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《工业自动化控制系统》 图书简介 第一部分：绪论与基础理论 本书旨在全面、深入地介绍现代工业自动化控制系统的基本原理、核心技术与应用实践。随着全球制造业向“智能制造”和“工业4.0”迈进，理解并掌握先进的控制系统已成为工程技术人员和管理者的必备技能。 第一章：自动化概述与发展历程 本章首先界定工业自动化的概念、范畴及其在现代生产中的战略地位。我们将追溯自动化技术从早期的机械联动到继电器控制，再到电子控制和数字化控制的发展脉络。重点探讨了三次工业革命（蒸汽机、电力、信息技术）如何推动控制技术演进，并展望第四次工业革命（CPS、物联网、大数据）对未来工厂提出的新要求。本章强调了自动化在提高生产效率、保证产品质量、降低能耗和改善工作环境方面的不可替代性。 第二章：自动控制系统的基本要素与分类 本章深入剖析自动控制系统的基本组成部分，包括传感器、执行器、控制器和通信网络。对各类传感器（如温度、压力、流量、位置传感器）的工作原理、选型标准及信号处理技术进行详细论述。执行器部分，我们将重点分析伺服系统、变频器和执行机构的动态特性。此外，根据控制对象、控制方式和信号性质，对自动控制系统进行系统分类，如开环与闭环控制、连续控制与离散控制、集中式与分布式控制等。 第三章：经典控制理论基础 本章是理解现代控制系统的理论基石。首先回顾线性系统的时域分析方法，包括一阶、二阶系统的瞬态响应与稳态特性。随后引入传递函数和方块图表示法，这是系统建模的核心工具。拉普拉斯变换作为分析工具，用于从时域向频域的转换。系统稳定性分析是本章的重点，我们将详细讲解李雅普诺夫稳定性判据、根轨迹法以及频率响应法（如奈奎斯特图、波德图），这些方法是设计和调试反馈控制器的关键。 第四章：自动控制系统的校正与设计 本章侧重于如何对不满足性能要求的系统进行改进和优化。我们全面介绍PID（比例-积分-微分）控制器的原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、工程经验法）及其在工业过程中的应用局限性。针对提高系统动态性能和抗干扰能力的需求，系统阐述了串联校正、反馈校正等常用补偿技术，包括超前、滞后校正器的设计原理与实现。 第二章：核心硬件技术详解 第五章：可编程逻辑控制器（PLC）系统 PLC是当代工业自动化的中枢神经系统。本章从PLC的结构（CPU、I/O模块、电源）入手，详细介绍其硬件选型、安装调试与故障诊断。编程语言方面，我们将系统讲解IEC 61131-3标准下的五种主要语言，特别是梯形图（LD）、指令表（IL）和结构化文本（ST）在实际控制逻辑实现中的应用技巧。深入探讨数据处理、定时器、计数器、中断控制以及模拟量处理等高级功能。 第六章：分布式控制系统（DCS） 针对大型、复杂、高可靠性要求的流程工业（如化工、电力），DCS是主流解决方案。本章解析DCS的系统架构（操作员站、工程师站、控制站、通信网络），并对比其与PLC在系统集成度、冗余设计和人机界面（HMI）方面的优势。重点讲解DCS中集成的过程控制策略、历史数据管理和高级控制功能。 第七章：工业现场总线与网络技术 现代控制系统依赖于可靠、实时的现场通信。本章系统介绍工业通信协议的演进，包括传统的点对点连接到现代的现场总线技术。重点剖析主流现场总线，如PROFIBUS、DeviceNet、CANopen，以及工业以太网技术，如PROFINET、EtherNet/IP。探讨这些网络在数据传输速率、实时性保证、网络拓扑结构和故障诊断方面的技术要求与实现方案。 第三部分：现代控制策略与应用 第八章：先进控制技术 本章超越了基础的PID控制，引入更复杂、更优化的高级控制策略。详细介绍模型预测控制（MPC）的基本原理、如何建立过程模型以及在约束优化问题中的应用。此外，还涵盖了自适应控制、模糊控制和神经网络控制的基本概念，旨在为工程师提供应对非线性、时变或模型不确定性过程的工具箱。 第九章：人机界面（HMI）与数据可视化 HMI是操作员与控制系统交互的窗口。本章探讨HMI的设计原则，包括信息分层、颜色标准、报警管理和操作逻辑设计。介绍如何利用SCADA（数据采集与监视控制系统）软件平台，实现对生产过程的实时监控、历史数据追溯和趋势分析，确保操作人员能快速、准确地做出决策。 第十章：系统集成与信息安全 随着IT与OT（运营技术）的融合，控制系统的安全问题日益突出。本章讨论如何实现控制系统与企业资源规划（ERP）系统之间的数据接口和信息集成。同时，系统性地分析工业控制系统（ICS）面临的网络安全威胁（如恶意软件、拒绝服务攻击），并介绍纵深防御策略、网络分区、访问控制和安全审计等关键信息安全措施。 结论与展望 全书最后部分总结了当前工业自动化面临的挑战与未来发展方向，重点关注云计算、边缘计算、数字孪生技术在控制系统中的新兴应用，以及对未来自动化工程师知识结构的新要求。 本书内容翔实，理论与实践紧密结合，配有大量的工程实例和仿真练习，适合作为高等院校自动化、电气工程、机械电子工程等专业本科生及研究生的教材，同时也是一线自动化工程师提升技能的参考资料。
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