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） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[德] Klaus，Janschek 著，張建華 譯

圖書標籤:

• 機電係統
• 係統設計
• 建模
• 仿真
• 電氣工程
• 信息技術
• 控製工程
• 自動化
• 工程教育
• 教材

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302455776

版次：1

商品編碼：12040517

包裝：平裝

開本：16

齣版時間：2017-01-01

用紙：膠版紙

頁數：270

字數：442000

正文語種：中文

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，從未夢想和期待的是： 現在該中譯本為許許多多的中國學生提供瞭直接用中文瞭解我對機電一體化的理解和思想的途徑。這是一個多麼大的進步和偉大視角啊！
　　該中譯本成為現實完全歸功於華東理工大學的張建華教授。我深深感謝張教授啓動、執行並成功完成瞭這個富有挑戰性的項目。當2002年張教授在德纍斯頓工業大學我的自動化研究所從事一年客座研究期間，我們就彼此相識瞭。2012年他邀請我為華東理工大學客座教授，第一次為他的學生們介紹我對於機電一體化的觀點。當張教授提齣富有挑戰性的想法，想將我的書翻譯成中文，使人數眾多的科學界不再有任何語言障礙地直接理解我的書時，我感到十分榮幸。作為一個西方人，中文（特彆是使用那些藝術性的文字和符號的書麵語）對於我是很神秘的，我也羨慕中國人除瞭其主要專業外還是熟練的藝術傢。現在張教授成功完成瞭中譯本，這是一個多麼偉大的時刻和多麼漂亮的成果啊！
　　看到這項成果時，我感激難言，同時又感到有點無助： 機電一體化第一次對於我是如此神秘！但再看一眼之後，我便恢復瞭自信，因為我還可以清楚認齣那些圖形和數學模型，它們不因語言的不同而變化，事實上它們是工程師的國際語言。由於張教授所做的極佳工作，我非常希望解釋性文字有助於中文讀者理解模型背後的思想和概念，並探索有趣的機電一體化領域。
　　最後但同樣很重要的是，我非常感謝本書的齣版社。首先，感謝Springer齣版社以建設性的方式安排版權問題。其次，特彆感謝清華大學齣版社對該項目的信任和對齣版事宜的極佳管理。
　　Klaus Janschek
　　2016年7月，德纍斯頓
　　譯者序
　　本書全麵、係統、深入地闡述瞭基於模型的機電係統設計方法，討論瞭機電係統設計的諸多關鍵問題，主要內容包括： 與領域無關的建模與性能分析方法，多域建模（基於能量、端口或者信號），仿真（ODE DAE混雜係統），魯棒控製方法，隨機動態分析以及基於係統預算的設計定量評價。本書英文版共計805頁，包括380餘幅插圖，給齣的50餘個設計示例（均有完整解答）不僅清晰說明瞭機電係統設計的基本方法和概念，而且便於讀者自學這些概念和方法。本書由Springer齣版社2010年齣版德文原版，2012年齣版英文翻譯版，已受到國際學術界廣泛好評。考慮到原書篇幅較長，中譯本分為內容相對獨立的兩本：《機電係統設計方法、模型及概念： 建模、仿真及實現基礎》（原書第1~5章，以下簡稱“建模與仿真篇”）和《機電係統設計方法、模型及概念： 實現、控製及分析》（原書第6~12章和附錄，以下簡稱“控製與分析篇”）。譯者認為，這是關於機電係統設計和分析的一本不可多得的權威著作，有很高的學術水準，內容全麵豐富。書中不少內容基於作者研究組的最新研究成果，有很強的創新。例如，基於通用機電變送器建模（建模與仿真篇第5章），給齣瞭靜電（控製與分析篇第6章）、壓電（控製與分析篇第7章）、電磁以及電動力變送器（控製與分析篇第8章）的形式化描述。建模與仿真篇第5章介紹的通用機電變送器模型框架為一般瞭解電力耦閤變送器的原理以及不同類型變送器物理原理的錶示提供瞭方法論。與其他同類書籍相比，這種具有廣泛適用性的模型錶示是全新的。本書還使用解析動態模型實現瞭許多物理與技術領域的機電一體化功能，例如多體動力學（建模與仿真篇第4章）、電磁動作變送器（控製與分析篇第8章）以及數字信息處理（控製與分析篇第9章）。
　　本書是Klaus Janschek教授在多年講授的自動化專業主乾課程“建模與仿真”和“機電一體化係統”的基礎上寫成的。Janschek教授是自動化工程與機電係統領域國際著名專傢，在航天製導、導航與控製等自動化領域取得瞭突齣科研成就。他曾在德國戴姆勒 奔馳公司從事航天機電係統研發10餘年，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，既有精深的理論水平，也有豐富的實際係統研發經驗。
　　譯者在德國攻讀博士學位期間，2002—2003年在Janschek教授的自動化研究所任Gast Wissenschaftler(客座科學傢)一年，在他的指導下從事腦電信號處理的研究，敬服這位國際知名自動化專傢的豐富理論與實際經驗以及獨到的應用問題分析和解決思路。14年來，我們之間的學術交往一直不斷。特彆是我2007年從英國引進迴國到華東理工大學任教授以來，我們的學術交流更加密切。Janschek教授2012年6月被聘為華東理工大學客座教授，以後多次應邀來我校講學。2008年以來我五次應邀去德國柏林工業大學做訪問教授，期間都會專程從柏林到德纍斯頓為他的研究所師生做學術講座。
　　Janschek教授2012年9月首次來我校講學時，將該書英文版贈送於我和我校圖書館。認真閱讀該書之後，我産生瞭將其譯成中文的想法，主要目的是想將Janschek教授關於機電係統設計與分析的思想與方法完整介紹給國內讀者，使得國內機電一體化領域的廣大研究生、科研以及技術人員全麵瞭解和掌握書中闡述的一係列重要概念和方法。齣版中文翻譯版的設想一開始就得到瞭Janschek教授的熱情鼓勵和支持，以及清華大學齣版社的積極迴應，因而就順利啓動瞭該書的中譯工作。
　　本書的一個突齣特色是理論方法和實際應用的緊密結閤，對於許多應用領域的實際機電係統研發而言是必備參考書。目前國內機電一體化專業教學麵臨一個窘境，學生往往缺乏應有的機電過程或係統知識基礎（如工業或航天係統的原理和背景知識），很難深入進行機電係統設計與分析，而獨立設置這些應用類課程，對自動化和機械工程等專業又不實際。Janschek教授在這本專著中對許多機電係統建模、控製及分析實例所需的背景知識進行瞭全麵講述，讀者無須另外參考有關應用係統的專門書籍，這也構成瞭該書的另一個特色——係統性和自足性。
　　本書可用作電氣工程、機械工程、機電一體化、計算機科學、控製科學與工程、機器人學、自動化、信號與信息處理等專業高年級本科生、研究生的教材或主要參考書，也適於機電一體化領域（如汽車工程、鐵道工程、航海工程、航天、自動化、機床、機器人、醫療設備、微係統等）的科研或工程技術人員參閱。對於從事機電係統教學的教師來說，即使你可能欠缺實際的機電一體化係統研發經驗，參考本書也會使你取得更好的教學效果。對於在機電係統控製與分析問題上遇到疑難的機電係統研發工程師而言，本書是一本極佳的參考手冊，從中可直接獲得解決實際應用問題所需的最重要基礎知識、理論及方法，尤其會對不同技術領域的機電係統建模與控製問題帶來有益的啓發。古人雲“處處留心皆學問”，對於有心的讀者，本書論述的每條機電係統設計的定性法則或經驗也都可能發展齣更嚴格的理論或數學分析。
　　本人翻譯瞭第1~5章和第9~12章，並負責全書統稿和校對，包括專業術語和語言風格的統一及少量注解。我指導的三位博士生楊少增（2014年夏畢業）、尹鍾（2015年夏畢業）和夏傢駿協助進行瞭第6~8章的初譯和校對工作，在此嚮他們錶示誠摯感謝。特彆感謝本書責任編輯——清華大學齣版社電子信息事業部主任梁穎先生，他一直鼓勵和支持譯者完成這個艱巨的翻譯項目。在本書翻譯過程中，譯者和作者Janschek教授一直保持E mail溝通，他的高度信任以及熱情鼓勵、期盼和支持是我在閤理時間內完成這本譯著的最大動力。
　　為瞭忠於原文，保證對原著技術內容的精準理解和傳達，並考慮到本書許多內容的跨學科（數學、物理、電子工程、機械工程、控製係統、信號處理、航天、材料等）性質，中文譯本以直譯為主。對於有些較難或需要精準理解的術語，同時給齣瞭中譯和英文原文，供讀者交叉參照。最後，限於譯者水平和時間，中譯本中可能存在錯誤紕漏之處，敬請有關專傢和讀者批評指正。
　　譯者張建華
　　於華東理工大學
　　2016年4月
　　2012年9月本書作者Janschek教授來華東理工大學訪問時給譯者的贈書留言：
　　“對我尊敬的同事張建華教授緻以最良好的祝願，Klaus Janschek 2012年9月12日於上海”
　　英文版序
　　這是2010年1月由Springer齣版社齣版的《機電係統設計》一書的英譯本。關於本書的動機、背景以及概念闡述，讀者可以參考德文原版的序。
　　在準備德文版以及進行該領域的大量文獻調研過程中，我認識到在國際機電一體化領域，仍有不少內容需要這本專著來闡述。而且，很多同事和學生對德文版的積極評價促使我考慮準備其英文版。
　　我從一開始就清楚，隻有通過母語為英文且具有廣泛良好工程學知識（特彆是機電一體化知識）的人的翻譯支持，這個項目纔能成功。幸運的是，我以前在斯坦福大學航天機器人實驗室的訪問經曆使我得以認識最好的閤作夥伴Kristof Richmond博士。Richmond博士是母語為英文並精通德文的斯坦福大學優秀畢業生，也是有高度智慧和批判精神的學術夥伴，他具有我並不期望在一個人身上發現的全部纔能。因此，英文版的閤作極其順利，雙方都感覺很充實，而且在互聯網和Skype時代，這種閤作並未受德國與美國之間大西洋的阻隔。我非常感謝Kristof的這項偉大工作。
　　英文版涵蓋瞭德文版的全部內容，但在錶述上做瞭小的改善，並更新瞭英文參考書目，也有機會糾正德文版中的一些錯誤。
　　關於對本書反映的所有材料的緻謝，讀者可以參考德文版的序。但是，對於英文版我還需要感謝兩個人。首先感謝我的愛妻Ruth，她以極佳的不斷鼓勵心態支持並陪伴我第二次爬山遠徵（幸運的是，這次的山峰遠比前次的低，參見德文版的序）。我也感謝並懷念Martin Beck，他於2011年2月在即將取得博士學位前不幸離世。他是我最有纔乾的博士生之一，也是我講授機電一體化課程的最密切助手，他對本書的主要貢獻包括對本書原始素材的批評性校對，閤理的批判性技術與學術討論以及對改進本書教學錶述的諸多建議。他的精神體現在英文版的字裏行間。
　　最後，如果沒有以Eva Hestermann Beyerle為代錶的Springer齣版團隊的寶貴支持、信任以及優質服務，光有前麵提及的努力也不會産生本書。
　　2011年6月，德纍斯頓Klaus Janschek
　　德文版序
　　動機
　　為什麼要齣版另一本機電一體化的書？為什麼本書如此大部頭，並有這麼多描述性文字？
　　在開始寫這本書時，我已經迴答瞭第一個問題，原因是“我想再當一次學徒”，由此形成瞭我完成本書的動機，那時當然還不能猜測其涵蓋的範圍。在寫作過程中，纔齣現瞭第二個問題，依據“不要將任何東西隱藏在字裏行間和公式中”的範式，我傾嚮於使用更多的文字闡述。
　　現在講述一下我的“學徒”故事。我在格拉茨工業大學（TU Graz）電氣工程專業學習時，打下瞭數學與自然科學的堅實基礎（這對於一所大學的工程學課程當然是應該期待的）。控製理論專業學習及此後的博士學位攻讀為我揭開瞭“係統”及“麵嚮係統的解決方案”的視角。
　　此後的機械工程與航天開發工程師的“學徒身份”將我引入瞭以前學習中從未涉足的一個應用領域——復雜非純一（或異構）係統，如今也稱為“機電一體化係統”。我成功地涉足該領域可能得益於兩件事： 一是大學教育提供的寬廣基礎，二是麵嚮係統的問題求解方法。
　　這些年的“學徒”生涯除瞭使我獲得對於富有挑戰性的新應用的極佳經驗之外，也形成瞭一個重要認識——必須學會將教育獲得的眾多方法恰當結閤起來。當然，找到正確的路常常是工程師自己的事，但是樂於助人、經驗豐富的導師（很幸運，我有很多這樣的導師）會使這一過程變得更容易。在整個過程中，我經常思考“作為研發工程師的我所期望的是什麼”這一問題，至今仍保留在我的腦海中。
　　1995年以來在德纍斯頓工業大學做“學術學徒”譯者注： 這是自謙之詞，作者1995年起任德纍斯頓工業大學自動化工程講席教授和自動化研究所所長。期間，我有機會將對於“作為一名研發工程師，我的學習和研究期待的是什麼？”這一問題的經驗傳授給工程學生（除瞭電氣與機械工程的經典課程外，也包括部分機電一體化跨學科專業）。這樣一來，我的個人教學環路得以閉閤（或者更確切地說，我的教與學環路得以閉閤），因為教與個人自學緊密相關。
　　這本書的成形源於多年來我講授的主乾課程“建模與仿真”和“機電一體化係統”。
　　然而，最後我發現，在一門學時有限的課程中，將復雜異構係統問題求解知識傳授給學生的願望隻能近似實現。講授基本方法和概念及其簡單應用例子是比較容易的，但是在有限的課時中並不能做到更廣、更深的技術處理。通過引用更多的科技論著（但很少注解）來補充過於簡單的課程大綱，並不能使學生和教師滿意。這些原因促使我最終考慮再當“學徒”，其結果將體現在本書中。首先，簡要闡明本書的基本結構。
　　方法、模型、概念
　　現在說明一下本書副標題“方法、模型及概念”的起源。
　　模型： 基於自己的職業經驗，我意識到模型在係統開發中的極端重要性。航天應用（例如航天飛機的軌道與姿態控製、高精度定嚮及儀錶主動隔振）處理的是復雜非純一係統，在如今的觀念中，這些係統是機電一體化係統的最佳代錶。顯然，這些係統的開發和測試往往是基於模型的。係統測試與可靠的行為投射（預測）主要是基於預測模型。因此，基於模型的係統開發與設計意味著模型的使用。有趣的是，近年來，基於模型的開發方法也齣現在很多地麵（非航天）應用（如汽車工業）中，兩者同時構成瞭機電一體化工業中係統開發的發展現狀和動態。
　　方法： 為瞭得到可信的基於模型的行為預測，模型和動態分析必須建立在閤理的基礎上。係統設計要求恰當的建模方法和全麵的整體係統（由非純一的子係統組成）動態分析方法。因此，我們特彆追求的是那些方法，它們能夠提供清晰、可靠且易於檢驗的動態預測，從項目早期階段的可行性預測以至對計算機輔助設計過程所得結果的檢驗（永遠不要輕信計算機）。
　　概念： 顧名思義，係統“設計”包含高度創造性的活動。在係統設計中，有很多寶貴機會來利用可用的設計自由度，直至這些自由度的條件和邊界已知。一本專著肯定不可能提供這種意義下的全部資料和觀點，但是本書盡可能嘗試有選擇地給齣一些得到成功應用的物理結構和求解概念，以使讀者形成自己解決方法的核心思路。基於麵嚮方法的概念和思路，本書基於數學模型闡述瞭很多專題，並揭示瞭不同概念的量化評估方法。
　　本書嘗試在同一個框架下係統、自洽地闡述機電係統的重要建模、分析及設計方法。
　　緻謝
　　“路徑即為目標”，即使最初的目標似乎是清晰描述的。與登山一樣，找到正確的路徑、追隨它並最終到達原來的目標需要一個可信的登山繩隊（rope team），這裏我要衷心感謝他們（登山隊隊員）。
　　首先，感謝我的傢庭，特彆是我的妻子Ruth Janschek Schlesinger（哲學）博士。在這個登頂嘗試期間，她以極大的理解和堅強的精神支持陪伴我。我特彆高興的是，我們數十年的伴侶關係也産生瞭相互之間的職業協同。例如，她成功地將麵嚮係統的問題求解方法集成到藝術治療與監督任務中，而且她自發、藝術性、打破邊界的視野也開闊瞭我的眼界。
　　誠摯感謝我的同事——德纍斯頓工業大學Helmut Bischoff教授、Kurt Reinschke教授以及德纍斯頓Fraunhofer集成電路研究所設計自動化部Peter Schwarz工學博士——的許多技術討論和鼓勵。
　　八百多頁的手稿當然會包括一些危險的陷阱和絆腳石。特彆感謝我的助手——Dipl. Ing. Martin Beck1978—2011年。（他多次校稿，因而需要特彆緻謝）, 講師Annerose Braune工學博士, Eckart Giebler工學博士, Dipl. Ing. Sylvia Horn, Dipl. Ing. Thomas Kaden, Dipl. Ing. Evelina Koycheva, Dipl. Ing. Arne Sonnenburg及Dipl. Ing. Edgar Zaunick——對我的手稿所做的仔細、知識淵博的校對和閤理的修改建議。
　　我也感謝我的研究團隊的其他成員，此項目占用瞭我不少時間，他們一直都錶示理解。我也衷心感謝Petra Moege女士，她的盡責和技能使我能在最近兩年不受管理事務的乾擾，為本項目成功創造瞭前提條件。
　　我誠摯感謝Springer齣版社成員的精誠閤作，他們周詳考慮和處理瞭本書的內容和進度計劃。
　　Klaus Janschek
　　2009年10月，德纍斯頓

機電係統設計：從建模到實現的全麵指南 機電係統，作為現代工程領域的核心，融閤瞭機械、電子、控製和信息技術等多個學科的精髓，其設計與實現對提升産品性能、自動化水平和智能化程度至關重要。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的機電係統設計框架，涵蓋從基礎概念、建模方法到仿真驗證及最終實現的完整流程。本書特彆適閤從事自動化設備、機器人、智能儀器、航空航天、汽車工程等領域的工程師、研究人員以及高年級本科生和研究生。 第一部分：機電係統設計基礎與核心概念 本部分將帶領讀者走進機電係統設計的世界，建立起堅實的理論基礎。我們將首先探討機電係統的定義、特點以及在當今社會中的廣泛應用，例如工業自動化生産綫、智能傢居設備、醫療診斷儀器、無人駕駛飛行器等。通過對經典案例的分析，讀者將深刻理解機電係統在集成化、智能化方麵的巨大潛力。 接著，我們將深入剖析機電係統的基本組成部分，包括傳感器（用於感知物理量）、執行器（用於施加物理作用）、控製器（用於決策與指令生成）、能量轉換部件（如電機、液壓泵）、機械傳動機構以及通信接口等。對於每一類組件，本書都將詳細介紹其工作原理、技術選型原則以及在不同係統中的具體應用。 此外，我們還將探討機電係統設計的關鍵目標與挑戰。這包括提高係統的精度、速度、可靠性、能效和安全性，同時要兼顧成本效益和環境可持續性。我們將討論常見的挑戰，如建模的復雜性、參數的不確定性、非綫性行為、噪聲乾擾以及係統集成時的兼容性問題。 第二部分：機電係統建模方法論 準確的係統建模是機電係統設計成功的基石。本部分將係統地介紹各種主流的建模方法，幫助讀者根據實際需求選擇最閤適的建模工具和技術。 物理建模： 我們將詳細講解基於物理定律的建模方法，包括牛頓第二定律在機械運動分析中的應用，電磁場的麥剋斯韋方程組在電機和傳感器設計中的作用，以及流體力學在液壓與氣動係統分析中的重要性。讀者將學習如何構建描述係統動態行為的微分方程組。 框圖建模： 這種方法側重於係統的功能劃分和信號流動，通過“方塊”代錶不同的功能模塊，用箭頭錶示信號的傳遞。本書將介紹如何使用傳遞函數、狀態空間方程等數學工具來錶示這些方塊，並分析係統的整體頻率響應和時域響應。 狀態空間建模： 針對更復雜的非綫性係統或需要更細緻係統內部狀態描述的場景，狀態空間模型提供瞭強大的分析能力。我們將介紹如何建立綫性時域和非綫性狀態空間模型，以及如何通過狀態變量來全麵描述係統的內部狀態。 麵嚮對象建模（如Simulink）： 隨著計算機仿真技術的發展，基於圖形化界麵的麵嚮對象建模工具得到瞭廣泛應用。本書將重點介紹如何利用Simulink等平颱，通過拖拽預定義的模塊來快速構建復雜的機電係統模型。我們將演示如何對不同的物理領域（如機械、電氣、控製）進行建模，並實現跨域的集成。 多物理場建模： 許多機電係統都涉及多個物理場的耦閤，例如電機中的電磁-熱-力耦閤。本書將介紹如何利用先進的多物理場仿真軟件，考慮這些耦閤效應，從而獲得更精確的係統預測。 參數辨識與模型驗證： 理論模型需要通過實際測量數據進行驗證和修正。我們將討論如何通過實驗測量來辨識模型的未知參數，並介紹模型驗證的常用方法，以確保模型的有效性。 第三部分：機電係統仿真技術與實踐 模型構建完成後，仿真是在設計階段對係統性能進行預測、優化和調試的關鍵手段。本部分將深入探討機電係統仿真的相關技術和實踐應用。 仿真環境與工具： 我們將介紹當前主流的機電係統仿真軟件，如MATLAB/Simulink、ANSYS AM/RM、COMSOL Multiphysics等，並分析它們各自的特點和適用範圍。 仿真模型構建與配置： 詳細指導讀者如何在仿真環境中搭建模型，包括導入預先建立的物理模型、設置模型參數、定義輸入信號以及配置仿真求解器。 仿真結果分析與解讀： 學習如何有效地分析仿真輸齣，包括時間域響應（如瞬態響應、穩態響應）、頻率域響應（如伯德圖、Nyquist圖）以及其他關鍵性能指標。我們將演示如何通過可視化工具來直觀地展示仿真結果。 參數優化與敏感性分析： 利用仿真工具進行參數優化，找到最優的設計參數以滿足性能要求。同時，我們將介紹敏感性分析，評估模型參數變化對係統輸齣的影響程度，從而識彆關鍵參數。 故障注入與魯棒性評估： 仿真不僅用於預測正常工作狀態，還可以模擬各種故障條件（如傳感器失效、執行器故障）來評估係統的魯棒性和容錯能力。 實時仿真與硬件在環（HIL）測試： 介紹實時仿真技術，將模型部署到實時仿真平颱，並與實際硬件進行交互測試，這對於驗證控製算法的實時性至關重要。 第四部分：機電係統實現與集成 仿真驗證通過後，最終的挑戰在於將設計轉化為實際的物理係統。本部分將聚焦於機電係統的實現與集成過程。 硬件選型與集成： 詳細討論如何根據係統設計需求選擇閤適的傳感器、執行器、微控製器、電源以及通信模塊。重點關注接口的兼容性、性能匹配以及功耗管理。 控製算法實現： 介紹各種控製策略，如PID控製、模糊控製、神經網絡控製、模型預測控製等，並講解如何在微控製器或其他計算平颱（如FPGA）上實現這些算法。 軟件開發與嵌入式係統： 涵蓋嵌入式軟件開發的流程，包括編程語言（如C/C++）、實時操作係統（RTOS）的應用，以及嵌入式係統調試技術。 係統集成與調試： 闡述將各個子係統進行集成，並進行聯閤調試的策略。討論常見的集成問題，如信號乾擾、接地問題、時序衝突等，並提供解決方案。 測試與驗收： 介紹機電係統齣廠前的各項測試方法，包括功能測試、性能測試、可靠性測試和環境適應性測試。 維護與升級： 討論機電係統在生命周期內的維護、故障診斷以及未來升級的可行性。 本書的特色與優勢： 體係完整： 從理論基礎到實踐應用，本書構建瞭一個完整的機電係統設計知識體係。 方法多樣： 涵蓋瞭從經典到前沿的多種建模與仿真方法，為讀者提供瞭豐富的工具箱。 實踐導嚮： 強調理論與實踐的結閤，通過大量的案例分析和仿真演示，幫助讀者掌握實際操作技能。 跨學科融閤： 融閤瞭機械、電子、控製和信息技術等多個學科的知識，符閤現代工程發展的趨勢。 麵嚮工程實際： 關注實際工程中的挑戰和解決方案，幫助讀者解決設計中的實際問題。 本書的閱讀將使您能夠： 深刻理解機電係統的構成原理和工作機製。 掌握多種先進的機電係統建模與仿真方法。 熟練運用主流的仿真工具進行係統分析與優化。 具備獨立進行機電係統設計、實現與集成的能力。 應對機電係統設計領域日益復雜的挑戰，推動技術創新。 無論您是希望入門機電係統設計，還是希望深化現有知識，本書都將是您寶貴的參考和實踐指南。

評分☆☆☆☆☆

理論與實踐的完美融閤 一直以來，很多工程技術類的書籍總給人一種“紙上談兵”的感覺，理論講得頭頭是道，但在實際操作中卻顯得蒼白無力。然而，《機電係統設計方法、模型及概念》徹底顛覆瞭我對這類教材的刻闆印象。這本書最讓我驚艷的地方在於它將抽象的理論模型與具體的工程實現緊密地結閤起來。它不僅僅告訴你“應該怎麼做”，更深入地闡述瞭“為什麼這麼做”以及“如何一步步實現”。書中對仿真技術的應用進行瞭詳盡的介紹，這對於我這樣的實踐者來說至關重要。我可以看到，通過書中的方法，我可以更有效地進行係統驗證，降低實際原型製作的風險和成本。同時，書中對於不同類型機電係統實現方式的探討，也為我提供瞭寶貴的參考，讓我在麵對實際工程問題時，能夠有更多可行性的選擇和解決方案。

評分☆☆☆☆☆

嚴謹求實的治學態度 閱讀《機電係統設計方法、模型及概念》的過程中，我深刻感受到瞭作者嚴謹求實的治學態度。這本書的每一個章節都經過瞭精心的打磨，無論是理論的推導、模型的建立，還是仿真方法的選擇，都力求科學嚴謹，經得起推敲。作者在書中引用瞭大量的參考文獻，並且對相關的研究成果進行瞭清晰的梳理和評價，這體現瞭他們紮實的學術功底和對領域知識的深刻理解。對於我這樣的學習者而言，這種嚴謹的態度尤為重要，它能夠幫助我建立起正確的學習方法和批判性思維。這本書不僅僅是傳授知識，更重要的是塑造一種科學探究的精神，讓我明白在工程領域，每一個細節都至關重要，任何的疏忽都可能導緻最終的失敗。

評分☆☆☆☆☆

一次醍醐灌頂的學習體驗 自從開始閱讀《機電係統設計方法、模型及概念》以來，我的學習體驗可以說是一次又一次的“醍醐灌頂”。書中對機電係統設計流程的梳理，從需求分析到最終的驗證，都顯得邏輯清晰、條理分明。我特彆贊賞作者在概念闡述上的深度，他們並沒有簡單地堆砌術語，而是深入剖析瞭每個概念背後的物理原理和工程意義。例如，關於“模型”的章節，讓我對不同抽象層次的模型有瞭全新的認識，也理解瞭為何在設計的不同階段需要采用不同類型的模型。而“仿真”部分的詳盡講解，則為我打開瞭通往虛擬驗證世界的大門，讓我看到瞭如何通過仿真來預測係統行為、優化設計參數，甚至發現潛在的問題。這本書的價值遠不止於理論知識的傳授，它更在於培養一種係統性的、工程化的思維方式。

評分☆☆☆☆☆

一扇通往前沿技術的大門 作為一名在信息技術和電氣工程領域深耕的學生，我一直在尋找能夠幫助我理解前沿技術發展方嚮的優秀教材。《機電係統設計方法、模型及概念》恰好滿足瞭我的這一需求。它以一種非常前瞻性的視角，探討瞭機電係統設計所麵臨的挑戰和未來的發展趨勢。書中對於先進建模技術和仿真方法的介紹，讓我對當前行業內最新的研究成果和工程實踐有瞭更深的認識。我尤其對書中關於“概念”部分的討論很感興趣，它讓我思考如何將新的技術理念融入到傳統的機電係統設計中，例如人工智能、物聯網等。這本書不僅僅是一本技術手冊，更像是一扇大門，讓我能夠窺探到未來機電係統發展的無限可能，也激發瞭我不斷探索和創新的熱情。

評分☆☆☆☆☆

初次接觸，驚喜連連 我一直對復雜的係統工程領域充滿好奇，尤其是在機電一體化這個交叉學科。當我在書店偶然翻開這本《機電係統設計方法、模型及概念》時，立刻被它嚴謹的結構和深入淺齣的講解所吸引。雖然我還沒有來得及深入研讀，但從目錄和部分章節的瀏覽來看，這本書顯然是一部體係完整、內容紮實的著作。它不僅僅停留在理論層麵，更強調瞭建模、仿真和實現這樣關鍵的實踐環節。對於我這樣一個渴望將理論知識轉化為實際應用的學習者來說，這無疑是一份寶貴的財富。我尤其期待書中關於不同建模方法的比較分析，以及如何將仿真結果有效地應用於最終的係統實現。這不僅僅是一本教材，更像是一位經驗豐富的導師，指引我在浩瀚的機電設計領域中前行。我預感，這本書將成為我書架上不可或缺的一員，陪伴我完成未來的學習和項目。