Simulink与低成本硬件及机电一体化

作者:丁亦农 Joshua L. Hurst

出版:清华大学出版社

年代:2017 更多图书信息

图书简介

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,获得第一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。 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。

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编辑推荐

《清华开发者书库:Simulink与低成本硬件及机电一体化》旨在通过介绍一系列围绕一个数控平台设计的实验,指导已经或正在学习机电一体化和数字控制的读者在实际环境下应用所学理论,实现工程设计。本书配套的实验平台采用Simulink 与Arduino硬件支持软件包作为开发软件,是一个集设计、仿真、硬件实现和测试验证为一体的实验及创新环境。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。本书涉及的主题:
(1) Simulink与低成本硬件开发平台
(2) 机电一体化实验
(3) Simulink 和Arduino
(4) 模拟输入, PWM 输出, 正交编码器
(5) 陀螺仪——读取数值与校准
(6) 磁力计—— 指南针的设计
(7) 串行通信
(8) 蓝牙通信
(9) 直流电机的阶梯响应
(10) 直流电机的位置控制
(11) 用于直流电机速度控制的PI控制器的设计
(12) 用陀螺仪和带互补滤波器的加速度计估计角度

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目录

第1章Simulink与低成本硬件开发平台
1.1Arduino
1.2Raspberry Pi
1.3Simulink低成本硬件支持软件包
1.4关于Arduino支持软件包
第2章基于Arduino的机电一体化实验平台
2.1机电一体化平台的开发环境
2.2机电一体化平台的组成和组合形式
2.3机电一体化平台的硬件配置
2.3.1平台的主板
2.3.2直流电机
2.3.3其他可选器件
第3章点亮发光二极管
3.1实验目的
3.2实验平台设置
3.3Simulink/Arduino支持软件包和Arduino驱动器的安装
3.3.1Simulink/Arduino支持软件包的安装
3.3.2Arduino驱动器(Arduino Mega 2560 drivers)的安装和设置
3.4建立并在部署至硬件模式下运行Simulink模型
3.4.1建立Simulink模型的步骤
3.4.2在部署至硬件模式下运行Simulink模型
3.4.3纠错
3.5在外部模式下运行Simulink模型
3.5.1通过改变PWM参数改变发光二极管亮度
3.5.2外部运行模式的特点
3.5.3目标硬体的自由运行
3.5.4纠错
3.6在Windows 8系统上安装Arduino驱动器
第4章模拟传感器与电机编码器数据的读取
4.1实验平台(硬件)
4.2模拟信号的获取
4.2.1模数转换器的背景知识
4.2.2用模拟输入电压控制PWM
4.2.3观测和问题
4.3电机编码器数据的读取
4.3.1编码器的背景知识
4.3.2用编码器的输出控制PWM
4.3.3观测和问题
第5章通过I2C总线读取陀螺仪和加速(度)计的数据
5.1实验平台(硬件)
5.2陀螺仪信号数据的读取
5.2.1陀螺仪的背景知识
5.2.2从陀螺仪及加速度计读取数据
5.2.3观测和问题
5.3根据陀螺仪数据计算陀螺仪所处的实验平台的角度
5.3.1从陀螺仪获得角位置
5.3.2消除陀螺仪的误差
5.3.3问题和练习
第6章数字罗盘(指南针)的制作
6.1实验平台(硬件)设置
6.2磁力计信号数据的读取
6.2.1磁力计的背景知识
6.2.2从磁力计(HMC5883L)读取数据
6.3收集和分析磁力传感器数据
6.3.1实验步骤
6.3.2用MATLAB进行数据分析
6.4在Simulink里实现罗盘校准算法
6.4.1建立实现罗盘校准算法的Simulink模型
6.4.2观测与练习
第7章串行通信基础
7.1串行通信的背景知识
7.2实验平台(硬件)的设置
7.3从实验平台(Arduino)向计算机发送单字节数据
7.4在Arduino集成开发环境(IDE)下实现数据发送
7.5发送和接收含有多个字节的串行数据
7.5.1发送和接收单通道含有双字节的串行数据
7.5.2发送和接收双通道含有4个字节的串行数据
7.6用使用并集的SFunction发送16比特的整数和单精度浮点数
7.6.1用Simulink发送,MATLAB程序读取16比特的整数
7.6.2用实验平台(Arduino)发送,MATLAB程序读取单精度的浮点数
7.7用MATLAB读取串行数据
第8章蓝牙通信
8.1实验平台(硬件)的设置
8.2蓝牙模块的安装及设置
8.2.1蓝牙通信的背景知识
8.2.2蓝牙模块的安装
8.2.3蓝牙设备及其设置
8.3通过回路试验测试蓝牙通信
8.3.1RealTerm的设置
8.3.2蓝牙通信的回路测试
8.4接收蓝牙模块发送的数据
8.4.1建立向计算机发送数据的Simulink模型
8.4.2在部署至硬件模式下运行Simulink模型
第9章直流电机的阶梯响应
9.1实验平台
9.2背景知识
9.3电机的阶梯响应
9.3.1建立Simulink模型
9.3.2通过Simulink的外部模式获得电机的阶梯响应
9.4通过串行口(串行通信)获得电机速度的阶梯响应
9.4.1Simulink模型及其设置
9.4.2在外部模式和“部署至硬件”模式下获取电机响应
9.5控制电机的方向和速度
9.5.1Simulink模型及其设置
9.5.2电机的受控响应
9.6直流电机阶梯响应的仿真
9.6.1一阶及二阶直流电机模型的阶梯响应
9.6.2Simulink模型及其设置
9.6.3电机仿真模型的运行
9.6.4仿真结果及结果观察
9.6.5考虑数字化和延迟效应时使用一阶系统的电机仿真
第10章直流电机控制的基本知识和途径
10.1实验平台(硬件)
10.2电机位置的开环控制
10.2.1Simulink模型
10.2.2获取数据
10.2.3整理数据
10.2.4用所得数据进行电机位置控制
10.2.5结果讨论
10.3电机位置的闭环反馈控制
10.3.1比例控制器(proportional controller)
10.3.2比例加积分控制器(proportional plus integral controller)
10.4电机速度的开环控制
10.5电机速度的闭环反馈控制
第11章实际应用环境下直流电机的仿真及速度控制
11.1实验平台(硬件)
11.2理想的二阶直流电机模型的阶梯响应
11.3用理想电机模型进行速度控制的仿真
11.4饱和效应
11.5控制的离散时间效应
11.6控制的离散测量效应
11.7控制的仿真结果与实际效果的比较
第12章根据加速度计和陀螺仪确定(实验平台)角度
12.1实验平台(硬件)及背景知识
12.2从陀螺仪读数计算角位置
12.3从加速度计读数计算角位置
12.4采用互补滤波器
12.5根据陀螺仪和加速度计的输出控制电机的(角)位置
附录ASimulink/Arduino硬件支持软件包的获取和安装
A.1什么是Simulink/Arduino硬件支持软件包
A.2Simulink/Arduino硬件支持软件包的安装方法
A.2.1准备工作
A.2.2Arduino硬件Simulink支持软件包的在线安装
A.2.3Arduino硬件Simulink支持软件包的离线安装
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更多图书信息
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作者:丁亦农 Joshua L. Hurst
出版:清华大学出版社

ISBN:9787302454588

出版日期:2017-02-01

清华大学出版社

清华大学出版社

清华大学出版社成立于1980年6月,是由教育部主管、清华大学主办的综合出版单位。植根于“清华”这座久负盛名的高等学府,秉承清华人“自强不息,厚德载物”的人文精神,清华大学出版社在短短二十多年的时间里,迅速成长起来。作为来自一流大学的出版单位,清华大学出版社始终坚持弘扬科技文化产业、服务科教兴国战略的出版方向,把出版高等学校教学用书和科技图书作为主要任务,并为促进学术交流、繁荣出版事业设立了多项出版基金,逐渐形成了以出版高水平的教材和学术专著为主的鲜明特色,在教育出版领域树立了强势品牌。目前,清华版教材已在全国一百多所院校得到广泛使用。高品质、多层次的计算机图书是清华大学出版社的一大品牌支柱。20世纪80年代末,在席卷全球的信息化浪潮中,清华大学出版社快速切入计算机图书市场,逐渐成为并一直保持这一市场的领先地位,为发展中国计算机教育做出了巨大贡献。

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作者信息

丁亦农 Joshua L. Hurst

丁亦农,拥有电气工程学士、硕士和博士学位,IEEE高级会员。在数字信号处理及数字通信领域拥有三十多年的教学、科研和产品开发经验。曾在多家世界500强公司(包括德州仪器(Texas Instruments)、三星移动 (Samsung Mobile))就职,从事信号处理及通信系统的研发和研发管理工作。 2007年加入美国迈斯沃克(MathWorks)公司,致力于MATLAB/Simulink这个动态系统设计及开发平台的推广与服务工作。 Joshua L. Hurst(乔舒亚·何斯特),于2002年、2003年和2008年从美国伦斯勒理工学院先后获得机械工程学士、硕士和博士学位。曾在位于宾夕法尼亚州的JBT公司从事自动导向车辆的导航和制导系统的研发;并在位于纽约的通用电气全球研发中心控制实验室任顾问,参与F136 联合攻击战斗机飞行控制系统的工作。2011年,加入美国伦斯勒理工学院的机械、航天和核工程系,担任教授。2013年起,研究开发用于机电一体化教学的低成本硬件设备和平台,教学兴趣主要集中在机电一体化、动态系统及其控制和优化等领域。

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