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詳細書籍分類

Simulink與低成本硬件及機電一體化

( 簡體 字)
作者：丁亦農 Joshua L. Hurst類別：1. -> 電子工程 -> 電子電氣
譯者：
出版社：清華大學出版社Simulink與低成本硬件及機電一體化 3dWoo書號： 46132
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【缺書】
NT售價： 195 元

出版日：2/1/2017
頁數：163
光碟數：0
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印刷：黑白印刷語系： ( 簡體 版 )
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ISBN：9787302454588
作者序　|　譯者序　|　前言　|　內容簡介　|　目錄　|　序
(簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證)
作者序：

譯者序：

前言：

曾在報紙上看一則消息,談到中國至今不能生產某些高級模具鋼，例如圓珠筆的“圓珠”都需要進口。當然，圓珠需要進口，問題不完全是因為不能生產制造圓珠所需要的鋼材。圓珠筆頭開口直徑不到0.1mm，例如常見的0.07mm和0.05mm，但要承受各種書寫姿勢帶來的壓力和摩擦，還要和圓珠完全貼合，既要書寫流暢，又不能漏油。因此，其硬度、開口大小、墨水槽位置必須搭配得天衣無縫。這些涉及模具制造、生產工藝和設備、制造過程中的精密控制等多方面的復雜技術。圓珠需要進口是我國的制造業總體水平與發達國家相比還存在較大差距的一個例子。為什么會出現這種現狀呢？一個重要的原因是我們的高級專業技術人才緊缺，這與我們的教育水平、培養人才的質量關系密切。不可否認，中國的教育處在不斷改善和發展的過程中，但是在理論聯系實際方面仍然做得不夠。職業教育水平不夠高，學生難以在真環境下學習真本領。由于工作的關系，我有機會訪問很多中國的高等工科院校，參觀他們的實驗室，向老師們了解實驗教學的內容和方法。可以說，目前國內高等工科院校，即使是一流的工科院校的大部分的實驗教學內容、教學方法、實驗的性質和三十多年前我和我的同齡人上大學時的情況沒有根本性的變化。同樣是由于工作的關系，我經常走訪全球性的、引領世界科技和工業進步的企業和大型跨國公司，如波音、蘋果、谷歌、通用汽車、華為和三星電子等，親眼所見和切身體會到過去的30年里，從產品的設想、構思，到系統的設計、調試和驗證，所采用的方法、流程以及工具都發生了巨大的變化。在校所學與職場所用之間的溝壑一方面使得剛剛畢業的大學生、研究生無法很快地把所學的理論知識應用到工作實踐中去，另一方面使得用人單位、公司與企業不得不花費大量的時間和精力對剛走上工作崗位的畢業生進行長時間的培訓。顯然，努力縮小學與用之間的差距是提高教育質量，改善我國專業技術人才嚴重緊缺狀況的關鍵途徑之一。希望這本書的出版能夠為改善這種狀況貢獻綿薄之力。
本書是一本關于機電一體化及數字控制的案例實驗指導書。學習和使用這本書可以達到以下幾個目的。
（1） 熟悉和理解“基于系統模型的工程設計”的思想、方法和工具。通過實際的建模實踐，練習并掌握使用Simulink進行系統設計的流程和方法。
（2） 把機電一體化及數字控制的理論用于真實環境下的系統設計、測試和驗證，更深入地理解工程理論，獲得第一手與實際硬件打交道的經驗。
（3） 熟悉在機電一體化和數字控制系統中常用的傳感器件和控制算法，了解它們的工作原理、性能特點和使用注意事項。
（4） 學習和使用Arduino（愛絕諾)這一在機電一體化及數字控制領域中最常用的低成本硬件平臺，了解其特點和適用范圍，為采用這一平臺進行復雜的機電一體化及數字控制系統的設計打下堅實的基礎。
全書共由12章組成。第1章介紹低成本硬件的出現和發展過程，以及美國邁斯沃克（MathWorks）公司為低成本硬件平臺提供的硬件支持軟件包； 第2章介紹本書討論的所有實驗所采用的機電一體化及數控平臺； 從第3章至第12章，每一章介紹一個實驗，清晰地說明進行實驗的步驟和方法。通過闡明實驗目的，提供參考用Simulink模型以及實驗的示范結果，使讀者能夠自主獨立地領會實驗意圖并完成實驗。這些實驗包括：
(1) 點亮發光二極管。
(2) 模數傳感器與電機編碼器數據的讀取。
(3) 通過I2C總線讀取陀螺儀和加速度計的數據。
(4) 數字羅盤(指南針)的制作。
(5) 串行通信基礎。
(6) 藍牙通信。
(7) 直流電機的階梯響應。
(8) 直流電機控制的基本知識和途徑。
(9) 實際應用環境下直流電機的仿真及速度控制。
(10) 根據加速度計和陀螺儀確定(實驗平臺)角度。
本書提供的所有實驗均采用以Arduino為基礎的機電一體化與數控平臺。該平臺是對Arduino平臺的補充與擴展，增加了與實現機電一體化、數字控制、及機器人有關的器件和芯片，如陀螺儀、磁力計、加速度計等。通過這些實驗，讀者可以對該平臺有一個比較透徹的了解，熟悉從平臺上的各種傳感器讀取數據的方法，以及如何利用這些傳感數據進行系統設計和控制。在這些實驗基礎上，讀者可以充分地發揮自己的想象力，在平臺上設計各種其他實驗； 或者利用該平臺構造出各種機電一體化及數控設備； 讀者還可以以這個平臺為藍本，改變平臺的結構，增加更多的機電一體化元器件，如光電傳感器、電機、車輪等，從而制造出更加復雜、更加有趣、更加實用的機電一體化及數控產品。
除了書中第2章對實驗平臺的介紹外，讀者還可以直接訪問南京真大師實驗室的網站（www.zdslabs.com）了解更多有關該平臺的信息。值得注意的是，這個網站提供了一個用該實驗平臺在站立式的組合形式下，利用Simulink設計和模擬，通過Simulink Hardware Support Package for Arduino自動生成執行代碼并下載而制作成的平衡車的例子。讀者可以發現，這個平衡車與學習和研究自動控制理論時使用的最經典的倒立擺在工作原理、控制算法等方面是完全一樣的。
說明： 本書仿真工具采用英文版MATLAB/Simulink，故所繪出的插圖中的圖字為英文。
美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute,RPI）的教授何斯特博士(Joshua L. Hurst)為本書介紹的所有實驗提供了原始的實驗資料，并在其教授的機電一體化課程中使用了這些實驗，產生了很好的教學效果。何斯特教授和他的學生們在這些實驗的教與學過程中獲得的經驗和體會、批評和建議為這些實驗的成型與完善奠定了基礎。在此向何斯特博士致以誠摯的感謝。
作者衷心感謝清華大學出版社的盛東亮編輯，他在本書的構思和編寫過程中提供了寶貴的指導性意見和具體的技術性幫助。
丁亦農

Joshua L.Hurst
2017年1月





內容簡介：

本書通過在數控平臺上設計的一系列的Simulink 與Arduino實驗，把機電一體化及數字控制的理論應用于真實環境下的系統設計、測試和驗證。有助于更深入地理解工程理論，獲得第一手與實際硬件打交道的經驗。熟悉在機電一體化和數字控制系統中常用的傳感器件和控制算法，如陀螺儀、加速度計、磁力計等，了解它們的工作原理、性能特點和使用注意事項； 學習和使用Arduino這一在機電一體化及數字控制領域中最常用的低成本硬件平臺，了解其特點和適用范圍，為采用這一平臺進行復雜的機電一體化及數字控制系統的設計打下堅實的基礎。
通過學習和使用本書，讀者可以熟悉和理解“基于系統模型的工程設計”的思想、方法和工具； 通過實際的建模實踐，練習并掌握使用Simulink進行系統設計的流程和方法。
目錄：

第1章Simulink與低成本硬件開發平臺

1.1Arduino

1.2RaspberryPi

1.3Simulink低成本硬件支持軟件包

1.4關于Arduino支持軟件包

第2章基于Arduino的機電一體化實驗平臺

2.1機電一體化平臺的開發環境

2.2機電一體化平臺的組成和組合形式

2.3機電一體化平臺的硬件配置

2.3.1平臺的主板

2.3.2直流電機

2.3.3其他可選器件

第3章點亮發光二極管

3.1實驗目的

3.2實驗平臺設置

3.3Simulink/Arduino支持軟件包和Arduino驅動器的安裝

3.3.1Simulink/Arduino支持軟件包的安裝

3.3.2Arduino驅動器(ArduinoMega2560drivers)的安裝和設置

3.4建立并在部署至硬件模式下運行Simulink模型

3.4.1建立Simulink模型的步驟

3.4.2在部署至硬件模式下運行Simulink模型

3.4.3糾錯

3.5在外部模式下運行Simulink模型

3.5.1通過改變PWM參數改變發光二極管亮度

3.5.2外部運行模式的特點

3.5.3目標硬體的自由運行

3.5.4糾錯

3.6在Windows8系統上安裝Arduino驅動器

第4章模擬傳感器與電機編碼器數據的讀取

4.1實驗平臺(硬件)

4.2模擬信號的獲取

4.2.1模數轉換器的背景知識

4.2.2用模擬輸入電壓控制PWM

4.2.3觀測和問題

4.3電機編碼器數據的讀取

4.3.1編碼器的背景知識

4.3.2用編碼器的輸出控制PWM

4.3.3觀測和問題

第5章通過I2C總線讀取陀螺儀和加速(度)計的數據

5.1實驗平臺(硬件)

5.2陀螺儀信號數據的讀取

5.2.1陀螺儀的背景知識

5.2.2從陀螺儀及加速度計讀取數據

5.2.3觀測和問題

5.3根據陀螺儀數據計算陀螺儀所處的實驗平臺的角度

5.3.1從陀螺儀獲得角位置

5.3.2消除陀螺儀的誤差

5.3.3問題和練習

第6章數字羅盤(指南針)的制作

6.1實驗平臺(硬件)設置

6.2磁力計信號數據的讀取

6.2.1磁力計的背景知識

6.2.2從磁力計(HMC5883L)讀取數據

6.3收集和分析磁力傳感器數據

6.3.1實驗步驟

6.3.2用MATLAB進行數據分析

6.4在Simulink里實現羅盤校準算法

6.4.1建立實現羅盤校準算法的Simulink模型

6.4.2觀測與練習

第7章串行通信基礎

7.1串行通信的背景知識

7.2實驗平臺(硬件)的設置

7.3從實驗平臺(Arduino)向計算機發送單字節數據

7.4在Arduino集成開發環境(IDE)下實現數據發送

7.5發送和接收含有多個字節的串行數據

7.5.1發送和接收單通道含有雙字節的串行數據

7.5.2發送和接收雙通道含有4個字節的串行數據

7.6用使用并集的S拟Function發送16比特的整數和單精度浮點數

7.6.1用Simulink發送，MATLAB程序讀取16比特的整數

7.6.2用實驗平臺(Arduino)發送，MATLAB程序讀取單精度的浮點數

7.7用MATLAB讀取串行數據

第8章藍牙通信

8.1實驗平臺(硬件)的設置

8.2藍牙模塊的安裝及設置

8.2.1藍牙通信的背景知識

8.2.2藍牙模塊的安裝

8.2.3藍牙設備及其設置

8.3通過回路試驗測試藍牙通信

8.3.1RealTerm的設置

8.3.2藍牙通信的回路測試

8.4接收藍牙模塊發送的數據

8.4.1建立向計算機發送數據的Simulink模型

8.4.2在部署至硬件模式下運行Simulink模型

第9章直流電機的階梯響應

9.1實驗平臺

9.2背景知識

9.3電機的階梯響應

9.3.1建立Simulink模型

9.3.2通過Simulink的外部模式獲得電機的階梯響應

9.4通過串行口(串行通信)獲得電機速度的階梯響應

9.4.1Simulink模型及其設置

9.4.2在外部模式和“部署至硬件”模式下獲取電機響應

9.5控制電機的方向和速度

9.5.1Simulink模型及其設置

9.5.2電機的受控響應

9.6直流電機階梯響應的仿真

9.6.1一階及二階直流電機模型的階梯響應

9.6.2Simulink模型及其設置

9.6.3電機仿真模型的運行

9.6.4仿真結果及結果觀察

9.6.5考慮數字化和延遲效應時使用一階系統的電機仿真

第10章直流電機控制的基本知識和途徑

10.1實驗平臺(硬件)

10.2電機位置的開環控制

10.2.1Simulink模型

10.2.2獲取數據

10.2.3整理數據

10.2.4用所得數據進行電機位置控制

10.2.5結果討論

10.3電機位置的閉環反饋控制

10.3.1比例控制器(proportionalcontroller)

10.3.2比例加積分控制器(proportionalplusintegralcontroller)

10.4電機速度的開環控制

10.5電機速度的閉環反饋控制

第11章實際應用環境下直流電機的仿真及速度控制

11.1實驗平臺(硬件)

11.2理想的二階直流電機模型的階梯響應

11.3用理想電機模型進行速度控制的仿真

11.4飽和效應

11.5控制的離散時間效應

11.6控制的離散測量效應

11.7控制的仿真結果與實際效果的比較

第12章根據加速度計和陀螺儀確定(實驗平臺)角度

12.1實驗平臺(硬件)及背景知識

12.2從陀螺儀讀數計算角位置

12.3從加速度計讀數計算角位置

12.4采用互補濾波器

12.5根據陀螺儀和加速度計的輸出控制電機的(角)位置

附錄ASimulink/Arduino硬件支持軟件包的獲取和安裝

A.1什么是Simulink/Arduino硬件支持軟件包

A.2Simulink/Arduino硬件支持軟件包的安裝方法

A.2.1準備工作

A.2.2Arduino硬件Simulink支持軟件包的在線安裝

A.2.3Arduino硬件Simulink支持軟件包的離線安裝

序：