机电一体化系统设计
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作者(美)戴夫德斯·谢蒂(Devdas Shetty),(美)理查德 A.科尔克(Richard A.Kolk) 著;薛建彬,朱如鹏 译
出版社机械工业出版社
ISBN9787111529231
出版时间2016-05
装帧平装
开本16开
定价89元
货号1201302341
上书时间2024-06-08
商品详情
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作者简介
戴夫德斯·谢蒂，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，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。
目录
译者序
第2版前言
第1章机电一体化系统设计概述
1.1机电一体化的概念
1.2机电一体化综合设计
1.3机电一体化的设计过程
1.4机电一体化关键组成
1.5机电一体化应用
1.6本章小结
习题
参考文献
第2章机电一体化系统
建模与仿真
2.1算子符号和传递函数
2.2框图、操作和仿真
2.3框图建模——直接方法
2.4框图建模——模拟方法
2.5电气系统
2.6机械平移系统
2.7机械转动系统
2.8机电耦合
2.9流体系统
2.10本章小结
习题
参考文献
第2章附录
第3章传感器和换能器
3.1传感器和换能器简介
3.2元器件变化的影响——敏度分析
3.3运动和位置测量传感器
3.4测量运动的数字传感器
3.5力、扭矩和触觉传感器
3.6振动——加速度传感器
3.7流体测量传感器
3.8温度传感装置
3.9传感器应用
3.10本章小结
习题
参考文献
第4章驱动装置
4.1直流电机
4.2永磁步进电机
4.3流体力驱动
4.4流体力系统的组成
4.5压电驱动器
4.6本章小结
习题
参考文献
第5章系统控制——逻辑方法
5.1机电一体化中的数字系统
5.2二进制逻辑
5.3卡诺图最小化
5.4PLC
5.5本章小结
习题
参考文献
第6章信号、系统和控制
6.1信号、系统和控制简介
6.2常微分方程的拉普拉斯变换
6.3系统表示
6.4非线性系统的线性化
6.5时间延迟
6.6系统性能指标
6.7根轨迹法
6.8伯德图
6.9采用极点配置法设计控制器
6.10本章小结
习题
参考文献
第7章信号调制和实时接口
7.1引言
7.2数据采集和控制系统的组成
7.3传感器和信号调制
7.4数据转换设备
7.5数据转换过程
7.6应用软件
7.7本章小结
参考文献
第8章案例分析
8.1综合案例分析
8.2数据采集案例分析
8.3数据采集和控制案例分析
8.4本章小结
习题
参考文献
附录
内容摘要
本书详细介绍机电一体化系统设计方法，共分8章。靠前章讨论机电一体化设计过程的关键内容，探讨其发展方向；第2章重点讲解系统建模和仿真；第3章讲述几种传感器与换能器的基本理论和概念；第4章讨论直流电机、步进电机、流体动力设备等驱动系统；第5章介绍控制和逻辑方法，包括数字化技术的基本原理、数字化理论以及PLC等；第6章介绍机电一体化系统中的控制设计，并讲述根轨迹法和伯德图设计方法，以及PI、PD、PID等设计过程；第7章讨论实时数据采集的理论和实践；第8章给出几个利用LabVIEW和VisSim的案例。
本书适合作为机械工程、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等学科高年级本科生和研究生的教材，也可供相关专业人士参考。
精彩内容
第2版前言Preface to the Second Edition优选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优选的飞行控制系统，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优选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近期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，其对设计过程很好重要。
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准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：wwwcengagecom/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：wwwcengage.com/engineering/shetty。
本书单位说明本书第2版在全书中采用靠前单位制（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，不仅很好困难，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：01082862096/95/97，电子邮件：kaiyao@Cengagecom或asiainfochina@Cengagecom。——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 ShettyRichard Kolk
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