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出版者:哈尔滨工业大学出版社

作者:范次猛

出品人:

页数:157

译者:

出版时间:2007-8

价格:18.00元

装帧:

isbn号码:9787811330229

丛书系列:

图书标签:

• PLC
• 可编程控制器
• 实训
• 工业控制
• 自动化
• 编程
• 电气工程
• 技术教育
• 实践教学
• 单片机

现代工业控制系统设计与应用 本书面向电子工程、自动化、机电一体化等相关专业的学生和工程技术人员，旨在系统介绍现代工业控制系统的基本原理、核心技术、设计方法与工程实践。本书内容详实，注重理论与实践相结合，力求为读者构建一个全面、深入的工业控制知识体系。 --- 第一部分：控制系统基础理论与元件选型 本部分将打下坚实的理论基础，为后续的系统设计和编程做好铺垫。 第一章：工业控制系统概述 1.1 工业自动化的发展历程与趋势： 从继电器控制到DCS、PLC、再到基于工业互联网的智能制造。阐述信息化、数字化、网络化在现代工业中的地位。 1.2 控制系统的基本组成与结构： 详细解析感知层、执行层、控制层、管理层的经典四层结构模型。区分集中式、分布式和区域控制系统的架构特点。 1.3 工业现场总线技术概览： 介绍Profibus、DeviceNet、CANopen、EtherCAT等主流工业现场总线的技术特点、物理层结构、数据链路层协议及其在不同应用场景下的适用性分析。 1.4 工业通信协议标准解析： 深入探讨Modbus（RTU/TCP）、OPC UA等跨平台通信协议的帧结构、报文格式和数据交换机制。 第二章：传感器与执行器技术 2.1 工业传感器原理与选型： 重点介绍位移（LVDT、光栅）、力/力矩（应变片）、温度（热电偶、热电阻、红外测温）以及流量（科里奥利、涡街、电磁）等关键传感器的物理原理、输出信号特性（电压、电流、数字信号）及抗干扰措施。 2.2 信号调理与转换： 详细讲解模拟信号（如4-20mA、0-10V）的放大、滤波、隔离电路设计。介绍模数转换器（ADC）的精度、采样率选择及其对系统动态响应的影响。 2.3 执行机构驱动技术： 探讨步进电机、伺服电机的工作原理、驱动器选型标准（电流环、速度环、位置环控制）。解析变频器（VFD）在交流电机调速中的应用，包括开环和闭环矢量控制的原理差异。 2.4 工业阀门控制与气动/液压元件： 介绍伺服阀、比例阀、步进电机控制阀的工作特性。气动逻辑元件、气缸的选型与回路设计原则。 --- 第二部分：现代控制理论与算法实现 本部分侧重于控制算法的数学模型建立、分析与优化，以及这些算法在数字系统中的实现方式。 第三章：经典控制理论回顾与应用 3.1 系统的时域与频域分析： 传递函数、脉冲响应、频率响应的概念。系统的稳定裕度和相对稳定性的判据。 3.2 PID 控制器的设计与整定： 详细推导PID控制算法的离散化形式（位置式、增量式）。重点讲解Ziegler-Nichols法、工程整定法等实用整定策略。 3.3 前馈控制与串级控制： 分析前馈控制的原理及其在消除已知扰动中的作用。串级控制器的结构设计、内外环解耦的实现条件。 第四章：现代控制与先进算法 4.1 状态空间模型： 系统的状态变量定义、状态方程的建立与求解。可控性与可观测性分析。 4.2 现代控制器的设计： 基于极点配置的状态反馈控制律设计方法。观测器的原理与应用（如Luenberger观测器）。 4.3 模糊逻辑控制基础： 模糊集的建立、隶属度函数的选择、模糊推理机制（Mamdani、Sugeno模型）。构建一个简单的模糊PID控制器。 4.4 自适应控制简介： 介绍自适应控制的基本思想，如增量式自适应算法在参数变化系统中的应用潜力。 --- 第三部分：分布式控制系统（DCS）架构与组态 本部分聚焦于大型、复杂工业过程控制的主流平台——DCS系统的原理和工程实践。 第五章：DCS系统架构与硬件平台 5.1 DCS系统的层次结构与特点： 对比DCS与PLC在系统规模、可靠性、操作性上的差异。讲解冗余架构（CPU、I/O、通信）的设计理念。 5.2 DCS过程控制站（PCS）与I/O系统： 深入解析控制站（控制器）的硬件结构、任务调度机制。不同类型I/O模块（AI、AO、DI、DO）的隔离和诊断功能。 5.3 DCS的控制网络与数据共享： 介绍DCS内部的高速冗余控制网的拓扑结构和通信协议。多控制器间的数据交换和同步机制。 第六章：DCS组态与应用开发 6.1 基础功能块与功能配置： 详细介绍常见的标准控制功能块（FCB），如PID调节器、逻辑运算块、定时器、计数器等在DCS环境下的配置与连接。 6.2 报警管理与事件记录： DCS中报警的优先级划分、屏蔽、确认与恢复机制。历史数据采集与报表生成流程。 6.3 人机界面（HMI）的工程设计规范： 遵循ISA-101/ISA-88等标准，设计高效、清晰的图形化操作界面。色彩管理、趋势图、诊断画面的设计要点。 6.4 批处理控制系统（S88标准）： 介绍S88在制药、精细化工等行业的应用，理解配方、流程单元、控制模块的层次化结构。 --- 第四部分：系统集成、调试与故障诊断 本部分关注从理论走向实际工程落地的关键步骤——系统集成、软件仿真和现场维护。 第七章：控制系统仿真与离线测试 7.1 过程建模软件应用： 使用MATLAB/Simulink或专业过程仿真工具（如Aspen HYSYS、Mimic）建立被控对象的动态模型。 7.2 离线调试策略： 仿真环境下对控制回路进行参数初步整定和逻辑流程的验证。测试系统的启动、停止、紧急停车逻辑的正确性。 7.3 I/O点表核对与连接测试： 详细说明在系统集成阶段，如何对照电气图纸，核对现场仪表与控制系统I/O模块的连接关系，确保信号正确性。 第八章：现场调试与系统维护 8.1 手动/自动切换调试： 现场调试的步骤顺序（仪表通电、信号校验、回路联锁测试、自动运行）。分析手动模式与自动模式切换时可能出现的瞬态冲击和应对措施。 8.2 过程控制回路的在线优化： 针对生产现场出现的过程死区、纯滞后等问题，应用在线辨识技术辅助进行PID参数的微调。 8.3 常见故障诊断与排除： 针对传感器漂移、执行器卡滞、控制通信中断等典型故障，提供基于软硬件诊断工具的快速定位与排除流程。系统安全状态维护与定期巡检制度的建立。 --- 本书特色： 理论深度与工程实用性并重： 深入剖析控制算法的数学本质，同时提供DCS组态和现场调试的具体操作指导。 注重现代工业标准： 涵盖ISA-88、ISA-101等国际工业标准在系统设计中的体现。 丰富案例分析： 穿插了热交换器温度控制、泵站联锁控制、复杂流程顺序控制等多个行业经典案例的分析与实现思路。 通过对本书的学习，读者将能够独立完成中小型工业过程控制系统的方案设计、主要功能组态、离线仿真验证及现场投运工作，为未来进入高端自动化领域打下坚实的基础。

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我特别欣赏这本书在内容组织上的逻辑性和严谨性。它不像某些技术手册那样堆砌公式和术语，而是采取了一种循序渐进的教学方式。初学者可以从最基本的数字逻辑开始，逐步过渡到传感器的工作原理，再到复杂的控制算法实现。这种“搭积木”式的讲解，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。作者在关键步骤处设置了“知识点回顾”或者“易错警示”的小栏目，非常人性化。我记得有一次我在理解中断服务程序（ISR）时感到困惑，翻到书中的一个例子，作者用了一个非常贴近日常生活的比喻来解释优先级和执行顺序，瞬间茅塞顿开。此外，书中对不同品牌设备之间兼容性问题的探讨也十分深入，提供了很多实用的解决方案和规避策略，这在很多理论性书籍中是看不到的真知灼见。这本书的深度和广度把握得恰到好处，既能满足入门者的需求，也能让有一定基础的工程师找到新的思路。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面采用了沉稳的深蓝色调，搭配着简洁的白色和橙色字体，既显得专业又不失现代感。内页的纸张质感也相当不错，触感光滑，字迹清晰，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。更值得称赞的是，这本书在排版上的用心。章节之间的过渡非常自然，图文并茂的设计使得复杂的概念也变得易于理解。比如，在讲解基础电路原理时，作者巧妙地穿插了大量的示意图和实际接线图，这些图示不仅直观，而且细节处理得非常到位，让人一眼就能抓住关键。书中的插图都不是那种敷衍了事的低质量图片，而是经过精心绘制和挑选的，有些甚至带有三维立体效果，极大地提升了阅读体验。书的开本大小适中，拿在手里分量感十足，透露出内容充实的信号。整体来看，这本书在视觉上传达出一种严谨、专业的学术氛围，让人在翻阅之初就充满了学习的动力。对于那些注重阅读体验的读者来说，这本书绝对是市面上少有的佳作。

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与其他同类书籍相比，这本书在理论深度与工程实践的结合上达到了一个很高的平衡点。很多教材要么过于偏重晦涩的数学理论，让人望而却步；要么就是过于强调快速应用，缺乏对底层原理的深入挖掘。这本书则不然。它在讲解PID控制算法时，不仅给出了经典公式，还详细论述了各种参数整定的实际工程经验和陷阱，比如积分饱和问题的处理。它并未回避工业控制中常见的“黑箱”操作，而是努力揭开这些高级功能的神秘面纱。我发现书中对通信协议，尤其是工业以太网和RS系列协议的讲解，非常系统和深入，涉及到了数据帧结构、校验位计算等底层细节，这对于从事系统集成工作的读者来说，是极其宝贵的财富。这本书让我明白了，真正的工程能力不仅仅是会“用”工具，更是要“懂”工具背后的原理。

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这本书的实操指导部分简直是为动手能力差的读者量身定做的“救星”。我拿到书后，立刻按照书中的步骤搭建了一个简单的自动化流水线模型。书中的每一个实验步骤都被拆解得极其细致，从所需的元器件清单（包括规格型号和预估成本），到详细的接线图，再到程序代码的逐行解释，简直是手把手带着你做。我尤其赞赏它提供的多种编程语言示例。例如，对于同一个控制任务，书中不仅给出了经典的梯形图（Ladder Diagram），还提供了结构化文本（ST）和指令表（IL）的实现方式，这对于培养全面的编程思维非常有益。更重要的是，作者没有停留在“能跑起来”的层面，而是深入探讨了如何对程序进行优化、如何进行故障排查和调试。书中附带的光盘（或者配套的在线资源）里的仿真文件更是锦上添花，让我们可以先在虚拟环境中验证逻辑的正确性，大大节省了硬件调试的时间和成本。

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这本书的语言风格非常成熟、稳重，读起来让人感到一股清新的空气。它没有使用那种过于口语化或过于学术化的腔调，而是采取了一种非常清晰、准确的技术叙述方式，如同一位经验丰富的老工程师在给你做一对一的辅导。行文流畅，专业术语的引入和解释都处理得恰到好处，基本上不存在“为了炫技而使用生僻词汇”的情况。这种清晰的表达方式，极大地提高了信息传递的效率。我感觉自己不是在被动地接受知识灌输，而是在进行一场有深度的思维对话。这本书的价值在于它不仅教授了“怎么做”，更重要的是引导读者思考“为什么这么做”，培养了一种批判性的工程思维。对于那些渴望从初级操作员成长为独立系统设计师的人来说，这本书无疑是提供了一条清晰、可靠的成长路径。

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