基本信息
- 原书名：Mechatronics：Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering, Fifth Edition
- 原出版社： Prentice Hall
内容简介
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。
《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。
作译者
Wifliam Bolton曾作为大学技术学院的高级讲师进行教学工作。同时，他还曾是Nutfield advanced Physics（纳菲尔德高级物理）团队成员，英国政府援助巴西技术教育项目顾问，联合国教科文组织在阿根廷和泰国的顾问，商业与技术教育委员会负责人。他编著了多部成功的工程教科书，包括《Mechatronics》、《Engineering Science》、《Higher Engineering Science》、《Mechanical Science》、《Instrumentation and Control Systems》等，被国外各大学广泛采用，获得了非常好的反响。
目录
《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)》
译者序
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
译者序
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
译者序
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
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
前言
机械电子学（或称机电一体化，mechatronics）一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天，这个词有了更为广泛的含义，一般可以认为是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中，将机械工程、电子技术及计算机智能控制的有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使生产过程更具灵活性，重复设计和重复编程更为简单，进而可以让系统具有自动化数据收集及报告的能力。
机械电子学理论要求工程技术人员在解决工程时要有运用多学科、综合方法的能力。因此，工程技术人员不能仅限于掌握一个领域的技术知识，还需要有能力运用多学科知识并将它们联系起来。这就需要更多的特殊技巧。本书在介绍机械电子学的基本背景之外，还给出了上文所提到的特殊技巧的关联方法。
为了满足国家高等教育对技术人员的毕业认证要求，本书的第1版囊括了商业与技术委员会（BTEC）关于机械电子学的单元。同时本书的编写还包含介绍了许多机械电子学方面的特殊要求，如应用机械电子学方法解决问题时，需要注意的设计、生产和维护方面的问题。本书在英国及美国被广泛应用于本科生和研究生教学。结合英国和美国用书教师的反馈信息，我们对本书第2版的内容进行了扩充和加深，使得本书不但对原有的读者具有参考意义，更适合作为本科生教材使用。本书的第3版简化了其中的部分解释内容，对微控制器及其编程给出了更详细的讨论，增加了对机电一体化系统模型的介绍，并且，就关键内容在附录中给出了索引。第4版对本书的内容及文字表达形式进行了全面的调整，包括重组了部分章节；将更多材料添加到附录，以避免扰乱行文的流畅性；引入了诸如人工智能等新内容；给出了更多的实例分析；简化了不必要的章节。同时，在每一章添加了学习目的及关键点目录。第5版基本保持了原有的结构，只是通过和本书读者的交流，对书中的一些内容进行了相应的增删。具体包括对第1章引言进行了改进，对第2、3、5、6、8、9、10、15、21、22章进行了内容扩充。另外增加了一个新的关于电路分析的附录。这是为了学生可以更方便地理解交流和直流电路的分析方法。
本书的主要目的是帮助技术人员和在校生全面地理解机械电子学内容。本书可以在以下几方面帮助读者：
掌握对于理解和设计机电一体化系统所必需的机械工程、电子学和计算机科学方面的知识技巧。
掌握机械电子学中多学科知识的交叉应用。
学习设计机电一体化系统。
本书的每一章都包含：本章目的、本章小结、详尽的实例说明及习题。习题的答案可以在本书的结尾部分找到。第24章中的研究和系统设计作业的提示也在本书的结尾给出。
本书的结构为：
第1章是关于机械电子学的通识介绍。
第2～6章主要介绍传感器方面的知识及信号调理。
第7～9章介绍驱动器。
第10～16章介绍系统模型方面的内容。
第17～23章介绍微处理器系统。
第24章总结设计机电一体化系统时需要注意的问题。
首先，感谢书中涉及仪器的生产制造商提供的出版方面的支持。同时，感谢那些来自英国、加拿大和美国的审稿人。感谢他们对本书的认真评阅并提出了很多中肯的改进意见。
W.Bolton
机械电子学理论要求工程技术人员在解决工程时要有运用多学科、综合方法的能力。因此，工程技术人员不能仅限于掌握一个领域的技术知识，还需要有能力运用多学科知识并将它们联系起来。这就需要更多的特殊技巧。本书在介绍机械电子学的基本背景之外，还给出了上文所提到的特殊技巧的关联方法。
为了满足国家高等教育对技术人员的毕业认证要求，本书的第1版囊括了商业与技术委员会（BTEC）关于机械电子学的单元。同时本书的编写还包含介绍了许多机械电子学方面的特殊要求，如应用机械电子学方法解决问题时，需要注意的设计、生产和维护方面的问题。本书在英国及美国被广泛应用于本科生和研究生教学。结合英国和美国用书教师的反馈信息，我们对本书第2版的内容进行了扩充和加深，使得本书不但对原有的读者具有参考意义，更适合作为本科生教材使用。本书的第3版简化了其中的部分解释内容，对微控制器及其编程给出了更详细的讨论，增加了对机电一体化系统模型的介绍，并且，就关键内容在附录中给出了索引。第4版对本书的内容及文字表达形式进行了全面的调整，包括重组了部分章节；将更多材料添加到附录，以避免扰乱行文的流畅性；引入了诸如人工智能等新内容；给出了更多的实例分析；简化了不必要的章节。同时，在每一章添加了学习目的及关键点目录。第5版基本保持了原有的结构，只是通过和本书读者的交流，对书中的一些内容进行了相应的增删。具体包括对第1章引言进行了改进，对第2、3、5、6、8、9、10、15、21、22章进行了内容扩充。另外增加了一个新的关于电路分析的附录。这是为了学生可以更方便地理解交流和直流电路的分析方法。
本书的主要目的是帮助技术人员和在校生全面地理解机械电子学内容。本书可以在以下几方面帮助读者：
掌握对于理解和设计机电一体化系统所必需的机械工程、电子学和计算机科学方面的知识技巧。
掌握机械电子学中多学科知识的交叉应用。
学习设计机电一体化系统。
本书的每一章都包含：本章目的、本章小结、详尽的实例说明及习题。习题的答案可以在本书的结尾部分找到。第24章中的研究和系统设计作业的提示也在本书的结尾给出。
本书的结构为：
第1章是关于机械电子学的通识介绍。
第2～6章主要介绍传感器方面的知识及信号调理。
第7～9章介绍驱动器。
第10～16章介绍系统模型方面的内容。
第17～23章介绍微处理器系统。
第24章总结设计机电一体化系统时需要注意的问题。
首先，感谢书中涉及仪器的生产制造商提供的出版方面的支持。同时，感谢那些来自英国、加拿大和美国的审稿人。感谢他们对本书的认真评阅并提出了很多中肯的改进意见。
W.Bolton
书摘
第一部分概述
第1章机械电子学导论
本章目的
通过本章的学习，读者将能够：
解释什么是机械电子学，以及领会它与工程设计的关系。
解释什么是系统，以及区分测量系统组成部分的意义。
描述开环系统和闭环系统中的各种表达形式及组成部分。
分析系统模型的需求，预测系统行为。
1.1什么是机械电子学
机械电子学（或称机电一体化，mechatronics）一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天这个词有了更为广泛的含义，一般可以认为是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中，将机械工程、电子技术及计算机智能控制有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使得生产过程具有更好的灵活性，重复设计和重复编程更为简单，进而可以让系统具有自动数据收集和报告的能力。
机电一体化系统并不是简单地将电子系统和机械系统结合而得到的。而且机电一体化系统比简单的控制系统复杂很多。机电一体化系统在设计过程中遵循统一的设计方法。这种方法将机械、电子和控制系统完整地集成在一起。这种集成化的、多学科交叉的方法被广泛应用于各种工程设计领域，诸如汽车设计、机器人制造、机械工具加工、清洗设备设计、摄像设备设计等。如果需要设计更加廉价、更加可靠、灵活性更高的系统，那么设计在初始阶段就需要对机械工程、电气工程、电子学、控制方面的内容进行集成。在处理多学科交叉集成问题时，机械电子学使用统筹方法，而不是将各个部分分开按照序列的方式来设计，例如，先设计机械系统再设计电气部分及微处理器部分。因此，机械电子学是一种集成化的工程设计方法，具有独特的设计理念。
机械电子学将多个技术领域融合在一起。如图1-1所示，这些领域包括传感器、测量系统、驱动和执行系统、微处理器系统，以及与这些系统相关的控制及行为分析。这一点就是对本书内容本质上的一个概括。本章是机械电子学的引论，同时介绍一些基本概念，并给出其他章节的组织框架。具体的技术内容细节将在后面的章节逐一介绍。3
图1-1机电一体化系统的基本组成
1.1.1机电一体化系统实例
我们以现代的自动对焦、自动曝光照相机为例。在使用这种照相机的时候，你需要做的只是将它对准要拍摄的物体，然后按下按钮，就可以完成照相了。照相机本身可以自动调节焦距使被照物体位于焦距上，还可以自动调节光圈和快门速度以取得正确的曝光。使用者不需要手动调节焦距、光圈和快门速度。再以卡车上使用的智能悬挂系统为例。这种悬挂系统可以在搭载不均匀负载的时候保持车身平衡；可以在转弯、路况较差情况下，保证驾驶平稳。再以自动化生产线为例。这样的一条生产线可以包含很多的生产过程。这些生产过程按照正确的顺序被自动执行，同时这些过程的每一个输出状态都会自动输出给需要的地方。可以说，自动照相机、卡车的悬挂系统和自动化生产线都是机械工程、电气工程及控制系统相互结合的完美实例。
1.1.2嵌入式系统
嵌入式系统是通过将微处理器嵌入到我们的设计而形成的系统。在机械电子学领域，我们广泛地关注这种系统。微处理器在本质上可以被认为是逻辑门和存储单元的集合。但是，这些逻辑门和存储单元并不是分别作为个体由导线相互连接。微控制器主要通过软件的编写来实现不同的逻辑功能。作为一个逻辑门表示意义的说明，我们可能需要在输入A和输入B都有信号的时候得到一个输出信号。这可以通过一个“与”逻辑门来实现。而一个“或”逻辑门则可以保证只要输入A和输入B有一个通道上有信号，就可以输出一个信号。因此，微处理器的主要功能是观察输入通道的开关状态，依据内部的程序处理观察到的结果，并控制输出通道的开关。关于微处理器的更多细节将在第17章介绍。
对于应用于控制系统的微处理器，它需要额外的芯片来提供存储数据的空间及与外界交换信号的接口。微控制器就是一种将微处理器功能及上述额外芯片功能集成在一起的微处理器。
嵌入式系统是基于微处理器的系统。这种系统具备一系列的功能，但是这些功能不能像计算机一样可以由最终的使用者通过编程来改变。因此，在使用嵌入式系统的时候，使用者无法通过增加或者替换软件的方式来改变系统的功能。4
举一个在控制系统中使用微控制器的例子。例如，在清洗设备中安装了微控制器控制系统，那么这台清洗设备就可以自动实现控制洗涤循环、抽送水、电动机和水温。在现代汽车工业中，微控制系统主要用来控制防抱死系统及发动机管理系统。除此之外，还有很多其他应用嵌入式系统的例子，包括自动对焦、自动曝光照相机、便携式摄像机、手机、DVD播放器、电子读卡器、复印机、打印机、扫描仪、电视机和空调。
第1章机械电子学导论
本章目的
通过本章的学习，读者将能够：
解释什么是机械电子学，以及领会它与工程设计的关系。
解释什么是系统，以及区分测量系统组成部分的意义。
描述开环系统和闭环系统中的各种表达形式及组成部分。
分析系统模型的需求，预测系统行为。
1.1什么是机械电子学
机械电子学（或称机电一体化，mechatronics）一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天这个词有了更为广泛的含义，一般可以认为是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中，将机械工程、电子技术及计算机智能控制有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使得生产过程具有更好的灵活性，重复设计和重复编程更为简单，进而可以让系统具有自动数据收集和报告的能力。
机电一体化系统并不是简单地将电子系统和机械系统结合而得到的。而且机电一体化系统比简单的控制系统复杂很多。机电一体化系统在设计过程中遵循统一的设计方法。这种方法将机械、电子和控制系统完整地集成在一起。这种集成化的、多学科交叉的方法被广泛应用于各种工程设计领域，诸如汽车设计、机器人制造、机械工具加工、清洗设备设计、摄像设备设计等。如果需要设计更加廉价、更加可靠、灵活性更高的系统，那么设计在初始阶段就需要对机械工程、电气工程、电子学、控制方面的内容进行集成。在处理多学科交叉集成问题时，机械电子学使用统筹方法，而不是将各个部分分开按照序列的方式来设计，例如，先设计机械系统再设计电气部分及微处理器部分。因此，机械电子学是一种集成化的工程设计方法，具有独特的设计理念。
机械电子学将多个技术领域融合在一起。如图1-1所示，这些领域包括传感器、测量系统、驱动和执行系统、微处理器系统，以及与这些系统相关的控制及行为分析。这一点就是对本书内容本质上的一个概括。本章是机械电子学的引论，同时介绍一些基本概念，并给出其他章节的组织框架。具体的技术内容细节将在后面的章节逐一介绍。3
图1-1机电一体化系统的基本组成
1.1.1机电一体化系统实例
我们以现代的自动对焦、自动曝光照相机为例。在使用这种照相机的时候，你需要做的只是将它对准要拍摄的物体，然后按下按钮，就可以完成照相了。照相机本身可以自动调节焦距使被照物体位于焦距上，还可以自动调节光圈和快门速度以取得正确的曝光。使用者不需要手动调节焦距、光圈和快门速度。再以卡车上使用的智能悬挂系统为例。这种悬挂系统可以在搭载不均匀负载的时候保持车身平衡；可以在转弯、路况较差情况下，保证驾驶平稳。再以自动化生产线为例。这样的一条生产线可以包含很多的生产过程。这些生产过程按照正确的顺序被自动执行，同时这些过程的每一个输出状态都会自动输出给需要的地方。可以说，自动照相机、卡车的悬挂系统和自动化生产线都是机械工程、电气工程及控制系统相互结合的完美实例。
1.1.2嵌入式系统
嵌入式系统是通过将微处理器嵌入到我们的设计而形成的系统。在机械电子学领域，我们广泛地关注这种系统。微处理器在本质上可以被认为是逻辑门和存储单元的集合。但是，这些逻辑门和存储单元并不是分别作为个体由导线相互连接。微控制器主要通过软件的编写来实现不同的逻辑功能。作为一个逻辑门表示意义的说明，我们可能需要在输入A和输入B都有信号的时候得到一个输出信号。这可以通过一个“与”逻辑门来实现。而一个“或”逻辑门则可以保证只要输入A和输入B有一个通道上有信号，就可以输出一个信号。因此，微处理器的主要功能是观察输入通道的开关状态，依据内部的程序处理观察到的结果，并控制输出通道的开关。关于微处理器的更多细节将在第17章介绍。
对于应用于控制系统的微处理器，它需要额外的芯片来提供存储数据的空间及与外界交换信号的接口。微控制器就是一种将微处理器功能及上述额外芯片功能集成在一起的微处理器。
嵌入式系统是基于微处理器的系统。这种系统具备一系列的功能，但是这些功能不能像计算机一样可以由最终的使用者通过编程来改变。因此，在使用嵌入式系统的时候，使用者无法通过增加或者替换软件的方式来改变系统的功能。4
举一个在控制系统中使用微控制器的例子。例如，在清洗设备中安装了微控制器控制系统，那么这台清洗设备就可以自动实现控制洗涤循环、抽送水、电动机和水温。在现代汽车工业中，微控制系统主要用来控制防抱死系统及发动机管理系统。除此之外，还有很多其他应用嵌入式系统的例子，包括自动对焦、自动曝光照相机、便携式摄像机、手机、DVD播放器、电子读卡器、复印机、打印机、扫描仪、电视机和空调。
