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出版者:

作者:谢昊飞

出品人:

页数:271

译者:

出版时间:2009-6

价格:30.00元

装帧:

isbn号码:9787111266495

丛书系列:

图书标签:

• 网络控制
• 控制系统
• 自动化
• 网络技术
• 工业控制
• 通信技术
• 嵌入式系统
• 实时系统
• 数据通信
• 信息安全

深入解析现代工业控制系统：从理论基石到前沿应用 图书名称： 《现代工业控制系统：架构、算法与实践》 图书简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入、且极具实践指导意义的现代工业控制系统（ICS）知识体系。我们不再将目光局限于传统的继电器逻辑或单一的PID回路，而是聚焦于当前驱动全球制造业、能源基础设施、交通运输等关键领域的核心技术。本书内容涵盖了控制理论的经典重温、现代分布式控制架构的精妙设计，以及面向工业物联网（IIoT）的前沿算法与安全实践。 第一部分：控制理论的现代视角与基础重构（第1章至第4章） 本部分致力于夯实读者对现代控制系统设计至关重要的数学和工程基础，但视角完全面向当代复杂系统的需求。 第1章：从经典到现代：系统建模的演进 本章首先回顾了经典的传递函数和状态空间表示法，随后重点深入探讨了高阶、非线性、时滞系统的精确建模技术。我们详述了系统辨识的现代方法，包括基于数据的建模（Data-Driven Modeling）和混合系统（Hybrid Systems）的建模范式。重点关注如何利用有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD）的结果来指导控制器的设计，实现从“经验拟合”到“物理精确”的跨越。 第2章：鲁棒性与优化控制理论 传统的稳态误差和暂时超调的分析已不足以应对工业环境中的不确定性。本章详尽阐述了 $mu$-综合（Mu-Synthesis）和 $H_{infty}$ 控制理论，这些是确保系统在参数变化、外部干扰和模型不确定性下仍能保持稳定和性能的关键。此外，我们深入讲解了模型预测控制（MPC）的原理，特别是在处理约束条件（如执行器饱和、安全边界）方面的强大能力，并提供了一系列化工过程和过程控制的实际案例。 第3章：离散时间系统与采样对策 工业控制系统本质上是离散的。本章细致分析了采样对控制性能的影响，如量化误差、量化噪声和采样抖动。我们详细对比了零阶保持、一阶保持的误差特性，并引入了先进的采样策略，例如事件驱动采样（Event-Triggered Sampling）和自适应采样算法，以平衡控制精度与计算资源消耗。 第4章：数字信号处理在控制中的应用 控制器算法的实现依赖于可靠的信号处理。本章聚焦于应用于工业现场数据的滤波技术，包括卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其扩展（EKF, UKF）在状态估计中的应用，特别是在传感器冗余和噪声抑制方面的优势。我们还讨论了抗混叠滤波器、陷波滤波器在电源和电机控制回路中的精确设计。 第二部分：分布式架构与软硬件集成（第5章至第8章） 本部分着眼于现代工业控制的骨干——分布式控制系统的构建、通信协议以及软硬件的协同工作机制。 第5章：分布式控制系统（DCS）的架构演进 本书对DCS的演变进行了系统梳理，从早期的集中式控制到如今的层次化、网络化架构。我们深入剖析了控制层、监控层、管理层的标准分工，并详细阐述了冗余设计（如三取二、热备用）在提高系统可用性（Availability）中的关键作用。 第6章：工业通信协议的深度解析 现代控制的效率和实时性严重依赖于现场总线和工业以太网。本章不仅仅是协议列表的罗列，而是深入探讨了主流协议如 Profinet IRT（实时性机制）、EtherCAT（分布式时钟同步）、Modbus/TCP 在数据一致性方面的限制与优势。我们还探讨了TSN（时间敏感网络）如何为未来超高精度同步控制奠定基础。 第7章：可编程逻辑控制器（PLC）的高级编程与功能安全 本章侧重于PLC在复杂逻辑实现中的编程范式。我们详细分析了IEC 61131-3标准下的指令表（IL）、结构化文本（ST）等语言的适用场景，并引入了先进的面向对象编程思想在PLC项目中的应用。更重要的是，我们详细讲解了功能安全标准IEC 61508/61511，包括安全完整性等级（SIL）的确定、安全回路的设计与验证，这是确保工业过程人身和环境安全的核心。 第8章：人机界面（HMI）与可视化工程 有效的HMI设计是操作人员与复杂系统交互的桥梁。本章着重于“认知负荷”理论在控制室设计中的应用，探讨如何通过信息分层、颜色编码、趋势分析等技术，优化操作员的态势感知能力，避免“报警疲劳”和误操作。 第三部分：面向工业物联网（IIoT）的前沿技术（第9章至第12章） 随着计算能力的提升和网络技术的普及，控制系统正迈向智能化。本部分聚焦于如何将先进的计算技术融入到传统的控制框架中。 第9章：边缘计算在控制中的部署策略 传统控制依赖于云端处理，而IIoT要求在更靠近物理过程的“边缘”进行决策。本章详细介绍了边缘计算的架构模式（如Fog Computing），并探讨了如何利用边缘设备进行实时数据预处理、本地模型推理，以及保障控制回路的低延迟响应，克服云端通信的时延不确定性。 第10章：基于机器学习的自适应控制与诊断 本书将机器学习（ML）视为高级控制和故障诊断的有力工具。我们探讨了如何使用强化学习（RL）来训练出难以用传统方法设计的非线性控制器，例如在复杂流体混合过程中的最优策略。此外，我们还详细介绍了基于深度学习的异常检测算法（如Autoencoders）在电机振动、泵站压力的早期故障预警中的应用。 第11章：控制系统的网络安全深度防御 工业控制系统的安全已成为国家关键基础设施的焦点。本章从攻击面分析入手，详细介绍了针对PLC、RTU和DCS的常见攻击向量（如注入攻击、拒绝服务）。随后，我们构建了一个多层次的防御体系，包括网络分段（Purdue Model）、入侵检测系统（IDS）在OT环境中的部署，以及安全补丁管理和加密通信的实践。 第12章：数字孪生（Digital Twin）在控制优化中的实践 数字孪生是连接物理世界与信息世界的关键技术。本章着重讲解了如何构建高保真度的物理模型，并将其与实时传感器数据同步，形成一个动态的虚拟副本。我们展示了如何利用数字孪生进行“假设分析”（What-If Scenarios）和离线控制策略验证，从而在不影响实际生产的情况下，安全地测试新的控制算法或设备升级。 总结： 本书不提供对某一特定品牌或某一代特定控制器的操作指南，而是提供一套贯穿于所有现代工业控制系统的设计哲学、数学工具、架构原理和前沿趋势。读者在研读完毕后，将能够从底层逻辑到顶层架构，全面理解并参与到下一代智能制造和自动化系统的构建与优化工作之中。本书适合控制工程、自动化、电气工程专业的高年级本科生、研究生以及致力于提升自身系统设计能力的现场工程师。

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这本书的装帧质量非常适合在实验室环境下使用，纸张厚实，不易反光，即使在强烈的操作台灯光下阅读也感觉舒适。内容上，作者对于网络拓扑结构的选择及其对控制系统性能的影响进行了深入的探讨，特别是关于环形、星型和网状拓扑在不同故障模式下的表现对比，分析得非常到位，我甚至据此修改了我们车间局部网络的一段冗余设计。但是，这本书的视角似乎将“网络”和“控制”割裂开来处理。它详尽解释了如何配置交换机的VLAN以隔离控制流量和管理流量，如何设置QoS策略来保证数据包的优先级，但对于控制算法本身——比如自适应控制或模型预测控制（MPC）——如何对网络带宽的波动做出智能反应，却是避而不谈的。控制工程师关心的永远是“输出结果是否准确、及时”，而不仅仅是“网络配置是否符合标准”。因此，这本书更像是两本优秀技术手册的拼凑：一本是扎实的局域网配置指南，另一本是基础的反馈控制理论回顾。缺乏两者在高级抽象层面上的深度融合，使得这本书的实用价值在更高阶的系统优化层面大打折扣。

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拿到这本书时，我原本希望它能提供一套完整的、可用于搭建新一代分布式控制系统的框架。这本书的结构安排非常线性，从物理层开始，一级一级向上构建，逻辑上很清晰，非常适合系统学习。对于那些对网络通信有基本概念，但从未接触过工业控制领域的读者，它无疑是一个极好的、循序渐进的向导。作者的语言风格非常严谨，没有过多花哨的比喻，直奔主题。然而，当我尝试将书中的概念与我们正在开发的某项高频交易系统的控制逻辑进行映射时，我发现了一个核心的冲突点：本书假设的“控制周期”是以毫秒甚至秒为单位的，这对于传统流程工业是成立的。但对于需要微秒级同步的精密运动控制或高速数据采集，书中的延时补偿模型显得过于粗糙了。书中提供的所有案例代码（假设是通过附带的DVD光盘获取，或者需要在线下载）都是基于标准的C语言实现的，缺乏现代编程语言（如Rust或Go）在并发处理和内存安全方面的优势体现。我期待看到的是如何利用现代工具链来解决传统嵌入式系统的资源受限问题，而不是单纯地优化已有的、基于老旧范式的代码。

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这本书的封面设计得非常简洁，黑白相间的字体在深蓝色背景下显得格外醒目。我当初选择它，主要是冲着“网络控制”这几个字去的，希望它能帮我理清现代工业自动化系统中，那些复杂的控制回路是如何通过网络进行高效协同的。然而，读完前几章，我发现这本书似乎更侧重于底层协议的实现和硬件层面的互联细节，对于高层级的系统架构和决策算法的探讨略显不足。比如，书中花了大量篇幅讲解如何编写驱动程序来适配特定的传感器接口，这对于我这种主要负责系统集成和优化算法的工程师来说，显得有些过于基础和繁琐了。我期待的，是一个更具前瞻性的视角，讨论一下基于软件定义网络（SDN）的控制架构在实时性要求极高的生产线上如何落地，以及如何应对大规模物联网设备接入时的安全挑战。现在看来，这本书更像是一本优秀的、面向底层工程师的实践手册，而非一本面向架构师的理论指导书。它确实详细阐述了TCP/IP协议栈在嵌入式设备上的优化配置，但对于如何利用机器学习模型来预测和补偿网络延迟对控制精度的影响，几乎没有提及。或许，对于初入该领域的学生而言，这是一个极好的入门砖，但对于希望站在技术前沿寻求突破的专业人士来说，可能需要寻找补充材料了。

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这本书的排版和插图质量确实令人印象深刻，图表清晰，公式推导详尽，这在技术书籍中是难能可贵的。特别是关于实时操作系统（RTOS）中任务调度的那几章，作者用非常直观的甘特图和流程图，把抢占式和协作式调度的差异解释得淋漓尽致。我个人对那些晦涩难懂的数学模型特别头疼，但这本书成功地将抽象的控制理论用工程实践的语言进行了转化。例如，书中通过一个虚拟的机械臂控制案例，展示了如何通过调整PID参数在线上进行自适应调整，这个过程的模拟和结果分析非常透彻。不过，我在阅读过程中也注意到了一个明显的侧重点——它几乎完全聚焦于有线网络的确定性通信。对于新兴的、基于5G切片和TSN（时间敏感网络）的无线控制方案，这本书的讨论非常保守，仅仅在附录中用了一页纸的篇幅提及了其发展前景，这让我略感失望。毕竟，在许多现代化的工厂布局中，部署全有线网络成本高昂且灵活性差，如何保证无线链路的低抖动和高可靠性，才是当前业界攻克的主要难题之一。这本书对这个热点问题的覆盖深度，远远达不到我对一本“前沿技术”书籍的期望值。

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我花了两个周末的时间来啃这本书，它给我的感觉就像是一部详尽的历史文献，记录了过去二十年网络控制技术发展的黄金时代。作者的学术背景很深厚，引用的参考文献大多是上世纪九十年代到本世纪初的经典论文，这保证了其理论基础的坚实性。书中对经典的现场总线协议，如CANopen和DeviceNet的底层帧结构、仲裁机制的解析，几乎做到了逐位讲解，如果你需要逆向分析一个老旧的控制单元，这本书无疑是你的“圣经”。然而，这种对“经典”的执着，似乎让作者错过了对当前主流技术趋势的跟进。例如，关于容器化技术（Docker/Kubernetes）在边缘计算节点上部署控制逻辑的讨论几乎为零，这在云计算与工业控制深度融合的今天，是一个巨大的信息真空。此外，网络安全作为一个日益突出的问题，书中提及的防护措施主要集中在物理隔离和简单的访问控制列表（ACL）上，对于更复杂的入侵检测系统（IDS）或零信任架构在工业控制系统（ICS）中的应用，只是一笔带过。它描绘了一个高度稳定、相对封闭的控制世界，但现实中的网络环境远比书中所描绘的要复杂和危险得多。

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