机电一体化系统：建模、与控制

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作者: 彭义兵,许剑锋,罗映
出版社: 华中科技大学出版社
ISBN: 9787568072977

出版时间: 2021-07
装帧: 平装
开本: 16开

作者: 彭义兵,许剑锋,罗映
出版社: 华中科技大学出版社

ISBN: 9787568072977
出版时间: 2021-07

装帧: 平装
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综合性图书

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前言

从共享单车的智能锁到汽车的自动驾驶，从喷洒农药的无人机到工业磁盘的精密驱动控制，无不体现出机电一体化系统的广泛应用和产品的快速迭代。数字工程、仿真与建模、机电运动装备、微机电系统(MEMS)、微处理器及数字信号处理器(DSP)等技术的飞速发展，给工业界和学术界带来了新的挑战。在智能制造时代，机电一体化系统的设计，不同于从前，它比以往任何时候都需要多学科融合、多团队协同。它通过集成机械、电子、计算机科学与信息技术，采用控制系统、数字方法，实现智能产品和系统的设计。机电一体化的独特之处在于：工程师可将机械、电子、计算机科学与信息技术集成到整个产品的设计过程中。建模、仿真、分析、虚拟原型和可视化验证等都是开发新型机电一体化产品的关键过程和方法。基于此，本书强调系统规划的与时俱进，重视设计的方法论和控制策略的精准性，着重讨论机电一体化系统设计的基本理论、数学建模、仿真、控制及相关的关键技术，通过机电有机结合的方法，构造机电一体化系统的*佳设计框架，目的是培养具有系统分析、顶层设计能力的机电一体化系统设计人才。本书是在华中科技大学“双一流”建设项目——“交叉学科研究生高水平课程”支持下完成的。为了适应机械电子工程、机械设计制造及其自动化、机电一体化专业和其他相近专业的教学要求，我们编写了这本面向大学高年级和研究生的专业教材。学习本书需要有一定的机械制造技术、数值分析、传感器与检测技术、电子计算机技术、控制工程和MATLAB/Simulink等相关基础知识。在参考了国内外大量机电一体化技术文献、教材和著作的基础上，作者结合在机械设计制造及其自动化专业本科生、研究生的多年教学经验和科研成果编写了本书。对于机电一体化系统设计的基础知识，如机械设计、单片机、工控机等，鉴于大多数高等院校的相关专业已经设置相应课程，同类教材也多有涉及，本书不再赘述，而是重点论述机电一体化系统分析和设计所必需的典型知识、共性技术，强调系统的数字建模、仿真分析、控制策略和综合应用技术，以匹配本书规划的定位。全书共分为8章。第1章深入讨论了机电一体化设计过程的关键内容，对比了机电一体化传统设计和新型设计方法，并探讨了其发展方向；第2章重点讲解了系统建模和仿真，介绍了机电一体化中许多常见的物理系统，这些系统包含机械元件、电子元件等，讨论了其独立建模和耦合建模方法；第3章讲述了传感器和换能器的基本原理和特性，包括位置传感器、速度传感器和加速度传感器等；第4章讨论了几种类型的驱动设备，包含步进电机、直流电机和交流电机；第5章阐述了可编程序控制器原理及应用案例；第6章介绍了机电一体化系统的分析、设计与校正，详细讨论了基于根轨迹法和伯德图的控制器设计和校正方法。第7章和第8章分别介绍了PID控制技术和分数阶PIλDμ控制技术。本书第1章由许剑锋编写，第2章到第7章由彭义兵编写，第8章由罗映编写，全书由彭义兵统稿。研究生吴琪、颜东鹏、朱思勰、杜莹莹、吴竟宁、雷若山、刘璇做了大量资料收集和图表绘制工作，在此向他们表示衷心的感谢。感谢华中科技大学创新研究院、机械科学与工程学院对本项目的支持。此外，华中科技大学出版社对本书的出版也给予了极大支持，在此深表感谢。本书涉及的专业范围很广，限于作者水平，书中难免存在不足与疏漏之处，恳请读者批评指正。

商品简介

机电一体化是一门融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的新兴交叉学科。机电一体化系统实现了机械技术与微电子、信息、软件等技术的有机结合，极大地扩展了机械系统的发展空间。“机电一体化控制技术与系统”是机械工程及自动化、机械电子工程、机电控制工程、自动控制及相关机电类专业重要的专业技术课程。本书为该课程配套教材，共10章，内容包括:机电一体化概论、精密机械技术、工业控制计算机、基于单片机的控制器、可编程序控制器、传感器与计算机接口、动力驱动及其计算机控制、生产过程自动化技术、机电一体化系统的常用控制策略和机电一体化系统设计方法与实例。本书可作为普通高等学校机械工程及自动化、机械电子工程、机电控制工程、自动控制及相关机电类专业教材和参考书。

作者简介
彭义兵，博士，华中科技大学机械学院教师，数字制造装备与技术国家重点实验室研究人员。主要研究方向为数字化工艺与制造、机电一体化、三维CAPP、PLM等。美国RensselaerPolytechnicInstitute访问学者。主要承担的教学课程是“机械制造工艺学”和“先进制造技术”等，承担和参与了10余项国家863课题、省、市科研项目。

目录
第1章绪论/1
1.1机电一体化的概念/1
1.2机电一体化的发展阶段/7
1.3机电一体化设计方法/9
1.4机电一体化系统的应用领域/11
1.5机电一体化技术发展趋势/12
第2章系统建模与仿真/15
2.1常微分方程的拉普拉斯变换/15
2.2系统的传递函数形式/31
2.3系统的框图形式/37
2.4机械系统/42
2.5电气系统/59
2.6机电耦合系统/65
2.7流体系统/70
2.8多输入多输出系统/76
第3章传感与检测/83
3.1传感器基础/83
3.2位置传感器/92
3.3速度传感器/113
3.4力和扭矩传感器/116
3.5加速度传感器/130
3.6温度传感器/133
3.7距离测量原理与方法/139
第4章驱动装置/144
4.1步进电机/145
4.2伺服电机/160
4.3永磁同步电机/172
4.4交流感应伺服电机/183
第5章可编程序控制器/191
5.1PLC的结构与工作原理/191
5.2S7200系列PLC的存储器区域/203
5.3S7200系列PLC的基本指令/207
5.4S7200系列PLC的基本功能指令/213
5.5PLC系统设计应用案例/218
第6章系统分析与校正/225
6.1系统的稳定性/225
6.2系统的精确度/231
6.3系统的动态特性/234
6.4基于根轨迹法的校正/240
6.5基于伯德图的校正/262
第7章PID控制技术/270
7.1PID控制原理/270
7.2模拟PID控制/273
7.3数字PID控制/274
7.4PID各环节对控制系统的影响/277
7.5数字PID控制算法的改进/280
7.6数字PID参数整定/285
7.7PID控制应用案例/289
第8章分数阶PIλDμ控制技术/294
8.1基本函数/294
8.2分数阶微积分定义/296
8.3分数阶控制系统/298
8.4分数阶PIλDμ控制器设计/299
8.5分数阶PIλDμ控制器应用案例/312
参考文献/341

内容摘要
机电一体化是一门融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的新兴交叉学科。机电一体化系统实现了机械技术与微电子、信息、软件等技术的有机结合，极大地扩展了机械系统的发展空间。“机电一体化控制技术与系统”是机械工程及自动化、机械电子工程、机电控制工程、自动控制及相关机电类专业重要的专业技术课程。本书为该课程配套教材，共10章，内容包括:机电一体化概论、精密机械技术、工业控制计算机、基于单片机的控制器、可编程序控制器、传感器与计算机接口、动力驱动及其计算机控制、生产过程自动化技术、机电一体化系统的常用控制策略和机电一体化系统设计方法与实例。本书可作为普通高等学校机械工程及自动化、机械电子工程、机电控制工程、自动控制及相关机电类专业教材和参考书。

主编推荐
在智能制造时代，机电一体化系统的设计，不同于从前，它比以往任何时候都需要多学科融合、多团队协同。它通过集成机械、电子、计算机科学与信息技术，采用控制系统、数字方法，实现智能产品和系统的设计。机电一体化的独特之处在于：工程师可将机械、电子、计算机科学与信息技术集成到整个产品的设计过程中。建模、仿真、分析、虚拟原型和可视化验证等都是开发新型机电一体化产品的关键过程和方法。基于此，本书强调系统规划的与时俱进，重视设计的方法论和控制策略的精准性，着重讨论机电一体化系统设计的基本理论、数学建模、仿真、控制及相关的关键技术，通过机电有机结合的方法，构造机电一体化系统的*佳设计框架，目的是培养具有系统分析、顶层设计能力的机电一体化系统设计人才。本书是在华中科技大学“双品质”建设项目——“交叉学科研究生高水平课程”支持下完成的。为了适应机械电子工程、机械设计制造及其自动化、机电一体化专业和其他相近专业的教学要求，我们编写了这本面向大学高年级和研究生的专业教材。学习本书需要有一定的机械制造技术、数值分析、传感器与检测技术、电子计算机技术、控制工程和MATLAB/Simulink等相关基础知识。
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