機電係統設計方法、模型及概念： 建模、仿真及實現基礎（信息技術和電氣工程學科國際知名教材中譯本係列） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　本書對機電係統設計和分析的主要方法進行瞭廣泛、深入、係統的闡述。本書英文版包括50餘個有完整解答的設計實例和380餘幅插圖，便於讀者學習和研究機電係統設計的主要概念和方法。本書由Springer齣版社2010年齣版德文原版，2012年齣版英文翻譯版，已受到國際學術界的廣泛好評。本書是一本關於機電係統設計和分析的**著作，內容全麵豐富，其中不少內容基於作者團隊的**研究成果，有很強的創新。本書有很高的學術水準，對於許多應用領域的實際機電係統研發而言也是必備參考書。

內容簡介

　　Originally published in the German language: “Systementwurf mechatronsicher Systeme” by Klaus Janschek. Translation from the English language edition: Mechatronic Systems Design by Klaus Janschek Copyright 2012 Springer Verlag Berlin Heidelberg. Springer Verlag Berlin Heidelberg is a part of Springer Science+Business Media.
　　All Rights Reserved.

作者簡介

　　Klaus Janschek，德國德纍斯頓工業大學自動化研究所講席教授、所長。1982年於奧地利格拉茨工業大學獲工學博士學位，1982-1995年在德國戴姆勒奔馳等公司從事航天製導、導航與控製，疲勞與車輛測試係統等控製係統研發與管理工作，1995年至今任德國德纍斯頓工業大學自動化研究所所長、自動化工程講席教授。他的主要研究興趣包括製導、導航與控製，係統設計，移動機器人，光學數據處理與光機電一體化，數據融閤等。他現任國際自動控製聯閤會（IFAC）技術局成員及其“機械電子學、機器人及元部件”協調委員會（CC4）主席，曾任IFAC應用論文評奬委員會主席，德國研究基金會（DFG）自動化、控製係統與機器人領域科學顧問，德國測量與自動化學會（GMA）理事。他將任2020年IFAC世界大會主席，2005年至今任德國機械電子學大會程序委員會共同主席，曾任第4屆IFAC機電係統會議IPC主席。

　　張建華，華東理工大學自動化係教授，2005年於德國波鴻魯爾大學獲工學博士學位，師從德國國傢工程院和北萊茵-威斯特**科學院雙院士Johann F. Boehme教授。2005-2006年在英國謝菲爾德大學任博士後副研究員，閤作導師為英國皇傢工程院院士Derek A. Linkens教授等。2007年引進迴國任華東理工大學自動化係教授和博士生導師。2011，2012，2014，2015年應邀赴德國柏林工業大學和馬普復雜技術係統動力學研究所做客座教授或高級研究學者。現任國際自動控製聯閤會（IFAC）人機係統、復雜大係統、生物與醫學係統、交通係統四個技術委員會委員，曾任13th IFAC Symp. on Complex Large-Scale Systems 的IPC副主席, 19th IFAC World Congress的技術副編輯，13th IFAC Symp. on Analysis, Design and Evaluation of Human-Machine Systems的IPC共同主席。2011年獲德國馬普學會高級研究基金，2007年入選上海市浦江人纔計劃，2002-04年獲德意誌學術交流中心（DAAD）奬學金。主要研究興趣包括計算智能，機器學習與智能數據分析，生物係統的建模與控製，生物醫學信號處理，人機係統，腦機交互，神經工效學等。至今在IEEE T-HMS, IEEE T-BME，IEEE T-CBB等重要學術期刊和會議上發錶論文110餘篇。

內頁插圖

目錄

譯者引言
第1章緒論
1.1機電一體化與機電一體化係統
1.2係統設計
1.3基本實例
1.3.1具有自適應光學的望遠鏡
1.3.2光機電遙感相機
1.4本書內容簡介
本章參考書目
第2章建模基礎
2.1係統工程背景
2.2具有結構化分析的係統建模
2.2.1定義
2.2.2順序原則
2.2.3結構化分析的建模要素
2.2.4産品實例： 自動調焦照相機
2.2.5其他建模方法
2.3機電係統建模範式
2.3.1廣義功率與能量
2.3.2基於能量的建模： 拉格朗日形式化
2.3.3基於能量的建模： 漢密爾頓方程
2.3.4多端口建模： 基爾霍夫網絡
2.3.5多端口建模： 鍵閤圖
2.3.6能量/多端口建模： 端口漢密爾頓係統
2.3.7信號耦閤網絡
2.3.8模型的因果性
2.3.9機電係統的模塊化建模
2.4微分代數方程組
2.4.1DAE係統簡介
2.4.2DAE指標檢驗
2.4.3DAE指標約簡
2.5混雜係統
2.5.1混雜係統的一般結構
2.5.2混雜現象
2.5.3網絡狀態模型
2.6綫性係統模型
2.6.1非綫性狀態空間模型的局部綫性化
2.6.2非綫性DAE係統的局部綫性化
2.6.3LTI係統的傳遞函數與頻率響應
2.7頻率響應的實驗確定
2.7.1一般考慮
2.7.2方法
2.7.3通過噪聲激勵的頻率響應測量
本章參考文獻
第3章仿真問題
3.1係統工程背景
3.2數值積分的基礎
3.2.1微分方程的數值積分
3.2.2穩定性的概念
3.2.3數值穩定性
3.3剛性係統
3.4弱阻尼係統
3.5高階綫性係統
3.5.1通用的數值積分方法
3.5.2通過狀態轉移矩陣的求解方法
3.5.3仿真解的精度
3.6DAE係統的數值積分
3.6.1顯式積分法
3.6.2隱式積分法
3.6.3指標��2係統的量化
3.6.4具有一緻性的初值
3.7混雜現象仿真的實現方法
3.7.1不連續性的處理
3.7.2事件檢測
3.8仿真實例： 理想單擺
本章參考書目
第4章功能實現： 多體動力學
4.1係統工程背景
4.2多體係統
4.3物理學基礎
4.3.1運動學與動力學
4.3.2剛體
4.3.3自由度與約束
4.4多體係統的時域模型
4.4.1係統設計中的模型層次
4.4.2多體係統運動方程
4.4.3MBS狀態空間模型
4.5固有振蕩
4.5.1守恒多體係統的特徵值問題
4.5.2特徵模態（本徵模，Eigenmodes）
4.5.3耗能多體係統
4.6頻域響應特性
4.7測量與驅動位置
4.7.1一般的多質體振蕩器
4.7.2多質體振蕩器的零點
4.7.3同位測量與驅動
4.7.4非同位測量與驅動
4.7.5反諧振
4.7.6MBS零點遷移
本章參考書目
第5章功能實現： 通用機電變送器
5.1係統工程背景
5.2一般的通用變送器模型
5.2.1係統配置
5.2.2建模方法
5.3無負載通用變送器
5.3.1基於能量的模型
5.3.2ELM變送器本構方程
5.3.3ELM二端口模型
5.4負載通用變送器
5.4.1基於能量的模型
5.4.2非綫性運動方程
5.4.3平衡點位置： 工作點
5.4.4基於信號的變送器綫性模型
5.4.5傳遞矩陣
5.4.6關於響應特性的討論
5.5有損變送器
5.5.1變送器的一般特性
5.5.2非綫性模型： 平衡點位置
5.5.3基於信號的綫性模型
5.5.4帶有耗能電阻的二端口本構方程
5.5.5綫性動態分析
5.5.6一般的阻抗與導納反饋
5.6機電耦閤係數
5.6.1一般意義與特性
5.6.2計算ELM耦閤係數的模型
5.6.3關於ELM耦閤係數的討論
5.7帶多體負載的變送器
5.7.1頻率響應
5.7.2阻抗反饋與導納反饋
5.8機電諧振器
5.9機電振動發電
5.10自傳感執行器
5.10.1工作原理
5.10.2基於信號的自傳感解決方案
5.10.3模電自傳感解決方案
本章參考書目
中英文術語翻譯對照錶

精彩書摘

　　第3章仿 真 問 題
　　背景： 對動態係統模型的實驗是係統設計的標準任務之一，這種仿真結果為有深遠影響的設計決策奠定瞭基礎。如今，（商用）計算機輔助工具一般提供建模與仿真平颱，因而經常使用預先存在的模型庫。但是，在這個極端重要的設計階段，計算機化的仿真模型與用戶（極端情況下用戶可能是很天真的）經常存在危險的理解差距。在不利情況下，這很容易導緻有缺陷的仿真結果。因此，尤其在采用現代仿真工具時，勝任的係統工程師必須瞭解仿真實現與求解方法的特殊性。係統工程師隻有具備這些知識，纔有可能識彆齣潛在的問題並采用閤適的措施緩解問題，要麼是改進模型，要麼采用可用仿真器功能的目標選擇與參數化： “欣賞但覺察地使用工具”（using the tool with appreciation and awareness）。
　　本章內容： 本章討論仿真實驗的數學模型實現的特定方麵以及關於機電係統模型的特殊問題與求解方法。在此範圍內，假設讀者已具備數值積分與一般仿真方法的基礎知識。在簡要討論數值穩定性、積分步長的重要影響以及不同積分方法的性質之後，本章將介紹多體係統（錶現為具有明顯特徵模態和弱以至無阻尼特徵模態的剛性係統結構）仿真的典型問題與求解方法。對於綫性高階多體模型（例如通過有限元方法産生的那些模型），介紹瞭使用狀態轉移矩陣的高效並精確的積分步驟。應用基本概念闡明瞭微分代數方程（DAE）係統的非平凡（non trivial）數值積分與混雜現象的處理。最後，通過一個實例說明DAE係統的閉式（closed�瞗orm）建模及其仿真實現。
　　3.1係統工程背景
　　建模與仿真
　　係統設計（基於模型的設計）包含兩個緊密交織的任務： 建模與對模型的實驗（仿真）。從圖2.3可以清楚看齣，仿真結果的預測能力（即其在多大程度上代錶瞭實際係統的行為）取決於建模誤差與仿真誤差之和。特定類型模型的選擇決定瞭仿真任務的難度以及最終的仿真誤差。與通過麵嚮對象建模獲得的高冗餘DAE係統相比，采用最小坐標的常微分方程組形式的簡潔模型更易實現和計算。所以，總是需要對建模工作量、期望的模型精度以及仿真所需的工作量三者進行摺衷考慮。
　　計算機輔助仿真
　　與計算機輔助建模一起，現代設計工具使我們能夠幾乎毫不費力地進行仿真實驗。這種便利性當然是用戶所期望的。但是，若所考慮的模型具有某些不良性質時，現代設計工具會隱藏巨大的危險性。盡管事實上好的計算機工具有很多內置的主要功能正常性檢查（sanity checks），但一個有缺陷的求解算法參數化就可能導緻完全錯誤的仿真結果。在特彆有害的情況下（如復雜模型）很難檢測齣這些錯誤。計算機輔助工具通常僅檢查模型的句法和參數以及實驗參數。原則上模型的語義仍未被監測，因而可能是一個潛在的錯誤來源。
　　仿真工具的妙用
　　本章將特彆關注常微分方程組與DAE係統數值求解方法的語義，即求解算法（數值積分方法）及其重要參數（步長、階次等）的意義。這些背景的目的是使我們能夠在行地選用在當前的商用計算機工具中實現的那些常用方法。
　　預備知識
　　假設讀者熟悉數值積分的基本概念（例如，顯式與隱式法、單步與多步法、龍格�部饉�法、基於誤差監控的自適應步長等），推薦需要更新或復習有關基礎知識的讀者參考數值分析領域的有關文獻（例如，Faires、Burden 2002）。關於直接適閤動態係統仿真的方法，可以參見專著（Cellier、Kofman 2006)。
　　3.2數值積分的基礎
　　3.2.1微分方程的數值積分
　　仿真實驗
　　為瞭進行計算機輔助仿真實驗，需要基於內在的數學模型計算感興趣係統變量的近似解。於是，可以認為“在對數學模型進行仿真”。
　　為此，首先考慮如下具有單輸入u(t)和單輸齣y(t)的普通非綫性狀態空間模型（見圖3.1）該模型是一個指標為0的DAE係統（參見2.4節）。3.6節將討論高指標DAE係統的求解。：
　　x·=f～(x,u,t)（3.1）
　　y·=g～(x,u,t)（3.2）
　　圖3.1單輸入單輸齣（SISO）動態係統的狀態空間模型
　　當對上述係統進行仿真時，一般關心的是在有限時間區間［t0,tf］內解x(t)或y(t)隨時間變化情況。在這種情況下，可以假設輸入u(t)在［t0,tf］內的變化情況是已知的。
　　為瞭采用式（3.2）計算輸齣y(t)，隻需要確定n個一階微分方程組（3.1）在時間區間［t0,tf］的解x(t)。
　　給定上述假設條件，可以提齣如下微分方程的數值積分這一基本問題： 找到如下常微分方程組的解x(t)的近似x^(t)假設嚮量場f(·)是光滑的。若f(·)存在不連續性（例如，輸入激勵函數或狀態變量x(t)存在階躍變化），則須作齣特彆規定，見3.7節。
　　x·=f(x,t),x(t0)=x0∈Rn（3.3）
　　單步法： 顯式與隱式
　　使用微分方程（3.3）的差分近似或相應的積分方程，可獲得方程（3.3）的近似解（即有限個值x^(tk)）。然後，為瞭隻根據上次計算值x^(tk)來計算新的近似值x^(tk+1)，采用“單步法”可得下列的一般遞推關係式：
　　x^(tk+1)=x^(tk)+hφ(x^(tk),x^(tk+1),tk,h)（3.4）
　　其中，φ(·)為增量函數，h為步長。若增量函數不依賴於x^(tk+1)，則稱該方法為顯式（如歐拉法、龍格�部饉�法），否則稱其為隱式（如梯形法）（Faires、Burden 2002）。
　　增量函數φ(·)與步長h的不同選擇決定瞭近似精度（圖3.2）。
　　圖3.2數值積分： 微分方程的近似解
　　3.2.2穩定性的概念
　　定義3.1
　　局部離散化誤差： 在tk+1時刻顯式單步法
　　對於隱式法和多步法等其他方法，LDE也可以類似地定義。的局部離散化誤差（LDE）是下麵的值：
　　dk+1∶={x(tk+1)－x(tk)}－h·φ(x(tk),tk,h)
　　上式右端第一項為真實解的單步變化，第二項為應用積分算法後相對於真實解x(tk)的單步變化。LDEdk+1錶示積分方法與真實解在單步上的偏差。因此，LDE衡量方程（3.4）給齣的解與真實解x(tk)接近的程度。
　　定義3.2
　　全局離散化誤差： 在固定時刻tk的全局離散化誤差（GDE）是下麵的值：
　　gk∶=x(tk)－x^(tk)
　　因而，GDEgi錶示近似解x^(tk)與真實解x(tk)之間的偏差，而且特彆包含所有以前k步（j=0,1,…,(k－1)）的纍積誤差（LDE與GDE）。
　　定義3.3
　　一緻性： 求解初值問題的數值積分方法被稱為一緻的，如果在步長趨於0時局部離散化誤差之和RLDE也趨於0，即有下麵的條件：
　　limh→01hRLDE=0
　　定義3.4
　　收斂性： 求解初值問題的數值積分方法被稱為收斂的，如果當步長趨於0時全局離散化誤差在整個積分區間上也趨於0，即有下麵的條件：
　　limh→0(x^k－xk)=limh→0gk=0,�衚, i.e. t∈［t0,tf］
　　穩定性
　　需要區分下列類型的穩定性：
　　係統模型的固有穩定性
　　所使用的穩定性概念包括輸入輸齣穩定性（如BIBO穩定性）或（漸近）狀態穩定性（Ogata 2010）。如果係統模型在上述意義下穩定，則稱係統是（固有）穩定的。
　　積分算法的數值穩定性
　　求解初值問題的數值積分方法被稱為是“數值穩定的”，如果被積值x^k的“微小誤差”也隻在此後計算x^k+1時産生“微小誤差”（即有足夠的誤差抑製）（Faires，Burden 2002）。
　　給定以上定義，於是有下麵的基本定理：
　　定理3.1
　　一個數值積分方法是收斂的，當且僅當其是一緻的並是數值穩定的。
　　所以，收斂性、一緻性與數值穩定性緊密聯係在一起，這些性質是執行仿真實驗的基本性質。盡管商品仿真工具一般將大量具有一緻性的積分方法作為內置功能（單單如此甚至也是有意義的！），但是會得到收斂的近似解並非定論（雖然從閤理的仿真實驗中所期望的一樣也不少！）。根據定理3.1，數值穩定性也是必須的，這基本上取決於步長h。若缺乏對h作用與影響的瞭解，作為一個可自由選擇的仿真參數，h也可能被錯誤地任意設定（見3.2.3節）。
　　顯然，為瞭獲得高精度的近似解，步長h應當選擇得盡可能小。另一方麵，對於一個固定的積分區間，這會增大計算需求（更多次的遞推），為瞭快速計算而希望取更大可能的步長。所以，在任何具體情況下，選擇積分步長h時總需要在精度與計算負荷之間做齣摺中。
　　3.2.3數值穩定性
　　綫性測試係統： 初值問題
　　一個數值積分過程可錶達為由一組非綫性差分方程組錶示的離散時間動態係統。這使得我們能采用熟知的穩定性概念和判據來分析其數值穩定性。
　　為瞭討論，考慮如下的綫性（固有穩定的）測試初值問題：
　　x·=λx,其中x(0)=x0,λ<0（3.5）
　　對於歐拉法
　　x^k+1=x^k+h·f(x^k)
　　並考慮式（3.5），得綫性一階差分方程：
　　x^k+1=(1+h·λ)x^k（3.6）
　　方程（3.6）的通解為：
　　x^k+1=(1+h·λ)k+1x0（3.7）
　　當k→∞時如果式（3.7）的近似值序列(x^k)=(x0,x^1,x^2,…)收斂到真實解的穩態終值x∞=0，則會有數值穩定性，即數值穩定性條件為：
　　|1+h·λ|<1（3.8）
　　式（3.8）的條件對應於我們所熟知的綫性差分方程（3.6）的離散時間穩定性判據“特徵值的幅度小於1”，參見（Franklin et al. 1998）。
　　固有穩定係統
　　在一個固有穩定係統中（λ<0）中，數值穩定性條件式（3.8）滿足，當且僅當：
　　hλ<0 且 h<2－λ=hcrit（3.9）
　　……

前言/序言

　　中 文 版 序
　　這是2010年和2012年分彆由Springer齣版社齣版的《機電係統設計》德文和英譯版的中譯本。關於本書寫作的動機、背景以及構想，感興趣的讀者可以參考德文版的序言。
　　讀者將會發現，本書的主要目標是從建模的觀點齣發，提供關於機電一體化的全麵、係統觀點，從而使讀者能依據嚴格的物理和數學觀點理解基本概念和設計解決方案。這本專著與很多其他同類書籍相比的特色在於不同章節和主題之間（從建模與仿真直至控製器設計與係統性能評價方法）統一的數學、物理以及建模概念。這本教材可以用作學習技術係統抽象模型嚴格處理的參考書。這也是我構建本書包括的許多主題背後的邏輯的一種教學訓練。我非常希望尊敬的讀者認識和欣賞這些目標。
　　我目前將本書用作德纍斯頓工業大學本科生和研究生課程以及其他大學（例如，西班牙Mal�~ga大學、巴西聖卡塔琳娜大學、中國的華東理工大學等）短期研究生課程的基本參考書。有趣的是，至今參加我的機電一體化課程的相當一部分學生來自中國（特彆是在德纍斯頓工業大學與華東理工大學）。除瞭理解機電一體化課程的一般工程專業障礙之外，他們還必須應對德語或英語的語言障礙。當我開始寫德語版時，從未夢想

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