仪器设计技术基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学

作者:陈非凡

出品人:

页数:586

译者:

出版时间:2007-8

价格:55.00元

装帧:

isbn号码:9787302157182

丛书系列:

图书标签:

• 仪器设计
• 测量技术
• 传感器
• 数据采集
• 信号处理
• 电路分析
• 模拟电路
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 自动化

好的，这是一份关于一本名为《先进制造系统优化与控制》的图书简介，它不包含《仪器设计技术基础》的内容。 --- 先进制造系统优化与控制 面向智能制造时代的系统化解决方案 图书简介 在当前全球制造业向数字化、智能化转型的浪潮中，传统的生产模式正面临前所未有的挑战。如何构建高效、柔性、自适应的先进制造系统（Advanced Manufacturing Systems, AMS），并实现对其运行状态的精准监测、实时优化与可靠控制，已成为提升企业核心竞争力的关键。本书《先进制造系统优化与控制》正是为应对这一时代需求而编写的，它系统、深入地探讨了当代复杂制造系统从理论建模到工程实践的全过程，聚焦于如何利用先进的控制理论、优化算法和信息技术，驱动制造过程的智能化升级。 本书并非一本侧重于具体仪器元件、传感器原理或基础测量技术的书籍，而是将视野提升至整个制造流程的宏观和微观控制层面。它假定读者已具备一定的工程基础和系统分析能力，旨在提供一套完整的、可操作的系统级优化与控制框架。 第一部分：先进制造系统的基本框架与建模（奠定理论基石） 本部分首先界定了“先进制造系统”的范畴，涵盖了柔性制造系统（FMS）、分布式制造系统、网络化控制系统（CPS）以及未来智能工厂的架构。 1. 制造系统的复杂性与特性分析： 深入剖析了现代制造系统的关键特征，如高耦合性、非线性和时变性。讨论了如何运用图论、Petri网等工具对制造流程进行结构化描述和建模。重点阐述了面向异构资源的资源集成与调度复杂性。 2. 动态系统建模方法： 抛弃了对单一仪器或部件的细节描述，转而关注系统的整体行为。详细介绍了基于状态空间模型、偏微分方程（PDEs）模型以及基于数据的系统辨识方法。尤其关注了延迟系统和不确定性系统的建模技术，为后续的控制设计奠定数学基础。 3. 性能指标与约束条件： 系统性地定义了先进制造系统的评价标准，包括吞吐量、任务完成时间、资源利用率、柔性度以及能源效率。探讨了在不同生产约束下（如设备故障率、物料供应波动）如何量化系统性能。 第二部分：制造调度的优化理论与算法（流程效率的核心） 制造调度的有效性直接决定了系统的吞吐量和交付能力。本部分聚焦于先进的优化理论在复杂调度问题中的应用。 1. 离散事件系统（DES）控制与仿真： 详细讲解了离散事件系统理论在描述和分析生产线事件流中的应用。重点阐述了如何利用高级仿真工具（如Arena, FlexSim等）对复杂的调度策略进行预先验证和性能评估，实现“数字孪生”在调度优化中的作用。 2. 组合优化技术在调度中的应用： 系统地回顾了整数规划（IP）、混合整数线性规划（MILP）在确定性环境下的调度建模。随后，深入探讨了启发式算法（如遗传算法GA、模拟退火SA）和元启发式算法（如粒子群优化PSO）在处理大规模、NP-hard调度问题时的有效性，并提供了具体的应用案例，如考虑多目标冲突的工序排序问题。 3. 实时与动态调度： 针对制造环境中不可避免的扰动（如机器故障、紧急插单），本书提出了基于实时反馈的动态重调度策略。讨论了如何结合预测模型控制（MPC）的思想，对调度方案进行在线修正和适应性调整。 第三部分：先进制造系统的控制策略（实现精准运行） 本部分将重点放在如何设计鲁棒、高效的控制器，以确保系统在复杂扰动下仍能稳定、精确地运行，实现从“计划执行”到“自主控制”的转变。 1. 经典与现代控制理论的应用回顾： 简要回顾了PID控制在基础过程控制中的作用，但核心转向了更先进的、适用于多变量系统的控制方法。 2. 基于模型的预测控制（MPC）： 作为先进过程控制的核心技术，MPC在制造系统中的应用被重点剖析。详细阐述了如何利用系统的动态模型（而非简单的反馈回路）来预测未来一段时间的系统行为，并计算出最优的控制输入序列，以同时满足性能要求和约束条件。本书提供了MPC在速度控制、压力控制和流量协调等典型制造环节的工程化实现路径。 3. 鲁棒控制与自适应控制： 针对系统参数不确定性（如执行器老化、工艺参数漂移）带来的挑战，本书介绍了鲁棒H∞控制的设计原理，用以确保系统在不确定模型下的性能。同时，深入探讨了自适应控制，使系统能够自动识别参数变化并实时调整控制律，实现对系统性能的持续优化。 4. 柔性与分布式控制架构： 讨论了面向网络化物理系统（CPS）的控制架构，包括分层控制结构（如金字塔模型）和群体智能控制方法。重点关注如何实现跨区域、跨设备的协同控制，确保柔性制造系统在面对产品混线生产时，控制策略能够快速切换和重构。 第四部分：系统监测、故障诊断与预测性维护（保障系统可靠性） 先进制造系统的价值不仅在于高效运行，更在于其高可靠性和可预测性。本部分侧重于如何利用先进的数据分析技术，实现对系统健康状态的实时掌握。 1. 数据驱动的故障诊断基础： 介绍如何从海量的生产数据中提取有意义的特征，用于表征系统的正常和异常状态。涵盖了残差生成方法、基于模型/基于数据的方法，以及模式识别技术在故障分类中的应用。 2. 剩余使用寿命（RUL）预测： 重点讲解了如何结合退化模型（如Weibull模型、状态空间模型）与机器学习技术（如LSTM、Transformer）来预测关键设备或部件的剩余使用寿命，从而将维护策略从“定期维护”转变为“按需维护”。 3. 闭环的预测性维护（PdM）： 探讨如何将故障诊断和寿命预测的结果，无缝集成回优化和控制模块中。例如，当系统预测到某关键轴承即将失效时，控制系统应自动调整其运行负载和速度，以延长其寿命，同时保证生产任务的最低交付标准。 总结与展望 《先进制造系统优化与控制》旨在提供一个全面的、跨学科的视角，将制造工程、系统科学、控制理论和信息技术紧密结合。本书的核心价值在于其系统化、优化化和智能化的整合思想，它指导读者如何从根本上重构制造流程的控制逻辑，从而构建出真正适应未来工业4.0需求的、具有高度自主性和鲁棒性的先进制造系统。本书适用于高年级本科生、研究生，以及从事制造系统集成、生产线优化、自动化控制和智能工厂建设的工程技术人员。 ---

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我尤其欣赏这本书对于“人机交互”在仪器设计初期阶段的重视。它没有将人机界面（HMI）视为一个独立的、最后才加入的模块，而是将其视为仪器整体功能实现的一部分，从最初的功能分解阶段就开始考量操作者的认知负荷和生理限制。书中有一个专门的章节探讨了如何通过仪表盘的布局、反馈机制的设计，来有效降低操作失误率，这在许多同类书籍中往往被简单带过。作者甚至引入了心理学和人体工程学的概念，去解释为什么某些指示灯的颜色和闪烁频率比其他更有效。这种多维度的整合视角，让我深刻意识到一个“好的”仪器，不仅仅是准确、可靠的测量工具，更是一个与使用者进行有效“对话”的载体。它强调了设计的最终目的是服务于人，而非单纯炫耀技术的复杂性。阅读至此，我对“仪器设计”的理解从“制造一个精密的盒子”升华到了“创造一套高效的解决方案”的层次，这种思维上的提升，是阅读这本书最大的收获。

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这本书的理论深度是毋庸置疑的，它成功地搭建了一个宏观的框架，但或许在某些具体的“实操性”细节上，对于初学者而言会略显吃力。它更像是一本为有一定经验的工程师准备的“进阶哲学导论”，而非一本面向零基础新手的“快速入门指南”。例如，在讲解误差预算和误差传递函数时，书中大量引用了概率论和微积分的概念，虽然这些是理论基石，但如果没有扎实的数学背景，读者可能需要频繁查阅其他参考书来补充这些前置知识。我发现自己不得不时常后退几页，重新梳理作者所使用的数学语言。此外，书中对特定行业标准（如医疗器械或航空航天领域的特定规范）的引用较为谨慎，它更倾向于讨论普适性的设计原则，这使得我们在尝试将书中的理论直接映射到具体的、有严格行业限制的项目时，需要做更多的“翻译”工作。不过，这种宏观的、去行业化的处理方式也正是其魅力所在，它迫使我们去理解事物背后的本质规律，而非仅仅满足于套用现成的行业“秘籍”。

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这部厚重的书籍，光是翻开封面就能感受到它沉甸甸的分量，我原本以为会是一本技术手册式的工具书，毕竟“仪器设计技术基础”这个标题听起来就充满了严谨和公式。然而，当我深入阅读后，却发现它更像是一场引人入胜的工程哲学之旅。它并没有直接给我一个现成的仪器设计模板，而是着重探讨了“设计思维”的根源。书中花费了大量的篇幅来解析不同历史时期工程师们是如何面对设计挑战的，例如早期光学仪器的校准难题，以及如何在材料限制下实现精度突破。作者似乎在极力引导读者跳出“如何画图”的层面，去思考“为什么要这样设计”。例如，在讨论传感器的选择时，它没有直接罗列市面上所有传感器的参数，而是通过案例分析，深入剖析了不同设计理念在极端环境下的鲁棒性差异，这让我对“基础”二字有了全新的理解——这里的“基础”不是指简单的入门知识，而是指支撑整个学科大厦的底层逻辑和思维框架。阅读过程中，我时常需要停下来，对照着自己过去做过的项目去反思，那些看似理所当然的设计决策，背后是否隐藏着更深层次的妥协与取舍。这种反思的深度，远超出了我对于一本技术入门书籍的预期。

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这本书的叙事节奏把握得非常巧妙，它不像那些堆砌知识点的教科书那样枯燥乏味。作者采用了大量的“故事化”叙述方式，将复杂的工程原理巧妙地融入到具体的历史场景中。比如，在阐述公差配合理论时，它没有使用晦涩难懂的数学推导，而是通过描述一家老牌精密仪器制造厂如何为了解决批量生产中的一致性问题，而经历了一系列失败、修正直至最终确立标准流程的曲折过程。这种代入感极强，让我仿佛置身于那个充满烟雾和金属气味的工厂车间，真切体会到每一次微小改进背后所蕴含的巨大心血。尤其是在讲解材料疲劳与可靠性分析时，作者居然引用了艺术史中的一些关于雕塑耐久性的讨论，这种跨学科的类比手法非常新颖，使得原本枯燥的力学部分变得生动起来。读完这一章节，我不再觉得可靠性是冷冰冰的统计数字，而更像是一种对时间流逝和物理极限的敬畏。全书行文流畅，观点清晰，尽管内容涉及面广，但丝毫没有散乱的感觉，每一次转折都像是精心编排的乐章高潮。

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如果说这本书有什么“缺陷”，那可能就是它对现代数字化工具的使用着墨不多。我期待看到更多关于CAD/CAE集成、快速原型制造（3D打印）在早期设计流程中的应用案例，毕竟我们现在所处的时代，设计工具的变革速度是惊人的。然而，这本书似乎更偏爱那些经过时间沉淀的、更偏向于传统工程美学的探讨。它花了很大篇幅去论证手绘草图的重要性，以及在没有计算机辅助设计时，工程师如何仅凭经验和几何直觉来优化结构布局。这对我这个习惯了在三维空间中操作软件的新一代设计者来说，是一种小小的挑战和反思：工具的进步是否让我们在某些基础的直觉判断力上有所退化？书中的一些插图和示意图，尽管清晰，但整体的视觉风格偏向于上世纪中叶的工程图纸，缺少现代出版物中那种高分辨率、色彩丰富的渲染图。这使得它在“视觉吸引力”方面略逊一筹，但同时也赋予了它一种独特的、历史的厚重感，仿佛在提醒我们，技术进步是有脉络可循的，今天的便捷来源于昨日的艰辛积累。

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