Simulink与低成本硬件及机电一体化_丁亦农 Joshua L. Hurst_9787302454588

本书通过在数控平台上设计的一系列的Simulink 与Arduino实验，把机电一体化及数字控制的理论应用于真实环境下的系统设计、测试和验证。有助于更深入地理解工程理论，获得*手与实际硬件打交道的经验。熟悉在机电一体化和数字控制系统中常用的传感器件和控制算法，如陀螺仪、加速度计、磁力计等，了解它们的工作原理、性能特点和使用注意事项；学习和使用Arduino这一在机电一体化及数字控制领域中*常用的低成本硬件平台，了解其特点和适用范围，为采用这一平台进行复杂的机电一体化及数字控制系统的设计打下坚实的基础。通过学习和使用本书，读者可以熟悉和理解基于系统模型的工程设计的思想、方法和工具；通过实际的建模实践，练习并掌握使用Simulink进行系统设计的流程和方法。

前言曾在报纸上看一则消息,谈到中国至今不能生产某些高级模具钢，例如圆珠笔的圆珠都需要进口。当然，圆珠需要进口，问题不完全是因为不能生产制造圆珠所需要的钢材。圆珠笔头开口直径不到0.1mm，例如常见的0.07mm和0.05mm，但要承受各种书写姿势带来的压力和摩擦，还要和圆珠完全贴合，既要书写流畅，又不能漏油。因此，其硬度、开口大小、墨水槽位置必须搭配得天衣无缝。这些涉及模具制造、生产工艺和设备、制造过程中的精密控制等多方面的复杂技术。圆珠需要进口是我国的制造业总体水平与发达国家相比还存在较大差距的一个例子。为什么会出现这种现状呢？一个重要的原因是我们的高级专业技术人才紧缺，这与我们的教育水平、培养人才的质量关系密切。不可否认，中国的教育处在不断改善和发展的过程中，但是在理论联系实际方面仍然做得不够。职业教育水平不够高，学生难以在真环境下学习真本领。由于工作的关系，我有机会访问很多中国的高等工科院校，参观他们的实验室，向老师们了解实验教学的内容和方法。可以说，目前国内高等工科院校，即使是一流的工科院校的大部分的实验教学内容、教学方法、实验的性质和三十多年前我和我的同龄人上大学时的情况没有根本性的变化。同样是由于工作的关系，我经常走访全球性的、引领世界科技和工业进步的企业和大型跨国公司，如波音、苹果、谷歌、通用汽车、华为和三星电子等，亲眼所见和切身体会到过去的30年里，从产品的设想、构思，到系统的设计、调试和验证，所采用的方法、流程以及工具都发生了巨大的变化。在校所学与职场所用之间的沟壑一方面使得刚刚毕业的大学生、研究生无法很快地把所学的理论知识应用到工作实践中去，另一方面使得用人单位、公司与企业不得不花费大量的时间和精力对刚走上工作岗位的毕业生进行长时间的培训。显然，努力缩小学与用之间的差距是提高教育质量，改善我国专业技术人才严重紧缺状况的关键途径之一。希望这本书的出版能够为改善这种状况贡献绵薄之力。本书是一本关于机电一体化及数字控制的案例实验指导书。学习和使用这本书可以达到以下几个目的。（1）熟悉和理解基于系统模型的工程设计的思想、方法和工具。通过实际的建模实践，练习并掌握使用Simulink进行系统设计的流程和方法。（2）把机电一体化及数字控制的理论用于真实环境下的系统设计、测试和验证，更深入地理解工程理论，获得第一手与实际硬件打交道的经验。（3）熟悉在机电一体化和数字控制系统中常用的传感器件和控制算法，了解它们的工作原理、性能特点和使用注意事项。（4）学习和使用Arduino（爱绝诺)这一在机电一体化及数字控制领域中最常用的低成本硬件平台，了解其特点和适用范围，为采用这一平台进行复杂的机电一体化及数字控制系统的设计打下坚实的基础。全书共由12章组成。第1章介绍低成本硬件的出现和发展过程，以及美国迈斯沃克（MathWorks）公司为低成本硬件平台提供的硬件支持软件包；第2章介绍本书讨论的所有实验所采用的机电一体化及数控平台；从第3章至第12章，每一章介绍一个实验，清晰地说明进行实验的步骤和方法。通过阐明实验目的，提供参考用Simulink模型以及实验的示范结果，使读者能够自主独立地领会实验意图并完成实验。这些实验包括：(1) 点亮发光二极管。(2) 模数传感器与电机编码器数据的读取。(3) 通过I2C总线读取陀螺仪和加速度计的数据。(4) 数字罗盘(指南针)的制作。(5) 串行通信基础。(6) 蓝牙通信。(7) 直流电机的阶梯响应。(8) 直流电机控制的基本知识和途径。(9) 实际应用环境下直流电机的仿真及速度控制。(10) 根据加速度计和陀螺仪确定(实验平台)角度。本书提供的所有实验均采用以Arduino为基础的机电一体化与数控平台。该平台是对Arduino平台的补充与扩展，增加了与实现机电一体化、数字控制、及机器人有关的器件和芯片，如陀螺仪、磁力计、加速度计等。通过这些实验，读者可以对该平台有一个比较透彻的了解，熟悉从平台上的各种传感器读取数据的方法，以及如何利用这些传感数据进行系统设计和控制。在这些实验基础上，读者可以充分地发挥自己的想象力，在平台上设计各种其他实验；或者利用该平台构造出各种机电一体化及数控设备；读者还可以以这个平台为蓝本，改变平台的结构，增加更多的机电一体化元器件，如光电传感器、电机、车轮等，从而制造出更加复杂、更加有趣、更加实用的机电一体化及数控产品。除了书中第2章对实验平台的介绍外，读者还可以直接访问南京真大师实验室的网站（www.zdslabs.com）了解更多有关该平台的信息。值得注意的是，这个网站提供了一个用该实验平台在站立式的组合形式下，利用Simulink设计和模拟，通过Simulink Hardware Support Package for Arduino自动生成执行代码并下载而制作成的平衡车的例子。读者可以发现，这个平衡车与学习和研究自动控制理论时使用的最经典的倒立摆在工作原理、控制算法等方面是完全一样的。说明：本书仿真工具采用英文版MATLAB/Simulink，故所绘出的插图中的图字为英文。美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute,RPI）的教授何斯特博士(Joshua L. Hurst)为本书介绍的所有实验提供了原始的实验资料，并在其教授的机电一体化课程中使用了这些实验，产生了很好的教学效果。何斯特教授和他的学生们在这些实验的教与学过程中获得的经验和体会、批评和建议为这些实验的成型与完善奠定了基础。在此向何斯特博士致以诚挚的感谢。作者衷心感谢清华大学出版社的盛东亮编辑，他在本书的构思和编写过程中提供了宝贵的指导性意见和具体的技术性帮助。丁亦农
Joshua L.Hurst2017年1月

你还可能感兴趣

我要评论