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第一章 引论1

1.1 机电一体化基本概念1

1.1.1 机电一体化的起源1

1.1.2 机电一体化的发展2

1.1.3 机电一体化的范畴3

1.1.4 机电一体化系统的基本组成要素4

1.2 机电一体化的理论基础与共性关键技术7

1.2.1 机电一体化的理论基础7

1.2.2 机电一体化的共性关键技术8

1.3 现代制造业中的机电一体化技术11

1.3.1 现代制造系统与新生产方式11

1.3.2 机床产业数控化20

1.3.3 机器人产业兴起21

1.3.4 未来的工厂22

1.4 机电一体化发展趋势23

1.4.1 机电一体化与高新技术发展战略23

1.4.2 从典型机电一体化产品看机电一体化发展趋势24

第二章 机电一体化系统数学建模28

2.1 机械系统模型28

2.1.1 机械移动系统28

2.1.2 机械转动系统31

2.2 电路系统模型33

2.2.1 电路网络33

2.2.2 控制电机37

2.3 液压、气压系统模型41

2.3.1 液压伺服马达的传递函数42

2.3.2 气动伺服马达的传递函数48

2.3.3 液压力矩放大器52

2.3.4 气动伺服马达中的平衡气瓶53

2.3.5 电液伺服阀54

2.4 热力系统模型57

2.4.1 热力系统元件57

2.4.2 热力系统建模58

2.5 连续系统模型统一性59

2.5.1 统一性元件60

2.5.2 统一性元件关系61

2.6 数字系统模型63

2.6.1 离散时间系统模型63

2.6.2 采样器与数据保持65

2.6.3 数字控制器模型67

2.6.4 采样数据系统模型69

2.7 机电一体化系统建模实例71

2.7.1 位置随动系统71

2.7.2 电液伺服系统75

习题78

第三章 机电一体化系统检测与转换技术81

3.1 概述81

3.2 传感器测量误差81

3.2.1 误差的基本概念82

3.2.2 误差的分类82

3.3 传感器的一般特性84

3.3.1 传感器的静态特性84

3.3.2 传感器的动态特性86

3.4 机电一体化系统传感器分类86

3.4.1 传感器分类86

3.4.2 不同领域使用的传感器87

3.5 位移检测88

3.5.1 电感式位移传感器88

3.5.2 电容式位移传感器90

3.5.3 光栅92

3.5.4 感应同步器93

3.6 速度、加速度检测95

3.6.1 速度检测95

3.6.2 加速度检测96

3.7 力和扭矩检测96

3.7.1 力能检测97

3.7.2 转矩（扭矩）检测98

3.8 位置检测99

3.8.1 接触式位置传感器99

3.8.2 接近式位置传感器100

3.9 其他工程量检测101

3.9.1 温度检测101

3.9.2 湿度检测102

3.9.3 流量检测104

3.9.4 气体检测105

3.10 几种重要的传感器检测技术106

3.10.1 超声波传感器检测106

3.10.2 霍耳传感器检测107

3.10.3 光传感器检测108

3.11 传感器信号变换和处理111

3.11.1 测量放大器111

3.11.2 程控增益放大器112

3.11.3 隔离放大器113

3.12 传感器接口技术114

3.12.1 传感器信号的采样／保持114

3.12.2 多通道模拟信号输入技术115

3.12.3 A/D转换器接口技术118

3.13 数字滤波技术120

3.13.1 算术平均值法120

3.13.2 中值滤波法120

3.13.3 防脉冲干扰平均值法121

3.13.4 惯性滤波法121

3.13.5 程序判断滤波法121

3.14 传感器非线性补偿处理122

习题125

第四章 机电一体化系统驱动技术与执行装置127

4.1 概述127

4.2 典型载荷分析127

4.2.1 摩擦载荷127

4.2.2 惯性载荷128

4.2.3 环境载荷129

4.3 负载的力矩特性130

4.4 传动链的精度分析135

4.4.1 传动精度的概念135

4.4.2 提高传动精度的结构措施136

4.5 电动机驱动系统140

4.5.1 直流电动机拖动系统141

4.5.2 交流电动机拖动系统149

4.5.3 步进电动机拖动系统152

4.5.4 力矩电动机拖动系统157

4.6 液压驱动系统和气压驱动系统162

4.6.1 液压传动系统163

4.6.2 气压传动系统166

4.7 其他新型驱动系统167

4.7.1 压电驱动器167

4.7.2 超声波驱动器168

4.7.3 磁致伸缩驱动器169

习题169

第五章 机电一体化中的计算机系统171

5.1 概述171

5.1.1 微处理器简介171

5.1.2 一个简单控制系统举例173

5.1.3 工业控制机的主要特点174

5.1.4 工业控制机简介176

5.2 计算机控制系统178

5.2.1 计算机控制系统基本结构179

5.2.2 计算机控制系统的组成179

5.2.3 计算机控制系统的分类181

5.2.4 计算机控制系统的发展184

5.3 总线185

5.3.1 总线概述185

5.3.2 常用计算机总线190

5.4 现场总线199

5.4.1 现场总线概述199

5.4.2 常用现场总线204

5.5 串行数据通信211

5.5.1 串行通信211

5.5.2 通信总线及规程213

5.6 计算机控制网络218

5.6.1 局部网络218

5.6.2 网络的组成219

5.6.3 典型的工业控制局部网络简介223

5.7 CompactPCI/PXI总线工业控制机225

5.7.1 工业控制机的发展及其应用225

5.7.2 CompactPCI/PXI总线技术的产生和发展228

5.7.3 CompactPCI总线及其特点229

5.7.4 PXI总线规范230

5.7.5 CompactPCI/PXI的热插拔技术233

5.7.6 CompactPCI/PXI技术的应用235

5.8 PLC工业控制机236

5.8.1 概述236

5.8.2 PLC的基本指令241

5.8.3 状态转移图及编程方法246

习题253

第六章 机电一体化系统常见控制技术256

6.1 PID控制256

6.1.1 模拟PID控制器256

6.1.2 数字PID控制算法257

6.1.3 对标准PID算法的改进258

6.1.4 PID的参数整定260

6.1.5 采样周期的选取263

6.2 常见复杂控制264

6.2.1 串级控制264

6.2.2 前馈控制267

6.2.3 纯滞后补偿控制271

6.2.4 多变量解耦控制274

6.3 模糊控制278

6.3.1 模糊数学基础278

6.3.2 模糊控制原理及设计280

6.4 智能控制290

6.4.1 多级递阶智能控制290

6.4.2 专家控制系统与专家控制器291

6.4.3 仿人智能控制293

6.4.4 自寻优模糊智能控制系统295

6.4.5 学习控制系统295

6.4.6 自学习控制系统295

6.4.7 基于神经元网络的控制系统295

6.5 神经网络控制297

6.5.1 神经网络理论基础297

6.5.2 神经网络控制300

习题301

第七章 机电一体化系统设计及实例303

7.1 机电一体化系统设计概述303

7.1.1 总体设计过程303

7.1.2 总体设计原则与方法305

7.1.3 总体设计中的关键因素307

7.2 机电一体化系统开发的基本思路309

7.2.1 机电一体化系统分析309

7.2.2 机电一体化系统开发过程310

7.3 机电一体化系统的干扰抑制与处理315

7.3.1 现场干扰的抑制与隔离315

7.3.2 从可靠性设计入手提高机电一体化产品的抗干扰能力317

7.3.3 从安装和工艺等方面采取措施以消除干扰318

7.4 机电一体化系统应用举例320

7.4.1 计算机集成制造系统（CIMS）320

7.4.2 锭脚加工机床的数控改造325

7.4.3 直线加速器微机测控系统329

7.4.4 点焊机器人332

7.4.5 纸张定量、水分测控系统334

7.4.6 水泥回转窑热工系统稳定控制338

7.4.7 微波电子枪阴极热功率平衡控制系统345

习题352

附录 拉普拉斯变换和Z变换354

Ⅰ.拉普拉斯变换354

Ⅱ.Z变换358

参考文献365