操作原理，还讨论了仪器仪表装置原理、模拟和数字传感原理以及一些运动、力和振动传感器。
* 第4章介绍执行装置，包括直流电动机、步进电动机、流体动力执行器和压电执行器，详细介绍了适用于机电一体化分析的完整的步进电动机/驱动模型。
* 第5章讨论机电一体化系统的软硬件要求，包括布尔逻辑、模拟与数字电路和可编程逻辑控制器。
* 第6章介绍机电一体化的控制和设计，特别注意了现实世界的约束，包括延时和非线性。详细介绍了根轨迹和伯德图设计法，以及PI、PD、滞后、超前、速度反馈和纯增益等常用控制结构的设计过程。
* 第7章讨论计算机接口和实时数据采集与控制的理论和实践应用。用可视化编程方法来进行信号处理和数据解释。
* 第8章介绍机电一体化的新概念、未来的发展趋势和最新的发展现状。
* 第9章介绍适合于实验室试验的案例集，还介绍了应用于机器人、机械手、机床、飞行器、热系统和流体过程设备的集成元件和设计思路。所有案例都可以用通用的I/O板、低价的设备、可视化仿真环境和应用软件来实现。作者还为那些对复制案例感兴趣的读者提供了额外信息。
编写本书的真正挑战在于用清晰和简洁的方式把复杂和表面上分散的内容结合起来，这样做对理解机电一体化是至关重要的。本书为读者提供了计划、测试和实现良好机电一体化系统所需的所有工具。
致谢
本书所用材料是作者在哈特福德大学、Cooper联合学院、联合技术研究中心、麦道飞机公司和开利公司的研究与教学工作中积累起来的。
感谢在准备工作中给予帮助的同事和朋友。感谢给本书审稿的教授Chester Dudzik、Bob Loftas和Paul Botosoni。感谢给予建议和鼓励的哈特福德大学的教授Ernest Gardow、Donald Leone、Louis Godbout和Frank Lahey，以及John Cagnetta博士。
特别感谢联合技术研究中心的Fred Cogswell博士、Tom Hardy、Carl Sgamboti和Tim Obee先生参与了多次系统建模的讨论。感谢开利公司电子分部的Steve Defoe和Paul James先生对控制一章的审稿和建议。感谢Visual Solutions公司在实时接口一章中给予的帮助。
Devdas Shetty, Richard A.Kolk：Devdas Shetty: 美国康涅狄格州哈特福德大学的制造工程终身教授，哈特福德大学工程学院副院长和工程应用中心（EAC）主任。他在机电一体化设计领域的研究成果举世瞩目。
Richard A.Kolk: 美国康涅狄格州联合技术公司成员，公司仿真与控制高级技术专家，哈特福德大学工程学院教师。
张树生 等：暂无简介
机电一体化（mechatronics）是微电子技术向传统机械工程渗透而形成的融合机械工程、电气工程、计算机科学、信息技术等为一体的新兴交叉学科。
以机电一体化为标志的现代制造技术极大地推进了经济、社会的发展与进步，改变着人们的传统观念。机电一体化技术革命的浪潮席卷全球，已经渗透到世界经济与科技的各个领域，成为当今世界技术竞争的一个至高点，由此形成的机电一体化高新技术产业被列入各国发展之首。
机电一体化技术的全球性竞争归根到底是机电一体化人才竞争，而人才培养的关键在于机电一体化教育。自20世纪80年代以来，许多大专院校相继开设了机械电子工程专业，设立了机械电子工程学士、硕士和博士学位，为此编写出版了不少机电一体化技术与系统的教材，《机电一体化系统设计》则是为机械电子工程和相关专业引进的重要的专业教材。
机电一体化系统设计主要研究如何集成精密机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和伺服传动技术，进行总体优化设计。设计所形成的机电一体化系统不是上述共性技术的简单叠加，而是这些共性技术的相互渗透、相互结合，形成某一单项技术无法达到的优势，并将这种优势通过性能优异的机电一体化产品体现和转化为强大的生产力。因此采用清晰简单的方式，把复杂和表面分散的机电一体化共性关键技术融合起来，并提供计划、试验和实现良好机电一体化系统的所需知识的教材显得尤为必要。
本书作者Devdas Shetty 教授是美国康涅狄格州哈特福德大学的制造工程终身教授、哈特福德大学工学院副院长和工程应用中心（EAC）主任。他在机电一体化设计领域的研究成果举世瞩目。《机电一体化系统设计》凝聚了Devdas Shetty 教授从事机电一体化教学科研理论与实践的最新成果，作为教材被美国许多大学广为使用。
本书的独特之处在于涵盖了实际系统的建模和仿真，基于可视化程序框图对机电一体化系统进行物理系统动态建模，建模环境直观、灵活，更易理解。通过系统建模技术将复杂分散的机电一体化技术与内容用清楚和简洁的方式融合起来，进而选择与设计传感器、执行器、控制器、接口硬件以及信息处理系统软件。本书所有案例都可以用I/O板、低价的设备、可视化的仿真软件实现。本书还为读者提供了策划、试验和实现良好机电一体化系统的最新工具。所有这些特点说明，本书在教材编著思路、技术内容和系统协调上有创新，集合系统建模、仿真、传感器、执行器、计算机实时接口和控制等机电一体化相关内容为一体，适合作为高等院校本科生或研究生课程尤其是双语教学的好教材，同时也可供相关专业工程技术人员参考。
本书由中国计量学院机械电子工程研究所张树生、单越康、谢岳、吕进、冯爱明、徐文龙等翻译，全书由张树生统稿。参加翻译工作的还有林敏、冀瑜、韦元、黄宇、张琦、刘辉军、胡亦曼、毛谦敏等。翻译中我们力求忠实于原著，又充分体现中国文化与科技发展的特点。在此要特别感谢浙江大学博士生导师王乐勤教授、杭州电子科技大学陈国金教授等机械电子工程专家的精心指导，衷心感谢机械工业出版社华章分社的编辑为本书出版所做出的辛勤工作，他们的敬业精神和渊博知识为译者留下了深刻的印象。感谢为本书的翻译和审校工作完成大量繁琐而又十分严谨工作的其他教授、博士和同事们。
由于译者水平有限，加之时间仓促，书中存在错误与疏漏难免，敬请广大读者见谅，并批评指正。
译 者
2005年3月于杭州
第1章 绪论 1
1.1 什么是机电一体化 1
1.2 机电一体化集成设计问题 2
1.3 机电一体化关键要素 4
1.3.1 信息系统 4
1.3.2 机械系统 9
1.3.3 电气系统 10
1.3.4 计算机系统 14
1.3.5 传感器和执行器 15
1.3.6 实时接口 16
1.4 机电一体化设计过程 18
1.5 机电一体化中的高级方法 21
1.6 小结 24
参考文献 24
习题 24
第2章 物理系统的建模和仿真 27
2.1 概述 27
2.2 仿真和框图 27
2.2.1 框图 28
2.2.2 仿真 30
2.3 模拟和阻抗框图 31
2.3.1 位势变量PV和流体变量FV 31
2.3.2 阻抗图 32
2.3.3 修正模拟法 37
2.4 电气系统 41
2.4.1 电阻、电容和电感 41
2.4.2 电压源、电流源和变压器 41
2.5 机械平动系统 46
2.5.1 摩擦力 48
2.5.2 弹簧 51
2.6 机械转动系统 60
2.7 机电耦合 64
2.7.1 洛伦兹定律 64
2.7.2 法拉第定律 65
2.7.3 作用公式 66
2.8 流体系统 68
2.8.1 密度与重度 68
2.8.2 力、压力与压头间的关系 69
2.8.3 体积模量 69
2.8.4 质量守恒 69
2.8.5 能量守恒 70
2.8.6 节流口 71
2.8.7 容器 73
2.8.8 流体类比小结 74
2.9 小结 79
参考文献 79
习题 80
第3章 传感器和变换器 85
3.1 传感器和变换器概述 85
3.1.1 传感器的分类 86
3.1.2 传感器和变换器的参数测量 87
3.1.3 仪表系统的品质参数 88
3.1.4 机电一体化建模参数中的误差和不确定度 90
3.1.5 应用示例 92
3.2 运动和位置测量传感器 95
3.2.1 电阻式变换器 96
3.2.2 电感式变换器 99
3.2.3 电容式变换器 103
3.2.4 压电式变换器 109
3.2.5 涡流式变换器 116
3.2.6 霍尔效应 117
3.2.7 运动测量用的数字传感器 120
3.2.8 气动式变换器 124
3.3 力、转矩和触觉式传感器 126
3.3.1 应变计 126
3.3.2 触觉式传感器 131
3.4 流量传感器 132
3.4.1 固体流量 132
3.4.2 液体流量 133
3.4.3 差压式传感器 134
3.4.4 流量测量的超声波流量传感器 137
3.4.5 靶式流量计 138
3.4.6 涡轮流量计 139
3.4.7 转子力矩质量流量计 139
3.4.8 利用激光多普勒效应的流量测量 140
3.4.9 热线风速计 141
3.4.10 电磁流量计 141
3.5 温度传感器 142
3.5.1 基于电阻变化的温度传感器 143
3.5.2 基于不同金属间接触电压的温度传感器 144
3.5.3 辐射式温度传感器 146
3.5.4 光纤式温度传感器 146
3.5.5 干涉式温度传感器 146
3.6 超声波传感器 147
3.6.1 超声波距离测量 147
3.6.2 超声波应力测量 148
3.6.3 超声波流量测量 148
3.7 测距传感器 148
3.7.1 测距传感器原理 149
3.7.2 点投影测量法 150
3.7.3 光条纹测量法 151
3.7.4 移动拍照测量法 151
3.7.5 飞行时间测量法 151
3.7.6 双目镜测量法 152
3.7.7 应用位置敏感检测器的光学测量法 153
3.7.8 其他测距技术 154
3.8 基于磁致伸缩式传感器的有源振动控制 155
3.8.1 实时振动控制的执行器 155
3.8.2 磁致伸缩式变换器 155
3.9 机电一体化系统中的光纤器件 157
3.10 小结 159
参考文献 160
习题 161
第4章 执行装置 167
4.1 直流电动机 167
4.1.1 直流电动机的数学模型 167
4.1.2 无刷直流电动机 168
4.1.3 交流电动机 169
4.2 永磁步进电动机 169
4.2.1 建模方法 170
4.2.2 驱动方程和框图模型 171
4.2.3 电动机方程和框图模型 171
4.3 流体动力执行器 173
4.3.1 流体动力中的控制系统 173
4.3.2 流体动力执行器 176
4.4 流体动力设计要素 176
4.4.1 流体动力能量输入装置 177
4.4.2 能量调制装置 180
4.4.3 能量输出装置 184
4.4.4 流体动力回路的控制模式 185
4.4.5 流体动力回路的其他电气元件 186
4.5 压电执行器 186
4.6 小结 187
参考文献 187
习题 188
第5章 机电一体化系统的硬件组成 189
5.1 机电一体化数字系统 189
5.2 二进制逻辑 193
5.2.1 几种逻辑表达的证明与简化 195
5.2.2 真值表 196
5.3 卡诺图化简 198
5.3.1 二变量卡诺图 198
5.3.2 三变量卡诺图 199
5.3.3 四变量卡诺图 201
5.4 变换器信号调节及数据转换装置 201
5.4.1 运算及检测放大器 201
5.4.2 数据转换装置 207
5.5 可编程控制器 209
5.5.1 PLC系统概述 210
5.5.2 可编程控制器特点 211
5.5.3 PLC编程基础 213
5.6 小结 215
参考文献 216
习题 216
第6章 信号、系统与控制 219
6.1 信号、系统和控制概述 219
6.2 系统描述 221
6.2.1 传递函数形式 221
6.2.2 框图形式 223
6.3 非线性系统的线性化 225
6.4 延时 227
6.5 系统性能指标 229
6.5.1 稳定性 229
6.5.2 准确度 229
6.5.3 瞬态响应 233
6.5.4 灵敏度 235
6.6 根轨迹 236
6.6.1 基本原理 237
6.6.2 绘制规则 238
6.6.3 绘制实例 239
6.6.4 控制 240
6.7 伯德图 246
6.8 小结 253
参考文献 253
习题 253
第7章 实时接口 257
7.1 概述 257
7.2 数据采集与控制系统的基本要素 257
7.3 I/O过程的概述 259
7.4 I/O卡与软件的安装 262
7.5 应用软件的安装 264
7.5.1 使用VisSim进行基础建模和仿真 264
7.5.2 为实时运行设置VisSim 267
7.6 实例 272
7.6.1 悬臂梁力的测量 272
7.6.2 控制步进电动机 274
7.6.3 数据采集和控制系统 279
7.7 帧溢出 284
7.7.1 识别上限 285
7.7.2 限制视图 285
7.7.3 延长时间步长 285
7.7.4 使用更简单的积分算法 285
7.7.5 关闭隐含的公式运算器 286
7.8 小结 286
参考文献 286
第8章 机电一体化系统的高级应用 287
8.1 状态监测传感器 287
8.2 自动化制造中的机电一体化控制 290
8.2.1 制造过程监测 290
8.2.2 在线质量监测 290
8.2.3 基于模型的系统 291
8.2.4 硬件在环路仿真 292
8.2.5 制造检验中的监督控制 293
8.2.6 异构系统的集成 294
8.3 机电一体化中的人工智能 296
8.3.1 机电一体化中的人工神经网络 296
8.3.2 知识库系统 297
8.4 机电一体化中的模糊逻辑应用 298
8.4.1 模糊逻辑系统 298
8.4.2 何谓模糊控制 299
8.4.3 模糊专家系统的使用 301
8.5 机电一体化中的微型传感器 302
8.5.1 微型传感器制造技术 303
8.5.2 微型压力传感器 305
8.5.3 微型加速计传感器 305
8.5.4 微型热传感器 305
8.5.5 微型流量传感器 305
8.5.6 微型湿度传感器 305
8.5.7 微型位移传感器 305
8.5.8 微型光学传感器 305
8.6 小结 306
参考文献 306
第9章 案例分析 309
9.1 数据采集案例分析 309
9.1.1 运输桥梁表面材料测试 309
9.1.2 应用在汽车中的传感器标定系统 310
9.1.3 应变计称重系统 312
9.1.4 螺线管电磁力—位移标定系统 314
9.1.5 光学旋转编码器 315
9.2 数据采集和控制案例分析 317
9.2.1 陶瓷板的热循环疲劳 318
9.2.2 pH值控制系统 320
9.2.3 除冰温度控制系统 321
9.2.4 CD播放器的跳读控制 324
9.3 小结 325
9.4 关于其他案例分析的建议 325
附录 国内外电气图形符号对照 328
索引 329
