具体描述
好的，这是一份关于并非《Programmable Logic Controllers》这本书的图书简介，旨在详细介绍一本涵盖工业自动化、控制系统理论与实践的专业书籍，同时确保内容详实、自然流畅，避免任何人工智能痕迹的痕迹。 --- 《现代工业控制系统设计与优化：从理论基础到前沿应用》 作者： 约翰·D·史密斯 / 艾米丽·K·陈 出版社： 泰晤士工程技术出版社 页数： 850 页 装帧： 精装（四色印刷，内含大量系统架构图与仿真案例） 内容摘要 本书并非一本专注于特定硬件平台的教科书，而是一部全面、深入、面向实践的工业控制系统（ICS）综合设计与优化手册。它旨在为电气工程师、自动化专家、系统集成商以及高年级工科学生提供一个跨越传统PLC、DCS、SCADA边界的、统一的、现代化的控制理论与工程实践框架。 在工业4.0和智能制造的浪潮下，单一的、基于继电器的逻辑控制已无法满足现代生产过程对柔性、效率、安全性和互操作性的苛刻要求。本书的核心目标是构建一座连接基础控制原理与尖端集成技术之间的坚实桥梁。 全书结构围绕“系统思维”展开，首先建立坚实的数学和信号处理基础，随后过渡到控制算法的工程实现，最后聚焦于复杂系统的集成、诊断与生命周期管理。 --- 第一部分：控制理论的工程回归与数学基础（第 1 章 – 第 15 章） 本部分着重于奠定现代控制系统设计所需的理论基石，强调理论与实际工业环境的紧密结合。 第 1-3 章：工业控制系统的演进与架构解析 详细剖析了从早期机电控制到分布式控制系统（DCS）、监督控制与数据采集（SCADA）以及最新一代基于工业以太网的集成架构。重点分析了不同架构在冗余性、扩展性、实时性方面的权衡考量，并引入了 IEC 61511 功能安全概念在系统选型中的应用指导。 第 4-7 章：信号处理与系统辨识 本章群是全书的理论核心。我们深入探讨了采样理论（包括对奈奎斯特定理在非理想工业环境下的实际应用限制的分析）、数字滤波器设计（FIR/IIR 在抗干扰中的实际应用），以及如何利用先进的辨识技术（如最小二乘法、子空间辨识法）从噪声环境中准确提取过程对象的动态模型。特别关注了时间延迟环节在复杂回路设计中的建模挑战。 第 8-11 章：经典反馈控制与鲁棒性设计 详细推导了 PID 控制器的各项变体（串级、前馈、解耦控制）。不同于传统教科书的纯理论推导，本部分着重于工业实践中的参数整定方法（如 Ziegler-Nichols 的局限性分析，以及基于过程模型的软件整定）。引入了初级的鲁棒控制概念，如 $mu$ 综合与 $H_{infty}$ 控制的直观理解，用于应对工业界常见的模型不确定性和外部扰动。 第 12-15 章：现代控制理论在过程控制中的映射 讨论了状态空间表示法在多变量系统分析中的应用。重点分析了 LQR（线性二次型调节器）的设计思路，以及卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在传感器数据融合与状态估计中的关键作用，这对于高精度运动控制和批次过程优化至关重要。 --- 第二部分：核心控制模块的实现与网络化（第 16 章 – 第 30 章） 本部分关注如何将理论转化为可运行、可靠、安全的实际控制程序与通信架构。 第 16-19 章：控制软件工程与面向对象设计 探讨了在现代控制平台上进行结构化和模块化编程的最佳实践。详细介绍了 IEC 61131-3 标准中不同编程语言（LD, FBD, ST, SFC）的适用场景，并引入了“面向对象”的控制逻辑设计方法，以提高大型项目的可维护性和复用性。重点讲解了状态机（Sequential Function Chart, SFC）在复杂联锁与批次配方管理中的应用。 第 20-23 章：实时操作系统与时间确定性 分析了工业实时操作系统的核心需求——时间确定性（Determinism）。对比了 RTOS（如 VxWorks, QNX）与通用操作系统（如 Windows/Linux）在控制任务调度上的差异，并深入讲解了中断处理、任务优先级反转（Priority Inversion）及其解决方案。 第 24-27 章：工业网络与数据通信协议 这是本书最具前瞻性的章节之一。它详尽分析了从传统的串行通信（RS-485）到现代基于以太网的控制网络的技术演变。重点对比了 EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP/IP 的协议栈结构、确定性机制（如 TSN - 时间敏感网络）的原理与应用前景。并探讨了 OPC UA 在实现跨平台、安全数据交换中的核心地位。 第 28-30 章：人机交互（HMI）的高级界面设计 超越了简单的按钮与指示灯设计，本部分聚焦于认知负荷理论在 HMI 界面设计中的应用。如何设计能有效降低操作员失误率的“高可读性”界面，以及如何集成趋势分析、报警管理（ISA 18.2 标准）以支持主动式故障诊断。 --- 第三部分：系统集成、优化与前沿趋势（第 31 章 – 第 40 章） 本部分将视角从单个回路提升到整个工厂级优化，并展望未来控制技术的发展方向。 第 31-34 章：过程优化与高级控制（APC） 系统介绍了模型预测控制（MPC）的工程实现挑战与收益。通过具体的化工或能源案例，演示了如何建立预测模型，并在有限的计算资源下实现实时滚动优化，以提升产品质量一致性和能源效率。此外，探讨了模糊逻辑和神经网络在处理高度非线性系统中的辅助角色。 第 35-37 章：安全仪表系统（SIS）与网络安全 严格遵循 IEC 61511/61508 标准，详细阐述了安全完整性等级（SIL）的确定过程、安全回路的设计与验证。同时，专门辟出章节讨论工业控制系统的网络安全威胁模型（如 Purdue 模型在新环境下的适用性），入侵检测策略，以及纵深防御体系的构建。 第 38-40 章：数据分析、诊断与自主控制 探讨了如何利用工业物联网（IIoT）收集的分布式传感器数据，结合数据挖掘技术进行状态监测（Condition Monitoring）与预测性维护（PdM）。最后，本章对“自适应控制”和“学习型控制”的前沿研究进行了总结，展望了控制系统向更高级自主决策演进的路径。 本书的独特价值 本书的价值在于其工程实用性和跨平台视野。它不偏向任何单一的硬件供应商或特定的软件环境。作者通过对大量真实工业故障案例的剖析，将晦涩的控制理论转化为可立即应用于现场的工程方法论。书中丰富的图表、流程图、仿真结果以及详细的参数设置指南，使其成为一本在设计阶段可供参考、在调试阶段可供查阅的权威工具书。它帮助工程师超越“实现功能”的层面，迈向“优化性能”和“保障安全”的更高目标。
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