Mechatronics system design

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