深入讨论了机电一体化设计过程的关键内容，探讨了其发展方向，重点讲解系统建模和仿真，详细介绍了传感器和换能器的基本理论和概念、几种类型的驱动系统、控制和逻辑方法，特别是机电一体化系统中的控制设计，讨论了实时数据采集的理论和实践。最后还介绍了在智能制造领域机电一体化技术的发展。

本书浓缩了两位作者多年的研究成果，以及实际工作经验，广泛应用于美国、加拿大、中国、英国、印度和韩国等国家。主要内容包括：机电一体化设计、系统建模和仿真、传感器和换能器、驱动系统、控制和逻辑方法、根轨迹法和伯德图设计方法、实时数据采集等。第2版经过了大幅的扩展和修订，新增了众多设计示例和习题，并结合LabVIEW和VisSim进行仿真，旨在帮助读者理解机电一体化系统的设计方法。

本书特色
系统讲解传感器、驱动器、系统建模，并把经典控制系统设计与实时计算机接口相结合。
涵盖实际系统的建模和仿真，基于框图对机电一体化系统进行动态建模。
结合具体的工业案例分析和仿真环境，介绍机电一体化系统的设计方法，强调最新的可视化仿真软件的使用。
包含大量框图，在涉及案例分析时，广泛应用数学分析、建模仿真、控制和实时接口等工具。

前
戴夫德斯·谢蒂（Devdas Shetty）
美国哈特福德大学机械工程专业终身教授，哈特福德大学工程应用中心（EAC）主任。他在机电一体化设计领域的研究成果举世瞩目。

理查德 A. 科尔克（Richard A. Kolk）
美国宾夕法尼亚州费城PaceControls公司技术副总，仿真与控制方面的技术专家，哈特福德大学工程学院教师。

全球市场的竞争需要采用现代化技术来生产灵活的、功能丰富的产品，使其比现有的产品更好、更便宜、更智能。我们日常所使用的无数的智能产品，从汽车的导航控制系统到先进的飞行控制系统，从洗衣机到多功能的精密机器，已经证实了机电一体化的重要性。数字工程、仿真与建模、机电运动设施、电力电子、计算机和信息学、MEMS、微处理器以及DSP等技术的发展，给工业界和学术界带来了新的挑战。
机电一体化是机械和电子工程、计算机科学以及信息技术的协同组合，包含采用控制系统、数字方法来设计具有内置智能的产品。
机电一体化领域允许工程师将机械、电子、控制工程和信息技术集成到整个产品设计过程中。建模、仿真、分析、虚拟原型以及可视化等都是开发先进的机电一体化产品的关键因素。机电一体化设计注重系统优化，以保证创造与时俱进的合格产品。为了让机电一体化产品设计一次成功，需要团队合作以及多部门、多工程学科之间的协调。通过引入新的软件仿真工具和系统串接起来工作，促进了系统集成，创造了一条有效的机电一体化工作道路。
本书第1版是面向高年级本科生或研究生的，涵盖的专业包括机械工程、电子工程、工业工程、生物医学工程、计算机工程以及机电一体化工程。本书被广泛应用于美国、加拿大、中国、欧洲、印度和韩国。根据本领域内专家或使用本书的教师的反馈，本书第2版已经进行了大幅扩展和修订，所以本书不仅仍旧适合于原来的用户，而且适应于其他新出现的课程。
　　当前，有一种趋势是将机电一体化包含进传统的课程体系中，其目的是给即将毕业的工程师们提供一些综合的设计经验。这种经验来自于使用测量原理、传感器、驱动器、电子线路以及耦合了设计、仿真和建模的实时接口。有些课程以案例分析作为结尾，通过一个统一的设计项目，将各种各样的学科集成到一个成功的设计产品中，以便在实验室环境下就能快速地装配和分析这个产品。
　　本书第2版已经全部升级了。目标是全面覆盖多个领域，从而让读者理解工程学科的范围，将这些学科合在一起形成机电一体化的新领域。本书中所用的跨学科方法为机电一体化产品设计提供了技术背景。
本书第2版可作为如下课程的教材或参考书：
独立的机电一体化课程。
现代仪器和测量课程。
混合电子和机械工程课程，涵盖传感器、驱动器、数据采集和控制。
跨学科的工程课程，包括建模、仿真和控制。
本书特色
全面覆盖传感器、驱动器、系统建模，并且将经典的控制系统设计与实时计算机接口相结合。
工业实际案例分析。
深入讨论物理系统的建模和仿真。
包含框图、改进的模拟建模方法和最新的可视化仿真软件的使用。
展示如何在图形环境下利用可视化表示方法进行交互式建模，其对设计过程非常重要。
详细的机电一体化系统设计方法。
展示如何实现设计过程的一次性成功。
第2版新增内容
众多的设计例子，每一章后面都增加了习题，帮助学生理解基本的机电一体化方法。
实现了一个简单的运动控制模型，其贯穿于全书8章内容，逐步地涵盖了机电一体化系统的各个部分。
使用LabVIEW和VisSim软件进行仿真和实时接口。
包含当前机电一体化和智能制造的发展趋势。
在实施案例分析时，结合框图进行描述，强调广泛应用数学分析、建模仿真、控制和实时接口等工具。
包含传感器、实时接口、多输入和多输出系统。
从日常生活中碰到的情况中提取设计例子和习题。
描述机电一体化的协同性及其对设计的影响。
半实物仿真例子以及图解优化设计。
对多输入和多输出情况下的控制系统分析。
全面展示永磁直流电机与霍尔效应传感器的集成，以及其数学分析和位置控制。
机电一体化虚拟原型系统的创建。
第1章深入讨论机电一体化设计过程的关键内容，并探讨其发展方向。此外，还介绍近年来在智能制造领域机电一体化技术的发展，并讨论利用机电一体化方法对传统设计的改进。
第2章重点讲解系统建模和仿真，学生将学习如何利用改进的类比方法从图形或其他信息中创建精确的计算机动态模型，这里将传递函数变换成框图模型的过程分成了6步，这种方法将标准的模拟方法和框图建模方法相结合，其主要的不同之处在于本方法可以直接处理非线性问题，而不需要引入线性化。第2章还介绍在机电一体化中许多常见的物理系统，这些系统包括机械元件、电子元件、热元件、流体元件和液压元件，该章所开发的模型和技术将按机电一体化设计过程的顺序用于后续章节。
第3章讲述传感器与换能器的基本理论和概念，包括测量仪器的原理、模拟和数字传感器、位置传感器、力传感器、振动传感器，以及温度、流体和距离传感器。
第4章讨论几种类型的驱动设备，包括直流电机、步进电机、流体动力设备和压电驱动器。
第5章介绍系统控制和逻辑方法，包括数字技术和数字理论的基本原理，诸如布尔逻辑运算、模拟和数字电子学以及PLC。
第6章介绍机电一体化系统中的控制及其设计。重点关注真实环境的约束，包括时滞和非线性。详细介绍根轨迹法和伯德图设计方法，同时还介绍几个通用控制结构的设计过程，包括PI、PD、PID、滞后、超前和纯增益。
第7章讨论实时数据采集的理论和实践。利用可视化编程方法解决信号处理和数据解释的问题，举了几个利用LabVIEW和VisSim的例子。还利用案例分析一个永磁DC齿轮电机位置控制系统的PI控制器输出的脉宽调制功能。
第8章列举一系列适合实验室研究的案例。所有案例都通过使用通用的输入/输出板、可视化仿真环境以及应用软件来实施，图形环境的关键因素在于机电一体化应用中参与和交互系统的可视化表示。
结合课堂讨论、仿真实验和实验室的实验设计，向学生展示一个实际的机电一体化平台。编写本书的真正挑战在于将那些复杂的、看上去毫无联系的话题清楚而准确地联系起来，这些都是理解机电一体化所必需的。希望本书的读者能给予反馈意见，让我们进一步提高本书的质量。
对于学生：通过访问本书对学生开放的配套网站，下载VisSim试用版的说明，网址：wwwcengagecom/engineering/shetty。
对于教师：通过访问本书对教师开放的配套网站，可以获取更多的资源，网址：wwwcengage.com/engineering/shetty。
本书单位说明
本书第2版在全书中采用国际单位制（SI）。
美国惯用的单位制（USCS）采用FPS（英尺磅秒）单位，也称英制单位。SI单位主要是MKS（米千克秒）单位。然而CGS（厘米克秒）单位也常被认为是SI单位，特别是在教科书中。
本书中既用MKS单位，又用CGS单位。在本书中，正文和习题中的所有USCS单位或FPS单位都已经转换成SI单位。但是在数据源自手册、政府标准以及产品手册的情况下，如果将所有的数据转换成SI单位，不仅非常困难，而且会侵犯数据源的版权问题。因此，图、表和参考文献中的一些数据仍旧采用FPS单位。不熟悉FPS单位和SI单位关系的读者可以参考有关的转换表。
为了解决需要使用源数据的问题，在使用源数据进行计算之前，可以将FPS单位转化成SI单位。
采用SI单位的教师版习题答案手册关于本书教辅资源，用书教师可向圣智学习出版公司北京代表处申请，电话：01082862096/95/97，电子邮件：kaiyao@Cengagecom或asiainfochina@Cengagecom。——编辑注
可以通过销售代表或登录本书的网站（www.cengage.com/engineering）来获取。
欢迎读者提出关于本书SI版的反馈意见，这将长期帮助我们提高后续版本的质量。
致谢
本书中的内容浓缩了作者在哈特福大学、库珀联盟学院和劳伦斯理工大学多年的教学和研究成果，也展示了和United Technologies公司、McDonnell Douglas公司及其他企业紧密合作的心得体会。
很多评阅书稿的同行为本书做出了巨大的贡献。首先感谢上过本课程的几百个学生，在该课程教学过程中，我们测试了教学材料。其次感谢多位教授，他们在本项目的各个阶段提供了评论和建议，帮助我们修改草稿。还要感谢哈特福大学的Claudio Campana教授、多伦多大学的Ridha Ben Mrad教授、北卡罗里纳州立大学的M.K. Ramasubramanian教授，以及劳伦斯理工大学的George Thomas。
特别感谢哈特福大学的校长Walter Harrison博士、劳伦斯理工大学的校长Lewis Walker博士、阿尔比恩学院的院长 Donna Randall博士、劳伦斯理工大学的教务长Maria Vaz博士、哈特福大学的Lou Manzione主任和Ivana Milanovic博士，感谢他们的鼓励。还要感谢Visual Solutions公司和National Instruments公司，感谢他们为本书的相关部分提供实时接口的帮助。
感谢美国国家科学基金会和机电一体化联合技术基金会为本项目提供的资助。同事们给予的巨大支持和鼓励也是无价的。

——Devdas Shetty
Richard Kolk

机电一体化

本书浓缩了两位作者多年的研究成果，以及实际工作经验，广泛应用于美国、加拿大、中国、欧洲、印度和韩国等国家的大学。主要内容包括：机电一体化设计、系统建模和仿真、传感器和换能器、驱动系统、控制和逻辑方法、根轨迹法和伯德图设计方法、实时数据采集等。第2版经过了大幅的扩展和修订，新增了众多设计示例和习题，并结合LabVIEW和VisSim进行仿真，旨在帮助读者理解机电一体化系统的设计方法。


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薛建彬　朱如鹏 译：暂无简介

机电一体化（mechatronics）是将机械工程、电子工程、控制工程、电气工程、计算机科学以及信息技术协同组合为一体的新兴交叉学科。机电一体化技术极大地推进了经济、社会的发展与进步，不断刷新着人们的观念。不论是大型的航空航天器、轨道交通设施、海工装备、智能机器人，还是小型的智能洗衣机、电饭锅、微波炉、电子表，这些设备都是机电一体化的产品，机电一体化技术对我们的生活产生的影响日新月异。自20世纪80年代以来，许多高等院校开设了机械电子工程专业，讲授机电一体化课程，并为此编写了一些机电一体化技术与系统的教材。本书则是从国外引进的专业教材。
本书作者是美国康涅狄格州哈特福大学的Devdas Shetty教授和美国宾夕法尼亚州费城Pace Controls公司的Richard AKolk技术副总裁，他们在机电一体化设计领域积累了丰硕的教学和科研成果。本书作为大学教材被美国、加拿大、中国、印度、韩国及许多欧洲国家的大学使用。
本书涵盖了实际系统的建模和仿真，基于可视化的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的机电一体化技术用清楚和简洁的方式组合起来，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。书中所有案例都可用GPIO板，必要的设备和可视化的仿真软件来实现。本书的编写思路明晰、技术内容详细，融合了系统建模、仿真、传感器、驱动器、计算机实时接口和控制等机电一体化相关内容，适合作为高校本科生或研究生课程的教材，同时也可供相关专业工程技术人员参考。
在机械工业出版社编辑王颖的安排下，南京航空航天大学机电学院薛建彬副教授将本书翻译成中文，朱如鹏教授也参与了部分翻译工作，以让更多的读者分享本书的成果。薛建彬副教授长期承担高校研究生课程的双语教学工作，在科技专业语言上积累了丰富的经验和知识。在翻译本书过程中力求语言精炼，语序符合我国的使用习惯，通俗易懂。中文版对原著中的部分图表做了删减，改正了原著中的瑕疵，单位基本上使用国际标准。另外，由于VisSim和LabVIEW等软件版本的升级，因此实际应用界面有所不同，请读者在阅读本书时注意。
衷心感谢机械工业出版社的编辑为本书出版所做出的辛勤工作，感谢参与本书翻译和审校的同仁，他们完成了大量繁琐而又十分严谨的工作。
由于译者水平有限，书中难免存在错误与疏漏，敬请广大读者批评指正，欢迎大家通过meejbxue@nuaaeducn给本书提出宝贵的意见，以让本书再版时进一步提升质量。

薛建彬

译者序
第2版前言
第1章机电一体化系统设计概述1
11机电一体化的概念2
12机电一体化综合设计3
13机电一体化的设计过程5
14机电一体化关键组成8
15机电一体化应用15
16本章小结28
习题29
参考文献29
第2章机电一体化系统
建模与仿真31
21算子符号和传递函数32
22框图、操作和仿真33
23框图建模——直接方法38
24框图建模——模拟方法48
25电气系统55
26机械平移系统59
27机械转动系统65
28机电耦合69
29流体系统73
210本章小结83
习题83
参考文献87
第2章附录87
第3章传感器和换能器92
31传感器和换能器简介93
32元器件变化的影响——敏度分析98
33运动和位置测量传感器102
34测量运动的数字传感器114
35力、扭矩和触觉传感器118
36振动——加速度传感器128
37流体测量传感器135
38温度传感装置144
39传感器应用148
310本章小结167
习题168
参考文献173
第4章驱动装置174
41直流电机175
42永磁步进电机179
43流体力驱动184
44流体力系统的组成187
45压电驱动器197
46本章小结198
习题199
参考文献200
第5章系统控制——逻辑方法201
51机电一体化中的数字系统202
52二进制逻辑206
53卡诺图最小化210
54PLC215
55本章小结223
习题223
参考文献226
第6章信号、系统和控制227
61信号、系统和控制简介228
62常微分方程的拉普拉斯变换230
63系统表示234
64非线性系统的线性化238
65时间延迟241
66系统性能指标242
67根轨迹法249
68伯德图258
69采用极点配置法设计控制器264
610本章小结268
习题268
参考文献270
第7章信号调制和实时接口271
71引言272
72数据采集和控制系统的组成272
73传感器和信号调制276
74数据转换设备277
75数据转换过程282
76应用软件288
77本章小结315
参考文献316
第8章案例分析317
81综合案例分析318
82数据采集案例分析332
83数据采集和控制案例分析339
84本章小结349
习题349
参考文献349
附录350