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出版者:机械工业出版社

作者:陈在平

出品人:

页数:629

译者:

出版时间:2002-7-1

价格:37.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111102564

丛书系列:

图书标签:

• 自动化
• PLC
• 可编程控制器
• 工业自动化
• 系统设计
• 电气工程
• 控制工程
• 传感器
• 执行器
• 编程技术
• 应用案例

图书简介：先进控制理论与工业自动化系统集成 本书聚焦于现代工业自动化领域的核心技术与前沿发展，深入剖析了经典控制理论在复杂系统中的应用拓展，并详细阐述了面向工业物联网（IIoT）的系统集成策略与实施细节。 --- 第一部分：现代控制理论的深化与拓展 本部分旨在为读者构建一个坚实的理论基础，超越传统PID控制的局限性，介绍复杂动态系统的高级控制方法。 第一章：非线性系统的分析与控制 本章从深入理解系统的固有非线性特性入手，探讨了传统线性化模型在处理强耦合、多变量系统时的不足。重点讲解了以下关键技术： 1. 滑模变结构控制（SMC）：详细解析了滑模控制的设计原理，包括如何选择合适的切换函数以确保系统状态收敛至理想的滑模面。讨论了颤振现象的产生机制及其在实际工业应用中的抑制方法，例如引入趋近律的改进策略。 2. 背景激励控制（Feedback Linearization）：阐述了如何通过坐标变换和状态反馈将非线性系统转化为线性系统，从而应用成熟的线性控制技术。通过具体的机械臂和化工反应器案例，演示了精确反馈线性化的步骤和局限性（如依赖于精确的系统模型）。 3. 模糊逻辑控制（FLC）：作为一种基于专家知识的控制方法，本章详细介绍了模糊集的定义、隶属度函数的选择、模糊推理机制（Mamdani和Takagi-Sugeno模型）以及去模糊化过程。重点讨论了如何将模糊规则库与传统PID控制进行有效融合，形成混合控制结构，以应对模型不确定性。 第二章：鲁棒控制与优化控制策略 本章关注在存在模型误差、外部扰动和参数变化等不确定性条件下，如何设计具有良好性能和稳定性的控制器。 1. $mathcal{H}_{infty}$ 控制理论：本章深入探讨了 $mathcal{H}_{infty}$ 范数的数学定义及其在控制系统中的物理意义（对输入扰动的敏感度）。详细介绍了基于 Riccati 方程的 $mathcal{H}_{infty}$ 控制器设计流程，适用于需要严格保证性能指标（如带宽、抑制比）的航空航天和精密运动控制系统。 2. 模型预测控制（MPC）：作为一种前瞻性的优化控制方法，MPC 的核心思想被详细剖析。重点讲解了在每个采样周期内，如何建立一个有限时间域内的优化问题（通常是二次规划问题），求解最优控制序列，并仅实施第一个控制动作。讨论了约束处理（状态约束、输入约束）和模型失配对 MPC 性能的影响。 3. 自适应控制基础：介绍了基于模型的自适应控制（如 MRAC - 模型参考自适应控制）和无模型的自适应控制（如基于梯度的自适应方法）。阐述了如何利用误差信号在线调整控制器参数，以适应未知的或时变的系统动态特性。 --- 第二部分：面向工业物联网（IIoT）的自动化系统设计 本部分将理论控制与现代信息技术相结合，探讨下一代工业自动化架构的设计、实施与安全挑战。 第三章：工业网络通信协议与数据模型 本章系统性地梳理了支撑现代工业控制和数据交换的关键通信技术，强调了确定性、实时性和互操作性的要求。 1. 实时以太网技术：详细对比了 EtherCAT、PROFINET IRT、EtherNet/IP (CIP Sync) 等主流实时工业以太网协议的帧结构、同步机制（如分布式时钟 DC）和性能指标。分析了它们在分布式驱动和高速运动控制中的应用场景。 2. 基于语义的互操作性：超越了传统的设备级通信，本章深入研究了 OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）的数据建模能力。讲解了如何利用 OPC UA 的信息模型（Information Modeling）来描述复杂的工业资产、过程和数据流，实现跨平台、跨厂商的语义级数据集成。 3. TSN（时间敏感网络）：作为实现通用以太网承载混合流量的关键技术，TSN 的流量整形、调度机制（如 IEEE 802.1Qbv 虚拟通道）和端到端时间同步（IEEE 802.1AS）被详细介绍，展望了其在未来全厂网络融合中的作用。 第四章：分布式架构与边缘计算在控制中的应用 本章关注控制功能如何从传统的集中式架构向分布式、分层的现代架构演进，特别是边缘侧计算的重要性。 1. PAA（过程自动化架构）与 ISA-95/IEC 62264 模型：系统梳理了分层控制架构，从现场设备层（Level 0/1）到操作管理层（Level 4）。重点分析了控制职能如何映射到 ISA-95 模型中的不同层级，以及数据在这些层级之间的流动和转换需求。 2. 分布式控制系统（DCS）的演进：探讨了新一代 DCS 在软件定义、虚拟化和高可用性方面的进步。对比了传统 DCS 与基于软硬件解耦架构的优势与挑战。 3. 工业边缘计算（Edge Computing）的设计：阐述了边缘计算在工业现场的定位——在接近数据源的地方进行实时数据预处理、本地化控制算法执行和低延迟决策。详细介绍了边缘节点的硬件选型（如高可靠性嵌入式平台）以及在边缘侧部署轻量化机器学习推理模型的实践方法。 第五章：工业信息安全与系统可靠性设计 在控制系统日益网络化的背景下，本章提供了构建安全、高可靠工业系统的关键视角。 1. OT/IT 融合安全模型：分析了操作技术（OT）环境与信息技术（IT）环境在安全需求上的根本区别（如优先级的不同——可用性优先于保密性）。介绍了 Purdue 模型在安全隔离和区域划分中的应用，并讲解了如何建立有效的边界控制机制（如单向网关、工业防火墙）。 2. 网络入侵检测与防御：针对工业控制系统（ICS）的特点，介绍了基于流量分析（Flow Analysis）和深度包检测（DPI）的 ICS 专用入侵检测系统（IDS）。重点关注如何识别 Modbus/TCP、DNP3 等工控协议中的异常命令序列，以检测针对控制逻辑的攻击。 3. 系统冗余与故障恢复策略：涵盖了硬件冗余（如双机热备、冗余总线）和软件冗余（如基于投票机制的容错控制）。详细讨论了从故障检测到切换的过渡时间（Switchover Time）对控制性能的影响，并提出了基于预测性维护的可靠性增强措施。 --- 本书适合对象： 自动化工程、电气工程、机械电子工程等专业的本科高年级学生、研究生，以及在工业现场从事系统集成、控制算法开发、工厂数字化转型的高级工程师和技术管理人员。通过阅读本书，读者将能够全面掌握先进控制理论在复杂工业场景中的应用能力，并具备设计和实施下一代安全、智能的工业自动化集成系统的核心素养。

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我特别关注了这本书在理论与实践结合方面的处理方式。很多教材，要么是理论讲得天花乱坠，脱离实际应用场景，读起来像是玄学；要么就是一味堆砌项目案例，缺乏系统性的原理阐述。而这本书的巧妙之处在于，它似乎找到了一个绝佳的平衡点。在介绍完基本的逻辑控制、定时器、计数器等核心概念后，紧接着就会引入一个贴近工业现场的实际问题，然后引导读者思考如何运用前面学到的知识去解决它。这种“先立规矩，后破难题”的叙事结构，使得理论知识不再是孤立的符号，而是变成了解决实际问题的有力工具。我尝试着按照书中的步骤去模拟搭建一个小型的自动化流程，发现书中的逻辑推导非常顺畅，没有出现那种“作者写得通顺，我一看就懵”的窘境，这对于提升动手能力来说，是极其宝贵的财富。

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说实话，一本技术书的价值往往体现在它的“可参考性”和“生命力”上。这本书在这方面做得非常到位。它的章节组织逻辑清晰，索引和术语表做得极其详尽，这使得在实际工作中遇到突发问题时，可以像查字典一样快速定位到相关信息，而不是从头到尾翻一遍。更重要的是，它所涵盖的技术栈非常前沿，对于当前工业物联网（IIoT）和边缘计算的应用趋势有着敏锐的捕捉和深入的讨论，这保证了这本书在未来几年内依然具有很高的参考价值。我发现自己已经习惯在工作遇到新需求时，先翻阅这本书的某一章来确认最佳实践，它已经从一本学习资料，逐渐演变成了我工具箱里不可或缺的“标准操作手册”。

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这本书的语言风格，给我的感觉是既专业又带着一种难得的热忱。很多技术书籍的行文风格都偏向于冷峻的学术报告，读起来让人感到距离感。然而，这本书的作者似乎更像是一位经验丰富的老师傅，在讲解复杂概念时，时不时会穿插一些幽默的比喻或者他自己早期工作中遇到的“糗事”，这极大地拉近了与读者的心理距离。例如，在讲解故障诊断流程时，作者描述了一种情形，让人不禁莞尔，但细想之下，那正是无数工程师在调试现场会遇到的真实写照。这种富有人情味的叙事，让原本枯燥的学习过程变得轻松愉快，它不仅仅是一本教材，更像是一本亦师亦友的交流指南，让人在学习技术的同时，也感受到了同行之间的鼓励和理解。

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这本书的排版和装帧设计，着实让人眼前一亮，拿在手里很有分量感。封面设计简约而不失专业气息，那种深沉的蓝色调配上清晰的白色字体，一下子就营造出一种严谨、可靠的氛围。内页的纸张质量也是上乘，触感光滑细腻，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到疲劳，这对于需要钻研技术细节的读者来说，简直是福音。更值得称赞的是，书中的插图和电路原理图部分，线条清晰锐利，布局合理，即便是初学者也能迅速捕捉到关键信息。很多技术书籍往往在图文排版上草草了事，但这本书显然是在细节上花费了大量心血，每一个图例都仿佛经过精心打磨，有效地降低了学习曲线，让复杂的概念变得直观易懂。这种对阅读体验的尊重，让学习过程本身也变成了一种享受，而不是一种负担。

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从内容深度上来说，这本书的广度令人印象深刻，但更让人折服的是其在某些特定模块上的钻研程度。它不仅仅停留在教会你“如何设置”的层面，而是深入到“为什么这样设置”的底层逻辑。比如，在讨论数据处理和通信协议时，作者没有简单地抛出一个标准的配置代码，而是花了大篇幅去解释不同通信速率、不同数据帧结构对实时控制的影响，甚至触及了故障排查时如何通过示波器观察信号完整性的“野路子”经验。这种深入骨髓的技术洞察力，体现了作者深厚的行业积淀，而不是简单的知识点罗列。对于那些希望从“会用”提升到“精通”的技术人员来说，这种对原理深挖的叙述方式，无疑是打开新世界大门的钥匙。

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