Mechatronics. Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering

Front cover......Page 1
Title page......Page 4
Copyright page......Page 5
CONTENTS (with direct page links)......Page 6
Preface......Page 12
Part I. Introduction......Page 14
  1.1 What is mechatronics?......Page 16
  1.2 The design process......Page 18
  1.3 Systems......Page 19
  1.4 Measurement systems......Page 21
  1.5 Control systems......Page 22
  1.6 Programmable logic controller......Page 34
  1.7 Examples of mechatronic systems......Page 35
  Summary......Page 38
  Problems......Page 39
Part II. Sensors and signal conditioning......Page 40
  2.1 Sensors and transducers......Page 42
  2.2 Performance terminology......Page 43
  2.3 Displacement, position and proximity......Page 48
  2.4 Velocity and motion......Page 59
  2.5 Force......Page 62
  2.6 Fluid pressure......Page 63
  2.7 Liquid flow......Page 67
  2.8 Liquid level......Page 68
  2.9 Temperature......Page 69
  2.10 Light sensors......Page 74
  2.11 Selection of sensors......Page 75
  2.12 Inputting data by switches......Page 76
  Summary......Page 78
  Problems......Page 79
  3.1 Signal conditioning......Page 82
  3.2 The operational amplifier......Page 83
  3.3 Protection......Page 94
  3.4 Filtering......Page 96
  3.5 Wheatstone bridge......Page 97
  3.6 Pulse modulation......Page 101
  3.7 Problems with signals......Page 102
  Summary......Page 105
  Problems......Page 106
  4.2 Analogue and digital signals......Page 108
  4.3 Digital-to-analogue and analogue-to-digital converters......Page 112
  4.4 Multiplexers......Page 118
  4.5 Data acquisition......Page 119
  4.6 Digital signal processing......Page 122
  Problems......Page 123
  5.1 Digital logic......Page 125
  5.2 Logic gates......Page 126
  5.3 Applications of logic gates......Page 133
  5.4 Sequential logic......Page 139
  Problems......Page 146
  6.1 Displays......Page 149
  6.2 Data presentation elements......Page 150
  6.3 Magnetic recording......Page 155
  6.4 Optical recording......Page 159
  6.5 Displays......Page 160
  6.6 Data acquisition systems......Page 164
  6.7 Measurement systems......Page 168
  6.8 Testing and calibration......Page 171
  Problems......Page 173
Part III. Actuation......Page 176
  7.2 Pneumatic and hydraulic systems......Page 178
  7.3 Directional control valves......Page 182
  7.4 Pressure control valves......Page 186
  7.5 Cylinders......Page 188
  7.6 Servo and proportional control valves......Page 191
  7.7 Process control valves......Page 193
  7.8 Rotary actuators......Page 198
  Problems......Page 199
  8.1 Mechanical systems......Page 201
  8.2 Types of motion......Page 202
  8.3 Kinematic chains......Page 204
  8.4 Cams......Page 207
  8.5 Gears......Page 209
  8.7 Belt and chain drives......Page 213
  8.8 Bearings......Page 215
  Summary......Page 217
  Problems......Page 218
  9.2 Mechanical switches......Page 220
  9.3 Solid-state switches......Page 222
  9.4 Solenoids......Page 228
  9.5 Direct current motors......Page 230
  9.6 Alternating current motors......Page 238
  9.7 Stepper motors......Page 240
  9.8 Motor selection......Page 247
  Problems......Page 250
Part IV. Microprocessor systems......Page 252
  10.2 Microprocessor systems......Page 254
  10.3 Microcontrollers......Page 266
  10.4 Applications......Page 285
  10.5 Programming......Page 287
  Problems......Page 290
  11.1 Languages......Page 291
  11.2 Instruction sets......Page 292
  11.3 Assembly language programs......Page 298
  11.4 Subroutines......Page 303
  11.5 Look-up tables......Page 306
  11.6 Embedded systems......Page 309
  Problems......Page 313
  12.2 Program structure......Page 315
  12.3 Branches and loops......Page 322
  12.4 Arrays......Page 326
  12.5 Pointers......Page 328
  12.6 Program development......Page 329
  12.7 Examples of programs......Page 330
  12.8 Arduino programs......Page 333
  Summary......Page 336
  Problems......Page 337
  13.2 Input/output addressing......Page 339
  13.3 Interface requirements......Page 342
  13.4 Peripheral interface adapters......Page 349
  13.5 Serial communications interface......Page 354
  13.6 Examples of interfacing......Page 357
  Summary......Page 360
  Problems......Page 361
  14.2 Basic PLC structure......Page 362
  14.3 Input/output processing......Page 366
  14.4 Ladder programming......Page 367
  14.5 Instruction lists......Page 371
  14.6 Latching and internal relays......Page 374
  14.7 Sequencing......Page 376
  14.8 Timers and counters......Page 377
  14.9 Shift registers......Page 380
  14.10 Master and jump controls......Page 381
  14.11 Data handling......Page 382
  14.12 Analogue input/output......Page 384
  Summary......Page 386
  Problems......Page 387
  15.2 Centralised, hierarchical and distributed control......Page 389
  15.3 Networks......Page 392
  15.4 Protocols......Page 394
  15.5 Open Systems Interconnection communication model......Page 395
  15.6 Serial communication interfaces......Page 398
  15.7 Parallel communication interfaces......Page 404
  15.8 Wireless protocols......Page 407
  Problems......Page 408
  16.1 Fault-detection techniques......Page 410
  16.2 Watchdog timer......Page 411
  16.3 Parity and error coding checks......Page 412
  16.4 Common hardware faults......Page 413
  16.5 Microprocessor systems......Page 415
  16.6 Emulation and simulation......Page 418
  16.7 PLC systems......Page 420
  Summary......Page 422
  Problems......Page 423
Part V. System models......Page 424
  17.1 Mathematical models......Page 426
  17.2 Mechanical system building blocks......Page 427
  17.3 Electrical system building blocks......Page 435
  17.4 Fluid system building blocks......Page 439
  17.5 Thermal system building blocks......Page 446
  Summary......Page 449
  Problems......Page 450
  18.2 Rotational–translational systems......Page 452
  18.3 Electro-mechanical systems......Page 453
  18.4 Linearity......Page 456
  18.5 Hydraulic–mechanical systems......Page 458
  Problems......Page 461
  19.1 Modelling dynamic systems......Page 462
  19.2 Terminology......Page 463
  19.3 First-order systems......Page 465
  19.4 Second-order systems......Page 471
  19.5 Performance measures for second-order systems......Page 477
  Summary......Page 480
  Problems......Page 482
  20.1 The transfer function......Page 484
  20.2 First-order systems......Page 487
  20.3 Second-order systems......Page 489
  20.4 Systems in series......Page 491
  20.5 Systems with feedback loops......Page 492
  20.6 Effect of pole location on transient response......Page 493
  Problems......Page 497
  21.1 Sinusoidal input......Page 499
  21.2 Phasors......Page 500
  21.3 Frequency response......Page 502
  21.4 Bode plots......Page 505
  21.5 Performance specifications......Page 514
  21.6 Stability......Page 515
  Summary......Page 516
  Problems......Page 517
  22.1 Continuous and discrete control processes......Page 518
  22.2 Terminology......Page 520
  22.3 Two-step mode......Page 522
  22.4 Proportional mode......Page 523
  22.5 Derivative control......Page 525
  22.6 Integral control......Page 527
  22.7 PID controller......Page 529
  22.8 Digital controllers......Page 530
  22.9 Control system performance......Page 533
  22.10 Controller tuning......Page 534
  22.12 Adaptive control......Page 536
  Summary......Page 539
  Problems......Page 540
  23.2 Perception and cognition......Page 541
  23.3 Reasoning......Page 543
  23.4 Learning......Page 546
  Problems......Page 547
Part VI. Conclusion......Page 548
  24.1 Mechatronic designs......Page 550
  24.2 Case studies......Page 561
  24.3 Robotics......Page 576
  Problems......Page 580
  Design assignments......Page 581
APPENDICES......Page 582
  A.1 The Laplace transform......Page 584
  A.2 Unit steps and impulses......Page 585
  A.3 Standard Laplace transforms......Page 587
  A.4 The inverse transform......Page 591
  Problems......Page 593
  B.1 Number systems......Page 594
  B.2 Binary mathematics......Page 595
  B.4 Gray code......Page 598
  Problems......Page 599
  C.1 Laws of Boolean algebra......Page 600
  C.2 De Morgan's laws......Page 601
  C.3 Boolean function generation from truth tables......Page 602
  C.4 Karnaugh maps......Page 604
  Problems......Page 607
 D: Instruction sets......Page 609
 E: C library functions......Page 614
  F.1 MATLAB......Page 617
  F.2 SIMULINK......Page 621
  G.1 Direct current circuits......Page 623
  G.2 Alternating current circuits......Page 628
Further information......Page 633
 02......Page 637
 04......Page 638
 06......Page 639
 08......Page 640
 10......Page 641
 11......Page 642
 12......Page 643
 14......Page 644
 15......Page 645
 17......Page 646
 20......Page 647
 23......Page 648
 24......Page 649
 app C......Page 651
 B......Page 652
 C......Page 653
 D......Page 654
 F......Page 655
 H - I......Page 656
 L......Page 657
 M......Page 658
 P......Page 659
 Q - R......Page 660
 S......Page 661
 T......Page 662
 U - V - W - X - Z......Page 663