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出版者:CRC Pr I Llc

作者:De Silva, Clarence W

出品人:

页数:1344

译者:

出版时间:2004-11

价格:$ 172.83

装帧:HRD

isbn号码:9780849312748

丛书系列:

图书标签:

• 机械电子
• 机电一体化
• 自动化
• 机器人
• 控制系统
• 传感器
• 执行器
• 嵌入式系统
• 电气工程
• 计算机工程

机械与电子的交响：现代工程的基石 书名： 机械与电子的交响：现代工程的基石 作者： [此处留空，或填写虚构作者名] 出版社： [此处留空，或填写虚构出版社名] ISBN： [此处留空，或填写虚构ISBN] --- 内容概述 本书深入探讨了当代工程领域中，机械系统与电子控制系统如何实现深度融合，共同构建出高效、智能且可靠的复杂系统的核心原理与实践方法。我们摒弃了传统学科界限的束缚，将视角聚焦于系统级设计，旨在为读者提供一套完整的、跨学科的知识框架，以应对从精密仪器到大规模自动化生产线的挑战。 本书共分为六大部分，涵盖了从基础理论的奠定到前沿应用的探索，内容结构严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与工程实践之间找到完美的平衡点。 --- 第一部分：基础理论与系统建模 (Foundations and System Modeling) 本部分为后续所有高级主题打下坚实的理论基础。我们首先回顾了机械系统动力学和经典控制理论中的关键概念，但重点在于如何将这些看似分离的领域统一在同一个数学框架下进行描述。 核心内容包括： 1. 多领域建模语言的统一： 详细阐述如何使用状态空间表示法（State-Space Representation）对包含机械部件（如弹簧、阻尼器、惯性）和电气元件（如电机、传感器、执行器）的系统进行统一建模。讨论了拉格朗日方程在复杂机械建模中的应用，以及如何将其转化为适用于控制设计的线性微分方程组。 2. 传感器与信号调理： 深入分析了工业界和实验室中最常用的各类传感器（如编码器、陀螺仪、光电传感器、压力传感器）的工作原理、精度限制和噪声特性。重点讲解了信号采集链的设计，包括滤波技术（如卡尔曼滤波的理论基础）、模数转换（ADC）的关键参数选择，以及如何有效处理信号延迟和漂移问题。 3. 执行器特性分析： 详细剖析了各类驱动系统，特别是伺服电机、步进电机和液压/气动执行器的非线性特性、饱和效应和动态响应限制。如何根据负载特性选择合适的驱动器和功率放大电路，是本章的实践核心。 --- 第二部分：经典与现代控制策略 (Control Strategies: Classical and Modern) 本部分是全书的控制核心，从经典的频率响应分析过渡到现代系统的最优设计。 1. 经典控制在机电系统中的应用： 回顾PID控制器的设计，但着重探讨了Ziegler-Nichols等整定方法在具有显著机械惯性或时间延迟的系统中的局限性。引入了根轨迹分析，展示了如何通过调整反馈增益来稳定或重塑机械系统的固有振荡模式。 2. 现代控制理论： 系统地介绍了状态反馈控制器的设计，包括极点配置（Pole Placement）技术，并强调了观测器（Observer）设计的重要性，如Luenberger观测器，用于估计不可直接测量的内部状态变量（如摩擦力矩或关节速度）。 3. 鲁棒控制与抗干扰设计： 针对实际工程中传感器噪声、模型不确定性以及外部扰动（如风载荷或地面不平整），本章详细介绍了 $ ext{H}_infty$ 控制和滑模控制（Sliding Mode Control）的基本思想。通过具体的机械臂振动抑制案例，说明了这些先进技术如何保证系统在不确定性下的性能。 --- 第三部分：嵌入式系统与实时计算 (Embedded Systems and Real-Time Computing) 现代工程系统的智能和响应速度，高度依赖于其底层计算平台。本部分聚焦于实现控制算法的硬件与软件协同设计。 1. 微控制器架构与选型： 比较了不同微控制器家族（如ARM Cortex-M系列、DSP处理器）在处理复杂控制算法（如矩阵运算、快速傅里叶变换）时的性能差异。重点讲解了中断服务程序（ISR）设计、优先级反转问题以及实时操作系统的（RTOS）核心概念，如任务调度和资源管理。 2. 数字控制实现： 详细讲解了从连续时间系统到离散时间系统的精确数字映射过程，包括零阶保持（ZOH）和一阶保持（FOH）对系统稳定性的影响。提供了大量关于定点运算（Fixed-Point Arithmetic）在资源受限系统中应用的实用技巧。 3. 通信协议与数据交换： 深入分析了工业环境中常用的现场总线技术（如CAN Bus, EtherCAT, Modbus）在同步性和确定性延迟方面的要求。本书特别强调了如何构建高效、可靠的数据链路，以确保控制命令和反馈数据的实时性。 --- 第四部分：先进的驱动与运动控制 (Advanced Actuation and Motion Control) 本部分将理论控制与高性能执行器紧密结合，聚焦于精确运动的实现。 1. 高性能伺服驱动： 超越基础的电流环、速度环和位置环结构，本章探讨了磁场定向控制（FOC）技术在永磁同步电机（PMSM）中的应用，以实现极高的转矩控制精度和效率。 2. 轨迹规划与点位控制： 详细介绍了多项式插值法（如三次、五次多项式）在生成平滑轨迹中的应用，以避免机械冲击和振动。讨论了如何处理运动过程中的速度约束、加速度限制和急动度（Jerk）限制。 3. 高精度定位系统： 涵盖了如间隙补偿、摩擦力辨识与补偿（如Stribeck摩擦模型）以及基于视觉反馈（Vision-based）的闭环校正技术，以实现微米级甚至纳米级的定位精度。 --- 第五部分：系统集成、测试与验证 (System Integration, Testing, and Validation) 理论设计必须经过严格的工程验证才能投入使用。本部分关注实际项目交付中的关键环节。 1. 软硬件协同验证： 介绍基于硬件在环（HIL）和软件在环（SIL）的测试流程。阐述如何使用高精度仿真环境（如Simulink/dSPACE平台）来模拟真实的物理非线性和执行器延迟，从而在部署前发现控制器的缺陷。 2. 故障诊断与容错设计： 探讨了基于模型（Model-Based）的故障检测方法，例如残差分析（Residual Analysis）。设计了简单的故障隔离逻辑，以及在传感器或执行器发生单点故障时，系统如何安全降级（Graceful Degradation）而非完全停机。 3. 系统标定与参数辨识： 针对出厂和现场维护，详细描述了如何系统地对机械参数（惯量、刚度）和电气参数（电机常数）进行精确辨识，并实时更新控制模型，确保系统性能的一致性。 --- 第六部分：面向未来的展望 (Future Directions) 本章简要勾勒了当前研究热点，展望了工程系统的发展趋势。 1. 自适应与学习控制： 探讨了神经网络在系统辨识和控制器在线调整中的潜力，重点关注在线学习如何在保持系统稳定性的前提下，应对长期运行中的老化和磨损。 2. 人机交互（HMI）与安全标准： 讨论了现代控制界面设计的人因工程学考量，以及功能安全标准（如ISO 13849, IEC 61508）对机电系统设计和实施的严格要求。 --- 目标读者 本书面向机电一体化、自动化工程、机器人学、航空航天控制等领域的高年级本科生、研究生以及经验丰富的工程技术人员。阅读本书需要具备扎实的微积分、线性代数基础，以及对基础电路和机械动力学的初步了解。本书旨在培养读者系统思维的能力，使其能够胜任从概念设计到最终调试的全流程工作。

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