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出版者:Thomson Learning

作者:Speegle, Michael

出品人:

页数:512

译者:

出版时间:2006-6

价格:672.00元

装帧:Pap

isbn号码:9781418028633

丛书系列:

图书标签:

• Process Technology
• Plant Operations
• Chemical Engineering
• Industrial Processes
• Manufacturing
• Process Control
• Safety
• Troubleshooting
• Maintenance
• Automation

深度解析：现代工业流程控制与优化设计 一部全面涵盖工业自动化、流程建模与安全运营的权威著作 导言：驾驭复杂系统的艺术与科学 在当今高度互联和对效率要求极高的工业时代，从精细化工到大规模能源生产，每一个环节的平稳、高效运行都依赖于对复杂流程的深刻理解和精确控制。本书《深度解析：现代工业流程控制与优化设计》旨在为工程师、运营经理以及高级技术人员提供一套系统化、前沿且极具实践价值的知识框架。它超越了基础的设备操作层面，深入到流程的内在动力学、先进的控制算法应用以及全生命周期的风险管理策略。 本书的撰写基于对全球领先制造企业的深度调研和数十年的学术研究成果整合，致力于填补理论与实际工程应用之间的鸿沟。我们相信，成功的工厂运营不仅是“按部就班”，更是对系统潜力的持续挖掘和对不确定性的主动管理。 --- 第一部分：流程基础与动态特性建模（Foundational Processes and Dynamic Characterization） 本部分奠定了理解现代流程工业的基石，重点关注物质、能量的守恒定律如何在动态环境下体现，并引入先进的数学建模工具。 第1章：核心单元操作的物理化学基础重述 本章将对化工、冶金、制药等行业中常见的单元操作进行高阶回顾，但侧重于其动态特性而非静态平衡。我们将探讨： 传质与传热过程的瞬态响应： 重点分析在输入扰动（如原料组分突变、夹套温度变化）下，吸收塔、精馏塔和换热器网络中温度和浓度场的演变速率，引入非理想流体力学模型对停留时间分布（RTD）的修正。 反应动力学与反应器设计： 深入分析高压、高温或催化剂失活情况下的非等温、非均相反应动力学，并结合CFD（计算流体动力学）初步概念，讨论反应器内部流场的异质性对反应速率的实际影响。 多相流与分离过程的耦合效应： 探讨气液固三相系统中的相间传递速率，特别是在搅拌罐反应器和流化床中的边界层效应，为后续的控制建模提供精确的物理描述。 第2章：系统辨识与过程建模（System Identification and Process Modeling） 精确的数学模型是先进控制的基础。本章专注于如何从实际运行数据中提取出描述系统行为的数学模型。 线性时不变（LTI）模型辨识技术： 详细介绍脉冲响应法、阶跃响应法，以及基于频率响应分析的参数估计方法，并讨论如何选择合适的输入信号（如PRBS序列）以最大化信息获取。 高阶与非线性建模挑战： 面对流程中常见的死区、饱和、反馈非线性和滞后现象，本章引入了NARMAX（非线性自适应自回归移动平均与外生变量）模型结构及其参数估计的迭代算法。 模型降阶与简化策略： 针对高维、高阶的物理模型（如偏微分方程组），系统介绍如Pade近似、Hankel奇异值分解（SVD）等降阶技术，确保模型既能准确捕捉关键动态，又便于实时计算。 --- 第二部分：先进过程控制（APC）策略与实现（Advanced Process Control Strategies and Implementation） 本部分是全书的核心，聚焦于超越传统PID控制的现代控制技术，旨在提高过程的性能指标（如收率、能耗、产品质量）。 第3章：模型预测控制（MPC）的深度剖析 MPC作为当前工业界最主流的APC技术，本书将从理论到实践进行全面覆盖。 MPC的基本原理与优化问题构建： 详述滚动时域优化、约束处理（硬约束与软约束）以及对预测模型的依赖性。重点讨论二次规划（QP）求解器的选择与效率优化。 控制性能指标的量化与权重矩阵设计： 探讨如何将经济目标（如原料成本、能耗梯度）转化为MPC的成本函数（Objective Function），以及如何通过调整权重矩阵（Q和R矩阵）来实现性能与稳定性的平衡。 MPC的鲁棒性与在线重辨识： 解决模型失配（Model Mismatch）问题，介绍自适应MPC（AMPC）框架，包括如何设计有效的在线模型重估计算法，以及如何利用残差分析来判断模型是否需要更新。 第4章：先进状态估计与软测量技术（Advanced State Estimation and Soft Sensing） 在许多关键变量无法直接在线测量的场景（如复杂反应的转化率、精馏塔底物的纯度），状态估计成为必需。 卡尔曼滤波（KF）及其扩展： 详细阐述线性系统下的标准KF，并深入探讨在高度非线性的化工过程中，如何应用扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）来提高状态估计的精度和稳定性。 软测量模型构建与验证： 介绍偏最小二乘（PLS）、支持向量回归（SVR）等统计学习方法在构建高精度软测量模型中的应用，重点讨论如何处理高维、多重共线性的光谱数据。 滤波器在扰动抑制中的作用： 分析状态估计器如何有效地分离过程噪声与测量噪声，并在控制回路中提供平滑、可靠的估计值，以防止控制器因噪声过度反应。 第5章：多变量解耦与控制结构设计 许多流程系统存在强烈的相互耦合现象，需要特定的控制架构来管理。 相对增益阵列（RGA）与解耦分析： 系统回顾RGA在最优输入/输出配对中的应用，并详细介绍动态矩阵控制（DMC）和逆矩阵解耦技术，指导工程师设计最优的控制结构。 先进回路集成： 讨论如何将先进控制层（MPC/APC）与基础回路（PID）有效集成，处理控制层级的优先顺序，例如在裕度限制下，如何使APC层与SIS（安全仪表系统）层协调工作。 --- 第三部分：工厂级优化与安全运营（Plant-Wide Optimization and Safety Management） 本部分将视角提升至整个工厂层面，关注效率的整体提升以及运营的绝对安全保障。 第6章：实时优化（RTO）与经济性调度 RTO是将APC层面的局部优化提升到整体工厂经济效益最大化的关键技术。 宏观经济模型构建： 介绍如何建立描述全厂物流、能量平衡和市场价格约束的拉格朗日松弛模型，以确定全局最优操作点（Setpoints）。 APC与RTO的协同： 阐述RTO系统如何周期性地为下方的APC层提供目标设定值，并讨论当实际操作偏离RTO解时，如何利用MPC的约束处理能力实现对最优操作点的跟踪。 不确定性下的经济调度： 引入随机规划的概念，探讨在原料价格波动或产品需求变化时，如何进行稳健的生产计划和设备负荷分配。 第7章：流程安全与风险导向的运营保障 安全是流程工业的生命线。本章聚焦于如何利用先进的工具来预防和管理工艺风险。 基于事件树/故障树的可靠性分析： 不仅复述传统的HAZOP方法，更侧重于如何将动态过程模型集成到风险分析中，识别潜在的连锁反应和失控场景。 过程安全信息管理（PSIM）与资产完整性： 讨论如何利用数字孪生技术对关键安全仪表进行在线健康监测（PHM），确保安全阀、紧急切断阀等处于最佳可用状态。 操作指导与紧急响应系统集成： 介绍如何利用实时数据流，为操作员提供基于情景的、预先验证的操作指导（Procedure Automation），从而在极端扰动下减少人为失误。 --- 结论：面向未来的智能流程工业 本书的最终目标是培养出能够设计、实施和维护新一代智能工厂系统的专业人才。我们强调，未来的流程运营将是数据驱动、模型辅助、高度自主化的。通过掌握本书所介绍的先进控制、优化和安全管理技术，读者将能够显著提升其所在企业的运营效率、降低能耗，并建立起更加安全和可持续的生产环境。 关键词索引： 动态建模、系统辨识、模型预测控制 (MPC)、非线性控制、状态估计、软测量、实时优化 (RTO)、过程安全管理、数字孪生。

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