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现代化工原理：过程控制与优化 作者： 王立伟 出版社： 科学技术出版社 ISBN： 978-7-5045-9876-5 页数： 780 开本： 16开 --- 内容简介 本书《现代化工原理：过程控制与优化》系统、深入地探讨了现代化工生产过程中至关重要的过程控制理论、先进控制技术以及优化策略。本书旨在为化工、化学工程、过程控制等相关领域的工程师、研究人员和高年级本科生提供一个全面而实用的参考框架，帮助他们理解、设计和实施高效、稳定且经济的化工过程控制系统。 化工过程的复杂性、非线性和时滞特性，使得精确的过程控制成为保障产品质量、提高收率、降低能耗和确保安全生产的关键。本书从基础的控制理论出发，逐步深入到前沿的优化算法和智能控制方法，力求理论深度与工程实用性并重。 全书共分为七大部分，结构清晰，逻辑严谨： 第一部分：化工过程基础与控制系统概述 (约 200 字) 本部分首先回顾了化工过程动力学的基本概念，包括质量、能量和动量守恒定律在过程建模中的应用。重点介绍了线性时不变（LTI）系统的时域和频域分析方法，如传递函数、零极点分析和频率响应分析。随后，详细阐述了经典反馈控制系统的基本结构、性能指标（如稳态误差、暂态响应速度和稳定性裕度）以及常见的反馈控制器结构，如PID控制器的原理、整定方法（如Ziegler-Nichols法、IMC法）及其在工业中的应用局限性。 第二部分：过程建模与辨识 (约 250 字) 准确的模型是有效控制的基础。本部分深入探讨了化工过程的机理建模方法，包括一阶惯性加死区模型（FOPDT）的应用场景，以及利用非线性微分方程组建立的复杂反应器模型。在模型辨识方面，本书详细介绍了基于实验数据的系统辨识技术，包括脉冲响应法、阶跃响应法以及最小二乘法在参数估计中的应用。此外，还讨论了模型简化技术，如模态分析在降阶模型建立中的作用，以及如何利用先进的软测量技术来估计难以直接测量的关键变量。 第三部分：先进过程控制（APC）技术 (约 350 字) 随着过程复杂度的增加，经典PID控制已不能满足要求。本部分是本书的重点，系统介绍了先进过程控制的几大核心技术： 1. 基于模型的预测控制 (MPC)： 详细阐述了MPC的原理，包括滚动时域优化、约束处理能力以及在线求解线性或非线性二次规划问题（QP/NLP）的过程。通过化工案例（如精馏塔的塔顶/塔釜组分控制）展示了MPC在多变量耦合系统中的优越性。 2. 状态空间控制： 引入卡尔曼滤波器的概念，用于状态估计和噪声抑制，并讨论了LQR（线性二次调节器）控制器的设计，以实现最优的控制性能。 3. 解耦控制： 针对具有强耦合特性的多回路系统，介绍了输入-输出解耦（如动态矩阵控制DMC）和反馈解耦的设计方法，旨在将多变量问题转化为可独立控制的单变量问题。 第四部分：过程安全与可靠性控制 (约 200 字) 化工过程的本质安全至关重要。本部分探讨了风险评估方法（如HAZOP分析）与控制系统的集成。重点介绍了安全仪表系统（SIS）的设计标准（IEC 61511），包括安全完整性等级（SIL）的确定和对SIS的验证与维护。此外，还讨论了故障检测与隔离（FDI）技术，以及如何设计冗余和容错控制结构，以应对传感器或执行器的突发故障，确保过程在异常情况下能安全停车或维持在安全限值内。 第五部分：过程优化与经济调度 (约 250 字) 控制的目标不仅是稳定，更是优化经济效益。本部分转向稳态优化。详细介绍了线性规划（LP）、非线性规划（NLP）在化工生产调度中的应用，例如如何确定最佳的反应温度、压力和原料配比以最大化利润或最小化能耗。此外，还探讨了实时优化（RTO）的概念，它利用实时数据对稳态模型进行修正，周期性地提供最优设定值给下层控制系统，实现动态经济效益的最大化。 第六部分：智能控制与数据驱动方法 (约 150 字) 面对日益增长的数据量和非线性系统的挑战，本部分介绍了新兴的智能控制策略。包括： 1. 神经网络控制： 利用神经网络对未知或时变的非线性动态进行在线辨识和逼近，实现自适应控制。 2. 模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）： 侧重于基于专家知识和经验的控制规则设计，特别适用于控制目标难以精确量化或模型获取困难的系统。 第七部分：实践应用与案例分析 (约 100 字) 本书的最后一部分通过多个具体的工业案例来巩固理论知识。案例涵盖了大型乙烯裂解装置的温度控制、精细化工多效蒸发器的压力和液位联动控制、以及生物反应器中的pH值和溶解氧的串级控制。这些案例旨在展示理论工具在真实工程环境下的落地应用、参数选择的经验法则以及实际调试中遇到的挑战与解决方案。 --- 目标读者： 化工、化学工程、过程控制、自动化专业的本科生和研究生。 从事过程设计、操作、优化和维护的化工企业工程师。 致力于过程控制理论和应用研究的科研人员。 本书特点： 深度与广度兼顾： 覆盖了从PID到RTO的全系列控制与优化技术栈。 工程导向强： 理论讲解紧密结合化工单元操作实例，便于理解和应用。 前沿技术涵盖： 引入了MPC和软测量等现代工业控制热点。 本书结构完整，内容详实，是理解和掌握现代化工过程控制与优化技术的理想教材和案头参考书。
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