具体描述
This practical description of control systems based on Simatic S7 and PCS 7 gives readers valuable impulses and support for configuring and commissioning control applications using actual Simatic control products. This edition also includes S7-200 and LOGO.
精密控制与系统集成：面向现代工业的自动化实践指南 书籍名称：《过程优化与智能制造：基于前沿控制理论的系统实现》 图书简介 在当今高度互联和追求极致效率的工业环境中，如何实现复杂生产过程的稳定、高效与柔性控制，已成为决定企业竞争力的核心要素。本书《过程优化与智能制造：基于前沿控制理论的系统实现》，聚焦于现代工业自动化领域的前沿理论、先进控制策略的工程应用，以及如何将这些技术无缝集成到实际的生产系统中，以驱动真正的智能制造转型。 本书并非专注于某一特定品牌的硬件平台，而是致力于构建一个跨平台、理论与实践深度融合的知识体系。它旨在为自动化工程师、过程控制专家、系统集成商以及致力于工业4.0升级的技术管理者，提供一套系统化、可操作的解决方案框架。 第一部分：现代过程控制的理论基石与系统辨识 本部分深入探讨了支撑现代精密控制的数学基础与系统分析方法。我们首先回顾了经典控制理论的局限性，并引出了现代控制理论的关键概念，包括状态空间模型、能控性与能观性分析。 系统辨识的精细化： 理解被控对象的动态特性是有效控制的前提。本书详细阐述了时间域辨识（如ARX、ARMAX模型）和频率域辨识（如传递函数识别）的先进技术。重点介绍了如何利用高频数据和噪声抑制算法，构建在非理想工业环境下依然稳健的数学模型。特别地，我们探讨了基于分段线性化和模糊集的非线性系统辨识方法，这对于化工、冶金等强非线性过程至关重要。 鲁棒性与最优控制理论： 面对工业现场常见的干扰、模型不确定性和执行器饱和等问题，本书将重点介绍$H_{infty}$ 控制理论的应用。通过矩阵不等式求解，工程师可以设计出在预期不确定性范围内性能得到保证的控制器。此外，对于追求能耗最优、时间最短等性能指标的系统，本书详细解析了LQR（线性二次调节器） 的参数整定与对反馈矩阵的计算，并将其拓展到具有约束条件的MPC（模型预测控制） 的基础框架。 第二部分：先进控制策略的工程实现与调优 理论必须服务于实践。本部分将重点讲解如何将前述的先进理论转化为可落地、可操作的控制算法，并针对不同类型的工业过程进行优化。 高阶串级与解耦控制： 对于多变量、相互耦合的复杂系统（如精馏塔或反应器），传统的PID控制难以实现全局最优。本书提供了动态矩阵控制（DMC） 和非对称解耦技术的详细实现步骤。我们不仅展示了如何建立耦合矩阵，更重要的是，如何处理在实际应用中常见的输入冗余和输出约束问题。 智能算法在控制中的融合： 阐述了如何利用神经网络进行系统建模的“黑箱”部分，特别是使用自适应径向基函数网络（RBFN） 来在线补偿模型失配。同时，本书深入探讨了模糊逻辑控制器（FLC） 的设计艺术，包括隶属度函数的科学选取和推理规则的优化，以应对操作员经验知识的量化需求。 系统安全与故障诊断： 在追求性能的同时，安全性是工业控制的生命线。本书引入了基于观测器（Observer） 的状态估计技术，如扩展卡尔曼滤波器（EKF）和无迹卡尔曼滤波器（UKF），用于实时监测关键状态变量的偏差。更进一步，我们介绍了基于残差的故障检测与隔离（FDI） 方法，通过构建数学模型残差，实现对传感器漂移、执行器卡死等常见故障的早期预警和准确定位。 第三部分：集成化与数字化生产环境下的控制系统架构 现代控制系统不再是孤立的回路，而是高度集成的数字化基础设施的一部分。本部分关注控制系统在整体制造执行系统（MES）和企业资源规划（ERP）框架下的定位和集成挑战。 面向实时性的通信协议与网络设计： 详细分析了工业以太网协议（如PROFINET IRT、EtherCAT）在同步控制和数据采集中的性能差异。重点讨论了确定性以太网在实现高精度运动控制和时间敏感性控制任务中的关键配置要点，包括时间同步机制（如IEEE 1588 PTP）。 控制系统的高可用性与容错设计： 讨论了冗余系统（如双机热备份、三取二投票机制）在关键生产环节的设计规范和切换逻辑。本书提供了关于状态平滑转移算法的详尽论述，确保在主控制器故障时，备用控制器能够无缝接管，避免生产中断或产品质量波动。 数据驱动的控制优化（IIoT与云边协同）： 探讨了如何利用采集的生产大数据，通过边缘计算节点对本地控制器进行性能监测和参数微调。我们介绍了如何构建一个反馈优化回路：从云端分析长期趋势，将优化参数推送到现场控制器进行实施，实现超越传统PID自整定的长期性能提升。 本书的特色： 本书的每一章节都辅以大量的典型工业案例分析，这些案例并非抽象的数学推导，而是基于实际生产场景（如高精度温度控制、复杂流体流量配比、多轴联动系统同步）的建模、仿真与现场调优过程。我们强调仿真验证的重要性，提供了使用专业软件工具链进行模型搭建、控制器设计和闭环测试的工作流程。本书旨在培养工程师“知其然，更知其所以然”的深层理解能力，最终实现对复杂工业过程的完全掌控与持续优化。
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