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出版者:

作者:蔡杏山 编

出品人:

页数:187

译者:

出版时间:2010-5

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787115225078

丛书系列:

图书标签:

• 电子测量
• 仪器
• 零基础
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现代工业过程控制系统：从理论到实践的深度解析 本书聚焦于现代工业生产线上至关重要的自动化与过程控制技术，旨在为读者提供一套全面、深入且高度实用的知识体系。 我们将超越基础的仪器仪表原理，深入探讨构成复杂控制系统的核心要素、设计哲学以及前沿应用。本书内容组织严谨，逻辑清晰，从宏观的系统架构到微观的信号处理与算法实现，层层递进，确保读者能够构建起扎实的理论基础和丰富的工程实践能力。 --- 第一部分：工业控制系统架构与基础理论的深化 本部分旨在为读者建立一个坚固的理论基石，理解现代控制系统的整体框架及其背后的数学原理。 第一章：工业自动化系统的演进与结构全景 从继电器到智能控制的历程： 详细回顾工业控制技术的发展脉络，对比传统机电控制、PLC（可编程逻辑控制器）主导的系统、以及当前DCS（集散控制系统）与PC/网络化控制的优势与适用场景。 分层控制架构的精细剖析： 深入解析ISA-95（或IEC 62264）标准的四层或五层架构（从现场设备层到企业资源规划层），重点阐述控制层（Level 1/2）如何与信息层（Level 3/4）进行高效数据交换和协同工作。 嵌入式系统在控制中的角色： 探讨高性能微控制器（MCU/MPU）和FPGA在实现快速、确定性控制任务中的关键作用，以及实时操作系统（RTOS）的选择标准与优化技巧。 第二章：经典与现代控制理论的再审视 经典控制理论的工程化应用： 侧重于频域分析（如波特图、奈奎斯特图）在系统稳定性裕度判断中的实际操作，以及PID控制器的参数整定在非线性系统中的鲁棒性增强方法。 状态空间方法的深入学习： 探讨如何利用矩阵代数建立系统的精确数学模型，讲解可控性、可观测性的判定，以及极点配置（Pole Placement）在设计高性能控制器中的优势。 最优控制与自适应控制基础： 介绍LQR（线性二次型调节器）的设计思想及其在能耗优化中的应用潜力。初步引入模型参考自适应控制（MRAC）的概念，为处理模型参数时变的复杂过程做铺垫。 --- 第二部分：核心控制单元与网络通信技术 本部分将目光聚焦于工业现场的核心执行者——控制器本身，以及它们之间实现无缝通信的网络协议。 第三章：可编程逻辑控制器（PLC）的高级编程与应用 PLC硬件选型与冗余设计： 详细对比主流厂商（如西门子S7系列、罗克韦尔ControlLogix等）的CPU模块、I/O卡件的性能指标，重点分析热备份和冷备用在关键工艺中的实施方案。 结构化编程与面向对象思想： 超越传统的梯形图（LD）编程，深入讲解功能块图（FBD）、指令表（STL/AWL）以及结构化文本（ST）在实现复杂逻辑、循环运算和数据处理中的效率。强调模块化编程的复用性与可维护性。 运动控制与安全集成： 探讨集成式PLC在多轴同步控制（如电子凸轮、插补运动）中的功能实现，以及如何通过安全PLC（Safety PLC）实现符合SIL等级的紧急停机逻辑。 第四章：分布式控制系统（DCS）的原理与部署 DCS系统架构的拓扑结构： 剖析现代DCS中的控制站、监控站、工程师站、操作员站之间的关系，以及它们如何通过冗余总线（如冗余以太网或专有高速总线）连接。 面向过程的控制策略实现： 重点讲解DCS中特有的控制模块（如顺序控制块、回路控制块）的组态与链式连接，对比其在处理大规模、长周期过程控制的优势。 历史数据库与数据归档： 探讨DCS如何高效管理海量的过程数据，包括数据压缩算法、告警管理机制（Alarm Management）的设计原则，以及数据安全与完整性的保障。 第五章：工业现场总线与以太网通信协议栈 经典现场总线的深入解析： 详细介绍Profibus DP/PA、CANopen在实时数据交换中的应用特点、报文结构与冲突解决机制。 工业以太网的崛起与标准： 全面解析EtherNet/IP、Profinet IO、Modbus TCP/IP的协议栈差异、确定性保障技术（如时间敏感网络TSN）。 OPC UA：实现跨平台互操作性的桥梁： 深入讲解OPC UA的数据模型、安全机制（加密、签名）以及它在连接OT（操作技术）层和IT（信息技术）层中的关键作用，不仅仅是数据采集，更是语义互操作性的实现。 --- 第三部分：先进过程控制（APC）与系统优化 本部分是全书的精华，重点探讨如何利用先进的数学工具和算法，将过程性能提升到最优水平，实现节能降耗和质量稳定。 第六章：过程建模与辨识技术 系统识别的必要性与方法： 阐述为什么要建立精确的数学模型，并区分离线建模（如系统辨识工具箱）与在线在线建模的适用场景。 时域与频域模型的建立： 详细介绍脉冲响应法、阶跃响应法在获取一阶/二阶加时间延迟（FOPDT）模型参数中的应用。 高阶系统的降阶技术： 讲解如最小二乘法（Least Squares）、信息论方法在简化复杂模型，使其适用于传统控制器设计中的应用。 第七章：多变量预测控制（MPC）的理论与工程实现 MPC的原理与核心优势： 详细阐述MPC如何利用当前和未来（有限时间窗口）的过程模型预测系统行为，并根据成本函数进行优化求解，实现对约束条件的严格处理。 MPC的结构与求解算法： 介绍有限水平（Finite Horizon）优化问题，涉及线性规划（LP）和二次规划（QP）的在线求解器选择与性能考量。 MPC在复杂耦合系统中的应用案例： 结合实际案例，如精馏塔控制、化工反应器温度与浓度耦合控制，展示如何通过MPC实现对关键性能指标（如能耗、产品质量波动）的综合优化。 第八章：回路性能优化与故障诊断 基于性能指标的控制回路评估： 引入如IAQC（工业自动化质量指数）或EVOP（实验设计与过程优化）思想，量化评估现有控制回路的性能瓶颈。 先进的PID调谐方法： 介绍如Ziegler-Nichols、Cohen-Coon等经典方法在现代系统中的局限性，重点讲解基于模型的精确调谐（如基于模型带宽和相位裕度的调谐）。 过程监控与故障检测诊断（FDD）： 探讨基于残差分析、卡尔曼滤波（Kalman Filtering）以及主成分分析（PCA）等多元统计方法，实现对传感器漂移、执行器卡滞等常见故障的早期、精确识别。 --- 第四部分：系统集成、网络安全与未来趋势 本部分关注控制系统的生命周期管理、日益重要的网络安全防护，以及面向工业物联网（IIoT）的未来控制趋势。 第九章：工业控制系统的生命周期与网络安全 控制系统文档化与变更管理： 强调按照IEC 61511（功能安全）或相关行业标准，对控制逻辑、I/O分配、参数设置进行严格的版本控制和审批流程。 工业控制系统网络安全防护策略： 深入分析针对OT环境的威胁模型（如针对PLC固件、HMI界面的攻击），讲解纵深防御（Defense in Depth）的实施，包括物理隔离、防火墙配置（DMZ）、入侵检测系统（IDS）在工业网络中的部署。 安全等级与风险评估： 讲解如何根据SAMA或IEC 61508/61511标准对安全仪表系统（SIS）进行风险评估和所需安全完整性等级（SIL）的确定。 第十章：工业物联网（IIoT）与智能制造中的控制系统 边缘计算（Edge Computing）在控制中的融合： 探讨如何在现场控制器附近进行数据预处理、实时分析和本地控制决策，以降低对云端通信的依赖，提升响应速度。 数字孪生（Digital Twin）的构建与应用： 讲解如何利用高精度仿真模型作为控制器的“影子”，用于测试新的控制策略、优化操作规程，并指导实际设备的维护。 基于机器学习的控制： 探讨如何利用深度强化学习（DRL）来训练新的控制策略，尤其是在传统APC模型难以建立的、高度非线性和动态变化的复杂系统中展现的巨大潜力。 --- 本书的特点： 本书内容严格围绕工业生产的实际需求展开，注重理论与工程应用的紧密结合。通过大量的案例分析和深入的数学推导，读者不仅能够“如何操作”，更能理解“为何如此设计”。它不仅仅是一本关于仪表的参考手册，更是一部关于如何设计、部署、优化和保护现代自动化控制系统的综合工程指南。

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