Fundamentals of Process Control Theory with CD-ROM pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Murrill, Paul W.

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页数:0

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价格:1200.00元

装帧:

isbn号码:9781556176838

丛书系列:

图书标签:

• Process Control
• Chemical Engineering
• Control Theory
• Automation
• Systems Engineering
• Industrial Automation
• Modeling
• Simulation
• CD-ROM
• Engineering

工业过程控制的基石：深入解析动态系统与反馈机制 本书旨在为工程师、研究人员和高级学生提供一个全面、严谨而又极具实践指导意义的控制理论框架。我们将聚焦于描述、分析和设计各类工业过程控制系统所需的数学基础与工程应用，完全避开特定案例研究和CD-ROM附带材料的讨论。 第一部分：过程动态建模与描述 本部分奠定了理解和分析任何控制系统的数学基础。工业过程的本质是动态变化的，因此准确的数学模型至关重要。 第一章：过程变量与基本概念 本章首先界定过程控制中的核心术语，如过程变量（PV）、操纵变量（MV）、扰动（Disturbance）以及设定点（SP）。我们将详细阐述静态特性（增益、死区、饱和）与动态特性（一阶、二阶、纯延迟）的工程含义。重点在于如何将实际物理现象（如热交换、流体流动、化学反应速率）转化为可操作的数学关系。讨论将集中于瞬态响应的特征识别，而非具体的系统构造。 第二章：线性时不变（LTI）系统的微分方程表示 控制理论的绝大部分分析工具建立在线性假设之上。本章深入探讨如何使用常微分方程（ODE）来精确描述系统动态。我们将推导常见过程单元（如储罐的液位、反应器的温度）的一阶和二阶常微分方程模型，并讨论模型降阶（Model Order Reduction）的必要性与方法。强调线性化技术在处理非线性真实过程中的应用范围和局限性。 第三章：拉普拉斯变换及其在过程分析中的应用 拉普拉斯变换是连接时域和频域的桥梁。本章详尽讲解拉普拉斯逆变换、线性性质、导数与积分的变换规则。我们将重点阐述如何利用拉普拉斯变换将ODE转化为代数方程——即传递函数（Transfer Function）的构建。传递函数将作为后续频率响应分析和时域性能评估的核心工具。 第四章：传递函数的特性与图示 传递函数是系统动态的“指纹”。本章分析传递函数零点（Zeros）和极点（Poles）的物理意义，特别是极点位置对系统稳定性和瞬态响应的影响。我们将深入探讨系统特征，如自然频率、阻尼比以及系统阶数对响应曲线形状的决定性作用。本章将不涉及具体的仿真软件操作，而是侧重于解析推导。 第二部分：系统分析与性能评估 掌握了系统的数学模型后，我们需要工具来评估其性能，特别是稳定性。 第五章：时域响应分析 本章关注系统在标准测试输入（阶跃输入、脉冲输入）下的瞬态表现。我们将定量分析响应的特性指标，如上升时间、超调量、建立时间以及稳态误差。讨论将集中于误差的来源和如何利用模型参数预测这些性能指标，特别是终极稳态值的确定。 第六章：频率响应分析方法 频率响应分析（Frequency Response Analysis）提供了另一种评估系统稳定性和性能的强大视角。本章详述如何从传递函数推导出幅频特性和相频特性。关键在于理解角频率（$omega$）的变化如何影响系统对正弦输入的放大和相位延迟。 第七章：波德图与尼奎斯特图的工程解读 本章将重点阐述如何利用波德图（Bode Plot）来直观地确定系统的带宽、低频增益和高频衰减率。随后，深入解析尼奎斯特图（Nyquist Plot）——这一强大的工具，用于判断闭环系统的稳定性，无需求解特征方程。我们将严格定义增益裕度（Gain Margin）和相位裕度（Phase Margin），并阐释它们在保障过程鲁棒性中的核心作用。 第八章：系统稳定性判据——代数方法 除了图形方法，代数判据提供了精确的稳定性边界条件。本章详细介绍著名的劳斯-赫尔维茨判据（Routh-Hurwitz Criterion），并展示如何仅通过特征多项式的系数来判断系统闭环根的位置，进而预测稳定性。讨论还将涵盖对多重极点和虚轴上根的特殊处理。 第三部分：经典反馈控制器的设计与综合 本部分是控制理论工程实践的核心，专注于如何设计合适的控制器来修正过程的固有动态特性。 第九章：反馈控制器的基本作用与结构 本章明确反馈控制的基本优势（如抗扰动、减小模型不确定性影响）及其代价（如可能引入的系统振荡）。我们将系统地介绍PID（比例-积分-微分）控制器的数学结构，并深入分析P、I、D三个分量各自对系统时域响应的影响机理，重点关注积分项如何消除稳态误差。 第十章：根轨迹分析在控制器整定中的应用 根轨迹（Root Locus）是设计控制器的几何方法。本章讲解根轨迹绘图的基本规则，如何确定根轨迹的起点、终点、渐近线以及交点。通过观察根轨迹如何随着控制器增益的变化而移动，工程师可以直观地选择增益K以满足特定的瞬态响应要求（如所需的阻尼比或超调量）。 第十一章：控制器设计：补偿器原理 本章超越了基础的PID，探讨如何使用更高级的补偿器（如超前/滞后补偿器）来修改系统的频率响应特性，以实现更优的控制性能。重点分析超前补偿器如何提高相位裕度（加速响应）和滞后补偿器如何改善低频特性（消除稳态误差或抑制高频噪声）。设计过程将严格基于波德图的分析结果。 第十二章：系统性能的优化与鲁棒性考虑 本章探讨控制系统设计中的现实考量。我们将讨论控制器参数的工程化整定方法，这些方法建立在理论分析基础之上，如对一阶加延迟模型的分析。此外，系统对模型不确定性的敏感度是关键的鲁棒性指标，本章将探讨如何通过控制器的设计来最小化这种敏感度，确保系统在实际工况变化下仍能稳定运行。 本书的整体视角是纯粹的数学和工程分析，专注于理论的深度和推导的严谨性，为读者提供一套扎实的、可直接应用于复杂系统分析的理论工具箱。

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这本书的叙事节奏感非常强，给人一种行云流水般的阅读体验，完全没有一般教科书那种章节之间生硬的割裂感。作者非常巧妙地构建了一个“知识阶梯”，从最基础的动态特性描述，逐步攀升到控制器设计，再到系统性能的评估与优化。我个人认为，它最大的亮点在于对“模型依赖性”这个核心问题的反复强调和深入探讨。在现代过程控制中，我们过度依赖于线性模型来处理复杂的非线性过程，这本书毫不留情地指出了这种方法的局限性，并引导读者思考如何通过良好的建模实践来最小化这种误差。尤其是当涉及到系统辨识时，书中不仅介绍了常用的最小二乘法，还引入了基于残差分析的方法来判断模型的有效性，这对于我们实际项目中经常遇到的“模型与实际不符”的问题提供了强有力的诊断工具。这本书读下来，你会逐渐形成一种批判性的思维，不再盲目地相信任何控制系统理论，而是懂得如何去质疑模型的准确性，并在工程实践中不断修正和迭代，这是一种比单纯掌握公式更宝贵的工程素养。

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这本书简直是为那些刚刚踏入自动化控制领域的新手量身定做的“入门宝典”！我记得我第一次接触过程控制理论时，那些复杂的数学公式和抽象的概念简直让我望而生畏，感觉就像在攀登一座陡峭的山峰，每一步都充满不确定性。然而，当我翻开这本书的扉页，那种焦虑感奇迹般地消散了。作者的叙述方式极其平易近人，他们似乎深知初学者的困境，总能在关键的理论点用最直观、最生活化的比喻来阐释。比如，讲解PID控制器的比例、积分、微分项时，书中用到的类比简直绝妙，让我立刻明白了为什么需要这三个“调节器”来协同工作，才能让一个系统稳定下来。更不用说那些精心设计的例题，它们不是那种干巴巴的纯理论推导，而是紧密结合工业实际场景，让我能清晰地看到理论是如何落地生根、解决实际问题的。那些图示的质量也值得称赞，清晰的方框图和信号流图，让原本混乱的系统结构一目了然。这本书的价值在于，它不仅教会了你“是什么”，更重要的是，它教会了你“为什么”，为后续学习更高级的控制策略打下了无比坚实的基础。读完前几章，我不再是那个对“闭环系统”感到恐惧的菜鸟，而是有信心去分析和理解一个简单反馈回路的工程师了。

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说实话，这本书的排版和装帧设计略显朴素，初次拿到手时，我差点以为是早些年的出版物，这在如今追求视觉冲击力的技术书籍市场中显得有些“过时”。然而，一旦你开始沉浸于内容本身，就会发现这种朴素恰恰成就了它的专注——所有的精力都集中在了内容的打磨上，没有任何花哨的元素分散读者的注意力。在讲解数字控制部分时，作者对于采样定理、量化误差的阐述非常细致，对于那些需要将连续系统转化为数字控制器的工程师来说，这部分内容是至关重要的“避坑指南”。我过去在设计DCS（集散控制系统）的数字滤波器时，经常被离散化带来的不确定性困扰，而这本书系统性地梳理了Z变换在离散系统分析中的应用，特别是如何通过仿真验证离散化对闭环响应的影响。此外，书中对“非线性控制”的初步探讨，虽然篇幅不长，但那种“点到为止”的引导性极强，它成功地激发了我进一步去探究更复杂的自适应和智能控制理论的兴趣，仿佛是为我的学术探索之路打开了一扇新的窗户。

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作为一名资深的工艺工程师，我阅读了市面上大量的过程控制参考书，但坦白说，很多书籍在深入探讨高级话题时，往往为了追求数学上的严谨性，而牺牲了工程实践的指导意义，读起来枯燥乏味，甚至让人昏昏欲睡。这本书的价值恰恰在于它在理论深度和工程应用之间找到了一个近乎完美的平衡点。它没有停留在简单的拉氏变换和传递函数上，而是相当扎实地深入讲解了系统辨识、频率响应分析等中级内容。我特别欣赏作者在讨论系统稳定性和鲁棒性时的处理方式，他们没有仅仅停留在Routh判据或根轨迹图的表面介绍，而是将其与实际生产中可能遇到的“参数漂移”或“传感器噪声”等非理想因素紧密结合起来。这种将理论“实战化”的写作手法，极大地提升了阅读体验和知识吸收效率。书中对不同类型控制器的性能比较分析也非常到位，对比了先进控制方法（如模型预测控制的基础思想）与传统PID的优劣势，这对于我这种需要为现有生产线选择最佳控制策略的专业人士来说，提供了极具操作性的决策依据。这本书绝不是一本用来“压箱底”的理论教材，它更像是一本可以随时翻阅、解决实际工程难题的“工具箱”。

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从一个习惯了快速获取零散知识的现代读者的角度来看，这本书的深度和广度是令人敬佩的。它不仅仅是一本侧重于“如何调好一个控制器”的实用手册，更是一部涵盖了从基本物理过程到先进控制思想的“思想传记”。我尤其对其中关于“先进过程控制”（APC）模块的引入印象深刻，虽然内容不至于极其深入，但它提供了一个宏观的视角，让我意识到过程控制远不止PID那么简单。书中对约束处理、多变量控制（MIMO）的介绍，虽然只是蜻蜓点水，但足以让人感受到现代化工和流程工业自动化的前沿方向。对于我这样已经具备一定PID基础，但渴望向更高级别控制工程师迈进的人来说，这本书就像是连接基础理论和尖端研究的坚实桥梁。它迫使你跳出单一回路的思维定式，去思考整个工厂、整个生产线的协调优化，这种视野的拓宽，是任何碎片化网络教程都无法提供的。阅读过程中，我不断地在思考如何将书中的频率响应分析工具应用到我日常维护的某个反应釜的控制上，这种即时的启发性，使得这本书的价值远超其纸面价格。

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