前言 曾在報(bào)紙上看一則消息,談到中國(guó)至今不能生產(chǎn)某些高級(jí)模具鋼，例如圓珠筆的圓珠都需要進(jìn)口。當(dāng)然，圓珠需要進(jìn)口，問題不完全是因?yàn)椴荒苌�產(chǎn)制造圓珠所需要的鋼材。圓珠筆頭開口直徑不到0.1mm，例如常見的0.07mm和0.05mm，但要承受各種書寫姿勢(shì)帶來的壓力和摩擦，還要和圓珠完全貼合，既要書寫流暢，又不能漏油。因此，其硬度、開口大小、墨水槽位置必須搭配得天衣無縫。這些涉及模具制造、生產(chǎn)工藝和設(shè)備、制造過程中的精密控制等多方面的復(fù)雜技術(shù)。圓珠需要進(jìn)口是我國(guó)的制造業(yè)總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距的一個(gè)例子。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)狀呢？一個(gè)重要的原因是我們的高級(jí)專業(yè)技術(shù)人才緊缺，這與我們的教育水平、培養(yǎng)人才的質(zhì)量關(guān)系密切。不可否認(rèn)，中國(guó)的教育處在不斷改善和發(fā)展的過程中，但是在理論聯(lián)系實(shí)際方面仍然做得不夠。職業(yè)教育水平不夠高，學(xué)生難以在真環(huán)境下學(xué)習(xí)真本領(lǐng)。由于工作的關(guān)系，我有機(jī)會(huì)訪問很多中國(guó)的高等工科院校，參觀他們的實(shí)驗(yàn)室，向老師們了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法。可以說，目前國(guó)內(nèi)高等工科院校，即使是一流的工科院校的大部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)和三十多年前我和我的同齡人上大學(xué)時(shí)的情況沒有根本性的變化。同樣是由于工作的關(guān)系，我經(jīng)常走訪全球性的、引領(lǐng)世界科技和工業(yè)進(jìn)步的企業(yè)和大型跨國(guó)公司，如波音、蘋果、谷歌、通用汽車、華為和三星電子等，親眼所見和切身體會(huì)到過去的30年里，從產(chǎn)品的設(shè)想、構(gòu)思，到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)證，所采用的方法、流程以及工具都發(fā)生了巨大的變化。在校所學(xué)與職場(chǎng)所用之間的溝壑一方面使得剛剛畢業(yè)的大學(xué)生、研究生無法很快地把所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到工作實(shí)踐中去，另一方面使得用人單位、公司與企業(yè)不得不花費(fèi)大量的時(shí)間和精力對(duì)剛走上工作崗位的畢業(yè)生進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)。顯然，努力縮小學(xué)與用之間的差距是提高教育質(zhì)量，改善我國(guó)專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重緊缺狀況的關(guān)鍵途徑之一。希望這本書的出版能夠?yàn)楦纳七@種狀況貢獻(xiàn)綿薄之力。本書是一本關(guān)于機(jī)電一體化及數(shù)字控制的案例實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。學(xué)習(xí)和使用這本書可以達(dá)到以下幾個(gè)目的。（1） 熟悉和理解基于系統(tǒng)模型的工程設(shè)計(jì)的思想、方法和工具。通過實(shí)際的建模實(shí)踐，練習(xí)并掌握使用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法。（2） 把機(jī)電一體化及數(shù)字控制的理論用于真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證，更深入地理解工程理論，獲得第一手與實(shí)際硬件打交道的經(jīng)驗(yàn)。（3） 熟悉在機(jī)電一體化和數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的傳感器件和控制算法，了解它們的工作原理、性能特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)。（4） 學(xué)習(xí)和使用Arduino（愛絕諾)這一在機(jī)電一體化及數(shù)字控制領(lǐng)域中最常用的低成本硬件平臺(tái)，了解其特點(diǎn)和適用范圍，為采用這一平臺(tái)進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)電一體化及數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。全書共由12章組成。第1章介紹低成本硬件的出現(xiàn)和發(fā)展過程，以及美國(guó)邁斯沃克（MathWorks）公司為低成本硬件平臺(tái)提供的硬件支持軟件包； 第2章介紹本書討論的所有實(shí)驗(yàn)所采用的機(jī)電一體化及數(shù)控平臺(tái)； 從第3章至第12章，每一章介紹一個(gè)實(shí)驗(yàn)，清晰地說明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟和方法。通過闡明實(shí)驗(yàn)?zāi)康模�提供參考用Simulink模型以及實(shí)驗(yàn)的示范結(jié)果，使讀者能夠自主獨(dú)立地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)意圖并完成實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)包括：(1) 點(diǎn)亮發(fā)光二極管。(2) 模數(shù)傳感器與電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)的讀取。(3) 通過I2C總線讀取陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)。(4) 數(shù)字羅盤(指南針)的制作。(5) 串行通信基礎(chǔ)。(6) 藍(lán)牙通信。(7) 直流電機(jī)的階梯響應(yīng)。(8) 直流電機(jī)控制的基本知識(shí)和途徑。(9) 實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下直流電機(jī)的仿真及速度控制。(10) 根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀確定(實(shí)驗(yàn)平臺(tái))角度。本書提供的所有實(shí)驗(yàn)均采用以Arduino為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化與數(shù)控平臺(tái)。該平臺(tái)是對(duì)Arduino平臺(tái)的補(bǔ)充與擴(kuò)展，增加了與實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、數(shù)字控制、及機(jī)器人有關(guān)的器件和芯片，如陀螺儀、磁力計(jì)、加速度計(jì)等。通過這些實(shí)驗(yàn)，讀者可以對(duì)該平臺(tái)有一個(gè)比較透徹的了解，熟悉從平臺(tái)上的各種傳感器讀取數(shù)據(jù)的方法，以及如何利用這些傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制。在這些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，讀者可以充分地發(fā)揮自己的想象力，在平臺(tái)上設(shè)計(jì)各種其他實(shí)驗(yàn)； 或者利用該平臺(tái)構(gòu)造出各種機(jī)電一體化及數(shù)控設(shè)備； 讀者還可以以這個(gè)平臺(tái)為藍(lán)本，改變平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，增加更多的機(jī)電一體化元器件，如光電傳感器、電機(jī)、車輪等，從而制造出更加復(fù)雜、更加有趣、更加實(shí)用的機(jī)電一體化及數(shù)控產(chǎn)品。除了書中第2章對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的介紹外，讀者還可以直接訪問南京真大師實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站（www.zdslabs.com）了解更多有關(guān)該平臺(tái)的信息。值得注意的是，這個(gè)網(wǎng)站提供了一個(gè)用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在站立式的組合形式下，利用Simulink設(shè)計(jì)和模擬，通過Simulink Hardware Support Package for Arduino自動(dòng)生成執(zhí)行代碼并下載而制作成的平衡車的例子。讀者可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)平衡車與學(xué)習(xí)和研究自動(dòng)控制理論時(shí)使用的最經(jīng)典的倒立擺在工作原理、控制算法等方面是完全一樣的。說明： 本書仿真工具采用英文版MATLAB/Simulink，故所繪出的插圖中的圖字為英文。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute,RPI）的教授何斯特博士(Joshua L. Hurst)為本書介紹的所有實(shí)驗(yàn)提供了原始的實(shí)驗(yàn)資料，并在其教授的機(jī)電一體化課程中使用了這些實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了很好的教學(xué)效果。何斯特教授和他的學(xué)生們?cè)谶@些實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)、批評(píng)和建議為這些實(shí)驗(yàn)的成型與完善奠定了基礎(chǔ)。在此向何斯特博士致以誠(chéng)摯的感謝。作者衷心感謝清華大學(xué)出版社的盛東亮編輯，他在本書的構(gòu)思和編寫過程中提供了寶貴的指導(dǎo)性意見和具體的技術(shù)性幫助。丁亦農(nóng)
Joshua L.Hurst2017年1月