机电一体化系统设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:268

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出版时间:2010-8

价格:34.00元

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isbn号码:9787122088642

丛书系列:

图书标签:

• 机电一体化
• 系统设计
• 自动化
• 控制工程
• 机械工程
• 电气工程
• 传感器
• 执行器
• 建模与仿真
• 工业自动化

电子与信息工程前沿探索：面向智能制造的复杂系统集成与优化 本书聚焦于当代工程领域最为核心的挑战之一：如何将分散的电子、信息技术与精密机械系统进行高效、可靠的集成，以构建适应未来工业需求的智能制造单元。它并非传统意义上关于机电一体化设备结构或基础控制原理的教科书，而是深入探讨了如何利用前沿信息科学和控制理论，设计、实现和优化具有高度自主性和适应性的复杂工程系统。 第一部分：智能系统的理论基础与架构演进 本部分旨在为读者构建一个宏观的视角，理解现代复杂系统设计所依赖的理论基石，并梳理从传统自动化向工业4.0架构过渡的关键技术节点。 1. 复杂系统建模与仿真的高级方法： 本书首先摒弃了简化的线性模型，转而关注多域耦合系统的非线性建模。重点讨论如何运用广义势场理论、拓扑数据分析（TDA）以及基于案例推理（CBR）的混合建模方法，精确描述机械结构、电子传感器、执行器动态响应以及软件逻辑之间的相互作用。特别地，会详细阐述如何使用Modelica语言及其扩展库进行跨领域组件的互操作性验证，并介绍如何通过数字孪生（Digital Twin）技术，在虚拟环境中对系统进行全生命周期的性能预测和故障预演。 2. 基于信息物理系统（CPS）的架构设计： 区别于传统的集中控制模式，本书强调面向信息物理系统（CPS）的分布式、自组织架构。内容涵盖了： 分层架构的重新定义： 探讨如何打破传统的感知-决策-执行的单向流，引入边缘智能层、云计算协同层和现场互操作层，实现数据流与控制流的异步耦合。 异构数据融合机制： 针对来自不同传感器（如激光雷达、视觉系统、力矩传感器）的异构、高维时间序列数据，介绍基于卡尔曼滤波扩展（EKF）和粒子滤波（PF）的无缝融合技术，以获取高精度的系统状态估计。 实时通信与确定性网络： 深入研究TSN（时间敏感网络）在工业控制环境中的应用，确保关键控制指令在分布式节点间的微秒级确定性传输，这是实现远程高精度协同操作的前提。 第二部分：面向决策的智能算法与自主控制 本部分是本书的核心，探讨如何赋予系统“思考”和“学习”的能力，使其能够在不确定环境中自主完成复杂任务。 3. 强化学习在轨迹规划与任务调度中的应用： 本书不局限于经典的PID或模型预测控制（MPC）。我们着重介绍如何利用深度强化学习（DRL），特别是PPO（近端策略优化）和SAC（软演员-评论家）算法，解决高自由度机械臂或移动平台在动态障碍环境下的最优路径规划问题。重点分析了奖励函数的工程化设计，如何将物理约束（如能耗、振动抑制）转化为可优化的奖励项，以及如何解决离线训练模型到在线部署时的仿真到现实（Sim2Real）的迁移鸿沟问题。 4. 基于知识图谱的故障诊断与容错设计： 面对现代设备的日益增加的复杂性，基于规则的专家系统已显现不足。本书提出知识图谱（KG）驱动的诊断框架。 症状与根因映射： 如何利用设备维护日志和专家经验构建设备部件间的因果关系图谱。 推理引擎构建： 使用图嵌入（Graph Embedding）技术，结合贝叶斯网络推理，实时匹配传感器异常信号与知识图谱中的潜在故障模式，实现对早期、模糊故障的精准定位。 自适应重构： 在诊断出故障后，系统如何通过调整控制参数或重新配置冗余执行器，实现任务级别的自主容错和快速恢复。 第三部分：先进制造中的人机协作与安全交互 未来的工程系统必须具备与人类安全、高效交互的能力。本部分关注人机界面的升级和协作物理系统的设计。 5. 触觉反馈与直觉式远程操作： 针对远程维护和高精度装配场景，本书探讨了高保真度触觉渲染技术。 力学建模： 深入研究如何精确建模人手与操作器之间的接触力学，以及如何通过双向耦合的Haptic设备模拟出复杂的接触纹理和阻抗特性。 低延迟通信下的沉浸式反馈： 结合空间定位技术（如UWB和视觉惯性里程计），设计确保感知延迟低于50毫秒的人机环路，以维持操作者的操作稳定性与自然性。 6. 面向物理安全的协同机器人系统： 本书区分了传统协作机器人和真正的物理协同系统。讨论了如何利用预测性碰撞检测算法（基于多传感器融合的短期运动预测）和基于势场的安全区域控制，确保在共享工作空间中，机器人能够以远超传统安全距离的速度与人类进行高效协作，同时满足ISO/TS 15066等国际安全标准。 第四部分：系统集成与工业化验证 最后一部分将理论与实践相结合，探讨如何将上述智能技术集成到实际的工业生产线上，并进行严格的性能验证。 7. 模块化、可重构的系统集成标准： 介绍面向未来柔性制造的组件级即插即用（Plug-and-Play）设计哲学。重点分析IEC 61499功能块编程模型在实现系统功能重构中的应用潜力，以及如何通过语义描述语言（如UML/SysML Profiles）来自动生成不同软硬件平台间的接口适配代码，极大地缩短新生产线的部署周期。 8. 基于不确定度的系统性能评估： 在智能系统中，由于引入了学习和随机性，传统的确定性指标不足以衡量系统可靠性。本书倡导采用基于不确定性的量化评估。内容包括如何使用蒙特卡洛模拟和贝叶斯优化来评估系统在边缘工况下的鲁棒性，以及如何建立一套可追溯的决策路径审计机制，满足未来工业系统的可解释性（XAI）和监管要求。 总结： 本书旨在为电子工程、计算机科学、自动化控制及机械工程等交叉学科的研发人员和高级工程学生提供一个跨越传统学科壁垒的、聚焦于“智能集成与优化”的先进视角。它关注的是下一代工程系统的自主性、适应性与可验证性，而非对现有技术简单罗列的综述。读者将掌握如何利用现代信息技术构建出能够自我感知、自我决策并与环境动态交互的复杂工程实体。

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