Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering, 6th Edition

The integration of electronic engineering, mechanical engineering, control and computer engineering – Mechatronics – lies at the heart of the innumerable gadgets, processes and technology without which modern life would seem impossible. From auto-focus cameras to car engine management systems, and from state-of-the-art robots to the humble washing machine, Mechatronics has a hand in them all. 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