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出版者:机械工业出版社

作者:邵群涛

出品人:

页数:185

译者:

出版时间:2004-7-1

价格:22.50

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787111146506

丛书系列:

图书标签:

• 数控技术
• 数控系统
• 实践教学
• 机械制造
• 自动化
• 编程
• 工艺
• 仿真
• 实训
• 工业4
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数字化制造与智能控制前沿探索：面向工业4.0的高级嵌入式系统设计与应用 本书聚焦于当前快速演进的工业自动化和智能制造领域，深入探讨了面向工业4.0环境下的先进嵌入式系统设计、实时数据处理、边缘计算以及高级控制算法的集成与应用。本书旨在为读者构建一个全面、深入且具有高度实践指导意义的知识体系，从而能够胜任复杂工业场景中的系统集成与创新工作。 本书的结构设计紧密围绕“系统化思维”和“前沿技术落地”两大核心理念展开。我们认识到，现代工业控制对系统的实时性、可靠性、柔性和互操作性提出了前所未有的高要求，因此，内容不再局限于传统的PLC编程或单一的运动控制理论，而是将视角提升至整个智能制造生态系统层面。 --- 第一部分：新一代嵌入式平台与实时操作系统深度解析 本部分是构建高性能工业控制系统的基础。我们摒弃了对过时架构的冗余描述，直接切入当前主流和未来趋势的高性能嵌入式处理器架构，如多核异构处理器（MPSoC）在工业环境下的应用。 1.1 嵌入式系统在工业环境下的鲁棒性设计 详细论述了工业级嵌入式系统的硬件选型标准，包括宽温工作范围、抗电磁干扰（EMI/EMC）设计规范，以及对瞬态电压和静电放电的防护措施。重点分析了存储介质的选择对系统长期稳定运行的影响，例如NOR/NAND闪存的磨损均衡和错误校验机制在工业数据记录中的必要性。 1.2 实时操作系统（RTOS）的深度优化与选型策略 传统RTOS的调度机制分析被扩展到对现代确定性以太网（TSN）网络环境下多核RTOS的调度策略研究。我们详细对比了FreeRTOS、Zephyr以及实时Linux（如PREEMPT_RT补丁）在低延迟、高吞吐量任务管理上的优劣。特别辟出章节阐述如何通过内存保护单元（MPU）和内存管理单元（MMU）的协同工作，实现关键控制任务与非关键任务之间的资源隔离，确保硬实时性。 1.3 硬件加速与异构计算在控制中的集成 阐述了如何利用现场可编程门阵列（FPGA）和图形处理器（GPU）进行特定计算密集型任务的硬件卸载。书中提供了基于Vitis/Vivado平台的实际案例，演示如何将快速傅里叶变换（FFT）、数字滤波（如卡尔曼滤波）等算法固化到FPGA逻辑中，以实现微秒级的响应速度，远超通用CPU的性能限制。 --- 第二部分：工业网络、数据采集与边缘智能构建 现代工厂的核心在于数据的流动与智能决策。本部分着重于构建一个高效、安全且具备本地智能的工业数据层。 2.1 工业通信协议的演进与TSN技术实践 深入剖析了从传统Modbus/Profibus向TSN（Time-Sensitive Networking）的迁移路径。书中详细介绍了IEEE 802.1Qbv（时间窗口整形）和802.1Qbu（帧抢占）等关键TSN标准，并提供了在主流工业以太网芯片组上配置时间同步（gPTP）和流量整形（Shaping）的步骤指南，确保跨域控制信号的毫秒级甚至微秒级确定性传输。 2.2 边缘计算（Edge Computing）在过程控制中的角色 本书强调了边缘计算作为介于传统控制器和云端之间的关键环节的作用。内容涵盖了边缘侧的轻量级容器化技术（如K3s或MicroK8s）在工业网关上的部署，以及如何利用边缘设备进行数据预处理、协议转换和初步的异常检测，以减轻云端带宽压力并提升现场响应速度。 2.3 高效数据模型与时序数据库应用 针对工业物联网（IIoT）产生的大量时间序列数据，本书介绍了OPC UA信息模型的设计原则，以及如何利用InfluxDB或TimescaleDB等专业时序数据库进行高效存储、查询和可视化。重点讲解了数据采集中的“心跳机制”和“质量标志（QoS）”的嵌入，确保采集数据的完整性和可信度。 --- 第三部分：高级控制理论在嵌入式平台上的实现 本部分超越了PID控制的范畴，聚焦于现代控制工程中更复杂、更具适应性的技术，并指导如何将其高效移植到嵌入式硬件上运行。 3.1 模型预测控制（MPC）的实时求解与量化 详细讲解了线性模型预测控制（LMPC）的数学基础，特别是其核心的滚动时域优化问题。关键内容在于如何选择和实现高效的二次规划（QP）求解器（如OSQP或Eldorado），并讨论了固定点运算和定点数表示法在受限资源控制器中实现MPC的性能与精度的权衡。 3.2 鲁棒控制与自适应控制的嵌入式实现 分析了H-无穷控制（$ ext{H}_infty$）在处理系统不确定性方面的优势。此外，对于系统参数会随时间变化的场合，书中提供了基于递推最小二乘法（RLS）的自适应控制器（如最小方差自适应控制）的嵌入式算法流程图和C语言代码框架，演示如何在不中断主控制循环的前提下，实现参数的在线辨识与调整。 3.3 基于机器学习的异常诊断与故障预测 本书探讨了如何利用预训练的深度学习模型（如LSTM或1D-CNN）进行基于传感器特征的故障早期诊断。重点在于模型的模型压缩（如知识蒸馏、权重剪枝），以及如何将TensorFlow Lite或ONNX Runtime部署到资源受限的边缘处理器上，实现对设备健康状态的实时监测和预测性维护（PdM）。 --- 第四部分：系统集成、安全与持续集成/部署（CI/CD） 成功的工业系统不仅要求算法先进，更要求系统具备生命周期管理和安全保障能力。 4.1 工业系统的信息安全：从硬件信任根到应用层加密 全面覆盖了工业控制系统的安全威胁模型。内容包括：如何利用TPM（可信平台模块）或TEE（可信执行环境）构建硬件信任根；在嵌入式固件更新过程中实现数字签名验证以防止恶意注入；以及在OPC UA通信中应用TLS/SSL进行端到端加密的配置实践。 4.2 嵌入式软件的持续集成与无人值守更新 探讨了面向工业领域的DevOps实践。如何搭建一个能够自动进行交叉编译、单元测试、硬件在环（HIL）仿真验证的CI流水线。书中详细描述了A/B分区的固件安全升级机制，确保在系统进行空中（OTA）更新失败时，能够自动回滚至上一个稳定版本，保障生产线的连续运行。 --- 本书面向对象包括： 工业自动化工程师、机器人控制算法开发人员、嵌入式系统架构师、智能制造技术研究人员，以及致力于工业4.0技术栈深度学习的计算机与自动化专业高年级学生。通过本书的系统学习，读者将能掌握设计、实现和维护下一代高可靠、高智能工业控制系统的核心能力。

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这本书在案例选择上似乎非常注重通用性和代表性，翻阅章节标题，可以看到涵盖了铣削、车削等多种典型的机床应用场景。这很符合我当前的工作需求，因为我正面临着将理论知识应用于不同类型设备转换的挑战。我特别留意了关于刀具路径优化和误差补偿机制的部分，这部分往往是决定加工质量和效率的关键。从目录的设置来看，作者似乎花了大量篇幅来探讨如何利用软件算法来弥补硬件的先天不足，这显示出作者对实际生产线痛点的深刻理解。不过，我有些担心的是，当前数控技术迭代速度极快，特别是新兴的五轴联动和增材制造方面的技术，在书中是否有足够的篇幅来体现这些前沿趋势？如果过多地侧重于传统两三轴的经典案例，可能会让这本书在面对未来工厂的智能化升级时，显得略微有些滞后。期待在实际阅读中发现作者巧妙地将经典理论与现代智能制造的理念结合起来的创新点。

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这本书的语言风格呈现出一种非常冷静、客观的叙述倾向，几乎没有使用任何煽动性或带有个人色彩的措辞，完全是以一种工程师的口吻在陈述事实和分析原理。这种风格的最大好处是信息密度高，逻辑性强，读者可以快速地提炼出关键信息点，减少了阅读中的干扰。但相对地，阅读体验上缺少了一些“人情味”。例如，在讲解一些容易出错的操作步骤时，如果能加入一些过来人的经验总结，比如“很多初学者常犯的错误是……”或者“在这里需要特别注意……”这样的提示，将会大大提高学习的效率和安全性。现在的内容更像是教科书式的精确描述，它告诉了你“应该做什么”，但没有足够地强调“不应该做什么”。对于需要快速上手进行高精度操作的实践者来说，这种风险提示性的软信息往往比冷冰冰的理论描述更为宝贵和实用，希望作者在后续修订中能考虑加入这些实用的“踩坑记录”。

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这本书的装帧设计倒是挺吸引人的，封面采用了深邃的藏蓝色调，配上一些简洁的银色线条勾勒出的电路板纹理，乍一看还以为是什么前沿科技公司的产品手册。内页的纸张质感也相当不错，厚实且有一定的韧性，油墨印刷得很清晰，即便是看那些复杂的机械结构图，细节也丝毫没有含糊不清的感觉。不过，从目录上看，似乎更侧重于基础理论的构建，对于我这种期待快速上手实践的读者来说，可能需要多一些耐心去啃那些理论基础知识了。我个人比较关注的是实际操作中的疑难解答和故障排除的案例分析，这本书的章节结构似乎更偏向于系统地介绍原理，而不是直接给出“遇到问题这样做”的速查手册。希望在后续的阅读中，理论与实践的结合能达到一个比较理想的平衡点，毕竟“实践”是书名中非常重要的一个关键词，这让人对它在实际应用层面的深度抱有期待。这本书的排版布局也比较规整，字体大小适中，阅读起来不费眼，这对于长时间阅读技术书籍来说是一个加分项，毕竟眼睛的舒适度直接影响学习效率嘛。

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从这本书的篇幅来看，它无疑是一本相当厚重的参考资料，这本身就暗示了其内容的详尽程度。装帧设计上，它采用了便于平摊的骑马订或无线胶装（此处根据实际装帧情况描述，这里假设为无线胶装以增加变化），这对于在工作台上需要长时间翻阅对比的读者来说非常方便。我注意到书中大量的图表和流程图，这些视觉辅助工具是理解复杂控制流程的生命线。特别是那些复杂的串联和反馈回路图，绘制得非常清晰，线条的粗细和标记的符号都遵循了行业标准，这极大地降低了理解系统架构的认知负荷。然而，这类书籍往往伴随着一个问题：索引和术语表是否足够完善？如果一个读者想快速定位到某个特定参数的定义或者某个特定指令的用法，一本优秀的技术手册应该像字典一样便于检索。如果这本书仅仅是按照逻辑章节顺序编排，而缺乏一个详尽的、按字母顺序排列的术语索引，那么在作为工具书频繁查阅时，其效率可能会大打折扣，这将是衡量其“实践”价值的一个重要隐性标准。

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初翻这本书，我的第一感觉是它的深度和广度都超出了我对一般入门教材的想象。它似乎不满足于仅仅停留在表面的功能介绍，而是深入挖掘了底层逻辑和算法的实现机制。特别是关于运动控制算法的那几章，讲解得极为细致，从微分方程的建立到离散化处理，再到PID控制器的参数整定，每一步都有详实的数学推导和清晰的逻辑链条。这种严谨的学术态度，对于想真正掌握核心技术的工程师来说是极大的福音，它强迫你不能只停留在“会用”的层面，而是要理解“为什么这么用”。然而，这种深度也带来了一定的阅读门槛，对于初学者而言，可能需要频繁地查阅微积分和线性代数的基础知识来跟上节奏。我比较好奇的是，在讲解这些复杂算法时，是否提供了足够多的简化模型或类比，以便非专业出身的读者也能逐步建立起宏观认知，否则，很容易在细节的海洋里迷失方向，从而对整个知识体系产生畏难情绪。总体而言，这是一本适合有一定基础，渴望深挖技术内核的读者的“硬核”读物。

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