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出版者:哈尔滨工程大学出版社

作者:张立勋

出品人:

页数:271

译者:

出版时间:2006-9

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787810738699

丛书系列:

图书标签:

• 机电系统
• 仿真
• 设计
• MATLAB/Simulink
• 控制系统
• 机械工程
• 电气工程
• 建模
• 优化
• 自动化
• 工业应用

《工业过程控制与优化》 第一章 工业过程控制基础 本章系统地介绍了工业自动化领域中过程控制的基本概念、发展历程与核心原理。内容涵盖了对典型工业过程，如流量、压力、温度、液位等物理量的测量、传感器的选型与误差分析。深入探讨了反馈控制、前馈控制、比值控制等基础控制策略的数学模型建立与特性分析。重点阐述了经典PID控制器的结构、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、临界电阻法）及其在不同工业场景下的应用局限性与改进方向。此外，还涉及了控制系统的稳定性分析，包括Routh-Hurwitz判据和根轨迹分析方法，为后续高级控制理论的学习奠定坚实基础。 第二章 现代控制理论与技术 本章着眼于更复杂、更精确的现代控制理论，主要围绕状态空间法展开。详细阐述了线性时不变（LTI）系统的状态方程表示法、系统的能控性与能观性判据。在此基础上，系统性地介绍了现代控制器的设计，包括极点配置技术（Pole Placement）及其在全维和降维观测器（如Luenberger观测器）设计中的应用。对于无法精确建模的系统，本章引入了最优控制理论，重点解析了LQR（Linear-Quadratic Regulator）控制器的设计原理与权函数矩阵的选择对控制性能的影响。同时，简要介绍了模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control, FLC）和神经网络控制的基本思想，作为非线性系统控制的初步探讨。 第三章 分布式控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PLC） 本章聚焦于现代工业控制系统的硬件与软件架构。首先，全面解析了分布式控制系统（DCS）的结构、层次化设计理念、数据通信网络（如ISA S700系列协议）以及其在大型、连续过程控制中的优势。随后，深入探讨了可编程逻辑控制器（PLC）的硬件组成（CPU模块、I/O模块、通信模块）、指令系统（梯形图、指令表、顺序功能图）及其在离散事件驱动和顺序控制中的应用。详细对比了DCS与PLC在应用场景、实时性、可靠性及维护性方面的异同。本章还包含了现代HMI（人机界面）的设计原则和组态方法，强调可视化在操作和故障诊断中的关键作用。 第四章 过程建模与辨识 精确的数学模型是有效控制设计的前提。本章系统地介绍了工业过程建模的方法论。内容从机理建模（基于质量、能量、动量守恒定律）出发，推导典型环节（如一阶惯性环节、二阶环节、纯滞后环节）的微分方程模型。针对机理建模困难的复杂系统，本章重点阐述了系统辨识技术，包括实验设计（如PRBS信号的生成与应用）、参数估计方法（如最小二乘法、递推最小二乘法）以及模型的选择与验证标准。特别地，介绍了ARX、ARMAX等经典参数模型结构，并探讨了如何利用辨识结果指导控制器参数的优化整定。 第五章 复杂过程控制策略 本章旨在解决单回路PID控制无法应对的复杂工业问题。详细讲解了串级控制（Cascade Control）的结构、设计准则及其对消除滞后环节干扰的效果。深入分析了前馈控制（Feedforward Control）与反馈控制的结合，讨论了如何精确确定前馈补偿模型的必要性。此外，本章还详细阐述了比值控制、耦合系统解耦控制的基本原理和实现步骤。对于具有明显时间延迟的系统，重点介绍了Smith预估器（Smith Predictor）的设计与应用，有效提升了长延迟过程的控制性能。 第六章 过程优化与先进控制 本章引入了超越经典控制范围的先进控制技术，以实现过程性能的最大化和资源消耗的最小化。全面介绍了模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的理论基础，包括滚动时域、约束处理、优化目标函数的建立与求解过程，这是目前化工、石化行业中最主流的先进控制技术。同时，讨论了反馈线性化技术在非线性系统控制中的应用潜力。此外，还涉及了过程优化方法论，如拉格朗日乘数法在等式约束优化中的应用，以及如何将优化目标（如成本、能耗）嵌入到控制器的设计和运行中。 第七章 安全仪表系统（SIS）与可靠性工程 安全是工业过程控制的最高优先级。本章系统介绍了安全仪表系统（Safety Instrumented Systems, SIS）的架构、功能与国际标准（如IEC 61508和IEC 61511）。详细阐述了安全完整性等级（SIL）的确定方法，包括危害与风险评估（HARA）流程。讲解了SIS的设计、实施、验证与确认的生命周期管理。此外，本章还涵盖了可靠性工程的基础知识，如故障树分析（FTA）和事件树分析（ETA）在识别系统潜在失效模式中的应用，确保控制系统在故障发生时能安全停车或进入预设的安全状态。 第八章 工业网络与信息集成 本章关注于工业过程数据的高效传输与集成。详细介绍了工业以太网技术（如EtherNet/IP, PROFINET）在实时性、带宽和网络拓扑结构上的优势，并与传统的现场总线技术（如Profibus-DP, Foundation Fieldbus）进行对比分析。重点探讨了数据采集与监视控制系统（SCADA）的架构、通信协议（如Modbus TCP/IP）及其在区域监控中的角色。最后，展望了工业物联网（IIoT）在过程控制中的趋势，包括边缘计算和云端数据分析如何反哺于实时控制层的改进。

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这本书的封面设计得相当有质感，那种深沉的蓝色调配上银色的字体，一下子就抓住了我的眼球。初翻开扉页，我就被它严谨的学术气息所折服。我本来以为这会是一本晦涩难懂的理论堆砌，但事实证明我的担心是多余的。作者的叙述逻辑非常清晰，仿佛领着我走进了复杂系统的心脏地带。书中对基础理论的阐述深入浅出，没有那种让人望而生畏的公式堆砌，而是将抽象的物理概念用非常形象的比喻和图示展现出来。尤其是在介绍动态系统的建模方法时，那种层层递进的讲解方式，让我这个非科班出身的读者也能大致跟上思路。我特别欣赏作者在章节衔接处的处理，总能巧妙地承上启下，让知识的脉络保持连续性。读完第一部分，我就感觉自己对“仿真”这件事有了全新的认识，不再是简单的软件操作，而是上升到了对系统本质的理解层面。这种由表及里，再由里及表的讲解策略，极大地提升了我的学习兴趣。

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从内容深度上来说，这本书远超出了我对一般入门教材的预期。它并没有停留在基础的描述性层面，而是大胆地触及了高级的优化算法和鲁棒性分析。我记得有一章专门探讨了多目标优化问题，作者不仅介绍了经典的帕累托前沿概念，还结合实际的机械臂设计场景进行了详细的数值模拟演示。这种结合高精尖理论和具体工程应用的写法，极大地拓宽了我的视野。我清晰地感受到，作者对机电耦合机理的理解是极为透彻的，他能将电气、机械、控制等多个学科的知识点融会贯通，在一个统一的数学框架下进行描述。阅读这些章节时，我时常需要停下来，仔细推敲每一个推导步骤，因为其中蕴含的物理洞察力非常深刻。对于已经有一定基础的读者来说，这本书无疑提供了一个绝佳的“进阶”平台，帮助我们跨越从“会用工具”到“设计工具”的鸿沟。

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这本书的语言风格呈现出一种特有的、沉稳而又充满探索精神的基调。它不像某些学术专著那样冷冰冰地陈述事实，而是字里行间透露出作者对这门学科深沉的热爱和对细节的执着。例如，在讨论模型简化和降阶时，作者用了很长的篇幅来解释不同简化假设背后的物理意义和潜在的误差来源，这种对“为什么”的追问，远比直接给出结论来得更有价值。阅读的过程更像是一场与智者的深度对话，而不是单向的信息灌输。我特别喜欢那种娓娓道来的叙事感，它让我能够保持长时间的专注，即便遇到复杂的数学推导也不会感到心烦意乱。这本书的编排节奏掌握得非常好，理论的密度张弛有度，总能在适当的时候穿插一些历史背景或者领域前沿的介绍，让学习过程保持鲜活和趣味性。

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这本书的实用价值是毋庸置疑的，但更难能可贵的是它对思维模式的重塑作用。它教会我的，是如何系统性地看待一个复杂的工程问题，如何从宏观到微观层层分解，最终构建出一个可分析、可验证的数学模型。书中大量的“反思性提问”环节，引导我去思考不同设计选择的优劣和适用范围，而不是简单地复制粘贴书中的结果。这对于培养独立解决实际问题的能力至关重要。我感觉自己不只是学会了一套仿真软件的操作流程，而是真正掌握了一套严谨的工程分析方法论。特别是最后关于系统集成与验证的章节，作者强调了仿真结果与实际测试数据相互印证的重要性，这为我未来的项目工作提供了非常坚实的方法论指导。读完此书，我最大的收获就是建立起了一种“建模即思考”的习惯，这比任何单一的知识点都要宝贵得多。

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这本书的配图和案例分析简直是教科书级别的典范。我通常看技术书籍最怕的就是图文不符，或者配图模糊不清，但这本书在这方面做得无可挑剔。每一张流程图、每一个参数曲线图都标注得异常精准，而且排版布局非常合理，不会出现文字和图片互相遮挡或者拥挤的情况。更让我惊喜的是，作者似乎非常理解初学者的痛点，在讲解每一个仿真步骤时，都提供了详尽的参数设置说明和结果解读。我尝试着跟着书中的步骤在自己的电脑上跑了一个简单的控制回路仿真，结果和书上提供的截图几乎一模一样，这种即时的成就感是其他教材无法比拟的。特别是关于非线性系统处理的那几章，作者用非常贴近实际工程问题的例子，展示了如何选择合适的求解器和误差容忍度，这些都是我在其他资料中很难找到的宝贵经验总结。可以说，这本书不仅仅是一本理论参考，更像是一位经验丰富的老工程师在手把手地指导你进行实践操作。

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