机电一体化系统：建模、仿真与控制

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。

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。