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isbn号码:9780876648445

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《工业自动化与过程控制：原理、应用与发展趋势》 书籍简介 本书全面、深入地探讨了现代工业自动化与过程控制领域的理论基础、核心技术、典型应用以及未来的发展方向。它旨在为工程师、技术人员、研究人员和高等院校师生提供一个系统而实用的知识框架，帮助读者理解和掌握如何设计、实施和优化复杂的工业控制系统。 第一部分：过程控制基础与理论 本部分构建了理解所有自动化系统的理论基石。我们将从最基础的物理量测量和传感器技术入手，详细介绍温度、压力、流量、液位等关键过程变量的测量原理、精度、安装规范与信号转换方法。重点分析了智能传感器和现场总线技术（如HART、Fieldbus Foundation）在提高数据可靠性和系统互操作性方面的作用。 随后，深入讲解了过程控制系统的基本组成——执行器。涵盖了从传统的阀门、泵到现代伺服机构的特性、选型与动态响应分析。特别关注了控制阀的流量特性、泄露等级以及如何进行精确的选型和安装，以确保控制回路的有效性。 理论核心部分聚焦于过程控制回路的数学描述与分析。详细阐述了动态系统的时域与频域分析方法，包括传递函数、零极点分析以及系统的稳定性判据。在此基础上，系统地介绍了经典PID（比例-积分-微分）控制器的设计、整定（如Ziegler-Nichols方法、IMC优化等）和实施细节。不仅限于理论公式推导，更强调了PID参数在实际物理过程中的影响和微调技巧，并讨论了先进的PID改进算法，如串级控制、前馈控制和解耦控制等复杂结构的设计与应用。 第二部分：集散控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PLC） 本部分深入剖析了现代工业控制系统的两大支柱——DCS与PLC。 在DCS部分，详细解析了其架构、组成模块（如控制器、I/O系统、人机界面HMI、工程师站与操作员站）及其通信网络。重点探讨了DCS在大型、复杂、连续过程控制中的优势，包括其高可靠性、系统集成性、历史数据管理能力和先进的过程优化功能。通过典型的炼油、化工或电力应用案例，展示DCS在操作员培训、安全连锁管理和批次控制（Batch Control）中的具体实现。 PLC部分则侧重于其在离散控制、顺序控制和快速响应应用中的核心地位。详细介绍了不同系列的PLC硬件选型、编程语言（遵循IEC 61131-3标准，涵盖梯形图LD、指令表IL、结构化文本ST、功能块图FBD和顺序功能图SFC）的编程规范和调试技巧。特别关注了PLC在运动控制（如高速计数、脉冲输出和伺服驱动器集成）和安全仪表系统（SIS）中的应用要求和设计标准。 人机界面（HMI）与SCADA系统的设计原则被置于重要地位。讨论了有效HMI设计应遵循的认知心理学原则，如何构建清晰、高效、符合操作安全标准的显示界面，以及SCADA系统在区域监控、数据采集和远程通信中的关键技术点。 第三部分：先进过程控制（APC）与优化 本部分是全书的进阶内容，着眼于如何超越传统PID控制，实现过程性能的优化与最大化。 详细介绍了模型预测控制（MPC）的理论基础，包括系统辨识（System Identification）在获取准确过程模型中的作用，以及MPC的滚动时域优化算法。通过实际案例，展示MPC如何有效处理多变量耦合、约束条件和长时间延迟的过程，实现经济效益的最大化。 此外，系统回顾了其他先进控制策略，如模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）、神经网络控制以及基于软件的优化工具箱应用。探讨了如何利用这些技术解决传统线性控制难以应对的非线性和高度不确定性问题。 第四部分：系统集成、网络安全与未来趋势 过程控制系统已不再是孤立的实体，本书的后半部分关注系统集成与未来发展。 深入探讨了工业通信网络（Industrial Networks）的演进，从传统的串行通信到以太网基础的工业标准（如EtherNet/IP, PROFINET, OPC UA）。强调了工业物联网（IIoT）概念下的数据采集、边缘计算（Edge Computing）以及云平台集成对过程控制的影响。 系统安全是现代控制系统不可或缺的一环。本章详细解析了针对工业控制系统（ICS）的网络安全威胁模型、风险评估方法，以及如何实施纵深防御策略，包括网络分段、访问控制、安全补丁管理和遵循ISA/IEC 62443系列标准。 最后，本书展望了工业4.0背景下的自动化未来。讨论了数字孪生（Digital Twin）技术在控制策略验证、操作员培训和预测性维护中的应用潜力，以及人工智能和机器学习技术如何逐步融入过程优化和故障诊断领域。 总结 本书内容涵盖了从基本元件选择到复杂系统架构设计，从经典控制算法到前沿的优化策略，结构严谨，理论与实践紧密结合。它不仅是工程师的实用参考手册，也是帮助专业技术人员掌握当前及未来工业控制核心技术的权威指南。

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