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出版者:

作者:林 亨 钟约先

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:39.80元

装帧:

isbn号码:9787302042242

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• 机械控制
• 计算机控制
• 自动化
• 机械系统
• 控制工程
• 嵌入式系统
• 工业控制
• 电机控制
• 传感器
• 控制算法

自动化时代的基石：深入理解现代工业控制系统 本书名称：工业控制系统原理与应用 内容概要： 在当今的工业制造、能源管理乃至智能建筑领域，控制系统的地位如同人体的神经中枢，其稳定、高效的运行直接决定了整个系统的性能与安全性。本书《工业控制系统原理与应用》旨在为读者提供一个全面、深入且极为实用的知识框架，系统地梳理和讲解现代工业控制技术的底层逻辑、核心组件、设计方法以及前沿发展趋势。它不是一部侧重于特定机械设备或某一品牌产品的技术手册，而是聚焦于控制理论在广阔工业场景下的普适性原理与工程实践。 本书的编写深度和广度均超越了基础的入门介绍，力求成为工程技术人员、系统集成商以及高年级工科学生案头的必备参考书。我们坚信，理解“为什么”和“如何做”比仅仅学会“如何操作”一个特定的控制器更为重要。 --- 第一部分：控制系统理论基础与发展脉络 本部分为全书的理论基石，侧重于构建读者对反馈控制系统的宏观认知和数学基础。 第一章：控制系统的演进与分类 本章首先追溯了控制理论从开环控制到现代闭环反馈控制的发展历程，重点探讨了工业革命以来，特别是随着电子技术和计算机技术的飞速发展，控制系统如何从早期的继电器逻辑、气动调节，发展到当前的数字化、网络化智能控制。系统地阐述了控制系统的基本结构、关键性能指标（如稳定性、响应速度、稳态误差）的定义与量化方法。我们将讨论线性与非线性系统、连续时间与离散时间系统的基本区别，为后续的数字控制打下基础。 第二章：经典控制理论回顾与离散化 针对现代控制系统几乎无一例外地采用数字信号处理的现实，本章详细回顾了经典的拉普拉斯变换、传递函数模型，并着重讲解了如何将连续系统模型转化为适用于数字计算机处理的差分方程。内容包括零阶保持器（ZOH）和一阶保持器的作用、双线性变换法等，确保读者能够精确地将连续领域的控制策略映射到离散的数字领域。本章对于理解现代控制器软件内部的工作机制至关重要。 第三章：现代控制理论导论 本章将视角提升到状态空间分析层面，介绍状态变量、状态方程的建立方法。重点讨论了可控性与可观测性的概念及其工程意义。我们将通过具体的物理系统案例（如多自由度机械臂的简化模型）来演示如何利用矩阵代数进行系统分析，并初步探讨基于状态反馈的极点配置技术，为设计更复杂的现代控制器提供理论支撑。 --- 第二部分：核心硬件平台与基础技术详解 本部分深入探讨构成现代工业控制系统的三大支柱性硬件平台及其相互间的通信机制。 第四章：可编程逻辑控制器（PLC）的结构与编程范式 本章不局限于讲解某个特定品牌或系列的PLC，而是深入剖析PLC作为工业控制核心的处理架构、I/O模块的电气特性、扫描周期、中断处理机制等。重点阐述了IEC 61131-3标准下的五种主要编程语言（梯形图、指令表、结构化文本、功能块图、顺序功能图）的各自优势、适用场景及编程规范。尤其关注如何使用结构化文本和功能块图实现复杂的算术运算和数据管理，而非仅仅停留在简单的逻辑控制。 第五章：工业现场总线与网络化控制 随着工厂信息化的推进，现场设备的互联互通成为关键。本章详尽分析了工业通信协议的层次结构。内容覆盖了早期的串行通信协议（如RS-485/Modbus），到实时性要求更高的现场总线技术（如Profibus/DeviceNet、CANopen），再到面向未来工业物联网（IIoT）的以太网基础架构（如Profinet IO、EtherCAT）。每一部分都深入分析了其数据帧结构、同步机制以及在实时数据交换中的性能权衡。 第六章：分布式控制系统（DCS）与过程控制 针对大型、连续性流程工业（如化工、电力）的需求，本章专门解析了DCS的架构特点。强调了其高冗余性、集中监控与分散控制的理念。详细介绍了DCS中常见的控制功能块（如PID控制器、解耦器、前馈控制器）的实现方式，以及如何构建多回路、多变量的集成控制策略。同时，本章也探讨了如何通过历史数据库（Historian）进行数据采集与分析。 --- 第三部分：先进控制策略与工程实现 本部分从经典PID的深入应用开始，逐步过渡到更复杂的、需要强大计算能力的现代控制算法。 第七章：PID控制器的精细调优与高级应用 PID控制器作为应用最广泛的控制算法，本书对其进行了深度的工程化探讨。内容包括但不限于：传统的手动整定法（如Ziegler-Nichols法）的局限性，重点讲解了基于模型的自动整定方法（如模型匹配法）。同时，详细分析了PID在实际工程中遇到的挑战，如积分饱和、死区补偿、增量式PID的实现细节，以及如何针对非线性负载进行自适应或增益调度策略的初步构思。 第八章：系统辨识与模型获取 在进行现代控制设计之前，准确的系统模型是前提。本章聚焦于如何从实际物理系统的输入/输出数据中，估计出系统的数学模型（传递函数或状态空间模型）。内容包括参数估计方法（如最小二乘法）、线性化模型辨识的步骤，以及如何评估辨识结果的准确性和可靠性。本章强调了在噪声环境下的模型辨识技巧。 第九章：现代控制算法在复杂系统中的应用 本章展示了如何应用如LQR（线性二次型调节器）、H-infinity控制等现代方法来解决传统PID难以应对的多输入多输出（MIMO）或强耦合系统问题。同时，介绍了模型预测控制（MPC）的基本原理，解释了其如何在有限的预测时域内优化控制律，处理约束条件，这对于高精度、高效率的复杂过程控制至关重要。 --- 第四部分：安全、可靠性与未来趋势 本部分关注工业控制系统的非功能性需求，以及面向未来的技术方向。 第十章：工业控制系统的可靠性与容错设计 控制系统一旦失效，可能造成巨大的经济损失甚至安全事故。本章专注于冗余技术和故障诊断。详细阐述了硬件层面的热备份、N+1冗余架构，以及软件层面的时间冗余和信息冗余。内容包括三取二（2oo3）投票机制的实现、故障检测和隔离（FDI）的基本方法，以及如何设计容错算法以保证系统在部分组件失效时仍能安全运行。 第十一章：功能安全（Functional Safety）标准与实践 本章系统讲解了国际公认的功能安全标准，如IEC 61508和针对过程工业的IEC 61511。重点解析了安全完整性等级（SIL）的确定过程，以及安全仪表系统（SIS）的设计原则。内容覆盖了从风险分析、安全需求规范（SRS）到安全回路验证的全过程，强调了安全系统的独立性与可靠性指标（如PFDavg）。 第十二章：工业信息融合与控制的未来 本章展望了控制技术与信息技术的深度融合。讨论了大数据分析、云计算/边缘计算在过程优化中的潜力，以及如何利用更先进的算法（如强化学习）来辅助甚至替代部分传统优化控制策略。同时，也涵盖了工业网络安全（ICS Security）的基础知识，以及在分布式架构中如何保护控制系统的完整性与可用性。 --- 目标读者定位： 本书面向自动化、电气工程、机械工程等相关专业的学生、研究生，以及在制造、能源、化工、冶金等领域从事系统设计、维护、升级的工程技术人员。通过对理论的深入剖析和对工程实例的细致讲解，读者将能够脱离对单一品牌或软件包的依赖，真正掌握工业控制系统的设计精髓。 本书特色： 理论深度与工程实践并重： 确保读者不仅理解控制理论的数学基础，更能将其转化为可靠的工程解决方案。 平台中立性： 专注于通用原理，避免对特定商业产品的过度依赖，使知识具有长久的生命力。 强调系统思维： 引导读者从I/O信号采集到最终执行机构的整个闭环链条进行系统化思考。

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从一个自动化专业学生的角度来看，《机械系统计算机控制》的阅读体验是充满挑战但极其充实的。这本书的行文风格非常学术化，充满了德式工程学的精确感，每一个定义都力求无遗漏。我个人认为，它最大的价值在于对“不确定性”处理的细致描绘。在实际的机械系统中，摩擦力、负载波动、传感器噪声是无法完全消除的，这本书没有回避这些“脏数据”，而是系统性地展示了如何用鲁棒控制理论（如$H_{infty}$控制）来设计出对模型微小偏差不敏感的控制器。这使得我开始用一种更具批判性的眼光去看待教科书上那些理想化的控制系统设计。然而，这种严谨也带来了一些阅读上的障碍：某些定理的证明过程冗长且跳跃性较大，需要读者反复查阅参考资料或在草稿纸上重新推导，这无疑拉长了学习周期。总而言之，它是一部需要你投入大量时间去“啃”的硬骨头，但一旦消化，你会发现自己的控制思维得到了质的提升，不再满足于简单的比例调节。

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这本书的结构组织非常清晰，逻辑链条一环扣一扣，读起来很有连贯性。我喜欢它从最基础的系统建模开始，逐步过渡到数字滤波、状态估计，最后才引入复杂的自适应和鲁棒控制策略。这种由浅入深的编排方式，极大地降低了理解复杂概念的认知门槛。作者的叙事风格非常沉稳、客观，没有过多的煽情或夸张，全篇都是干货。尤其是在讲解卡尔曼滤波在机械系统状态观测中的应用时，作者没有直接跳到复杂的矩阵运算，而是先通过一个简化的二维跟踪系统实例，形象地解释了“预测”与“修正”这对核心思想是如何协同工作的，这对我这样偏向应用但理论基础稍弱的读者来说，简直是茅塞顿开。唯一的遗憾是，可能由于出版年代或篇幅限制，书中对于最新一代的嵌入式系统和嵌入式AI在控制中的前沿应用提及较少，比如深度强化学习在非线性机械系统优化中的最新进展，如果能有专门的章节介绍这些热点，那这本书的价值就更加无懈可击了。

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这本书的装帧和印刷质量令人满意，纸张厚实，插图清晰，这对一本需要大量阅读和标记的专业书籍来说非常重要。内容上，我最欣赏它对“人机交互”在机械控制界面中的探讨。虽然主体是关于控制算法的，但作者专门用了一个章节讨论了操作员在紧急情况下如何快速接管系统、如何可视化复杂的运动学数据，以及如何设计直观的报警逻辑。在很多同类书籍中，这部分内容常常被忽略，被视为控制理论之外的“软科学”。《机械系统计算机控制》则将其纳入了系统设计的范畴，体现了作者全面的系统工程观。例如，它建议的HMI（人机界面）设计原则，强调了信息层级的划分和颜色编码的心理学效应，这对于未来开发基于触摸屏的工业控制面板非常有指导意义。这种对“系统”二字全面理解的视角，使得这本书的适用范围不再局限于纯粹的算法研究，而是扩展到了实际的工业应用层面，为我正在进行的项目提供了许多可操作的思路，远超出了我对一本技术书籍的预期。

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这本书的书名是《机械系统计算机控制》，下面是五段不同风格、不同侧重点的读者评价： 这本《机械系统计算机控制》的理论深度着实令人印象深刻，它不像市面上很多同类书籍那样，仅仅停留在对基本概念的罗列和浅尝辄止的介绍上。作者显然对控制工程的底层逻辑有着深刻的洞察力，尤其在描述状态空间法和现代控制理论在复杂机械臂或多自由度系统中的应用时，那种严谨的数学推导和对系统稳定性的分析，让人感觉仿佛回到了最纯粹的工程科学课堂。我特别欣赏其中关于数字信号处理与控制器离散化之间关系的论述，处理得非常精妙。例如，在讨论如何选择合适的采样周期以避免引入不必要的量化误差和时间延迟时，作者不仅给出了公式，还结合了实际系统的响应特性进行了深入的剖析。对于那些希望从“会用”软件工具迈向“理解”控制原理的工程师来说，这本书无疑是绝佳的进阶读物，它迫使你思考“为什么”这样设计，而不是仅仅“如何”实现。不过，对于初学者而言，可能需要提前对线性代数和微分方程有扎实的基础，否则在阅读涉及高阶微分方程组的章节时，可能会感到吃力。总体而言，这是一部为深度学习者量身定做的教科书，内容扎实到几乎可以作为硕士研究生的参考资料。

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初拿到这本《机械系统计算机控制》时，我原本的期待是能找到一本侧重于实践操作和项目案例的指南，毕竟在工业自动化领域，快速落地应用才是王道。然而，翻阅后发现，它的侧重点似乎更偏向于基础理论的系统化构建。书中的图示和流程图设计得比较简洁，甚至有些过于抽象了。例如，书中介绍的PID控制器的整定方法，虽然理论上覆盖了Ziegler-Nichols等经典方法，但缺乏足够多的、配有具体参数和硬件平台对比的实操案例。我期待能看到更多关于PLC、单片机或实时操作系统（RTOS）层面的具体代码片段或接口描述，比如如何用C++或Python去驱动某个特定伺服电机，或者如何处理高速数据采集中的中断机制。这本书更像是一位理论大家的心血结晶，它告诉你控制系统的“蓝图”是什么样的，但对于如何“搬砖”建造，指导性略显不足。如果能增加一些配有硬件实验平台截图和调试心得的章节，比如针对SCARA机器人或CNC机床的案例分析，那它的实用价值会大大提升。目前看来，它更像是理论研究人员的参考手册，而非现场工程师的“救急宝典”。

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