过程控制工程实施教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:200

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出版时间:2008-7

价格:28.00元

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isbn号码:9787122027795

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现代工业自动化系统设计与实践：面向复杂流程的智能控制策略研究 图书信息： 书名： 现代工业自动化系统设计与实践：面向复杂流程的智能控制策略研究 作者： 张志强，李明 出版社： 机械工业出版社 出版年份： 2024年 --- 内容概述与前言 本书聚焦于当前工业自动化领域面临的挑战——如何高效、稳定地管理和优化具有高度非线性、时滞性及强耦合特性的复杂工业流程。我们不再局限于传统的PID控制回路或基础的逻辑顺序控制，而是深入探讨了如何集成先进的智能算法、大数据分析能力以及现代网络化控制技术，构建出具备自适应、自优化和高鲁棒性的下一代自动化解决方案。 本书旨在为自动化工程师、系统集成商、研究人员以及高年级本科生和研究生提供一本兼具理论深度与工程实践指导意义的参考书。我们期望读者在阅读完本书后，能够掌握从系统建模、控制器设计到实际部署与维护的全流程技术栈，特别是在面对化工、冶金、能源等高风险、高精度要求的行业时，能设计出超越传统方法的先进控制系统。 核心思想： 工业控制系统的演进方向必然是从“被动响应”转向“主动预测与优化”。本书正是围绕这一核心思想展开，详细阐述了实现这一转变所需的关键技术和方法论。 第一部分：复杂流程建模与系统辨识（深入理解对象） 在设计任何先进控制器之前，对被控对象的准确理解是基石。本部分侧重于从物理原理和数据驱动相结合的角度，对复杂工业过程进行高精度建模。 第一章：复杂系统的多尺度建模 本章探讨了如何处理多物理场耦合（如热-力-化学耦合）的非线性系统。内容涵盖： 1. 机理建模的局限性与融合需求： 分析传统一阶加滞后模型在描述高阶非线性时的不足，引入混合建模方法。 2. 集总参数法与分布参数法在高精度模型中的应用对比： 针对反应器、换热网络等关键设备，如何选择合适的数学描述范式。 3. 基于偏微分方程（PDE）的精细化模型构建： 特别关注如何利用有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）对空间分布变量进行精确刻画。 第二章：数据驱动的系统辨识与模型降阶 当机理模型过于复杂或难以获取时，数据成为构建模型的关键。 1. 高维系统辨识技术： 介绍如子空间辨识法（Subspace Identification）在处理多输入多输出（MIMO）系统时的优势。 2. 非线性系统辨识： 重点阐述核主成分分析（KPCA）在辨识高维非线性系统中的应用，以及如何利用神经网络（如LSTM）进行时序辨识。 3. 复杂模型降阶与简化： 面对辨识出的高阶模型，介绍平衡截断法、Hankel 奇异值分解（H-infinity）等方法，以满足实时控制器的计算要求。 第二部分：先进控制理论与算法的工程化（提升控制精度） 本部分是本书的核心，详细介绍了超越传统反馈控制的现代控制技术，并着重于它们在工业现场的适应性。 第三章：模型预测控制（MPC）的深度应用 MPC作为当前工业界应用最广泛的高级控制技术，本章对其进行全面剖析： 1. 线性化MPC（LMPC）的稳健性设计： 针对模型不确定性，引入不等式约束的处理策略（如软约束与硬约束的切换机制）。 2. 非线性模型预测控制（NMPC）的实时性挑战与解决： 讨论如何利用序列二次规划（SQP）或内点法加速求解优化问题，以及如何结合模型降阶技术来保证求解速度。 3. 多速率采样与事件驱动MPC： 针对I/O速率不一致的复杂系统，提出优化的采样与控制策略。 第四章：自适应控制与鲁棒控制的集成策略 工业参数漂移是常态，控制器必须具备自适应能力。 1. 基于参数估计的自适应控制： 讨论如梯度法、最小二乘法等参数在线更新机制，并重点分析其在系统状态受扰动时的稳定性保证。 2. $mathcal{H}_{infty}$ 鲁棒控制器的设计： 针对无法准确建模的外部干扰和模型误差，如何通过设计控制器来最小化系统对扰动的敏感度。 3. 自适应鲁棒控制（ARC）： 结合自适应机制和鲁棒性的优点，设计在模型不确定性和外部扰动共存情况下的高性能控制器。 第三部分：面向智能化的决策与优化（实现自主运行） 本部分将视野从单回路控制提升到系统级优化，引入人工智能和优化理论，以实现更高级别的自主操作。 第五章：强化学习在工业优化中的实践 强化学习（RL）被视为实现“无模型”自主优化的前沿技术。 1. RL环境建模与奖励函数设计： 如何将复杂的工艺目标（如能耗最小化、产品质量最大化）转化为清晰、可量化的奖励函数。 2. 深度Q网络（DQN）与Actor-Critic（A2C/A3C）在连续控制中的应用： 针对过程控制的连续输出特性，详细分析策略梯度方法的工程实现细节。 3. 安全约束的强化学习（Safe RL）： 工业应用的首要前提是安全，本章探讨如何将硬约束（如温度、压力上限）融入到RL的探索与学习过程中。 第六章：软测量技术与状态估计 许多关键工艺变量（如产品浓度、催化剂活性）无法在线实时测量，需要依赖软测量技术进行估计。 1. 基于偏最小二乘（PLS）与支持向量机（SVM）的软测量模型构建： 对比传统统计学方法在处理高共线性数据时的表现。 2. 扩展卡尔曼滤波（EKF）与无迹卡尔曼滤波（UKF）在非线性状态估计中的应用： 针对带有噪声的传感器数据，实现对不可测关键变量的实时、高精度估计。 3. 集成软测量与高级控制的闭环结构设计。 第四部分：系统集成、网络化与安全部署（落地与运维） 本部分关注先进控制方案如何从仿真环境走向真实的工业现场，以及如何保证其运行的可靠性和安全性。 第七章：工业物联网（IIoT）与分布式控制架构 先进控制往往依赖于大规模数据采集和高速通信。 1. OPC UA与MQTT在数据采集中的标准化应用： 讨论不同工业协议在支撑高级控制器数据流时的性能权衡。 2. 基于云计算/边缘计算的分布式控制架构： 阐述如何将计算密集型的NMPC或RL模块部署到边缘服务器，以减少现场PLC的负荷，并提高响应速度。 3. 时间敏感网络（TSN）在控制回路中的时钟同步与确定性通信保障。 第八章：自动化系统的安全性和可维护性 系统的复杂性增加，对网络安全和运行可靠性的要求也同步提高。 1. 控制系统网络安全威胁模型（IEC 62443标准导引）： 识别针对过程控制系统的常见攻击向量，如数据篡改、拒绝服务攻击。 2. 控制回路的异常检测与故障诊断： 利用残差分析和机器学习方法，实现对传感器漂移、执行器卡死等常见故障的早期预警。 3. 先进控制策略的仿真验证与回滚机制设计： 确保在高级算法发生未知错误时，系统能迅速、安全地切换回成熟的底层控制逻辑。 --- 总结 本书通过一个完整的技术链条，从“理解对象”到“设计算法”，再到“落地实施”，系统地介绍了如何设计和部署能够应对现代工业复杂性的新一代自动化控制系统。它不是对现有教科书知识的简单重复，而是聚焦于当前工业界亟需解决的前沿工程问题，提供了具体、可操作的技术路径和案例分析。

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**评价五** 阅读体验上，我必须强调这本书在案例选择上的独到眼光。它没有采用过于理想化的、教科书式的流程作为案例，而是选择了多个在实际工业界中具有代表性的、且相互之间具有差异性的应用场景，比如连续反应过程、间歇式批处理过程，甚至还涉及了流体输送网络的优化控制。通过对比分析这些不同场景下，控制策略的调整侧重点和实施难点，读者可以更深刻地理解“一机一策”的控制精髓。书中对于不同控制流派之间的优缺点对比，也做到了客观公正，没有强行推销某种特定的技术路线，而是鼓励读者根据实际工况进行批判性选择。这种鼓励独立思考的教学方式，远比生搬硬套要有效得多。我感觉自己不再是被动地接收知识，而是在与作者一同进行一场高强度的工程设计研讨会，每一次阅读的深入，都伴随着自己专业判断力的增强。这本书绝对称得上是一本集大成、重实效的工程实施宝典。

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**评价一** 这本《过程控制工程实施教程》读下来，给我的感觉就像是走进了一个精心规划的自动化工厂，每一个章节都像是生产线上的一道关键工序，既有理论的严谨性，又不失实践操作的指导性。我特别欣赏作者在讲解复杂控制算法时，那种层层递进、化繁为简的处理方式。比如，在谈到PID参数整定时，书中不仅给出了经典的公式推导，还结合实际案例，展示了如何在各种干扰下，通过在线调整，实现系统性能的最优化。这种“知其所以然，更知其所以然”的叙述风格，对于我们这些需要将控制理论转化为实际生产力的人来说，简直是福音。它不像一些教科书那样，堆砌晦涩的数学模型，而是真正聚焦于“实施”二字。书中的流程图、接线图和软件配置截图都非常详尽，让人感觉就像是手中拿着一份随时可以投入现场使用的SOP（标准操作程序）。尤其是关于现代控制系统集成那一块，涉及了从PLC到DCS再到SCADA的无缝对接，讲解得清晰流畅，极大地拓宽了我对整个控制架构的认知边界。这本书无疑是一本难得的、连接学术与工程实践的桥梁。

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**评价四** 这本书的语言风格有一种不动声色的老派专业精神，但其内容的更新速度却紧跟时代步伐。我惊喜地发现，书中不仅涵盖了经典的模拟量和数字量控制原理，还专门辟出章节详细介绍了新兴的先进过程控制（APC）技术，比如模型预测控制（MPC）的基本思想和实施步骤。这对于我们这些需要将传统控制系统升级换代以应对更复杂生产挑战的工程师来说，至关重要。作者在介绍这些前沿技术时，并没有采取过度宣传的态度，而是非常务实地指出了它们的适用范围、实施难度以及预期回报，避免了将高深技术浪漫化的倾向。此外，书中对HMI（人机界面）设计的理念讲解也极其到位，强调了信息的可视化、直观性和操作的便捷性，这在保证现场操作人员高效工作的同时，也极大地降低了误操作的风险。整体而言，它是一本既能帮你打好坚实基础，又能带你触摸行业前沿的“双面尺”。

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**评价三** 对于一个刚从学校走出来，对工业控制领域充满憧憬的年轻人来说，市面上的资料往往要么过于基础，要么就是针对特定品牌的深奥手册。这本书的出现，恰好填补了这个空白。它以一种宏观的视角审视了整个控制工程的生命周期——从需求分析、系统选型、软件开发到最终的投运和维护。它的结构安排非常合理，逻辑链条清晰可见。我尤其欣赏它对“系统集成”这一环节的重视。在现代工业中，控制系统不再是孤立的单元，而是庞大信息网络的一部分。书中关于OPC UA通信协议的应用、数据库接口的构建，以及如何将过程数据有效地传递给上层的MES系统，都有非常详尽的介绍。这不仅仅是一本关于“如何做控制”的书，更是一本关于“如何将控制融入整个生产管理体系”的指南。读完后，我不再仅仅关注于某个回路的P/I/D值，而是开始思考，我的控制系统如何能为企业的整体运营效率带来更大的贡献。这种思维方式的转变，是这本书给予我的最宝贵的财富。

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**评价二** 初翻这本书，我本以为它会是一本偏向理论深挖的著作，但很快我就发现自己低估了它的实用价值。它更像是一位经验丰富的老工程师坐在你旁边，手把手教你如何将蓝图变为现实。最让我印象深刻的是对故障诊断和安全联锁系统的论述。在化工、制药等高风险行业，控制系统的可靠性是生命线。这本书详尽地阐述了如何设计冗余架构，如何编写健壮的报警逻辑，以及在紧急情况下，控制系统应当如何安全地进入停车状态。这种对潜在风险的预判和应对策略的构建，是教科书上很少能深入探讨的。作者似乎深谙工程现场的“潜规则”，那些只有在实际调试中才会遇到的“坑”，都在书中以案例分析的形式被一一揭示，并提供了有效的规避方案。坦白说，光是学习书中所述的几套成熟的故障排查流程，就已经让我在最近一次设备停车事件中，将处理时间缩短了近一半。这本书的价值，是用事故率和效率提升来衡量的，实打实地提高了我的专业素养和应对突发状况的能力。

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