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页数:194

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出版时间:2009-8

价格:20.00元

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isbn号码:9787030252685

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
• 变流技术
• 电力变换
• 开关电源
• 逆变器
• 整流器
• 电机控制
• 新能源
• 电力系统
• 电路分析

现代工业控制系统：架构、算法与应用 图书简介 本书旨在全面深入地探讨现代工业控制系统的核心理论、关键技术及其在实际工程中的应用。随着工业4.0和智能制造的浪潮席卷全球，对控制系统的实时性、可靠性、柔性和智能化提出了前所未有的高要求。本书摒弃了传统控制理论的过度抽象，聚焦于工程实践中迫切需要解决的问题，构建起一个从底层硬件到顶层软件的完整知识体系。 第一部分：控制系统基础理论与建模 本部分系统梳理了工业控制系统的基本概念、发展历程和架构演变。重点讲解了经典的反馈控制理论，如PID控制器的设计、整定及其在复杂非线性系统中的局限性分析。 系统辨识与建模： 详细阐述了获取实际工业过程数学模型的常用方法，包括时域辨识（如阶跃响应法、脉冲响应法）和频域辨识（如传递函数法）。引入了状态空间描述方法，这是现代控制理论的基础，并讨论了如何利用有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波器对测量信号进行预处理，以提高模型精度。 经典控制的局限与前沿： 深入分析了传统PID控制在多变量、强耦合系统中的不足。随后，引入了现代控制理论的核心概念，如可控性、可观测性分析，以及基于状态反馈的极点配置方法。 第二部分：分布式控制与网络化架构 现代工业控制已不再是集中式的，而是高度分布化和网络化的。本部分着重讲解了实现这种复杂架构所需的技术栈。 现场总线技术（Fieldbus）： 详细对比了CAN、Profibus、DeviceNet等主流现场总线的物理层、数据链路层协议特性、实时性保障机制和抗干扰能力。特别关注了时间触发协议（TTP）和事件触发协议在不同应用场景下的适用性分析。 工业以太网与TSN： 随着对带宽和确定性实时性的更高需求，本书将工业以太网技术提升到重要地位。深入剖析了Time-Sensitive Networking (TSN) 标准族（如IEEE 802.1AS、802.1Qbv等），解释了如何通过时间同步和流量整形，在通用以太网基础上实现纳秒级的确定性通信，这是下一代高精度运动控制和协同操作的关键。 软PLC与基于PC的控制（Soft-PLC/Soft-PAC）： 探讨了利用高性能工业PC取代传统专用PLC的趋势。讲解了实时操作系统（RTOS）在控制应用中的作用，如Windows Kernel-level驱动开发、Linux RT Patch的应用，以及如何通过软件定义控制器实现更灵活的逻辑编程和功能集成。 第三部分：高级控制算法与优化 针对流程工业、复杂机电系统等对性能有极致要求的领域，本部分详细介绍了先进的控制策略。 模型预测控制（MPC）： MPC被誉为现代过程控制的皇冠技术。本书提供了详尽的算法推导，包括滚动时域、预测模型建立、约束处理（不等式约束和等式约束的统一处理）以及优化问题的求解器选择（如内点法、序列二次规划）。并通过实例展示了MPC在化工反应器温度控制和复杂机器人路径规划中的实际部署。 自适应与鲁棒控制： 讨论了系统参数随时间变化的场合。自适应控制部分重点介绍基于模型的参数估计（如递推最小二乘法）和基于模型的自适应控制（MRAC）。鲁棒控制则侧重于H-无穷范（H$infty$）控制器的设计，用以应对模型不确定性和外部扰动。 模糊逻辑与神经网络控制： 作为智能控制的重要分支，模糊控制部分讲解了模糊集理论、隶属函数设计和模糊推理机的工作原理。在神经网络部分，结合深度学习的最新进展，探讨了如何利用强化学习（Reinforcement Learning, RL）训练控制器，使其在未知或高度非线性的环境中自主学习最优控制策略，特别是在机器人控制和过程优化中的前瞻性应用。 第四部分：系统集成、安全与诊断 现代控制系统不仅仅是算法的堆砌，更是安全、可靠和可维护的工程实体。 人机界面（HMI）与数据可视化： 讲解了高效HMI的设计原则，包括信息密度、操作直观性以及数据趋势的实时可视化技术。强调了如何通过有效的视觉反馈，帮助操作人员快速诊断异常状态。 工业网络安全（ICS Security）： 鉴于工控系统日益成为网络攻击的目标，本书专门设立章节讨论了ICS安全框架。内容包括 Purdue 模型下的纵向和横向隔离、安全协议（如TLS在工控网络中的应用）、入侵检测系统（IDS）在OT网络中的部署，以及安全审计与漏洞管理流程。 健康监测与故障诊断（PHM）： 阐述了基于模型的残差分析、基于信号处理的特征提取（如小波变换、经验模态分解EMD）在早期故障识别中的应用。讨论了如何利用传感器数据和历史故障模式，构建预测性维护模型，实现从被动维护向主动维护的转变。 总结与展望 本书内容广泛而深入，理论与实践紧密结合，旨在为控制工程师、系统集成商以及相关专业的研究生提供一本权威的参考手册，助力构建下一代高效、智能、安全的工业控制系统。

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从整体感觉上来说，这本书给人一种历经沉淀的厚重感，它更侧重于基础理论的深入挖掘和经典方法的系统梳理，而不是追逐最新的、尚未完全成熟的前沿技术。它的语言风格非常“实在”，没有太多市场化的浮夸，每一句话似乎都经过了反复的推敲和验证。我在阅读过程中，反复对照着书中的例题进行演算，发现作者在数值计算和单位换算上几乎无可挑剔，这为验证自身的计算能力提供了可靠的参照标准。书中对于保护电路和冗余设计方面的论述，虽然篇幅不算长，但其深度值得称赞，它提醒读者，一个优秀的电力电子系统不仅仅是高效的转换器，更是一个健壮可靠的整体。总而言之，这本书与其说是一本入门读物，不如说是一部需要反复研读、时常翻阅的“内功心法”，它奠定的理论基础，足以支撑读者在未来面对各种复杂变流系统时，都能保持清醒和准确的判断力。

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这本书的排版风格极为严谨，几乎每一页都像是经过了精心的布局和校对，这对于理工科书籍来说至关重要。图表的质量非常高，无论是电路拓扑图还是波形图，线条都清晰锐利，标注详尽无遗。我注意到书中在介绍逆变器拓扑时，特意引入了空间矢量调制（SVM）的几何意义解释，这部分内容通常是教材中的难点，但这里的图示将三相电压矢量在静止和旋转坐标系下的投影变化描绘得淋漓尽致，配上详细的向量代数推导，使得原本抽象的控制策略变得直观可感。此外，书中对不同调制方式的优缺点对比分析非常透彻，例如，对正弦脉宽调制（SPWM）与高频注入正弦波调制的参数选择影响进行了量化比较，而不是泛泛而谈。书中还穿插了一些工程实例分析，虽然篇幅不长，但足以让读者体会到理论知识在实际工程应用中是如何落地生根的，比如对某个典型工业驱动系统参数设定的探讨，非常具有启发性，让人感觉手中的知识不再是孤立的符号，而是解决实际问题的利器。

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说实话，这本书的文字风格属于那种非常内敛、克制的学术语言，用词精准，逻辑链条严密得像瑞士钟表。它很少使用花哨的修饰语，所有描述都围绕着物理定律和数学模型展开。在深入到拓扑结构分析时，作者展现了极强的系统性思维，他不是简单地罗列各种电路形式，而是从基本开关单元的功能需求出发，逐步推导出多电平变流器和交交变频器的结构演化路径。书中对于开关损耗和热管理问题的讨论，占据了相当大的篇幅，这体现了作者深厚的工程实践背景。特别是关于开关器件的瞬态响应建模，它不仅仅停留在理想化的开关模型，还引入了非线性电阻和寄生电感的考量，这对于设计高可靠性、高效率的电源系统至关重要。我个人感觉，这本书更像是一本“工具书”与“教科书”的完美结合体，当你需要快速查阅某个具体拓扑的参数设计准则时，能够迅速定位；当你希望深入理解某个控制算法的物理基础时，又能提供详实的论证过程。

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这本书的封面设计得相当有年代感，那种厚重的纸张和略带泛黄的色调，一下子就让人联想到上世纪八九十年代的经典教材。书本的装帧很结实，拿到手里沉甸甸的，感觉内容一定非常扎实。我本来以为这会是一本纯粹的理论书籍，但翻开目录后发现，它在绪论部分就花了很大篇幅来介绍电力电子技术的发展历史和在现代工业中的地位，这对我这种初学者来说很有帮助，能迅速建立起对这个领域的整体认知。书中对基础概念的阐述极其耐心，特别是对半导体器件工作原理的讲解，配有大量清晰的手绘图示，即便是初次接触MOSFET或IGBT的人，也能通过图示理解其开关特性。作者在解释复杂公式时，并没有直接抛出结论，而是通过物理过程的剖析来推导出数学模型，这种“知其然更知其所以然”的教学方式，极大地增强了阅读的乐趣和理解的深度。我尤其欣赏它在每一章末尾设置的“思考与讨论”环节，这些问题往往不是简单的概念复述，而是需要综合运用所学知识进行分析和判断，有效地检验了学习效果，避免了死记硬背的弊端。

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这本书的阅读体验，说白了，需要读者有一定的数学功底，因为它对傅里叶分析和状态空间法的应用相当频繁。但令人欣慰的是，作者似乎深知这一点，所以在引入这些高级数学工具时，总会先用一段话解释其在电力电子学背景下的物理意义，比如，如何用傅里叶级数来分析输出谐波含量，或者如何利用状态方程来设计闭环控制器。书中有一个章节专门讲解了电流型和电压型控制器的设计思路差异，这部分内容写得尤为精彩，通过对环路带宽和相位裕度的对比分析，清晰地展示了不同控制结构对系统稳定性的影响。我特别喜欢它在处理开关频率选择问题时的态度——它没有给出一个固定的最佳值，而是基于不同应用场景（如电机驱动、UPS供电）对纹波、效率和成本的权衡，提供了详细的决策矩阵，这体现了一种成熟的、面向工程实践的思维框架，避免了理论的僵化。

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