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齐龙，现为华南农业大学工程学院，研究员、博士生导师，广东省智慧农业重点学科“农业智慧作业系统”方向带头人，广东省水稻移栽机械装备工程技术研究中心副主任。兼任加拿大曼尼托巴大学客座教授，岭南现代农业科学与技术广东省实验室特聘教授（PI）；中国农业机械学会理事；中国农业机械学会人工智能分会副主任委员，广东省农业机械学会副理事长、第一届青年工作委员会主任委员；农林科学Top期刊Computers and Electronics in Agriculture副主编。主要从事智能农业装备的基础理论及关键技术的研究工作。系统地开展了农机-土壤-作物系统互作的基础理论和模型构建研究，尤其是在应用离散元模拟种子萌发出苗方面开展了开创性研究工作，得到了国际同行的认可；服务三农，产学研合作开发的水稻智能机械中耕除草装备（2022中国农业农村重大新技术新产品新装备）、水稻侧深施肥装备、水稻精密育秧播种装备、水稻营养及病虫害检测系统、水稻智能考种装备在多省市农业生产中推广应用，部分机型实现了国产产品替代，产生了良好的经济、社会和生态效益。主持国家自然科学基金（5项）、国家现代农业产业技术体系岗位专家专项、广东省重点研发项目等各类科研项目。在中科院一区Geoderma、Soil & Tillage Research等Top期刊上发表学术论文70余篇。授权中国发明专利50余件、美国专利1件，参与制定国家标准1项。作为第六次国家技术预测智慧农业领域专家，负责农业机器人与智能终端技术的预测工作；参与编著了《国家农业机械产业创新发展报告》系列丛书。研发成果“水稻机械化精准育插秧新技术与装备的推广应用”获广东省农业技术推广一等奖（2019年），“智能精准高效除草关键技术与集成应用”获中国机械工业集团科学技术一等奖（2021年），“水稻智能田间植保及施肥装备的研发与示范推广”获广东省农业技术推广一等奖（2021年）。2014年获“广州市珠江科技新星”2019年获“广东省杰出青年基金”和“中国农业工程学会第八届青年科技奖”2021年遴选为国家水稻产业技术体系田间管理机械化岗位科学家;2022年入选国家农业领域重要人才计划。 目錄： 前言 二维码清单 第1章机电一体化概述1 教学目标1 1.1机电一体化的概念1 1.2机电一体化产品的分类2 1.3机电一体化系统的基本组成要素3 1.4机电一体化系统的接口6 1.5机电一体化系统的相关技术7 1.6机电一体化系统的特点9 1.7机电一体化技术的发展历史及趋势11 阅读材料A自动售货机12 思考与练习题13 参考文献13 第2章机电一体化系统数学建模14 教学目标14 2.1建立数学模型的一般方法15 2.1.1力学系统15 2.1.2电路系统15 2.1.3多学科建模16 2.2线性微分方程的求解16 2.2.1拉普拉斯变换及拉普拉斯反变换定义16 2.2.2典型函数的拉普拉斯变换16 2.2.3拉普拉斯变换基本定理18 2.2.4拉普拉斯反变换19 2.2.5例题21 2.3传递函数22 2.3.1传递函数的定义23 2.3.2典型环节的传递函数23 2.4控制系统的结构图26 2.4.1结构图的组成26 2.4.2绘制结构图的步骤26 2.4.3结构图的基本连接方式27 2.4.4结构图的简化29 2.5机电一体化系统建模实例29 阅读材料B摩天大楼防风抗震的秘密武器——阻尼器33 思考与练习题34 参考文献37 第3章机电一体化系统自动控制技术38 教学目标38 3.1自动控制系统的基本组成38 3.2控制系统的基本要求39 3.3控制系统的性能指标39 3.4PID控制40 3.4.1PID控制分类40 3.4.2PID控制器参数整定方法43 3.4.3采样周期的选取46 3.5复杂控制47 3.5.1串级控制48 3.5.2前馈控制49 3.5.3纯滞后补偿控制50 3.5.4多变量解耦控制51 3.6先进控制54 3.6.1自适应控制54 3.6.2预测控制55 3.6.3专家控制60 3.6.4模糊控制61 3.6.5神经网络控制65 阅读材料C钱学森与控制学科68 思考与练习题70 参考文献70 第4章机电一体化系统检测技术71 教学目标71 4.1概述71 4.1.1检测技术的基本概念71 4.1.2检测系统的组成72 4.1.3传感器的概念与定义73 4.1.4传感器的分类73 4.2传感器测量误差75 4.2.1有关测量技术的部分名词75 4.2.2测量误差的概念76 4.2.3测量误差的分类76 4.2.4传感器的误差表示方法78 4.2.5测量不确定度79 4.3传感器一般特性82 4.3.1传感器静态特性82 4.3.2传感器动态特性87 4.4常用传感器介绍93 4.4.1温度传感器93 4.4.2力学量传感器99 4.4.3图像传感器105 4.4.4霍尔传感器108 4.5新型传感器110 4.5.1湿敏传感器110 4.5.2光纤传感器114 4.5.3触觉传感器118 4.5.4智能传感器122 4.5.5生物传感器123 4.6传感器的选型127 4.7传感器的信号调理128 4.7.1信号放大电路128 4.7.2信号转换电路130 4.7.3信号滤波电路132 4.7.4调制与解调135 4.8数字滤波技术138 4.9传感器非线性补偿处理138 阅读材料D我国传感器技术产业的发展及其现状140 思考与练习题143 参考文献144 第5章机电一体化驱动系统146 教学目标146 5.1电动机驱动系统146 5.1.1电动机的分类与选型设计147 5.1.2直流电动机驱动148 5.1.3交流伺服电动机驱动155 5.1.4步进电动机驱动160 5.1.5其他电动机166 5.2液压驱动系统168 5.2.1液压驱动系统的结构与工作原理168 5.2.2液压驱动系统的特点171 5.3气压驱动系统171 5.3.1气压驱动系统的结构与工作原理171 5.3.2气压驱动系统的特点172 5.4其他新式驱动系统173 5.4.1压电驱动器173 5.4.2磁致伸缩驱动器174 5.4.3形状记忆合金驱动器174 阅读资料E中国电动车弯道超车，充满挑战但意义重大175 思考与练习题176 参考文献176 第6章机电一体化系统计算机控制技术177 教学目标177 6.1概述177 6.1.1计算机控制系统的组成178 6.1.2计算机控制系统的种类179 6.2计算机控制系统的设计183 6.2.1计算机控制系统的设计原则183 6.2.2计算机控制系统的设计思路184 6.3工业控制计算机（IPC）185 6.3.1IPC基本知识185 6.3.2IPC系统开发流程187 6.3.3IPC示例189 6.4单片机190 6.4.1单片机基本知识190 6.4.2STM32单片机硬件192 6.4.3单片机示例194 6.5可编程序逻辑控制器（PLC）197 6.5.1PLC基本知识197 6.5.2PLC硬件结构199 6.5.3PLC编程基础200 6.5.4状态转移图及编程方法206 6.5.5PLC示例208 阅读材料F中国芯现状209 思考与练习题210 参考文献211 第7章机电一体化系统通信技术212 教学目标212 7.1概述212 7.2数字电路片间总线213 7.2.1片间总线概述213 7.2.2I2C通信213 7.2.3SPI通信216 7.3串行通信总线219 7.3.1串行通信概述与分类219 7.3.2RS-232总线221 7.3.3RS-422总线222 7.3.4RS-485总线222 7.3.5USB串行通信技术224 7.4工业现场总线225 7.4.1现场总线概述225 7.4.2CAN总线和CAN FD总线225 7.4.3PROFIBUS现场总线234 7.4.4DeviceNet现场总线238 7.4.5CC-Link现场总线240 7.5无线通信243 7.5.1无线通信简介及原理243 7.5.2短距离无线通信246 7.5.3无线传感器网络248 阅读材料G“北斗”系统“三步走”发展历程的前世今生250 思考与练习题252 参考文献253 第8章机电一体化系统抗干扰技术254 教学目标254 8.1概述254 8.2干扰源的分类254 8.3干扰存在形式256 8.4抗干扰措施257 阅读材料H “国之重器”盾构机从0到1 259 思考与练习题260 参考文献260 第9章机电一体化系统工程实例261 教学目标261 9.1引言261 9.2生活中的机电一体化产品261 9.2.1自助售票机261 9.2.2变频空调266 9.3工业、生产线中的机电一体化产品271 9.3.1电火花数控机床271 9.3.2双排称重系统274 9.4农业生产中的机电一体化产品277 9.4.1林果作业机器人277 9.4.2水培精准智能调控系统281 阅读材料I“水稻之父”袁隆平285 思考与练习题285 参考文献285 內容試閱： “机电一体化”是一个广义的名词，它完美地结合了机械、电子、电气、软件工程、信息系统、通信、控制和人工智能，是一种新的理念和思维方式，提供综合解决问题的途径和新的设计思想，并贯穿于全局的系统分析与综合之中。“机电一体化系统”是机、电、光、热、磁、生物等广义系统的统称。“机电一体化技术”的工程属性是将机械、电子、计算机、信息、控制以及材料、能源等技术有机结合在一起，形成一个综合性高新群体技术。 本书从系统工程的观点出发，着重讨论机电一体化系统理论、数学建模、典型技术及系统分析、设计等关键性问题。本书按照机电一体化系统的主要功能模块进行内容编排，使机电一体化系统五大组成要素(机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、控制及信息单元)和四大原则(接口耦合、运动传感、信息控制、能量转换)的特点得到了充分展示。按照机电一体化的高性能化、智能化、系统化、微(轻)型化的发展趋势，本书较好地解决了理论性、先进性、系统性和实用性问题。 本书取材合适，深度适宜，符合认知规律；内容翔实、题材新颖、图文并茂，既注重了基础理论、基本概念的阐述，也考虑了实际工程应用实例和先进技术以及最新科研成果的介绍，深挖知识模块的思想价值，在文字叙述上力求简洁、通俗易懂，引入微课视频内容，推进信息技术与教育教学的深度融合。全书结构严谨，层次分明，内容循序渐进，叙述清楚，便于教学，也便于自学；应用实例比较典型、易懂，可供实际应用参考；精选例题、习题，利于拓宽读者的知识面和培养读者的实际应用能力。 本书和同类书相比，具有以下特色。 1）深挖提炼关于机械、传感器、执行装置、控制系统等机电一体化系统中各知识模块所蕴含的思想价值和精神内涵；拓展内容的深度、广度，增加知识性、人文性，突出价值引导。 2）充分应用现有信息技术，除以文字形式系统阐述理论知识外，增加了动画、微课、视频等多种形式的资源，以推进信息技术与教育教学的深度融合，形成表现力丰富的新形态图书。 3）删减陈旧内容，增加近年来机电一体化新技术内容。在通信方面，增加无线网络通信内容；在控制策略方面，增加人工智能控制内容；在传感器方面，增加新型传感器内容；在执行装置方面，增加新型执行装置内容；增加农业机电一体化产品案例。 本书由华南农业大学、西北农林科技大学、中国农业大学、东北农业大学、仲恺农业工程学院和广州市永合祥自动化设备科技有限公司联合编写完成。第1章由齐龙编写，第2章由冯骁编写，第3章由齐龙、邢航编写，第4章由傅隆生、尹选春编写，第5章由吴双龙编写，第6章由王宇编写，第7章由田文斌编写，第8章由杨秀丽编写，第9章由褚璇、李辉编写，全书由齐龙校稿、统稿。 本书在编写过程中，参考了一些同类著作和有关资料，得到了许多老师们的帮助，在此特向有关作者表示衷心感谢。限于编者水平，书中难免存在错误与不妥之处，恳请使用本书的读者提出宝贵意见及建议。编者邮箱：qilong@scau.edu.cn。

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