机电系统设计方法、模型及概念： 建模、仿真及实现基础（信息技术和电气工程学科国际知名教材中译本系列） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[德] Klaus，Janschek 著，张建华 译

图书标签:

• 机电系统
• 系统设计
• 建模
• 仿真
• 电气工程
• 信息技术
• 控制工程
• 自动化
• 工程教育
• 教材

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302455776

版次：1

商品编码：12040517

包装：平装

开本：16

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：270

字数：442000

正文语种：中文

编辑推荐

　　本书对机电系统设计和分析的主要方法进行了广泛、深入、系统的阐述。本书英文版包括50余个有完整解答的设计实例和380余幅插图，便于读者学习和研究机电系统设计的主要概念和方法。本书由Springer出版社2010年出版德文原版，2012年出版英文翻译版，已受到国际学术界的广泛好评。本书是一本关于机电系统设计和分析的**著作，内容全面丰富，其中不少内容基于作者团队的**研究成果，有很强的创新。本书有很高的学术水准，对于许多应用领域的实际机电系统研发而言也是必备参考书。

内容简介

　　Originally published in the German language: “Systementwurf mechatronsicher Systeme” by Klaus Janschek. Translation from the English language edition: Mechatronic Systems Design by Klaus Janschek Copyright 2012 Springer Verlag Berlin Heidelberg. Springer Verlag Berlin Heidelberg is a part of Springer Science+Business Media.
　　All Rights Reserved.

作者简介

　　Klaus Janschek，德国德累斯顿工业大学自动化研究所讲席教授、所长。1982年于奥地利格拉茨工业大学获工学博士学位，1982-1995年在德国戴姆勒奔驰等公司从事航天制导、导航与控制，疲劳与车辆测试系统等控制系统研发与管理工作，1995年至今任德国德累斯顿工业大学自动化研究所所长、自动化工程讲席教授。他的主要研究兴趣包括制导、导航与控制，系统设计，移动机器人，光学数据处理与光机电一体化，数据融合等。他现任国际自动控制联合会（IFAC）技术局成员及其“机械电子学、机器人及元部件”协调委员会（CC4）主席，曾任IFAC应用论文评奖委员会主席，德国研究基金会（DFG）自动化、控制系统与机器人领域科学顾问，德国测量与自动化学会（GMA）理事。他将任2020年IFAC世界大会主席，2005年至今任德国机械电子学大会程序委员会共同主席，曾任第4届IFAC机电系统会议IPC主席。

　　张建华，华东理工大学自动化系教授，2005年于德国波鸿鲁尔大学获工学博士学位，师从德国国家工程院和北莱茵-威斯特**科学院双院士Johann F. Boehme教授。2005-2006年在英国谢菲尔德大学任博士后副研究员，合作导师为英国皇家工程院院士Derek A. Linkens教授等。2007年引进回国任华东理工大学自动化系教授和博士生导师。2011，2012，2014，2015年应邀赴德国柏林工业大学和马普复杂技术系统动力学研究所做客座教授或高级研究学者。现任国际自动控制联合会（IFAC）人机系统、复杂大系统、生物与医学系统、交通系统四个技术委员会委员，曾任13th IFAC Symp. on Complex Large-Scale Systems 的IPC副主席, 19th IFAC World Congress的技术副编辑，13th IFAC Symp. on Analysis, Design and Evaluation of Human-Machine Systems的IPC共同主席。2011年获德国马普学会高级研究基金，2007年入选上海市浦江人才计划，2002-04年获德意志学术交流中心（DAAD）奖学金。主要研究兴趣包括计算智能，机器学习与智能数据分析，生物系统的建模与控制，生物医学信号处理，人机系统，脑机交互，神经工效学等。至今在IEEE T-HMS, IEEE T-BME，IEEE T-CBB等重要学术期刊和会议上发表论文110余篇。

内页插图

目录

译者引言
第1章绪论
1.1机电一体化与机电一体化系统
1.2系统设计
1.3基本实例
1.3.1具有自适应光学的望远镜
1.3.2光机电遥感相机
1.4本书内容简介
本章参考书目
第2章建模基础
2.1系统工程背景
2.2具有结构化分析的系统建模
2.2.1定义
2.2.2顺序原则
2.2.3结构化分析的建模要素
2.2.4产品实例： 自动调焦照相机
2.2.5其他建模方法
2.3机电系统建模范式
2.3.1广义功率与能量
2.3.2基于能量的建模： 拉格朗日形式化
2.3.3基于能量的建模： 汉密尔顿方程
2.3.4多端口建模： 基尔霍夫网络
2.3.5多端口建模： 键合图
2.3.6能量/多端口建模： 端口汉密尔顿系统
2.3.7信号耦合网络
2.3.8模型的因果性
2.3.9机电系统的模块化建模
2.4微分代数方程组
2.4.1DAE系统简介
2.4.2DAE指标检验
2.4.3DAE指标约简
2.5混杂系统
2.5.1混杂系统的一般结构
2.5.2混杂现象
2.5.3网络状态模型
2.6线性系统模型
2.6.1非线性状态空间模型的局部线性化
2.6.2非线性DAE系统的局部线性化
2.6.3LTI系统的传递函数与频率响应
2.7频率响应的实验确定
2.7.1一般考虑
2.7.2方法
2.7.3通过噪声激励的频率响应测量
本章参考文献
第3章仿真问题
3.1系统工程背景
3.2数值积分的基础
3.2.1微分方程的数值积分
3.2.2稳定性的概念
3.2.3数值稳定性
3.3刚性系统
3.4弱阻尼系统
3.5高阶线性系统
3.5.1通用的数值积分方法
3.5.2通过状态转移矩阵的求解方法
3.5.3仿真解的精度
3.6DAE系统的数值积分
3.6.1显式积分法
3.6.2隐式积分法
3.6.3指标��2系统的量化
3.6.4具有一致性的初值
3.7混杂现象仿真的实现方法
3.7.1不连续性的处理
3.7.2事件检测
3.8仿真实例： 理想单摆
本章参考书目
第4章功能实现： 多体动力学
4.1系统工程背景
4.2多体系统
4.3物理学基础
4.3.1运动学与动力学
4.3.2刚体
4.3.3自由度与约束
4.4多体系统的时域模型
4.4.1系统设计中的模型层次
4.4.2多体系统运动方程
4.4.3MBS状态空间模型
4.5固有振荡
4.5.1守恒多体系统的特征值问题
4.5.2特征模态（本征模，Eigenmodes）
4.5.3耗能多体系统
4.6频域响应特性
4.7测量与驱动位置
4.7.1一般的多质体振荡器
4.7.2多质体振荡器的零点
4.7.3同位测量与驱动
4.7.4非同位测量与驱动
4.7.5反谐振
4.7.6MBS零点迁移
本章参考书目
第5章功能实现： 通用机电变送器
5.1系统工程背景
5.2一般的通用变送器模型
5.2.1系统配置
5.2.2建模方法
5.3无负载通用变送器
5.3.1基于能量的模型
5.3.2ELM变送器本构方程
5.3.3ELM二端口模型
5.4负载通用变送器
5.4.1基于能量的模型
5.4.2非线性运动方程
5.4.3平衡点位置： 工作点
5.4.4基于信号的变送器线性模型
5.4.5传递矩阵
5.4.6关于响应特性的讨论
5.5有损变送器
5.5.1变送器的一般特性
5.5.2非线性模型： 平衡点位置
5.5.3基于信号的线性模型
5.5.4带有耗能电阻的二端口本构方程
5.5.5线性动态分析
5.5.6一般的阻抗与导纳反馈
5.6机电耦合系数
5.6.1一般意义与特性
5.6.2计算ELM耦合系数的模型
5.6.3关于ELM耦合系数的讨论
5.7带多体负载的变送器
5.7.1频率响应
5.7.2阻抗反馈与导纳反馈
5.8机电谐振器
5.9机电振动发电
5.10自传感执行器
5.10.1工作原理
5.10.2基于信号的自传感解决方案
5.10.3模电自传感解决方案
本章参考书目
中英文术语翻译对照表

精彩书摘

　　第3章仿 真 问 题
　　背景： 对动态系统模型的实验是系统设计的标准任务之一，这种仿真结果为有深远影响的设计决策奠定了基础。如今，（商用）计算机辅助工具一般提供建模与仿真平台，因而经常使用预先存在的模型库。但是，在这个极端重要的设计阶段，计算机化的仿真模型与用户（极端情况下用户可能是很天真的）经常存在危险的理解差距。在不利情况下，这很容易导致有缺陷的仿真结果。因此，尤其在采用现代仿真工具时，胜任的系统工程师必须了解仿真实现与求解方法的特殊性。系统工程师只有具备这些知识，才有可能识别出潜在的问题并采用合适的措施缓解问题，要么是改进模型，要么采用可用仿真器功能的目标选择与参数化： “欣赏但觉察地使用工具”（using the tool with appreciation and awareness）。
　　本章内容： 本章讨论仿真实验的数学模型实现的特定方面以及关于机电系统模型的特殊问题与求解方法。在此范围内，假设读者已具备数值积分与一般仿真方法的基础知识。在简要讨论数值稳定性、积分步长的重要影响以及不同积分方法的性质之后，本章将介绍多体系统（表现为具有明显特征模态和弱以至无阻尼特征模态的刚性系统结构）仿真的典型问题与求解方法。对于线性高阶多体模型（例如通过有限元方法产生的那些模型），介绍了使用状态转移矩阵的高效并精确的积分步骤。应用基本概念阐明了微分代数方程（DAE）系统的非平凡（non trivial）数值积分与混杂现象的处理。最后，通过一个实例说明DAE系统的闭式（closed�瞗orm）建模及其仿真实现。
　　3.1系统工程背景
　　建模与仿真
　　系统设计（基于模型的设计）包含两个紧密交织的任务： 建模与对模型的实验（仿真）。从图2.3可以清楚看出，仿真结果的预测能力（即其在多大程度上代表了实际系统的行为）取决于建模误差与仿真误差之和。特定类型模型的选择决定了仿真任务的难度以及最终的仿真误差。与通过面向对象建模获得的高冗余DAE系统相比，采用最小坐标的常微分方程组形式的简洁模型更易实现和计算。所以，总是需要对建模工作量、期望的模型精度以及仿真所需的工作量三者进行折衷考虑。
　　计算机辅助仿真
　　与计算机辅助建模一起，现代设计工具使我们能够几乎毫不费力地进行仿真实验。这种便利性当然是用户所期望的。但是，若所考虑的模型具有某些不良性质时，现代设计工具会隐藏巨大的危险性。尽管事实上好的计算机工具有很多内置的主要功能正常性检查（sanity checks），但一个有缺陷的求解算法参数化就可能导致完全错误的仿真结果。在特别有害的情况下（如复杂模型）很难检测出这些错误。计算机辅助工具通常仅检查模型的句法和参数以及实验参数。原则上模型的语义仍未被监测，因而可能是一个潜在的错误来源。
　　仿真工具的妙用
　　本章将特别关注常微分方程组与DAE系统数值求解方法的语义，即求解算法（数值积分方法）及其重要参数（步长、阶次等）的意义。这些背景的目的是使我们能够在行地选用在当前的商用计算机工具中实现的那些常用方法。
　　预备知识
　　假设读者熟悉数值积分的基本概念（例如，显式与隐式法、单步与多步法、龙格�部馑�法、基于误差监控的自适应步长等），推荐需要更新或复习有关基础知识的读者参考数值分析领域的有关文献（例如，Faires、Burden 2002）。关于直接适合动态系统仿真的方法，可以参见专著（Cellier、Kofman 2006)。
　　3.2数值积分的基础
　　3.2.1微分方程的数值积分
　　仿真实验
　　为了进行计算机辅助仿真实验，需要基于内在的数学模型计算感兴趣系统变量的近似解。于是，可以认为“在对数学模型进行仿真”。
　　为此，首先考虑如下具有单输入u(t)和单输出y(t)的普通非线性状态空间模型（见图3.1）该模型是一个指标为0的DAE系统（参见2.4节）。3.6节将讨论高指标DAE系统的求解。：
　　x·=f～(x,u,t)（3.1）
　　y·=g～(x,u,t)（3.2）
　　图3.1单输入单输出（SISO）动态系统的状态空间模型
　　当对上述系统进行仿真时，一般关心的是在有限时间区间［t0,tf］内解x(t)或y(t)随时间变化情况。在这种情况下，可以假设输入u(t)在［t0,tf］内的变化情况是已知的。
　　为了采用式（3.2）计算输出y(t)，只需要确定n个一阶微分方程组（3.1）在时间区间［t0,tf］的解x(t)。
　　给定上述假设条件，可以提出如下微分方程的数值积分这一基本问题： 找到如下常微分方程组的解x(t)的近似x^(t)假设向量场f(·)是光滑的。若f(·)存在不连续性（例如，输入激励函数或状态变量x(t)存在阶跃变化），则须作出特别规定，见3.7节。
　　x·=f(x,t),x(t0)=x0∈Rn（3.3）
　　单步法： 显式与隐式
　　使用微分方程（3.3）的差分近似或相应的积分方程，可获得方程（3.3）的近似解（即有限个值x^(tk)）。然后，为了只根据上次计算值x^(tk)来计算新的近似值x^(tk+1)，采用“单步法”可得下列的一般递推关系式：
　　x^(tk+1)=x^(tk)+hφ(x^(tk),x^(tk+1),tk,h)（3.4）
　　其中，φ(·)为增量函数，h为步长。若增量函数不依赖于x^(tk+1)，则称该方法为显式（如欧拉法、龙格�部馑�法），否则称其为隐式（如梯形法）（Faires、Burden 2002）。
　　增量函数φ(·)与步长h的不同选择决定了近似精度（图3.2）。
　　图3.2数值积分： 微分方程的近似解
　　3.2.2稳定性的概念
　　定义3.1
　　局部离散化误差： 在tk+1时刻显式单步法
　　对于隐式法和多步法等其他方法，LDE也可以类似地定义。的局部离散化误差（LDE）是下面的值：
　　dk+1∶={x(tk+1)－x(tk)}－h·φ(x(tk),tk,h)
　　上式右端第一项为真实解的单步变化，第二项为应用积分算法后相对于真实解x(tk)的单步变化。LDEdk+1表示积分方法与真实解在单步上的偏差。因此，LDE衡量方程（3.4）给出的解与真实解x(tk)接近的程度。
　　定义3.2
　　全局离散化误差： 在固定时刻tk的全局离散化误差（GDE）是下面的值：
　　gk∶=x(tk)－x^(tk)
　　因而，GDEgi表示近似解x^(tk)与真实解x(tk)之间的偏差，而且特别包含所有以前k步（j=0,1,…,(k－1)）的累积误差（LDE与GDE）。
　　定义3.3
　　一致性： 求解初值问题的数值积分方法被称为一致的，如果在步长趋于0时局部离散化误差之和RLDE也趋于0，即有下面的条件：
　　limh→01hRLDE=0
　　定义3.4
　　收敛性： 求解初值问题的数值积分方法被称为收敛的，如果当步长趋于0时全局离散化误差在整个积分区间上也趋于0，即有下面的条件：
　　limh→0(x^k－xk)=limh→0gk=0,�衚, i.e. t∈［t0,tf］
　　稳定性
　　需要区分下列类型的稳定性：
　　系统模型的固有稳定性
　　所使用的稳定性概念包括输入输出稳定性（如BIBO稳定性）或（渐近）状态稳定性（Ogata 2010）。如果系统模型在上述意义下稳定，则称系统是（固有）稳定的。
　　积分算法的数值稳定性
　　求解初值问题的数值积分方法被称为是“数值稳定的”，如果被积值x^k的“微小误差”也只在此后计算x^k+1时产生“微小误差”（即有足够的误差抑制）（Faires，Burden 2002）。
　　给定以上定义，于是有下面的基本定理：
　　定理3.1
　　一个数值积分方法是收敛的，当且仅当其是一致的并是数值稳定的。
　　所以，收敛性、一致性与数值稳定性紧密联系在一起，这些性质是执行仿真实验的基本性质。尽管商品仿真工具一般将大量具有一致性的积分方法作为内置功能（单单如此甚至也是有意义的！），但是会得到收敛的近似解并非定论（虽然从合理的仿真实验中所期望的一样也不少！）。根据定理3.1，数值稳定性也是必须的，这基本上取决于步长h。若缺乏对h作用与影响的了解，作为一个可自由选择的仿真参数，h也可能被错误地任意设定（见3.2.3节）。
　　显然，为了获得高精度的近似解，步长h应当选择得尽可能小。另一方面，对于一个固定的积分区间，这会增大计算需求（更多次的递推），为了快速计算而希望取更大可能的步长。所以，在任何具体情况下，选择积分步长h时总需要在精度与计算负荷之间做出折中。
　　3.2.3数值稳定性
　　线性测试系统： 初值问题
　　一个数值积分过程可表达为由一组非线性差分方程组表示的离散时间动态系统。这使得我们能采用熟知的稳定性概念和判据来分析其数值稳定性。
　　为了讨论，考虑如下的线性（固有稳定的）测试初值问题：
　　x·=λx,其中x(0)=x0,λ<0（3.5）
　　对于欧拉法
　　x^k+1=x^k+h·f(x^k)
　　并考虑式（3.5），得线性一阶差分方程：
　　x^k+1=(1+h·λ)x^k（3.6）
　　方程（3.6）的通解为：
　　x^k+1=(1+h·λ)k+1x0（3.7）
　　当k→∞时如果式（3.7）的近似值序列(x^k)=(x0,x^1,x^2,…)收敛到真实解的稳态终值x∞=0，则会有数值稳定性，即数值稳定性条件为：
　　|1+h·λ|<1（3.8）
　　式（3.8）的条件对应于我们所熟知的线性差分方程（3.6）的离散时间稳定性判据“特征值的幅度小于1”，参见（Franklin et al. 1998）。
　　固有稳定系统
　　在一个固有稳定系统中（λ<0）中，数值稳定性条件式（3.8）满足，当且仅当：
　　hλ<0 且 h<2－λ=hcrit（3.9）
　　……

前言/序言

　　中 文 版 序
　　这是2010年和2012年分别由Springer出版社出版的《机电系统设计》德文和英译版的中译本。关于本书写作的动机、背景以及构想，感兴趣的读者可以参考德文版的序言。
　　读者将会发现，本书的主要目标是从建模的观点出发，提供关于机电一体化的全面、系统观点，从而使读者能依据严格的物理和数学观点理解基本概念和设计解决方案。这本专著与很多其他同类书籍相比的特色在于不同章节和主题之间（从建模与仿真直至控制器设计与系统性能评价方法）统一的数学、物理以及建模概念。这本教材可以用作学习技术系统抽象模型严格处理的参考书。这也是我构建本书包括的许多主题背后的逻辑的一种教学训练。我非常希望尊敬的读者认识和欣赏这些目标。
　　我目前将本书用作德累斯顿工业大学本科生和研究生课程以及其他大学（例如，西班牙Mal�~ga大学、巴西圣卡塔琳娜大学、中国的华东理工大学等）短期研究生课程的基本参考书。有趣的是，至今参加我的机电一体化课程的相当一部分学生来自中国（特别是在德累斯顿工业大学与华东理工大学）。除了理解机电一体化课程的一般工程专业障碍之外，他们还必须应对德语或英语的语言障碍。当我开始写德语版时，从未梦想和期待的是： 现在该中译本为许许多多的中国学生提供了直接用中文了解我对机电一体化的理解和思想的途径。这是一个多么大的进步和伟大视角啊！
　　该中译本成为现实完全归功于华东理工大学的张建华教授。我深深感谢张教授启动、执行并成功完成了这个富有挑战性的项目。当2002年张教授在德累斯顿工业大学我的自动化研究所从事一年客座研究期间，我们就彼此相识了。2012年他邀请我为华东理工大学客座教授，第一次为他的学生们介绍我对于机电一体化的观点。当张教授提出富有挑战性的想法，想将我的书翻译成中文，使人数众多的科学界不再有任何语言障碍地直接理解我的书时，我感到十分荣幸。作为一个西方人，中文（特别是使用那些艺术性的文字和符号的书面语）对于我是很神秘的，我也羡慕中国人除了其主要专业外还是熟练的艺术家。现在张教授成功完成了中译本，这是一个多么伟大的时刻和多么漂亮的成果啊！
　　看到这项成果时，我感激难言，同时又感到有点无助： 机电一体化第一次对于我是如此神秘！但再看一眼之后，我便恢复了自信，因为我还可以清楚认出那些图形和数学模型，它们不因语言的不同而变化，事实上它们是工程师的国际语言。由于张教授所做的极佳工作，我非常希望解释性文字有助于中文读者理解模型背后的思想和概念，并探索有趣的机电一体化领域。
　　最后但同样很重要的是，我非常感谢本书的出版社。首先，感谢Springer出版社以建设性的方式安排版权问题。其次，特别感谢清华大学出版社对该项目的信任和对出版事宜的极佳管理。
　　Klaus Janschek
　　2016年7月，德累斯顿
　　译者序
　　本书全面、系统、深入地阐述了基于模型的机电系统设计方法，讨论了机电系统设计的诸多关键问题，主要内容包括： 与领域无关的建模与性能分析方法，多域建模（基于能量、端口或者信号），仿真（ODE DAE混杂系统），鲁棒控制方法，随机动态分析以及基于系统预算的设计定量评价。本书英文版共计805页，包括380余幅插图，给出的50余个设计示例（均有完整解答）不仅清晰说明了机电系统设计的基本方法和概念，而且便于读者自学这些概念和方法。本书由Springer出版社2010年出版德文原版，2012年出版英文翻译版，已受到国际学术界广泛好评。考虑到原书篇幅较长，中译本分为内容相对独立的两本：《机电系统设计方法、模型及概念： 建模、仿真及实现基础》（原书第1~5章，以下简称“建模与仿真篇”）和《机电系统设计方法、模型及概念： 实现、控制及分析》（原书第6~12章和附录，以下简称“控制与分析篇”）。译者认为，这是关于机电系统设计和分析的一本不可多得的权威著作，有很高的学术水准，内容全面丰富。书中不少内容基于作者研究组的最新研究成果，有很强的创新。例如，基于通用机电变送器建模（建模与仿真篇第5章），给出了静电（控制与分析篇第6章）、压电（控制与分析篇第7章）、电磁以及电动力变送器（控制与分析篇第8章）的形式化描述。建模与仿真篇第5章介绍的通用机电变送器模型框架为一般了解电力耦合变送器的原理以及不同类型变送器物理原理的表示提供了方法论。与其他同类书籍相比，这种具有广泛适用性的模型表示是全新的。本书还使用解析动态模型实现了许多物理与技术领域的机电一体化功能，例如多体动力学（建模与仿真篇第4章）、电磁动作变送器（控制与分析篇第8章）以及数字信息处理（控制与分析篇第9章）。
　　本书是Klaus Janschek教授在多年讲授的自动化专业主干课程“建模与仿真”和“机电一体化系统”的基础上写成的。Janschek教授是自动化工程与机电系统领域国际著名专家，在航天制导、导航与控制等自动化领域取得了突出科研成就。他曾在德国戴姆勒 奔驰公司从事航天机电系统研发10余年，1995年至今任德国德累斯顿工业大学自动化研究所所长、自动化工程讲席教授，既有精深的理论水平，也有丰富的实际系统研发经验。
　　译者在德国攻读博士学位期间，2002—2003年在Janschek教授的自动化研究所任Gast Wissenschaftler(客座科学家)一年，在他的指导下从事脑电信号处理的研究，敬服这位国际知名自动化专家的丰富理论与实际经验以及独到的应用问题分析和解决思路。14年来，我们之间的学术交往一直不断。特别是我2007年从英国引进回国到华东理工大学任教授以来，我们的学术交流更加密切。Janschek教授2012年6月被聘为华东理工大学客座教授，以后多次应邀来我校讲学。2008年以来我五次应邀去德国柏林工业大学做访问教授，期间都会专程从柏林到德累斯顿为他的研究所师生做学术讲座。
　　Janschek教授2012年9月首次来我校讲学时，将该书英文版赠送于我和我校图书馆。认真阅读该书之后，我产生了将其译成中文的想法，主要目的是想将Janschek教授关于机电系统设计与分析的思想与方法完整介绍给国内读者，使得国内机电一体化领域的广大研究生、科研以及技术人员全面了解和掌握书中阐述的一系列重要概念和方法。出版中文翻译版的设想一开始就得到了Janschek教授的热情鼓励和支持，以及清华大学出版社的积极回应，因而就顺利启动了该书的中译工作。
　　本书的一个突出特色是理论方法和实际应用的紧密结合，对于许多应用领域的实际机电系统研发而言是必备参考书。目前国内机电一体化专业教学面临一个窘境，学生往往缺乏应有的机电过程或系统知识基础（如工业或航天系统的原理和背景知识），很难深入进行机电系统设计与分析，而独立设置这些应用类课程，对自动化和机械工程等专业又不实际。Janschek教授在这本专著中对许多机电系统建模、控制及分析实例所需的背景知识进行了全面讲述，读者无须另外参考有关应用系统的专门书籍，这也构成了该书的另一个特色——系统性和自足性。
　　本书可用作电气工程、机械工程、机电一体化、计算机科学、控制科学与工程、机器人学、自动化、信号与信息处理等专业高年级本科生、研究生的教材或主要参考书，也适于机电一体化领域（如汽车工程、铁道工程、航海工程、航天、自动化、机床、机器人、医疗设备、微系统等）的科研或工程技术人员参阅。对于从事机电系统教学的教师来说，即使你可能欠缺实际的机电一体化系统研发经验，参考本书也会使你取得更好的教学效果。对于在机电系统控制与分析问题上遇到疑难的机电系统研发工程师而言，本书是一本极佳的参考手册，从中可直接获得解决实际应用问题所需的最重要基础知识、理论及方法，尤其会对不同技术领域的机电系统建模与控制问题带来有益的启发。古人云“处处留心皆学问”，对于有心的读者，本书论述的每条机电系统设计的定性法则或经验也都可能发展出更严格的理论或数学分析。
　　本人翻译了第1~5章和第9~12章，并负责全书统稿和校对，包括专业术语和语言风格的统一及少量注解。我指导的三位博士生杨少增（2014年夏毕业）、尹钟（2015年夏毕业）和夏家骏协助进行了第6~8章的初译和校对工作，在此向他们表示诚挚感谢。特别感谢本书责任编辑——清华大学出版社电子信息事业部主任梁颖先生，他一直鼓励和支持译者完成这个艰巨的翻译项目。在本书翻译过程中，译者和作者Janschek教授一直保持E mail沟通，他的高度信任以及热情鼓励、期盼和支持是我在合理时间内完成这本译著的最大动力。
　　为了忠于原文，保证对原著技术内容的精准理解和传达，并考虑到本书许多内容的跨学科（数学、物理、电子工程、机械工程、控制系统、信号处理、航天、材料等）性质，中文译本以直译为主。对于有些较难或需要精准理解的术语，同时给出了中译和英文原文，供读者交叉参照。最后，限于译者水平和时间，中译本中可能存在错误纰漏之处，敬请有关专家和读者批评指正。
　　译者张建华
　　于华东理工大学
　　2016年4月
　　2012年9月本书作者Janschek教授来华东理工大学访问时给译者的赠书留言：
　　“对我尊敬的同事张建华教授致以最良好的祝愿，Klaus Janschek 2012年9月12日于上海”
　　英文版序
　　这是2010年1月由Springer出版社出版的《机电系统设计》一书的英译本。关于本书的动机、背景以及概念阐述，读者可以参考德文原版的序。
　　在准备德文版以及进行该领域的大量文献调研过程中，我认识到在国际机电一体化领域，仍有不少内容需要这本专著来阐述。而且，很多同事和学生对德文版的积极评价促使我考虑准备其英文版。
　　我从一开始就清楚，只有通过母语为英文且具有广泛良好工程学知识（特别是机电一体化知识）的人的翻译支持，这个项目才能成功。幸运的是，我以前在斯坦福大学航天机器人实验室的访问经历使我得以认识最好的合作伙伴Kristof Richmond博士。Richmond博士是母语为英文并精通德文的斯坦福大学优秀毕业生，也是有高度智慧和批判精神的学术伙伴，他具有我并不期望在一个人身上发现的全部才能。因此，英文版的合作极其顺利，双方都感觉很充实，而且在互联网和Skype时代，这种合作并未受德国与美国之间大西洋的阻隔。我非常感谢Kristof的这项伟大工作。
　　英文版涵盖了德文版的全部内容，但在表述上做了小的改善，并更新了英文参考书目，也有机会纠正德文版中的一些错误。
　　关于对本书反映的所有材料的致谢，读者可以参考德文版的序。但是，对于英文版我还需要感谢两个人。首先感谢我的爱妻Ruth，她以极佳的不断鼓励心态支持并陪伴我第二次爬山远征（幸运的是，这次的山峰远比前次的低，参见德文版的序）。我也感谢并怀念Martin Beck，他于2011年2月在即将取得博士学位前不幸离世。他是我最有才干的博士生之一，也是我讲授机电一体化课程的最密切助手，他对本书的主要贡献包括对本书原始素材的批评性校对，合理的批判性技术与学术讨论以及对改进本书教学表述的诸多建议。他的精神体现在英文版的字里行间。
　　最后，如果没有以Eva Hestermann Beyerle为代表的Springer出版团队的宝贵支持、信任以及优质服务，光有前面提及的努力也不会产生本书。
　　2011年6月，德累斯顿Klaus Janschek
　　德文版序
　　动机
　　为什么要出版另一本机电一体化的书？为什么本书如此大部头，并有这么多描述性文字？
　　在开始写这本书时，我已经回答了第一个问题，原因是“我想再当一次学徒”，由此形成了我完成本书的动机，那时当然还不能猜测其涵盖的范围。在写作过程中，才出现了第二个问题，依据“不要将任何东西隐藏在字里行间和公式中”的范式，我倾向于使用更多的文字阐述。
　　现在讲述一下我的“学徒”故事。我在格拉茨工业大学（TU Graz）电气工程专业学习时，打下了数学与自然科学的坚实基础（这对于一所大学的工程学课程当然是应该期待的）。控制理论专业学习及此后的博士学位攻读为我揭开了“系统”及“面向系统的解决方案”的视角。
　　此后的机械工程与航天开发工程师的“学徒身份”将我引入了以前学习中从未涉足的一个应用领域——复杂非纯一（或异构）系统，如今也称为“机电一体化系统”。我成功地涉足该领域可能得益于两件事： 一是大学教育提供的宽广基础，二是面向系统的问题求解方法。
　　这些年的“学徒”生涯除了使我获得对于富有挑战性的新应用的极佳经验之外，也形成了一个重要认识——必须学会将教育获得的众多方法恰当结合起来。当然，找到正确的路常常是工程师自己的事，但是乐于助人、经验丰富的导师（很幸运，我有很多这样的导师）会使这一过程变得更容易。在整个过程中，我经常思考“作为研发工程师的我所期望的是什么”这一问题，至今仍保留在我的脑海中。
　　1995年以来在德累斯顿工业大学做“学术学徒”译者注： 这是自谦之词，作者1995年起任德累斯顿工业大学自动化工程讲席教授和自动化研究所所长。期间，我有机会将对于“作为一名研发工程师，我的学习和研究期待的是什么？”这一问题的经验传授给工程学生（除了电气与机械工程的经典课程外，也包括部分机电一体化跨学科专业）。这样一来，我的个人教学环路得以闭合（或者更确切地说，我的教与学环路得以闭合），因为教与个人自学紧密相关。
　　这本书的成形源于多年来我讲授的主干课程“建模与仿真”和“机电一体化系统”。
　　然而，最后我发现，在一门学时有限的课程中，将复杂异构系统问题求解知识传授给学生的愿望只能近似实现。讲授基本方法和概念及其简单应用例子是比较容易的，但是在有限的课时中并不能做到更广、更深的技术处理。通过引用更多的科技论著（但很少注解）来补充过于简单的课程大纲，并不能使学生和教师满意。这些原因促使我最终考虑再当“学徒”，其结果将体现在本书中。首先，简要阐明本书的基本结构。
　　方法、模型、概念
　　现在说明一下本书副标题“方法、模型及概念”的起源。
　　模型： 基于自己的职业经验，我意识到模型在系统开发中的极端重要性。航天应用（例如航天飞机的轨道与姿态控制、高精度定向及仪表主动隔振）处理的是复杂非纯一系统，在如今的观念中，这些系统是机电一体化系统的最佳代表。显然，这些系统的开发和测试往往是基于模型的。系统测试与可靠的行为投射（预测）主要是基于预测模型。因此，基于模型的系统开发与设计意味着模型的使用。有趣的是，近年来，基于模型的开发方法也出现在很多地面（非航天）应用（如汽车工业）中，两者同时构成了机电一体化工业中系统开发的发展现状和动态。
　　方法： 为了得到可信的基于模型的行为预测，模型和动态分析必须建立在合理的基础上。系统设计要求恰当的建模方法和全面的整体系统（由非纯一的子系统组成）动态分析方法。因此，我们特别追求的是那些方法，它们能够提供清晰、可靠且易于检验的动态预测，从项目早期阶段的可行性预测以至对计算机辅助设计过程所得结果的检验（永远不要轻信计算机）。
　　概念： 顾名思义，系统“设计”包含高度创造性的活动。在系统设计中，有很多宝贵机会来利用可用的设计自由度，直至这些自由度的条件和边界已知。一本专著肯定不可能提供这种意义下的全部资料和观点，但是本书尽可能尝试有选择地给出一些得到成功应用的物理结构和求解概念，以使读者形成自己解决方法的核心思路。基于面向方法的概念和思路，本书基于数学模型阐述了很多专题，并揭示了不同概念的量化评估方法。
　　本书尝试在同一个框架下系统、自洽地阐述机电系统的重要建模、分析及设计方法。
　　致谢
　　“路径即为目标”，即使最初的目标似乎是清晰描述的。与登山一样，找到正确的路径、追随它并最终到达原来的目标需要一个可信的登山绳队（rope team），这里我要衷心感谢他们（登山队队员）。
　　首先，感谢我的家庭，特别是我的妻子Ruth Janschek Schlesinger（哲学）博士。在这个登顶尝试期间，她以极大的理解和坚强的精神支持陪伴我。我特别高兴的是，我们数十年的伴侣关系也产生了相互之间的职业协同。例如，她成功地将面向系统的问题求解方法集成到艺术治疗与监督任务中，而且她自发、艺术性、打破边界的视野也开阔了我的眼界。
　　诚挚感谢我的同事——德累斯顿工业大学Helmut Bischoff教授、Kurt Reinschke教授以及德累斯顿Fraunhofer集成电路研究所设计自动化部Peter Schwarz工学博士——的许多技术讨论和鼓励。
　　八百多页的手稿当然会包括一些危险的陷阱和绊脚石。特别感谢我的助手——Dipl. Ing. Martin Beck1978—2011年。（他多次校稿，因而需要特别致谢）, 讲师Annerose Braune工学博士, Eckart Giebler工学博士, Dipl. Ing. Sylvia Horn, Dipl. Ing. Thomas Kaden, Dipl. Ing. Evelina Koycheva, Dipl. Ing. Arne Sonnenburg及Dipl. Ing. Edgar Zaunick——对我的手稿所做的仔细、知识渊博的校对和合理的修改建议。
　　我也感谢我的研究团队的其他成员，此项目占用了我不少时间，他们一直都表示理解。我也衷心感谢Petra Moege女士，她的尽责和技能使我能在最近两年不受管理事务的干扰，为本项目成功创造了前提条件。
　　我诚挚感谢Springer出版社成员的精诚合作，他们周详考虑和处理了本书的内容和进度计划。
　　Klaus Janschek
　　2009年10月，德累斯顿

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