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出版者:

作者:曹润生

出品人:

页数:370

译者:

出版时间:2000-4-1

价格:23.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787308000369

丛书系列:

图书标签:

• 过程控制
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• 自动化
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• 控制系统

深度学习在复杂系统建模与优化中的前沿应用 本书深入探讨了当代信息技术，特别是深度学习（Deep Learning, DL）技术，在处理复杂系统建模、状态估计与过程优化方面的最新进展与实践应用。本书旨在为高级工程技术人员、科研人员以及相关专业的研究生提供一个全面而深入的视角，涵盖理论基础、前沿算法以及工业级应用案例。 第一部分：复杂系统建模与深度学习基础 本部分首先回顾了传统系统辨识与建模方法的局限性，重点介绍了在非线性、高维、时变系统背景下，深度学习作为一种强大的非参数建模工具的必要性。 第一章：复杂系统的挑战与深度学习的契合点 复杂系统的特征分析： 探讨了工业过程、生物系统、能源网络等复杂系统所面临的非线性、不确定性、延迟效应和海量数据挑战。 传统建模方法的不足： 对比分析了基于第一性原理（First Principles）和经典统计模型（如ARIMA、卡尔曼滤波）在处理高复杂度问题时的结构性限制。 深度神经网络（DNN）的结构优势： 阐述了多层网络结构在特征层次化提取和逼近任意函数方面的能力，以及其如何有效应对高维输入空间。 深度学习在过程控制中的角色定位： 明确了DL在数据驱动建模、故障诊断和强化学习策略制定中的核心作用。 第二章：深度神经网络基础及其在时间序列处理中的特化 本章系统地介绍了构建有效过程模型的关键网络架构，并着重讲解了如何处理工业中普遍存在的时间序列数据。 多层感知机（MLP）回顾与局限： 简要回顾基础网络结构，并指出其在捕捉序列依赖性方面的不足。 循环神经网络（RNN）与梯度消失问题： 详细分析了标准RNN的原理，以及梯度消失/爆炸问题对长期依赖建模的影响。 长短期记忆网络（LSTM）与门控循环单元（GRU）： 深入剖析了LSTM和GRU的内部结构（输入门、遗忘门、输出门），阐释其如何通过“门控”机制有效地学习和记忆长期信息。 时间卷积网络（TCN）： 介绍TCN作为RNN的替代方案，利用因果卷积和扩张卷积在高并行性下实现对时间依赖的有效捕获。 注意力机制（Attention Mechanism）的引入： 解释注意力机制如何帮助网络动态地聚焦于输入序列中最相关的部分，提升模型对关键事件的敏感性。 第二部分：高级过程建模与状态估计 本部分聚焦于如何利用深度学习技术构建高精度的过程模型，并实现对系统内部不可测状态的实时、准确估计。 第三章：数据驱动的过程建模技术 自编码器（AE）与变分自编码器（VAE）在降维与特征学习中的应用： 探讨如何使用AE/VAE对高维传感器数据进行特征压缩和去噪，为后续的辨识和控制提供低维、有意义的潜在空间表示。 深度模型预测控制（MPC）的基础框架： 介绍如何将深度神经网络作为非线性系统的动态模型嵌入到MPC的优化求解器中，实现对未来多步行为的预测。讨论模型不确定性对MPC稳定性的影响。 混合模型（Hybrid Modeling）： 阐述了结合物理机理（如质量、能量守恒方程）与深度学习（用于建模未知的动力学项或摩擦力）的混合建模方法，以平衡数据依赖性与系统可解释性。 第四章：基于深度学习的状态与故障观测 本章深入研究如何利用深度网络进行系统状态的隐式估计（Soft Sensing）和早期故障的识别。 深度软测量技术： 针对无法直接测量的关键质量指标（如化学反应产率、聚合物分子量），利用易测量变量构建高精度预测模型。对比了全连接网络、LSTM与TCN在软测量精度上的表现。 深度信念网络（DBN）与深度玻尔兹曼机（DBM）： 探讨这些生成模型在无监督特征学习和异常检测中的潜力。 基于残差的学习与故障诊断： 建立“正常运行”的深度模型，通过比较实时数据与模型预测之间的残差，设计基于统计过程控制（SPC）的深度残差监控指标，实现对早期、微小故障的敏感检测。 半监督与迁移学习在小样本故障识别中的策略： 针对工业数据标注成本高昂的问题，研究如何利用少量标记数据和大量未标记数据进行有效的模型训练。 第三部分：深度强化学习在过程优化与控制中的应用 本部分将焦点从模型预测转向决策制定，重点介绍深度强化学习（DRL）如何解决传统控制方法难以处理的复杂优化目标和动态约束问题。 第五章：深度强化学习的基本框架与离散系统控制 DRL基本元素回顾： 详细解释状态空间、动作空间、奖励函数的设计原则，以及探索（Exploration）与利用（Exploitation）的平衡。 值函数方法： 深入剖析深度Q网络（DQN）及其变体（如Double DQN, Dueling DQN）在线性与有限状态空间过程中的应用。 策略梯度方法： 阐述REINFORCE算法，并重点介绍Actor-Critic（A2C/A3C）架构，如何在连续动作空间中稳定地学习最优控制策略。 第六章：连续控制与先进的深度策略优化 本章关注DRL在连续、高维控制任务中的前沿算法实现。 确定性策略梯度（DPG）家族： 深入解析深度确定性策略梯度（DDPG）和软性Actor-Critic（SAC），它们如何通过在连续动作空间中直接优化策略，实现对执行器更精细的控制。 模型预测强化学习（MPRL）： 探讨将深度学习模型（如前述的神经网络模型）作为环境模型的组成部分，使智能体能够进行前瞻性规划，显著提高样本效率和安全性。 安全与约束处理： 针对工业过程对安全性的极端要求，讨论如何将硬约束（如设备安全限值）嵌入到DRL的奖励函数设计或采样过程中，例如使用“惩罚项”或“约束满足的Actor-Critic (CSAC)”。 第四部分：工程实施、可解释性与未来展望 本书的最后部分回归实践，讨论了将深度学习方法从仿真环境迁移到真实工业控制系统的关键挑战与解决方案。 第七章：模型验证、部署与边缘计算 工业数据的预处理与偏差处理： 探讨传感器漂移、数据缺失和概念漂移（Concept Drift）对深度模型性能的长期影响，以及在线再训练和自适应机制的设计。 模型压缩与实时部署： 介绍知识蒸馏（Knowledge Distillation）和网络剪枝技术，以减小模型体积和计算延迟，满足实时控制系统的苛刻要求。讨论将轻量化模型部署到边缘控制器（Edge Devices）的策略。 可解释性AI（XAI）在过程控制中的重要性： 强调控制工程师对“为什么”做出决策的理解需求。介绍LIME、SHAP值在解释深度模型对关键变量敏感度方面的应用，以建立对数据驱动控制策略的信任。 第八章：前沿研究方向与工业未来 联邦学习（Federated Learning）在跨工厂优化中的潜力： 探讨如何在保护数据隐私的前提下，利用多家工厂的数据共同训练更鲁棒的全局模型。 因果推断与深度学习的融合： 讨论如何超越相关性分析，利用深度模型识别控制变量与被控变量之间的真正因果关系，以指导更有效的实验设计和控制策略迭代。 自主优化与自适应控制的未来集成： 展望完全由AI驱动的、具备自我诊断和自我优化的智能制造系统，其中深度学习模型将是实现决策智能化的核心驱动力。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 每个章节都配有详细的算法伪代码和基于真实或高保真仿真过程（如化学反应器、精馏塔）的案例分析。 聚焦前沿技术： 涵盖了从LSTM到最新的Transformer结构在时间序列控制中的应用。 强调工程落地： 专门设置章节讨论了模型部署、可解释性及模型鲁棒性，直接面向工业界的需求。 目标读者： 过程控制、自动化、化学工程、机械工程等领域的研究生及博士生，流程工业（石化、电力、冶金）的研发工程师和自动化专家。

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这本厚重的家伙拿到手里，沉甸甸的感觉就让人知道它绝不是什么泛泛而谈的入门读物。书页的质感相当不错，纸张没有那种廉价的漂白感，长时间翻阅下来眼睛也不会太累，这对于需要啃读大量技术细节的读者来说绝对是个加分项。我注意到它的排版设计也挺下功夫的，图表清晰，公式的推导过程标注得非常详尽，即便是那些看着就让人头皮发麻的微分方程，也能被拆解得井井有条。特别是关于传感器和执行器的部分，插图的精度很高，能让人直观地理解那些复杂的机械结构和电气连接，这一点对于我们这些动手能力和理论知识都需要兼顾的工程学生来说，简直是福音。随便翻到一章，发现它对PID控制器的参数整定方法讲得极其透彻，不只是停留在公式演算层面，还结合了实际工业过程中的各种约束条件进行了深入探讨，比如饱和、死区等非线性因素的影响分析，这些都是教科书上容易被一带而过但实际工作中又避不开的痛点。感觉作者对这个领域是真爱，把这些看似枯燥的理论知识，用一种非常严谨又充满条理性的方式呈现了出来，读起来虽然需要集中精力，但每消化一小块知识点，那种“原来如此”的满足感是实实在在的。

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我发现这本书在处理“自动化系统集成”方面的内容比我预期的要深入得多。以往的教材多半集中在单回路或串级控制的细节上，但这本书很早就在讨论分布式控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）在整个过程控制链条中的作用。它不仅仅是简单介绍硬件功能，更深入地探讨了它们之间的数据交换协议、网络冗余设计以及如何保证实时性。特别是关于**先进过程控制（APC）**的介绍，它没有停留在模型预测控制（MPC）的理论公式上，而是图文并茂地展示了如何根据实际的工艺流程图（PFD）来确定控制结构、建立降阶模型，以及如何处理多变量耦合问题。我特别喜欢它在描述控制室操作界面设计时所采用的“人机工程学”视角，提醒读者，无论控制算法多么先进，最终的可靠性都取决于操作人员能否在紧急情况下快速、准确地做出判断和干预。这种跨学科的整合视角，让这本书的价值远远超出了传统的过程控制范畴。

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这本书的写作风格有一种沉稳且不容置疑的权威感，但这种权威感并非来自于故作高深，而是源于内容本身的扎实和逻辑的严密。它的语言组织极其凝练，几乎没有一句废话，每一个句子似乎都是为了传递特定的信息而存在的。我注意到，很多关键概念的定义和公式的推导，都遵循了**先提出问题，再进行数学建模，最后给出解决方案**的清晰路径，这使得整个学习过程像是在解一个层层递进的谜题，而不是被动地接受信息灌输。对于那些基础薄弱的同学来说，可能需要配合辅助资料来理解最底层的数学基础，但对于已经具备一定工科背景的读者而言，这本书的效率是极高的，因为它假设了读者具备一定的先修知识，从而能把笔墨集中在如何将这些基础知识转化为实际的控制系统设计上。书中的术语使用也极其规范，几乎完全采用了行业标准符号，这对于未来直接阅读国际标准或前沿论文非常有帮助，避免了因教材术语不统一而产生的理解障碍。

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初次接触这类专业书籍，我总是担心它会陷入纯理论的泥沼，让人读完后依然摸不着北，但这本教材完全没有这种倾向。它非常注重实际应用的对接性，很多章节在讲解完基本原理后，立刻会引入典型的工业案例进行分析。比如在讲述模糊控制的章节，它并没有仅仅停留在“隶属度函数”的数学描述上，而是详细对比了它在化工反应釜温度控制和水处理系统流量控制中的不同侧重点和参数选择逻辑，这种由点及面的展开方式极大地拓宽了我的视野。而且，书中对不同控制策略的优缺点进行了客观的比较，没有出现“某个方法就是最好的”这种武断的结论，而是引导读者根据具体工况去权衡选择，体现了非常成熟的工程思维。我尤其欣赏它在“故障诊断与安全联锁”部分的处理方式，这部分内容往往在其他教材中被弱化，但这本书却用专门的篇幅详细阐述了如何利用过程变量的异常模式来预判设备故障，并设计可靠的紧急停车程序，这对于培养系统安全意识至关重要。读完这一块，感觉自己不仅仅是在学习控制理论，更是在学习如何安全、稳定地运行一个复杂的工业系统。

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从内容覆盖的广度和深度来看，这本书的编写者显然是站在行业前沿的专家群体。它在传统的热力学、流体力学基础控制应用讲解得极为详尽扎实的同时，还为我们描绘了下一代智能制造的蓝图。例如，关于**基于模型的系统工程（MBSE）**在过程控制设计中的应用，以及如何将机器学习方法初步引入到复杂批次过程的优化调度中，这些前瞻性的内容虽然篇幅不算特别大，但为有志于深入研究的读者指明了方向，提供了极具价值的参考点。书中的附录部分也十分实用，里面包含了大量常用的工程计算公式汇总和标准行业规范的引用，这使得它不仅是一本学习教材，更是一本可以放在工作台上随时查阅的工具手册。总而言之，它成功地在“教学性”和“实用性”之间找到了一个近乎完美的平衡点，对于志在成为优秀过程控制工程师的每一位学习者来说，这都是一本不可或缺的基石之作。

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