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出版者:化学工业出版社

作者:华东理工大学等编

出品人:

页数:268 页

译者:

出版时间:2001-2

价格:30.0

装帧:平装

isbn号码:9787502530976

丛书系列:

图书标签:

• 机械设计
• 过程设备
• 化工设备
• 机械工程
• 设备选型
• 强度计算
• 材料选择
• 设计基础
• 工业设备
• 自动化设备

现代制造系统中的先进控制技术：理论与应用 本书聚焦于当前工业自动化和智能制造领域的核心挑战，深入探讨了现代制造系统中先进控制技术的最新发展、理论基础及其在实际工程中的应用。 本书旨在为高级工程技术人员、科研工作者以及研究生提供一套全面而深入的技术参考和实践指南。 第一部分：现代制造系统的复杂性与控制需求 1.1 智能制造的演进与挑战 随着工业4.0浪潮的推进，现代制造系统正朝着高度柔性化、网络化和自主化的方向发展。本章首先概述了从传统自动化到智能制造的跨越，重点分析了当前生产线上普遍存在的复杂性问题，包括多变量耦合、时滞效应、非线性动力学以及对快速响应和高精度性能的持续需求。 系统集成与异构性： 探讨了如何将物理层（传感器、执行器）、控制层（PLC、IPC）和信息层（MES、ERP）有效集成，以及由此带来的数据处理和协同控制难题。 实时性与鲁棒性： 阐述了在面对环境扰动、设备老化和工艺波动时，先进控制系统必须具备的实时决策能力和极强的环境适应性。 1.2 传统控制方法的局限性分析 详细对比了经典的PID控制及其改进方案（如增量式PID、级联控制）在处理高阶、强耦合和参数时变系统时的不足。通过具体的案例分析，展示了传统方法在优化能耗、提高产品质量一致性方面的瓶颈。 模型依赖性与辨识难度： 分析了精确系统辨识在复杂系统中的高成本和低准确性问题。 最优性能的难以实现： 讨论了传统反馈结构在追求系统暂态响应最优性和稳态误差最小化之间的固有矛盾。 第二部分：先进控制理论的核心框架 本书的核心部分，系统地介绍了当前指导现代制造系统控制实践的几大关键理论分支。 2.1 模型预测控制（MPC）的深度解析 MPC作为当前工业界应用最为广泛的先进控制技术之一，其理论基础和求解算法是本书的重点。 核心原理与滚动时域优化： 详细阐述了如何利用系统模型在有限预测时域内进行优化计算，并只执行第一个控制动作的原理。 约束处理能力： 重点分析了如何在线性（LMPC）和非线性（NMPC）框架下，精确地处理输入/输出约束、状态约束以及安全性约束，这是MPC相对于传统控制的最大优势。 求解算法与实时实现： 探讨了二次规划（QP）和连续非线性规划（NLP）求解器的选择、计算效率优化以及模型在线更新策略。 2.2 鲁棒控制与不确定性下的设计 针对制造过程中不可避免的参数不确定性和外部扰动，本书深入讲解了基于数学优化和频率域分析的鲁棒控制方法。 $H_{infty}$ 控制设计： 介绍了如何通过加权函数的设计，在保证系统稳定性的前提下，最小化系统对特定频率扰动的敏感度。 滑模控制（SMC）及其改进： 重点讨论了SMC在处理强非线性和高动态性能方面的优势，并着重分析了如何通过设计更平滑的切换函数（如Super-Twisting算法）来有效抑制传统SMC的抖振现象。 2.3 自适应与学习型控制策略 本章关注如何使控制器在无需精确先验模型或系统参数发生变化时，仍能保持高性能。 基于参数估计的自适应控制： 介绍了如最小二乘法（LSE）和递推最小二乘法（RLS）在系统参数在线辨识中的应用，以及参数估计结果如何反馈给控制器进行实时调整。 强化学习（RL）在控制中的前沿应用： 探讨了如何将深度Q网络（DQN）和近端策略优化（PPO）等RL算法应用于复杂的、难以建立解析模型的制造过程（如材料成形、复杂机器人轨迹规划），实现策略的自主学习与优化。 第三部分：先进控制在关键制造环节的应用案例 本书的后半部分着重于理论与实践的结合，通过具体的工程案例展示先进控制方法的实际价值。 3.1 高精度运动控制与机器人系统 轨迹跟踪与柔顺控制： 针对高速加工中心和并联机器人，分析了如何利用非线性反馈线性化和阻抗控制，实现对复杂轨迹的精确跟踪，并有效处理外部接触力。 欠驱动系统控制： 探讨了在某些自由度受限的机械系统中，如何设计有效的控制律来保证系统整体的稳定性和可控性。 3.2 过程工业的优化与能效管理 在化工、冶金等连续生产过程中，先进控制对提高收率和降低能耗至关重要。 多变量耦合系统的解耦控制： 以反应器温度和浓度控制为例，展示了如何利用逆模型或动态矩阵控制（DMC）技术，实现对强耦合变量的有效解耦操作。 基于MPC的能耗优化调度： 阐述了如何将设备的运行成本、原材料消耗和环境排放作为优化目标，通过MPC框架实现全厂范围的经济性调度。 3.3 质量预测与在线补偿 现代制造强调“一次成功”，先进控制在预测和补偿质量偏差方面发挥关键作用。 基于状态空间模型的质量预测： 建立了从过程变量（温度、压力、速度）到最终产品质量指标（硬度、尺寸精度）的数学模型，利用卡尔曼滤波或扩展卡尔曼滤波（EKF）进行状态观测。 基于观测量的实时补偿： 讨论了如何将预测的质量偏差通过控制回路反向补偿给执行器，确保产品指标始终保持在公差范围内。 第四部分：分布式控制与网络化系统 4.1 网络化控制系统（NCS）的挑战 随着无线通信和工业以太网的普及，控制器之间以及控制器与执行器之间的通信延迟和丢包成为新的控制难题。 延迟对稳定性的影响分析： 探讨了采样延迟和传输延迟如何影响系统的闭环稳定性边界，并引入了包含传输延迟的稳定性判据。 事件触发控制（ETC）： 介绍了一种突破传统周期性采样的控制方法，仅在系统状态偏离预设阈值时才触发控制计算和通信，从而显著降低网络负载和能耗。 4.2 分布式优化与协同控制 对于大型、模块化的制造产线，需要各子系统之间进行高效的协同工作。 分布式MPC架构： 介绍了如何将一个全局优化问题分解为多个局部优化问题，通过迭代信息交换实现近似全局最优解，有效解决了大规模系统的计算瓶颈。 一致性算法在系统同步中的应用： 探讨了如何利用图论和一致性算法，确保多个执行单元在执行复杂任务时（如群体机器人协作搬运）能够保持精确的时间和空间同步。 本书的编写力求严谨的数学推导与清晰的工程解释相结合，适合作为高等院校控制工程、机械工程、自动化专业高年级本科生及研究生的教材或参考书。通过本书的学习，读者将能掌握设计、实现和调试下一代智能制造系统中先进控制系统的核心能力。

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这本书的插图和图示部分堪称教科书级别的典范。我特别欣赏它对复杂机械结构分解图的处理方式，每一张图都标注得极其清晰，几乎不需要参考文字描述，就能大致掌握部件之间的连接关系和运动方式。相比那些只有文字堆砌或者插图粗糙的参考书，这本的设计者显然是花了大心思在视觉传达上的。举个例子，对于旋转机械的轴系对中校准流程，书中用了一组流程图清晰地展示了从初步对中到激光校准的每一步操作，每一步的精度要求和可能出现的误差源都一一列出，这对于现场工程师的指导价值极高。再比如，在讲解密封件选型那一章，它没有简单地罗列各种O型圈、填料函的性能参数，而是通过对比图展示了它们在不同温度、压力和介质兼容性下的性能曲线，这种对比式的呈现方式大大提高了学习效率。

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阅读体验上，这本书的行文风格非常严谨且富有逻辑性，但又不失亲切感。作者似乎非常了解读者的知识盲区，总能在关键转折点设置“思考点”或“设计陷阱提示”，引导读者主动思考可能存在的疏漏。比如，在讨论压力容器的开孔补强设计时，作者特意用了一个小节来警示初学者容易忽视的边缘效应和疲劳累积问题，这使得我们在处理这些细节时会更加谨慎。排版上也做得很好，公式区块和正文的区分度很高，关键术语的加粗或斜体使用恰到好处，使得长时间阅读下来，眼睛不容易疲劳。整本书读下来，感觉就像是有一位经验丰富的老教授在旁边耐心指导，及时纠正你思维中的偏差，这种潜移默化的引导作用是很多教材所欠缺的。

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与其他侧重理论推导的著作相比，这本更像是资深工程师的实战笔记，充满了对“为什么这么做”的解答。我最感兴趣的是其中关于设备选型和标准件应用的章节。作者非常务实地指出了在工程实践中，理论计算结果往往需要依据行业惯例和经济性进行调整。比如，在选择减速箱的齿轮精度等级时，书中不仅计算了理论承载能力，还结合了不同精度等级的制造成本和噪音限制进行了多目标优化分析，这种贴近现实的决策过程，是课堂上学不到的宝贵经验。此外，书中对非标准件设计与标准件选用的权衡分析也做得非常到位，它提供了一套清晰的判断框架，帮助读者在时间和预算的约束下做出最优选择，而不是盲目追求理论上的完美设计。

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这部书的理论深度远超我的预期，尤其是在材料力学和结构分析的部分，作者简直是把枯燥的公式讲解得活灵活现。我记得我之前在别的教材上看到相关章节时，总是觉得云里雾里，但翻开这本书，那种层层递进的逻辑推导让人豁然开朗。它不仅仅是罗列公式，更注重解释这些公式背后的物理意义和工程背景。比如讲到应力集中效应时，作者会结合实际的焊接缺陷案例进行剖析，这对于我们这些初学者来说，建立直观感受至关重要。而且，书中对不同载荷工况下的疲劳寿命预测方法探讨得非常细致，各种修正系数的取值依据和适用范围讲得十分清楚，这在实际设计工作中简直是宝贵的经验之谈。读完这部分，我感觉自己对设备在长期运行中可能遇到的失效模式有了更深刻的理解，不再是死记硬背设计规范，而是真正理解了规范背后的科学原理。

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对于设备动态特性分析这部分内容，这本书的处理角度非常新颖和深刻。它没有停留在简单的刚度分析层面，而是深入探讨了转动机械的临界转速计算、转子动力学基础以及关键部件的振动抑制措施。特别是作者在描述涡轮叶片或联轴器不平衡激励时，引入了傅里叶分析的基本概念，并将其与实际的振动监测数据关联起来，这种跨学科的知识融合，极大地拓宽了我的视野。我特别留意到书中关于轴承选型与润滑系统匹配的章节，它不仅仅罗列了不同类型轴承（如滚动轴承、滑动轴承）的适用范围，还详细比较了它们在承受冲击载荷和高速运转时的性能差异，并给出了详细的寿命计算模型，这对于从事高速重载设备设计的人员来说，无疑是提供了极具操作性的设计工具和理论基础。

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