机电控制系统设计

机械技术向机电一体化方向的发展，不但是机械技术发展本身的需要，而且是现代化装备向大型化、高效化、智能化方向发展的客观需要。现代化生产装备本身是一个多因素关联、协调控制的大系统，一般控制对象具有多个自由度，且需要达到较高的自动化程度，所以不宜采用简单的机械控制系统，而应采用微机控制系统将各个基本机构集中控制，从而实现机械系统中组合机构的功能。目前，尽管关于电子技术、控制技术方面的书较先进且较多，机电一体化的设备与产品成功应用实例随处可见，但有关机电一体化控制系统设计的理论和方法还处于研究和探索中，在机械设备中如何应用这些成熟技术，尤其是微机控制及智能控制实际应用方面还有一些不足之处，编写本书旨在于渴望能够为促进中国机电控制系统的发展有所助益。
本书结合多年教学、科研成果，重点介绍现代机械电子工程控制系统构成及分析、设计方法；紧跟当今控制技术最新发展方向，追踪当今机电结合协调控制先进方法，主要阐述了机电一体化控制系统基本理论与应用，深入浅出地介绍了机电控制系统的基本构成、分析方法及微机控制系统设计的一般步骤；介绍了信息处理的检测及接口设计方法和硬件实现的设计方法；结合当今机电控制技术发展趋势，重点介绍了电液比例先导控制技术、伺服控制技术的基础知识，以及比例、伺服控制系统设计的基本方法；对于微机控制系统，在介绍了微机控制技术基础后，对数字控制器、智能控制器的设计进行了重点讨论；最后，介绍了几种当今先进的典型机电产品控制系统，供读者作为参考。
本书由吉林大学的尚涛主编，吉林大学的唐新星和吉林化工学院的艾学忠为副主编，主要参编人员有：吉林大学的肖英奎、王同建、张红彦、陈云雷，河北工程学院的石祥钟，河南理工大学的邓乐，东北电力学院的陈向伟，装甲兵技术学院的罗士军，长江水利委员会的姬晋廷，松原市粮食技工学校的褚百合；吉林大学的邢鹏、郑宏宇、孙延伟、杜庆林、张健、艾佳等参加了本书插图的绘制工作。
虽然编者在编写该书的过程中作了不少努力，但由于时间仓促，加之水平有限，难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。

编者2005年11月

本书主要阐述了机电一体化控制系统基本理论与应用，全书共分为8章，主要内容有：机电一体化控制系统总论、机电控制系统机械系统部件的选择与设计、自动控制基础、机电接口电路设计、信号检测设计、电液比例及伺服控制系统设计、微机控制系统设计、典型机电一体化产品控制系统简介等。
本书可供广大从事机械电子工程研究、设计及应用的技术人员，在改造老产品和开发新产品设计时使用，也可供高等院校机电专业和自动化专业本科生、研究生及教师在教学与科研中使用或参考。

第1章总论1
11概述1
111机电一体化定义1
112机电一体化技术的主要特征1
12机电控制系统的基本功能和构成2
121控制系统的基本功能2
122控制系统的基本构成3
13机电一体化系统中微机控制系统的设计步骤5
131确定运动规律5
132运动循环图的设计及修订6
133确定系统整体控制方案6
134控制算法的选用6
135选择微型计算机7
136硬件设计7
137软件设计8
第2章机电系统控制基础9
21概述9
211控制系统的方式和组成9
212控制系统的基本指标10
22控制系统的数学模型11
221控制系统的微分方程11
222控制系统的传递函数13
223系统动态结构图16
224自动控制系统传递函数推导举例18
23控制系统的时域分析21
231典型输入信号及其响应21
232一阶系统的时域响应22
233二阶系统的时域响应24
234线性系统的稳定性分析29
235线性系统的稳态误差分析30
24控制系统的频域分析31
241频率特性的基本概念32
242频率特性的表示方法32
243频率特性的图示法33
244系统性能的分析35
25控制系统的校正38
251控制系统校正装置的结构38
252常用的无源串联校正装置及其特性39
253相位超前与相位滞后校正的比较42
第3章机电控制系统机械系统部件的选择与设计43
31概述43
311机电控制系统对机械系统部件的基本要求43
312机电控制系统机械系统部件的组成43
32机械传动系统的选择与设计44
321齿轮传动44
322谐波齿轮传动50
323滚珠螺旋传动53
324滚珠花键传动62
33导向及支承机构的选择与设计65
331导向支承机构的选择与设计65
332轴系支承部件的选择与设计71
34执行机构的选择与设计75
341执行机构概述75
342连杆机构76
343微动机构76
344工业机器人末端执行器78
第4章机电控制系统电路设计81
41概述81
42模拟信号调理电路82
421滤波和限幅电路82
422运算放大电路84
423隔离技术90
43单片机外围接口电路91
431并行总线接口92
432SPI总线接口92
433SMBUS（I2C）总线接口98
44通信接口电路的设计102
441RS232协议接口设计102
442RS485/RS422协议接口设计102
45开关量输入输出电路105
451开关量信号输入电路及开关量处理方法105
452开关量输出电路108
46人机接口设计110
461键盘接口驱动程序设计110
462显示接口电路及驱动程序设计112
第5章检测系统设计115
51模拟信号的检测116
511基本转换电路116
512振荡器117
513量程切换电路119
514放大器120
515信号的调制与解调125
516滤波器131
517运算电路135
52数字信号的检测137
521数字信号检测系统的组成137
522信号的细分与辨向138
523脉冲当量变换电路145
53检测信号的采集方法146
531模拟信号的采集方法146
532采样/保持电路147
54检测信号的处理方法150
第6章电液控制系统设计151
61概述151
611电液控制系统的组成151
612电液控制系统的分类152
62电机械转换器153
621比例电磁铁153
622永磁动铁式力矩马达155
623动圈式力马达和力矩马达156
63电液比例控制系统156
631概述156
632电液比例阀的性能指标158
633电液比例控制系统的设计160
64电液伺服控制系统171
641电液伺服控制原理171
642电液伺服阀173
643电液伺服阀的特性及主要的性能指标176
644液压伺服系统的设计179
第7章微机控制系统设计189
71概述189
72微机控制技术基础189
721微机控制技术的几个基本概念189
722微机控制系统的分类及其功能特点191
723Z变换和Z传递函数193
73数字控制器设计194
731PID数字控制器设计195
732最少拍随动系统的设计200
733最少拍无波纹随动系统的设计204
734达林数字控制器设计207
74智能控制器设计209
741模糊控制209
742专家控制211
743神经网络控制213
744遗传算法控制216
75微机控制装置设计218
751微机控制系统的一般组成218
752微机控制系统的接口技术219
第8章系统控制的典型实例224
81利用蓝牙技术和远程信息控制单元实现汽车诊断224
82电阻加热装置的计算机恒流控制系统实例227
83模拟温室环境监控技术的应用232
831模拟温室及分类232
832模拟温室环境监测与调控233
833智能温室环境控制的发展方向242
84嵌入式系统技术应用243
841Windows CE嵌入式实时操作系统245
842嵌入式运动数据采集系统的开发248
参考文献252