具体描述
《电气控制系统设计基础与范例(第2版)》主要内容：《电气控制系统设计基础与范例》分为上、下两篇。上篇为进行电气控制系统设计所必需掌握的理论基础知识，包括常见的自动控制系统组成和特点、传感器工作原理、工业参数检测仪表以及电控系统常用器件等。下篇除介绍设计电控系统的一般过程和应注意的具体事项外，重点介绍近年来已在企业生产现场成功应用的范例，既有传统的继电接触器控制装置，又有采用PLC、变频器、工控机和组态软件以及现场总线的较复杂的控制系统，还有单片机控制装置以及电气传动系统仿真研究等。这些项目适用的领域包括汽车制造、冶金、矿山、化工、环保、城镇建设等行业。
自动化与智能控制的基石：面向现代工业的原理与实践 一、 本书的定位与核心价值 本书旨在为读者提供一套全面、深入且兼具实践指导意义的自动化与智能控制系统构建知识体系。在当前工业4.0和智能制造浪潮席卷全球的背景下，理解和掌握现代控制系统的设计、实现与优化已成为工程技术人员的必备技能。本书并非着眼于某一特定设备或软件的简单操作手册，而是聚焦于控制理论在实际工程问题中的转化与应用，强调“为什么”和“如何做”的深度结合。 本书的核心价值在于连接了抽象的数学模型与具体的工业现场需求，确保读者不仅能够理解控制系统的基本原理，更能自信地将其应用于复杂、动态、多变的工作环境中。我们特别关注新一代传感器技术、工业物联网（IIoT）集成以及高级算法在传统控制回路中的应用，为读者构建面向未来的技术视野。 二、 章节内容详述 第一部分：控制系统的基础理论重塑与现代视角 第一章：控制系统概述与工业背景 本章首先界定了现代控制系统的范畴，区分了传统的开环、闭环控制与现代的基于模型的控制（MBM）。我们将详细探讨工业自动化金字塔结构，从现场层（传感器、执行器）到控制层（PLC/DCS），再到管理层（MES/ERP）的交互逻辑。重点分析了工业现场对控制系统稳定性和实时性的严苛要求，并引入了可靠性、安全性和可维护性（RAMS）在系统设计初期的考量因素。 第二章：信号处理与执行机构基础 深入剖析工业信号的类型（模拟量、数字量、脉冲量）及其在噪声环境下的有效采集方法。详细介绍各类传感器的选型原则，尤其关注高精度、高可靠性传感器（如激光位移、力矩传感器）的工作原理和线性化处理。在执行器部分，本书不局限于传统的电磁阀和电机，而是深入探讨了伺服驱动系统、变频器（VFD）的控制特性，以及步进电机在精密定位中的应用。强调了I/O点的配置优化和隔离技术。 第三章：经典控制理论的工程应用深化 本章对经典的传递函数、状态空间法进行回顾，但重点在于工程实现中的近似与简化。详细阐述了PID控制器的深入调谐艺术，超越了Ziegler-Nichols法，探讨了基于模型的参数辨识与自适应PID（APID）的应用场景。此外，引入了前馈控制、级联控制在消除时滞和抑制干扰方面的实用技巧，这些都是提升系统性能的关键。 第二部分：现代过程控制与高级算法 第四章：离散时间系统与数字控制实现 鉴于绝大多数现代控制系统基于微处理器或嵌入式系统实现，本章着重于连续时间系统向离散时间系统的转换（如欧拉法、双线性变换）。详细分析了采样周期、量化误差对控制性能的影响。内容涵盖了数字滤波器的设计（如FIR/IIR）用于信号预处理，并介绍了基于实时操作系统的任务调度策略，以保证控制回路的确定性。 第五章：现代控制理论在工程中的应用 本章聚焦于状态空间表示法在复杂多输入多输出（MIMO）系统中的应用。详细讲解了极点配置、状态观测器的设计（如卡尔曼滤波器的简化工程应用），这些技术对于处理系统内部状态难以直接测量的场景至关重要。同时，探讨了鲁棒控制（H∞控制）的基本思想，用于应对系统参数不确定性。 第六章：先进控制策略与模型预测控制（MPC） 作为本书的高级篇章，MPC的原理和工程实现被详细拆解。本书将MPC的滚动时域优化过程可视化，解释了约束处理（输入约束与状态约束）如何融入优化问题。通过实际案例，演示MPC如何有效处理系统耦合性强、存在大量操作限制的流程工业或高端运动控制场景，是实现自动化优化决策的核心技术。 第三部分：系统集成、可靠性与故障诊断 第七章：工业网络通信与数据集成 全面梳理工业现场的总线技术（如CAN、Profibus、DeviceNet）和工业以太网（Profinet、EtherNet/IP）的架构、时序特性和数据帧结构。重点讲解OPC UA作为跨平台数据集成标准的地位，以及如何利用MQTT协议实现控制数据向云端或边缘计算节点的安全、高效传输。 第八章：控制系统的可靠性工程与安全设计 本章强调控制系统不仅仅要“能工作”，更要“可靠且安全地工作”。详细介绍了冗余架构的设计（硬件、软件、信息冗余），故障检测、隔离与恢复（FDIR）的策略。引入了功能安全标准（如IEC 61508/61511）的基本概念，指导读者如何进行风险评估和安全完整性等级（SIL）的确定。 第九章：故障诊断与性能优化 探讨了基于模型和基于数据驱动的故障诊断方法。内容包括残差生成、阈值设定、以及利用机器学习方法进行早期故障的模式识别。此外，本章还覆盖了系统在长期运行中性能漂移的分析，以及如何利用系统辨识技术（System Identification）对运行中的系统模型进行在线修正，以确保长期的控制性能最优。 三、 本书的特色与读者对象 本书的特色在于理论的严谨性与实践的指导性并重。我们摒弃了纯粹的数学推导堆砌，而是将每一种理论工具都置于具体的工业难题之下进行剖析，并通过丰富的工程案例和流程图进行辅助说明。 本书适合以下读者群体： 1. 自动化、电气工程、机械电子工程专业的高年级本科生和研究生：作为深入学习控制理论工程化应用的教材。 2. 从事自动化系统集成、设备设计与维护的工程师：作为提升系统设计能力和解决复杂控制难题的参考手册。 3. 希望向更高级、更智能的控制系统过渡的技术人员：为理解和应用现代控制算法（如MPC）打下坚实基础。 通过系统学习本书内容，读者将能够从容应对从基础回路调优到复杂多变量系统优化的全系列挑战，成为具备深厚理论功底和卓越工程实践能力的复合型人才。
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