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出版者:冶金工业出版社

作者:

出品人:

页数:274

译者:

出版时间:2004-1

价格:29.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787502434724

丛书系列:

图书标签:

• 计算机控制
• 自动控制
• 嵌入式系统
• 单片机
• PLC
• MATLAB
• Simulink
• 控制理论
• 工业控制
• 自动化

现代工业自动化与过程控制技术 本书聚焦于当代工业生产与复杂系统运行的核心驱动力——自动化与过程控制技术的发展、原理、实现与应用。它旨在为工程技术人员、科研工作者以及高年级学生提供一个全面而深入的知识框架，理解如何利用先进的控制理论与工程实践，优化系统性能、确保生产安全与提升资源效率。 --- 第一部分：控制系统的基础理论与建模 本部分奠定了理解现代控制系统的理论基石，着重于如何准确地描述一个物理系统，并在此基础上设计有效的控制策略。 第一章：系统动态特性与经典描述 详细阐述了线性时不变（LTI）系统的基本概念，包括微分方程描述、传递函数（Transfer Function）的推导与物理意义。深入分析了系统的基本动态响应，如一阶、二阶系统的阶跃响应、脉冲响应的特征分析，包括阻尼比、自然频率、超调量等关键性能指标的计算与影响。引入了系统的频率响应分析，如波德图（Bode Plot）和奈奎斯特图（Nyquist Plot）的绘制与初步应用，为后续的稳定性分析做铺垫。 第二章：状态空间表示法与现代控制理论基础 超越了经典的单输入单输出（SISO）描述，本章系统地介绍了状态空间（State-Space）建模方法。内容涵盖了如何将高阶微分方程转化为一组一阶线性微分方程组，矩阵指数的计算及其在求解系统动态响应中的作用。探讨了系统的能观性（Observability）和能控性（Controllability）的判定标准，这是设计现代观测器和状态反馈控制器的前提。 第三章：系统辨识与参数估计 在许多实际工程问题中，系统的精确数学模型往往难以直接获得。本章专门讨论了系统辨识（System Identification）的方法论。内容包括实验数据的采集、预处理技术，以及基于回归分析、最大似然法（Maximum Likelihood Estimation）等统计学方法对系统参数的估计。重点介绍在线辨识算法，如递推最小二乘法（Recursive Least Squares, RLS），及其在系统参数随时间变化场景中的应用。 --- 第二部分：经典控制器的设计与性能优化 本部分回归到成熟且广泛应用的经典控制技术，侧重于如何通过反馈机制实现对系统性能的精确调节。 第四章：反馈控制器的设计原理 深入剖析了比例-积分-微分（PID）控制器的基本结构、各个参数（$K_p, K_i, K_d$）对系统动态性能的影响机制。详细讨论了PID控制器的参数整定方法，包括Ziegler-Nichols（齐格勒-尼科尔斯）方法、基于波德图的相位裕度/增益裕度设计法，以及手动整定的经验法则。同时，对串联补偿器（如超前/滞后补偿器）的设计进行了系统的阐述。 第五章：根轨迹分析与稳定性裕度 根轨迹法（Root Locus）作为一种强大的图形化设计工具被详细介绍。内容包括根轨迹的绘制规则、对系统开环零极点变化的敏感性分析，以及如何利用根轨迹来指导控制器参数的设计，以确保闭环系统的极点位于期望的稳定区域。重点讲解了增益裕度（Gain Margin）和相角裕度（Phase Margin）的物理意义及其作为系统稳定性的量化指标。 第六章：频率响应分析与稳健性 本章将频率响应分析提升到工程应用层面。除了基础的Bode图和Nyquist图，还引入了环路整形（Loop Shaping）的概念，即通过设计补偿器，在特定的频率范围内改变系统的开环增益和相位，以满足暂态响应和稳态误差的要求。详细讨论了系统的稳健性（Robustness）问题，包括如何量化和评估控制器在模型不确定性下的性能保持能力。 --- 第三部分：现代与先进控制策略 本部分面向更复杂、多变量、非线性和强耦合的现代工业过程，介绍前沿的控制理论与技术。 第七章：最优控制与线性二次型调节器（LQR） 最优控制理论关注于在满足系统约束的前提下，寻找使某个性能指标（代价函数）最小的控制输入。详细介绍了二次型代价函数（Quadratic Cost Function）的构建，并推导了线性二次型调节器（LQR）的状态反馈控制律的求解过程，包括代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE）的求解方法。 第八章：观测器设计与状态估计 在无法直接测量所有系统状态的情况下，观测器成为关键。本章详细介绍利用系统的输入和输出数据来估计不可测量状态的方法。重点讲解了Luenberger观测器（全阶与简化）的设计原理，以及基于卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的随机系统最优状态估计方法，包括扩展卡尔曼滤波器（EKF）在非线性系统中的应用。 第九章：鲁棒控制与H-无穷控制 针对模型不确定性，本章引入了更高级的稳健控制方法。深入探讨了$mathcal{H}_{infty}$控制理论的基本框架，包括加权函数（Weighting Functions）的选择，以及如何将控制问题转化为标准形式下的求解。解释了如何通过$mathcal{H}_{infty}$范数来限制系统对外部干扰和模型误差的敏感性。 第十章：非线性系统控制基础 鉴于大多数实际系统本质上是非线性的，本章探讨了针对非线性系统的分析与控制技术。内容涵盖了反馈线性化（Feedback Linearization）的基本思想，滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）的原理、Chattering现象的分析与缓解措施，以及应用小范围线性化（如泰勒级数展开）的方法。 --- 第四部分：面向工业实践的控制系统集成 本部分将理论知识与实际的工程应用相结合，讨论实现自动化控制系统的硬件和软件平台。 第十一章：分布式控制架构与现场总线 概述了现代工业控制系统的层次结构，从底层传感器/执行器到顶层的制造执行系统（MES）。重点解析了工业通信协议，如Modbus、Profibus、CANopen以及以太网/IP等，分析了它们在实时性、可靠性和数据一致性方面的优缺点。讨论了分布式控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）在系统集成中的角色分工。 第十二章：数据采集与人机界面（HMI）设计 详述了数据采集（Data Acquisition, DAQ）系统的硬件组成与接口标准。强调了HMI在操作员与过程之间的桥梁作用，包括界面设计的可用性原则（Usability Principles）、报警管理策略（Alarm Management）的规范化设计，以及历史趋势分析在故障诊断中的应用。 第十三章：先进过程控制（APC）的应用 APC代表了高层次的自动化。本章详细介绍了模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的原理，包括滚动时域优化、约束处理机制，以及其在耦合多变量系统（如精馏塔、反应器）中的显著优势。探讨了MPC在化工、石油和冶金等行业中的典型应用案例。 --- 总结与展望： 本书强调理论深度与工程实践的紧密结合，每一章节的理论推导后都附带了详实的案例分析或仿真验证，旨在培养读者从系统建模、理论设计到最终系统集成的完整工程能力。它不仅是控制工程师的工具书，更是驱动下一代智能制造和复杂系统优化的理论储备库。

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我带着一种略显失望的心情，还是决定在咖啡馆里翻阅几页。我期望至少能看到一些关于嵌入式系统编程或者实时操作系统（RTOS）的深度讨论，毕竟再古老的控制系统，也离不开硬件层面的交互。然而，这本书的开篇，简直就是纯粹的数学推导海洋。它似乎默认读者已经对拉普拉斯变换和Z变换有着近乎直觉的理解，一上来就是各种微分方程的求解和系统稳定性分析的判据。那些密密麻麻的公式，每一个变量的下标都似乎有着特殊的物理意义，但对于我这种更偏向于应用层和软件架构的工程师来说，阅读过程就像是在攻克一道道高深的数学难题。我试着跳到中间章节，希望能找到一些关于工业现场总线协议的介绍，比如CAN、Profibus之类的，毕竟这些是连接硬件的桥梁。但书里关于通信的部分，似乎更侧重于理论模型的建立，而不是实际的协议栈实现细节，更别提现在主流的EtherCAT或者OPC UA了。整本书的语言风格，是那种极度严谨、不带任何个人情感色彩的学术陈述，每一个结论的得出都基于前文严密的逻辑链条，读起来非常累，它完全没有试图去“解释”一个概念，而是直接“定义”和“证明”它。

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总而言之，这本书是一份极其扎实、但已然定格在历史中的控制理论教科书。它就像一位技艺精湛的钟表匠留下的图纸，详细描绘了每一个齿轮和发条的精确尺寸与工作原理，工艺无可指摘，但它无法教你如何设计一块触屏智能手表。它教会了我“为什么”一个系统需要稳定，以及“如何”用经典的数学工具来保证这种稳定，但它对“在当今复杂的、互联的、数据驱动的环境下，如何快速、高效、安全地构建一个控制系统”这个问题，提供的视角是极其有限的。对于寻求前沿技术、软件工程实践或者物联网集成经验的读者来说，这本书可能更适合作为补充理论背景的工具书，而非解决当前工程挑战的实用指南。它像一座宏伟的历史纪念碑，值得尊敬，但不属于我们正在建设的未来工地。

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这本书的插图部分，更是让人感到一种强烈的时代脱节感。当你习惯了现代教材中那些色彩鲜明、信息量巨大的流程图和三维建模图时，这本老书里的插图，简直是那个时代工程美学的极致体现——黑白，线条简单到近乎粗糙的示意图。例如，描绘一个反馈回路时，它用的可能只是几个简单的矩形和箭头，连个运算器的符号都做得非常程式化。我甚至怀疑，有些图示是否是手工绘制后直接扫描进来的，清晰度不高，边缘都有些模糊。更令人费脱节的是，书中讨论的“现代”传感器和执行器，在今天的市场上可能已经完全被淘汰或者被更智能的替代品取代。它详细描述了如何校准某种电磁驱动器，以及如何处理某种特定模拟信号的噪声问题，但这些具体的案例和技术细节，对于我正在研究的基于机器视觉和模糊逻辑的新型检测系统来说，几乎没有直接的参考价值。这本书似乎是为上一个世纪末的工程师量身定做的“圣经”，而非面向今天的实践者。

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我翻阅到后半部分，那里通常会涉及到系统的集成和应用案例。我期待着能看到一些关于特定行业（如汽车制造或航空航天）的控制系统架构剖析，哪怕只是停留在理论构架层面也好。然而，这本书的“应用”部分，更像是对特定经典控制算法在理想化环境下的性能分析。它会花大篇幅去论证某种降阶滤波器的有效性，或者优化一个特定的离散化时间步长对系统瞬态响应的影响。但这种深入到小数点后几位的理论分析，对于我目前需要搭建一个具备自我诊断和远程监控能力的云端控制平台而言，帮助实在有限。我需要的知识点，比如如何设计一个健壮的错误恢复机制，如何确保跨区域数据同步的原子性，或者如何利用现代编程范式来管理复杂软件模块之间的依赖关系，在书中几乎是只字未提。这本书的“控制”似乎只停留在物理信号和数学模型层面，而完全忽略了信息时代赋予控制系统的软件复杂性和网络依赖性。

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这本书的封面设计得极为朴素，那种带着点复古意味的米黄色纸张，乍一看还以为是哪本年代久远的工程手册。我是在一个周末的下午，鬼使神差地走进那家藏在巷子深角的二手书店里翻到的。它静静地躺在“自动化与信息技术”那一排的角落，书脊上的字体是那种非常标准的宋体，几乎要融入背景中。我原本是想找一本关于现代工业物联网架构的参考书，结果鬼使神差地拿起了这本。书的重量比我想象的要沉，翻开扉页，里面夹着一张被揉皱的旧书签，上面似乎用铅笔潦草地写着几个日期和一些我看不懂的希腊字母组合。这本厚厚的书，散发着一种陈旧的油墨味，混合着一点点灰尘和纸张受潮后的特有气味，让人瞬间感觉自己被拉回了上世纪末的某个实验室。它似乎在无声地诉说着自己漫长的历史，但内容本身，却完全没有触及到我对现代系统架构的任何期待。我仔细翻阅了目录，那些“PID调节”、“状态空间模型”的标题，清晰地表明了它的技术路线和年代背景，与我正在关注的那些基于云计算和边缘计算的分布式控制模式，简直是两个时代的话题。这更像是一份坚实的理论基石的沉淀，而不是面向未来的展望。

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