具体描述
这是一本为工科学生写的教科书，可以作为机械电子学领域的综合性教材。本书详尽地论述了传感器与信号调理、数字信号、数字逻辑、数据显示、气动和液压驱动系统、机械驱动系统、电气驱动系统、系统模型、系统的动态响应、系统传递函数、频率响应、闭环控制系统、人工智能、微处理器、汇编语言、c语言、输入输出系统、plc、通信系统、故障检测、机电系统设计案例等方面的相关知识。
《机械电子学：机械和电子工程中的电子控制系统(原书第5版)》内容丰富，实用性强，不但可作为高等院校机械、电气、控制工程等专业本科生和研究生教材，也可作为广大工程技术人员的参考书。
作者简介
本书是William Bolton先生编写的机械电子学国际通用教材，内容涵盖传感器与信号调理、数字信号、数字逻辑、数据显示、气动和液压驱动系统、机械驱动系统、电气驱动系统、系统模型、系统的动态响应、系统传递函数、频率响应、闭环控制系统、人工智能、微处理器、汇编语言、C语言、输入/输出系统、PLC、通信系统、故障检测和机电系统设计案例等，是一本多学科交叉融合的综合性教材。该教材理论讲解深入浅出，体系结构完整，机械电子结合充分，习题丰富，一直被国外各大学采用，获得了非常好的评价。
通过翻译引进该教材，可借鉴国外机械电子教学的先进经验，有利于推动国内大学机械电子课程教学与国外大学的接轨，进而推动我国本科生和研究生课程的国际化建设。
本书不但可以作为高等院校的机械、电气、控制工程等工科专业本科生和研究生的教材，也可作为广大工程技术人员的参考书。
本书第3～5章、第9～12章、第14章、第16～19章、第21章、第23章和索引由付庄翻译，第1章由付庄、管恩广翻译，第2章由付庄、蔡雄风翻译，第6章由闫维新、宋阳翻译，第7章由郑望望翻译，第8章由邓文昊翻译，第13章由汤智诚翻译，第15章由刘基昊翻译，第20章由钱欢翻译，第22章由翟嘉心翻译，第24章由刘文红翻译。附录A由周航飞翻译，附录B和附录C由杨凇翻译，附录D和附录F由刘文红翻译，附录E由薛美风翻译，附录G由魏振红翻译。
译者在机电教学、机器人研究之余完成了本书的翻译，并用尽可能通俗易懂的语言把复杂问题说清楚。第2章、第4章、第7章、第13章、第17章、第18章、第20章和附录由付庄初校，第3章由魏振红初校，第5章由盛致愉初校，第6章由邓文昊初校，第7章由赵言正、付庄初校，第8章由于克媛初校，第9章由俞港初校，第10章由周航飞初校，第1、11、14、16、23章由管恩广初校，第12章由詹世涛初校，第15章由曹峰初校，第19章由李爽初校，第24章由郑望望初校。付庄进行了全书的总审校，编写了原书的勘误表，并修正了书中的错误和疏漏之处。本书的翻译还得到了上海交通大学“机电一体化系统设计”研究生公共基础课建设“985工程”项目的支持和许多老师、同学的帮助，并参考了相关的资料，在此对这些资料的作者以及相关的老师和同学表示衷心的感谢。
由于译者水平有限，本书错译漏译等不足之处在所难免，敬请读者批评指正。如读者能从中略有收获，译者将深感万幸。
译者
2013年12月
目录信息
前言
第一部分概述
第1章机械电子学导论1
1.1什么是机械电子学1
1.1.1机电一体化系统实例1
1.1.2嵌入式系统2
1.2设计流程2
1.3系统4
1.3.1系统建模4
1.3.2连接系统5
1.4测量系统5
1.5控制系统6
1.5.1反馈6
1.5.2开环与闭环系统7
1.5.3闭环系统的基本单元8
1.5.4模拟和数字控制系统11
1.5.5顺序控制器14
1.6可编程逻辑控制器15
1.7机电一体化系统的例子16
1.7.1数字摄像机与自动对焦16
1.7.2发动机管理系统17
1.7.3mems和汽车安全气囊18
本章小结18
习题19
第二部分传感器与信号调理
第2章传感器和变送器21
2.1传感器和变送器21
2.2性能术语22
2.3位移、位置和接近25
2.3.1电位器传感器25
2.3.2应变片26
2.3.3电容元件27
2.3.4差动变压器29
2.3.5涡流式接近传感器30
2.3.6电感式接近开关30
2.3.7光学编码器30
2.3.8气动传感器32
2.3.9接近开关32
2.3.10霍尔效应传感器33
2.4速度和运动34
2.4.1增量式编码器34
2.4.2测速发电机34
2.4.3热释电传感器35
2.5力36
2.6流体压力36
2.6.1压电传感器38
2.6.2触觉传感器39
2.7液体流动39
2.7.1孔板39
2.7.2涡轮流量计40
2.8液位40
2.8.1浮块40
2.8.2压差40
2.9温度40
2.9.1双金属片41
2.9.2电阻温度检测器41
2.9.3热敏电阻41
2.9.4热敏二极管和晶体管42
2.9.5热电偶42
2.10光敏传感器44
2.11传感器的选择45
2.12通过开关输入数据45
2.12.1消抖46
2.12.2键盘47
本章小结47
习题47
第3章信号调理50
3.1信号调理50
3.2运算放大器51
3.2.1反相放大器51
3.2.2同相放大器52
3.2.3加法放大器52
3.2.4积分和微分放大器53
3.2.5差分放大器54
3.2.6对数放大器56
3.2.7比较器57
3.2.8实际放大器58
3.3保护59
3.4滤波60
3.5惠斯通电桥61
3.5.1温度补偿62
3.5.2热电偶补偿64
3.6脉冲调制64
3.7与信号相关的问题65
3.7.1接地65
3.7.2电磁干扰66
3.8功率输送67
本章小结67
习题68
第4章数字信号69
4.1数字信号69
4.2模拟信号和数字信号69
4.2.1采样定理71
4.2.2数模转换71
4.3数模转换器和模数转换器71
4.3.1dac71
4.3.2adc73
4.3.3采样和保持放大器76
4.4多路复用器77
4.4.1数字多路复用器77
4.4.2时分多路复用78
4.5数据采集78
4.5.1数据精度79
4.5.2错误检测的奇偶校验方法79
4.6数字信号处理80
本章小结81
习题81
第5章数字逻辑82
5.1数字逻辑82
5.2逻辑门82
5.2.1and门82
5.2.2or门83
5.2.3not门84
5.2.4nand门84
5.2.5nor门85
5.2.6xor门85
5.2.7逻辑门的组合86
5.2.8逻辑系列与集成电路87
5.3逻辑门的应用88
5.3.1校验位发生器88
5.3.2数字比较器88
5.3.3编码器89
5.3.4译码器89
5.4时序逻辑93
5.4.1触发器93
5.4.2同步系统94
5.4.3jk触发器95
5.4.4d触发器96
5.4.5寄存器97
5.4.6555定时器97
本章小结98
习题98
第6章数据显示系统100
6.1显示方式100
6.2数据显示元件101
6.2.1模拟仪表和数字仪表101
6.2.2模拟图记录仪101
6.2.3阴极射线示波器101
6.2.4视觉显示单元102
6.2.5打印机103
6.3磁记录104
6.3.1磁记录码105
6.3.2磁盘107
6.4光学记录107
6.5显示器108
6.5.1发光二极管109
6.5.2液晶显示器110
6.6数据采集系统111
6.6.1计算机与插件板111
6.6.2数据记录器113
6.7测量系统114
6.7.1用于检测提起重量的称重传感器114
6.7.2温度警报系统115
6.7.3滑轮的角位置115
6.7.4温度测量的二进制输出116
6.8测试和校准116
本章小结118
习题118
第三部分驱动
第7章气动与液压驱动系统121
7.1驱动系统121
7.2气动与液压系统121
7.2.1液压系统121
7.2.2气动系统123
7.2.3阀124
7.3方向控制阀124
7.3.1阀的符号125
7.3.2先导阀126
7.3.3单向阀127
7.4压力控制阀127
7.5缸体128
7.6伺服和比例控制阀132
7.7过程控制阀132
7.7.1阀体和阀芯133
7.7.2控制阀的尺寸计算135
7.7.3流体控制系统举例135
7.8旋转驱动器136
本章小结136
习题137
第8章机械驱动系统139
8.1机械系统139
8.2运动类型139
8.2.1自由度和约束140
8.2.2负载141
8.3运动链141
8.3.1四杆链141
8.3.2滑块曲柄机构142
8.4凸轮143
8.5齿轮145
8.5.1齿轮系146
8.5.2转动和平动的转换147
8.6棘轮和棘爪147
8.7带传动和链传动147
8.7.1带的类型148
8.7.2链传动149
8.8轴承149
8.8.1滑动径向轴承149
8.8.2球轴承和滚柱轴承150
8.8.3轴承的选择151
本章小结151
习题151
第9章电气驱动系统153
9.1电气系统153
9.2机械开关153
9.3固态开关154
9.3.1二极管155
9.3.2晶闸管和三端双向可控硅元件155
9.3.3双极型晶体管157
9.3.4mosfet159
9.4螺线管159
9.5直流电动机160
9.5.1有刷直流电动机161
9.5.2含励磁线圈的有刷直流电动机162
9.5.3有刷直流电动机的控制163
9.5.4无刷永磁直流电动机165
9.6交流电动机167
9.7步进电动机168
9.7.1步进电动机技术参数169
9.7.2步进电动机控制170
9.7.3步进电动机的选择172
9.8电动机选择173
9.8.1惯量匹配173
9.8.2转矩要求174
9.8.3功率要求175
本章小结175
习题176
第四部分系统模型
第10章基本系统模型177
10.1数学模型177
10.2机械系统模块178
10.2.1转动系统179
10.2.2构建一个机械系统180
10.3电气系统模块183
10.3.1构建电气系统模型184
10.3.2电气和机械系统的比较186
10.4流体系统模块186
10.5热系统模块192
本章小结194
习题194
第11章工程系统模型197
11.1工程系统197
11.2转动－平动系统197
11.3机电一体化系统198
11.3.1电位器198
11.3.2直流电动机198
11.4线性度200
11.5液压机械系统202
本章小结204
习题204
第12章系统的动态响应205
12.1动态系统建模205
12.2术语205
12.2.1自然响应与受迫响应205
12.2.2瞬态与稳态响应206
12.2.3输入的形式206
12.3一阶系统207
12.3.1自然响应207
12.3.2受迫输入响应208
12.3.3一阶系统的例子209
12.3.4时间常量210
12.4二阶系统211
12.4.1自然响应212
12.4.2有受迫输入时的响应214
12.4.3二阶系统的例子215
12.5二阶系统的性能指标216
12.6系统辨识218
本章小结218
习题219
第13章系统传递函数222
13.1传递函数222
13.2一阶系统224
13.2.1具有阶跃输入的一阶系统224
13.2.2一阶系统的例子224
13.3二阶系统226
13.3.1具有阶跃输入的二阶系统226
13.3.2二阶系统的例子227
13.4串联的系统227
13.5带反馈环的系统228
13.6极点位置对瞬态响应的影响229
13.6.1s平面230
13.6.2校正230
本章小结231
习题231
第14章频率响应233
14.1正弦输入233
14.2相量233
14.3频率响应235
14.3.1一阶系统的频率响应235
14.3.2二阶系统的频率响应237
14.4伯德图237
14.4.1g（s）=k的伯德图237
14.4.2g（s）=1/s的伯德图238
14.4.3一阶系统的伯德图238
14.4.4二阶系统的伯德图239
14.4.5建立伯德图239
14.4.6系统辨识242
14.5性能指标244
14.6稳定性244
本章小结245
习题245
第15章闭环控制器247
15.1连续与离散控制过程247
15.2术语248
15.2.1滞后248
15.2.2稳态误差248
15.2.3控制模式249
15.3两步控制模式250
15.4比例模式251
15.4.1电子比例控制器251
15.4.2系统响应252
15.5微分控制252
15.6积分控制253
15.7pid控制器255
15.8数字控制器256
15.8.1控制模式的实现256
15.8.2采样速率257
15.8.3计算机控制系统257
15.9控制系统性能257
15.10控制器校正258
15.10.1阶跃响应法258
15.10.2临界比例度法259
15.11速度控制259
15.12自适应控制260
15.12.1变增益控制261
15.12.2自校正261
15.12.3模型参考自适应系统262
本章小结262
习题262
第16章人工智能264
16.1什么是人工智能264
16.2感知和识别264
16.2.1识别264
16.2.2神经网络265
16.3推理265
16.3.1推理机理265
16.3.2基于规则的推理266
16.4学习267
本章小结268
习题268
第五部分微处理器系统
第17章微处理器269
17.1控制269
17.2微处理器系统269
17.2.1总线269
17.2.2微处理器271
17.2.3存储器273
17.2.4输入/输出275
17.2.5系统示例276
17.3微控制器278
17.3.1摩托罗拉 m68hc11279
17.3.2intel 8051283
17.3.3microchiptm微控制器285
17.3.4选择微控制器290
17.4应用291
17.4.1温度测量系统291
17.4.2家用洗衣机292
17.5编程292
本章小结294
习题294
第18章汇编语言296
18.1语言296
18.2指令集296
18.2.1寻址299
18.2.2数据转移300
18.3汇编语言程序301
18.4子程序306
18.5查找表308
18.6嵌入式系统311
本章小结313
习题314
第19章c语言315
19.1为什么选择c语言315
19.2程序结构315
19.2.1主要特征315
19.2.2一个c程序的示例319
19.3分支和循环319
19.4数组322
19.5指针323
19.5.1指针的算术运算323
19.5.2指针和数组324
19.6程序开发324
19.7程序的示例325
19.7.1电动机的启动与关闭325
19.7.2读adc通道325
本章小结326
习题327
第20章输入/输出系统328
20.1接口328
20.2输入/输出寻址328
20.3接口要求330
20.3.1缓冲器331
20.3.2握手331
20.3.3轮询和中断332
20.3.4串行接口335
20.4外设接口适配器335
20.4.1pia初始化337
20.4.2通过pia连接中断信号338
20.4.3与pia接口的例子339
20.5串行通信接口339
20.6接口的示例342
20.6.1通过译码器控制七段数码管342
20.6.2模拟接口344
本章小结345
习题345
第21章可编程逻辑控制器346
21.1简介346
21.2plc基本结构346
21.2.1输入/输出346
21.2.2输入程序348
21.2.3plc的形式348
21.3输入/输出处理349
21.3.1持续更新349
21.3.2大规模输入/输出复制349
21.3.3i/o地址349
21.4梯形图编程349
21.5指令列表352
21.5.1指令列表和逻辑函数353
21.5.2指令列表和分支程序353
21.6自锁和内部继电器354
21.7顺序控制356
21.8定时器与计数器357
21.8.1定时器357
21.8.2计数器358
21.9移位寄存器359
21.10主控指令和跳转指令控制360
21.11数据处理361
21.11.1数据移动362
21.11.2数据比较362
21.11.3算术运算362
21.11.4代码转换363
21.12模拟输入/输出363
本章小结364
习题364
第22章通信系统367
22.1数字通信367
22.2集中式、分层式与分布式控制367
22.2.1并行与串行数据传输368
22.2.2串行数据通信方式368
22.3网络369
22.3.1网络访问控制370
22.3.2宽带与基带370
22.4协议370
22.5开放系统互联通信模型371
22.6串行通信接口373
22.6.1rs-232373
22.6.220ma电流环375
22.6.3i2c总线375
22.6.4can总线376
22.6.5usb377
22.6.6火线378
22.7并行通信接口378
22.8无线协议381
本章小结381
习题382
第23章故障检测383
23.1故障检测技术383
23.2看门狗定时器384
23.3奇偶校验与误码检测384
23.4常见的硬件故障386
23.4.1传感器386
23.4.2开关和继电器386
23.4.3电动机386
23.4.4液压和气动系统386
23.5微处理器系统386
23.5.1故障检测技术387
23.5.2系统故障定位方法389
23.5.3自测试系统389
23.6仿真和模拟389
23.7plc系统390
23.7.1程序测试390
23.7.2输入/输出测试391
23.7.3plc作为系统的监视器391
本章小结392
习题393
第六部分总结
第24章机电一体化系统395
24.1机电设计395
24.1.1定时开关395
24.1.2刮水器运动398
24.1.3浴室秤401
24.2案例研究404
24.2.1取放机器人404
24.2.2停车栏杆系统407
24.2.3数码相机408
24.2.4汽车发动机管理411
24.2.5条形码阅读器413
24.2.6硬盘驱动器414
本章小结415
习题416
第七部分附录
附录a拉普拉斯变换417
附录b数字系统424
附录c布尔代数429
附录d指令集437
附录ec库函数441
附录fmatlab和simulink444
附录g电路分析449
进一步的参考信息456
习题参考答案458
索引472
· · · · · · (收起)
读后感
评分
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评分
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用户评价
这本号称涵盖了“机械电子学”的著作，读起来实在让人摸不着头脑。我原本期待能在这本书里找到关于现代自动化系统中机电一体化设计的深入剖析，尤其是在精密仪器和智能机器人领域，那些关于传感器融合、驱动器控制算法以及系统集成方面的详尽论述。然而，书中的内容似乎更侧重于上世纪八十年代的经典控制理论，充斥着大量的拉普拉斯变换和状态空间模型，这些理论本身无可厚非，但对于当前强调嵌入式系统和实时操作的读者来说，显得过于陈旧和抽象。我花了很大力气去理解那些关于PID控制器优化参数的章节，但书中几乎没有提及现代工业中常用的模糊控制、神经网络或自适应控制在实际机械系统中的应用案例。例如，在讨论伺服系统性能时，期望看到关于电流环、速度环和位置环的数字实现细节，或是如何利用FPGA进行高速运算，但这本书里只停留在理论推导层面，完全没有触及到实际的硬件接口和软件架构。对于一个希望将理论知识快速转化为工程实践的工程师来说，这本书提供的理论框架过于僵硬，缺乏必要的现代工程视角和前沿技术的结合点，读完后感觉知识点还是悬在空中，无法落地生根。
评分让我感到最受挫的是，这本书对于软件与硬件接口的描述几乎是空白。在当今的智能制造环境中，软件定义硬件已成为常态，无论是通过PLC编程、实时操作系统（RTOS）调度，还是在嵌入式微控制器（MCU）上实现复杂的运动控制算法，软件层面是连接理论与实际的关键纽带。然而，这本书对于如何将复杂的控制算法转化为可执行代码，如何与具体型号的I/O端口和通信协议（如EtherCAT或CANopen）对接，几乎只字未提。它停留在理想化的数学公式层面，没有给出任何伪代码示例，也没有讨论不同编程语言（如C++或Python）在实时性要求下的优缺点。这种对实践环节的彻底回避，使得这本书的实用价值大大降低。它更像是一本为理论研究者准备的参考书，而不是为解决实际工程难题而编写的教科书。如果一个学生完全依赖此书学习，他可能会在面对真实的工业现场时，发现自己拥有了一堆无法转化为实际生产力的理论知识，这无疑是对学习时间的一种巨大浪费。
评分这本书的深度和广度失衡得令人担忧。它试图在一本书里囊括机械、电子、控制、信息等多个领域，结果就是“样样通，样样松”。在描述数字信号处理（DSP）在实时控制中的应用时，作者简单地提到了快速傅里叶变换（FFT）的必要性，但完全没有深入探讨如何选择合适的采样频率、如何处理量化误差，以及如何避免在固定点运算中出现的溢出问题。这对于实践者来说是致命的缺陷，因为工程实践中，这些细节往往决定了系统的成败。相反，书中在一些非核心的、偏向于理论物理的章节上却投入了不成比例的篇幅，例如对电磁场理论的冗长回顾，这些内容本应在专业物理教材中得到充分阐述。这种结构安排，使得全书像是一盘内容杂乱的自助餐，虽然菜式繁多，但真正能充饥的主菜却寥寥无几，整体缺乏一个清晰、聚焦的知识主线来统摄全局。读完后，我感觉自己被无数知识碎片包围，却无法构建起一个完整、可操作的系统设计框架。
评分如果说有什么价值，那可能这本书更像是一部面向特定历史阶段的学术综述，而非一本面向未来的技术指南。我对其中关于“机电耦合效应”的理论分析抱有一丝期待，希望能看到现代材料科学如何影响系统的动态响应。然而，作者对材料力学和电磁学的结合点着墨极少，更多地停留在经典的刚体假设和理想电磁场模型上。书中花费了大量篇幅讨论传统的步进电机和直流无刷电机（BLDC）的驱动原理，这些内容在市面上的其他电机学教材中早已讲解得非常透彻，而且图文并茂。真正具有时代意义的，比如永磁同步电机（PMSM）的高性能矢量控制，或者新型磁悬浮执行器的建模，书中几乎没有涉及，即使提及也是寥寥数语，缺乏深入的数学模型和仿真验证。这使得整本书的“现代性”大打折扣，更像是一本对传统机电系统知识点进行罗列的工具书。对于追求前沿技术和高效率解决方案的工程师来说，这本书提供的知识价值非常有限，更像是在回顾过去，而不是展望未来。
评分这本书的排版和图示设计简直是一场灾难。封面和封底的宣传语倒是宏大，声称要构建一个“跨学科的知识桥梁”，但实际翻开内页，扑面而来的是密密麻麻、缺乏重点的文字堆砌。很多关键概念的解释极其晦涩，作者似乎默认读者已经具备了深厚的数学和电子学背景，以至于对一些基础性的过渡和类比都显得极其跳跃。更令人费解的是插图，那些用来阐释机械结构和电子元件配合的示意图，线条粗糙，标注模糊不清，很多图例之间的逻辑关系需要读者反复揣摩才能勉强理清。我特别想了解的关于微机电系统（MEMS）在新型执行器中的应用部分，书中只是一带而过，连一个清晰的截面图都没有提供，更别提其制造工艺的简介了。阅读体验非常差，迫使我不得不频繁地在其他在线资源上搜索更清晰的图表来辅助理解书中的文字描述。这种设计风格，让人强烈怀疑出版前是否经过了严格的工程校对和用户体验测试。对于初学者而言，这样的教材无疑是劝退的，它非但没有降低学习曲线的陡峭程度，反而增添了不必要的阅读障碍。
评分一本不错的书！
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