William Bolton Bausteine mechatronischer Systeme 3. Auflage ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam
Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Überblick 11 Leser 11 Ziele 12 Aufbau des Buches 16 Begleitendes Online-Material 17 Danksagungen 18 Kapitel 1 Mechatronik 19 1.1 Mechatronik was ist das? 19 1.2 Systeme 20 1.3 Messsysteme 21 1.4 Steuerungs- und Regelungssysteme 22 1.5 Mikroprozessorgesteuerte Regler 31 1.6 Systemantworten 34 1.7 Der mechatronische Ansatz 35 Kapitel 2 Sensoren und Messumformer 39 2.1 Sensoren und Messumformer 39 2.2 Leistungsterminologie 39 2.3 Weg, Lage und Näherung 45 2.4 Geschwindigkeit und Bewegung 62 2.5 Kraft 66 2.6 Flüssigkeitsdruck 67 2.7 Flüssigkeitsdurchfluss 72 2.8 Flüssigkeitspegel 74 2.9 Temperatur 75 2.10 Lichtsensoren 82 2.11 Auswahl von Sensoren 83 2.12 Dateneingabe über Schalter 84 Kapitel 3 Signalaufbereitung 91 3.1 Signalaufbereitung 91 3.2 Operationsverstärker 93 3.3 Schutz 105 3.4 Filterung 107 3.5 Wheatstonebrücke 109 3.6 Digitale Signale 115
6 Inhaltsverzeichnis 3.7 Multiplexer 127 3.8 Datenerfassung 129 3.9 Digitale Signalverarbeitung 131 3.10 Impulsmodulation 133 Kapitel 4 Systeme zur Darstellung von Daten 137 4.1 Melder und Schreiber 137 4.2 Elemente zur Darstellung von Daten 139 4.3 Magnetische Aufzeichnung 147 4.4 Anzeigen 153 4.5 Datenerfassungssysteme 160 4.6 Messsysteme 163 4.7 Erprobung und Kalibrierung 167 Kapitel 5 Pneumatische und hydraulische Antriebssysteme 173 5.1 Antriebssysteme 173 5.2 Pneumatische und hydraulische Systeme 173 5.3 Wegeventile 175 5.4 Druckventile 180 5.5 Zylinder 182 5.6 Prozessregelventile 187 5.7 Betätigungsmotoren 193 Kapitel 6 Mechanische Antriebssysteme 197 6.1 Mechanische Systeme 197 6.2 Bewegungsarten 198 6.3 Kinematische Ketten 201 6.4 Nocken 204 6.5 Räderwerke 206 6.6 Sperrzahnrad mit Sperrklinke 210 6.7 Riemen- und Kettenantriebe 211 6.8 Lager 213 6.9 Mechanische Aspekte bei der Motorenauswahl 218 Kapitel 7 Elektrische Antriebssysteme 223 7.1 Elektrische Systeme 223 7.2 Mechanische Schalter 223 7.3 Halbleiterschalter 225 7.4 Magnetantriebe 234 7.5 Gleichstrommotoren 234 7.6 Wechselstrommotoren 244 7.7 Schrittmotor 246
Inhaltsverzeichnis 7 Kapitel 8 Grundlegende Systemmodelle 255 8.1 Mathematische Modelle 255 8.2 Bausteine für mechanische Systeme 256 8.3 Bausteine für elektrische Systeme 265 8.4 Bausteine für hydrodynamische Systeme 271 8.5 Bausteine für thermische Systeme 280 Kapitel 9 Systemmodelle 287 9.1 Technische Systeme 287 9.2 Dreh-/Parallelsysteme 290 9.3 Elektromechanische Systeme 291 9.4 Hydraulisch-mechanische Systeme 296 Kapitel 10 Übergangsverhalten von Systemen 301 10.1 Modellierung dynamischer Systeme 301 10.2 Systeme erster Ordnung 305 10.3 Systeme zweiter Ordnung 311 10.4 Leistungsmessungen für Systeme zweiter Ordnung 319 10.5 Systemidentifikation 322 Kapitel 11 Übertragungsfunktionen von Systemen 325 11.1 Die Übertragungsfunktion 325 11.2 Systeme erster Ordnung 329 11.3 Systeme zweiter Ordnung 331 11.4 Systeme in Reihe 334 11.5 Systeme mit Rückführschleifen 335 11.6 Wirkung der Pole auf das Einschwingverhalten 336 11.7 MATLAB und SIMULINK 339 Kapitel 12 Frequenzgang 349 12.1 Sinusförmiges Eingangssignal 349 12.2 Zeiger 349 12.3 Frequenzgang eines Systems erster Ordnung 353 12.4 Bodediagramme 356 12.5 Leistungskenngrößen 366 12.6 Stabilität 367 Kapitel 13 Regler 371 13.1 Stetige und unstetige Prozesse 371 13.2 Regelungsarten 373 13.3 Zweipunktregelung 374 13.4 Proportionalregelung 376
8 Inhaltsverzeichnis 13.5 Differenzialregelung 381 13.6 Integralregelung 384 13.7 PID-Regler 388 13.8 Digitale Regler 389 13.9 Leistung von Regelungssystemen 392 13.10 Regleroptimierung 394 13.11 Geschwindigkeitsregelung 397 13.12 Adaptive Regelung 398 Kapitel 14 Digitallogik 403 14.1 Digitallogik 403 14.2 Zahlensysteme 404 14.3 Logikgatter 412 14.4 Boolesche Algebra 421 14.5 Karnaugh-Tafeln 427 14.6 Anwendungsbeispiele für Logikgatter 432 14.7 Sequenzielle Logik 438 Kapitel 15 Mikroprozessoren 449 15.1 Steuerung 449 15.2 Mikroprozessorsysteme 450 15.3 Mikrocontroller 463 15.4 Anwendungen 484 15.5 Programmieren 486 Kapitel 16 Assembler 491 16.1 Sprachen 491 16.2 Befehlssätze 492 16.3 Programme in Assembler 499 16.4 Unterprogramme 507 16.5 Nachschlagetabellen 512 Kapitel 17 Die Programmiersprache C 519 17.1 Warum C? 519 17.2 Programmstruktur 519 17.3 Verzweigungen und Schleifen 527 17.4 Felder 533 17.5 Adresszeiger 534 17.6 Programmentwicklung 536 17.7 Programmbeispiele 538
Inhaltsverzeichnis 9 Kapitel 18 Eingabe-/Ausgabesysteme 543 18.1 Verknüpfung 543 18.2 Eingabe-/Ausgabeadressierung 543 18.3 Schnittstellenanforderungen 546 18.4 Periphere Schnittstellenadapter 556 18.5 Serielle Kommunikationsschnittstelle 561 18.6 Verknüpfungsbeispiele 564 Kapitel 19 Speicherprogrammierbare Steuerungen 569 19.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen 569 19.2 Grundstruktur 570 19.3 Eingabe-/Ausgabeverarbeitung 573 19.4 Programmieren 574 19.5 Mnemonische Codes 583 19.6 Timer, Merker und Zähler 586 19.7 Schieberegister 593 19.8 Master- und Sprungsteuerungen 596 19.9 Datenverarbeitung 598 19.10 Analoge Ein-/Ausgangsgrößen 602 19.11 Auswahl einer SPS 603 Kapitel 20 Kommunikationssysteme 607 20.1 Digitale Kommunikation 607 20.2 Zentrale, hierarchische und dezentrale Steuerung 607 20.3 Netzwerke 611 20.4 Protokolle 613 20.5 Kommunikationsmodell für die Kommunikation offener Systeme 615 20.6 Kommunikationsschnittstellen 619 Kapitel 21 Fehlersuche 633 21.1 Fehlererkennungsverfahren 633 21.2 Watchdog Timer 634 21.3 Paritäts- und Fehlerkennungsprüfungen 635 21.4 Häufige Hardwarefehler 637 21.5 Mikroprozessorsysteme 639 21.6 Emulation und Simulation 644 21.7 SPS-Systeme 646 Kapitel 22 Mechatronische Systeme 651 22.1 Traditionelle und mechatronische Konzepte 651 22.2 Mögliche mechatronische Entwicklungslösungen 657 22.3 Fallstudien mechatronischer Systeme 670
10 Inhaltsverzeichnis Anhang A Die Laplace-Transformation 685 A.1 Die Laplace-Transformation 685 A.2 Einheitssprungfunktionen und Impulse 687 A.3 Standardmäßige Laplace-Transformationen 689 A.4 Die Rücktransformation 694 Anhang B Logikgatter 697 Anhang C Befehlssätze 699 Anhang D Bibliotheksfunktionen in C 711 Lösungen 717 Literaturverzeichnis 735 Sachregister 739