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出版者:科学出版社发行部

作者:（日）岩本洋

出品人:

页数:232

译者:

出版时间:2003-5

价格:24.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030103741

丛书系列:OHM电子爱好者读物

图书标签:

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现代工业控制系统设计与应用 前言 随着信息技术与自动化技术的飞速发展，现代工业生产对控制系统的智能化、柔性化和高效性提出了前所未有的要求。传统的固定逻辑控制系统已难以满足日益复杂的制造需求。《现代工业控制系统设计与应用》一书旨在系统性地介绍当前工业界主流的控制技术、软硬件平台及其在实际工程中的集成与应用。本书内容涵盖了从基础的传感器/执行器技术，到复杂的分布式控制架构，再到前沿的工业物联网（IIoT）集成，为工程师、技术人员和相关专业学生提供一份扎实且面向实践的参考指南。 第一部分：控制系统基础理论与元件 本部分着重于构建现代控制系统的理论基石和物理基础。我们将深入探讨各类工业传感器和执行器的选型、原理及数据处理方法，这是实现精确控制的第一步。 第一章：工业传感技术深度解析 本章详细剖析了位移、压力、温度、流量、视觉等关键工业参数的测量原理。重点讨论了各种传感器（如光电、接近开关、编码器、热电偶、电阻应变片）的抗干扰设计、精度等级和输出信号（如4-20mA、0-10V、数字总线信号）的转换与调理。同时，也介绍了如何根据应用环境（高温、高湿、防爆等）选择合适的防护等级和安装方式。 第二章：执行机构与驱动技术 控制系统的输出端依赖于可靠的执行机构。本章聚焦于电动机的选型与控制，包括直流电机、交流异步电机、步进电机和伺服电机的工作特性。详细阐述了变频器（VFD）在交流电机速度控制中的应用，以及伺服驱动器的高精度位置和力矩控制算法。此外，还涵盖了气动和液压执行器的基本工作原理及其在重载或高速应用中的适用性分析。 第三章：经典控制理论回顾与现代控制基础 尽管现代系统多采用数字控制，但经典控制理论仍是理解系统稳定性和性能的基石。本章简要回顾了传递函数、频率响应分析、PID控制器设计与参数整定方法。在此基础上，引入现代控制理论的核心概念，如状态空间表示法，为设计更复杂的、具有多输入多输出（MIMO）特性的控制律打下基础。 第二部分：可编程逻辑控制器（PLC）与过程控制 PLC是当前工业自动化领域应用最广泛的控制核心。本部分将重点介绍主流PLC平台的编程规范、通信机制及其在离散和连续过程控制中的实际部署。 第四章：主流PLC平台架构与编程规范 本章以西门子S7系列和罗克韦尔Logix系列为例，深入解析了PLC的硬件结构、扫描周期和I/O扩展原理。内容详述了IEC 61131-3标准下的五种编程语言（梯形图、指令表、结构化文本、功能块图、顺序功能图）的特点与适用场景，并强调了在大型项目中应如何采用模块化编程和面向对象的设计思想提高代码的可维护性。 第五章：过程控制与回路调节 过程控制是针对连续变量（如温度、压力、液位）进行调节的领域。本章详尽讨论了比例-积分-微分（PID）控制器的深入应用，包括防饱和、抗积分饱和、前馈控制、串级控制、比值控制等高级控制策略的实现。内容还涉及过程控制的特性分析，如死区、时间常数和增益的确定，以及SPC（统计过程控制）在过程优化中的作用。 第六章：安全仪表系统（SIS）与冗余设计 工业过程的安全性至关重要。本章专注于安全仪表系统（SIS）的设计、验证与操作。内容包括安全完整性等级（SIL）的确定流程，故障树分析（FTA）和事件树分析（ETA）的应用。此外，对热点（Hot Standby）和冷备用等冗余配置的架构、切换机制和维护策略进行了深入剖析。 第三部分：分布式控制与网络化 现代工厂趋向于大规模集成和集中监控，这要求控制系统必须具备强大的网络通信能力和分布式架构。 第七章：工业现场总线技术 本章对比分析了Profibus/Profinet、EtherNet/IP、CANopen、DeviceNet等主流工业现场总线的技术特点、拓扑结构、实时性保证机制和带宽限制。重点讲解了如何选择合适的总线协议以满足特定设备（如运动控制器、安全模块）的通信需求，并介绍了工业以太网的配置要点。 第八章：分布式控制系统（DCS）原理与构建 DCS作为大型、复杂流程工业（如石化、电力）的首选架构，本章详细阐述了其层次化结构、功能模块划分（如控制层、监控层、操作员站）。内容覆盖了DCS中的数据历史记录、报警管理系统（AMS）的配置规范，以及如何实现跨区域、跨控制器的任务协同与数据共享。 第九章：人机界面（HMI）与SCADA系统设计 HMI/SCADA系统是操作员与控制系统交互的桥梁。本章讲解了有效的图形化界面设计原则（如简洁性、一致性、信息分层），以及如何利用趋势图、报警条、操作指南等工具提升操作效率和安全性。SCADA系统在数据采集、远程监控和批处理管理中的核心功能实现也被详细介绍。 第四部分：高级控制与系统集成 本部分展望了控制系统的未来发展方向，探讨了如何通过更智能的算法和信息技术手段来优化生产效率和资源利用。 第十章：运动控制与同步技术 针对离散制造和自动化装配中的高速、高精度要求，本章深入研究了伺服驱动系统的电子凸轮、虚拟轴、多轴插补运动控制的实现。讲解了CNC（计算机数控）系统的基本结构及其与PLC之间的接口通信协议，特别关注了高精度同步控制中如何消除伺服系统间的误差补偿。 第十一章：基于PC的控制与软PLC 随着PC处理能力的增强，基于Windows或Linux平台运行的软PLC和基于LabVIEW/MATLAB的实时控制系统日益普及。本章分析了这类系统在柔性制造、数据处理和算法验证方面的优势，以及它们在满足工业实时性要求方面所面临的挑战与解决方案。 第十二章：工业物联网（IIoT）与数据驱动的优化 本章探讨了控制系统向工业4.0迈进的关键技术。内容涵盖了OPC UA等工业通信协议在跨平台数据互操作中的作用，以及如何利用边缘计算（Edge Computing）对传感器数据进行初步清洗和分析。最终目标是实现数据采集、云端分析与控制策略反馈的闭环，以支持预测性维护和基于数据的生产优化。 结语 本书力求理论与实践相结合，通过大量的工程实例和应用案例，帮助读者构建起一套完整的现代工业控制系统知识体系。掌握这些内容，将使读者能够独立完成复杂自动化项目的系统规划、硬件选型、软件开发与调试工作。

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软件与编程在现代机电一体化中占据了举足轻重的地位。我希望这部分内容能够紧密围绕工业应用，而不是偏向于纯粹的计算机科学。如果书中选用的编程语言是C/C++或Python，那么讲解的重点应该放在如何高效地与硬件接口、实时操作系统（RTOS）进行交互，以及如何处理输入输出（I/O）操作。我特别关注书中对PLC（可编程逻辑控制器）和单片机（如STM32系列或Arduino/树莓派等）应用的篇幅分配。理想状态是，它能给出一个清晰的对比：什么时候应该选择功能强大的PLC进行顺序控制，什么时候更适合用嵌入式系统进行复杂的算法运算和网络通信。关于软件架构，我希望能看到一个小型机电系统的软件设计流程图，包括任务调度、中断处理和通信协议（如Modbus, CAN Bus）的基础介绍。如果能提供一些简单的项目案例——比如用C语言编写一个控制步进电机按照特定轨迹运动的程序框架，并解释其中的关键函数调用，那将是非常实用的。我希望读完这部分后，我对软件不再是“黑箱”操作，而是能理解软件是如何指挥硬件精准执行任务的。

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最后，一本优秀的入门书籍必须包含对未来趋势和工程实践伦理的探讨。我希望这本书的结尾部分能跳出具体的硬件和算法细节，提供一个更广阔的视野。例如，它应该讨论当前机电一体化领域的热点，比如物联网（IIoT）如何集成到传统的自动化设备中，以及机器视觉在现代检测和装配中的作用。此外，从工程实践的角度来看，可靠性设计和故障诊断是至关重要的。我期望它能提及一些常见的失效模式，以及在系统设计初期如何通过冗余设计或健壮的软件设计来提高系统的长期稳定性。关于文档和标准，如果能简要介绍一下行业内通用的设计规范和安全标准，对新手来说也是宝贵的知识财富。总而言之，我希望这本书不仅仅是“教会我如何做”，更重要的是“教会我如何思考一个完整的、可投入使用的机电一体化系统”，让我带着对行业前景的清晰认知和扎实的工程思维走出校门（或离开书桌），而不是停留在纸上谈兵的理论层面。

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拿到书后，我立刻翻到了关于硬件基础的部分，这部分内容简直是我的“痛点”所在。我原本的背景更偏向机械设计，对现代电子控制和嵌入式系统的理解深度是远远不够的。因此，我期望这本书能在这方面展现出足够的深度和广度，但又不能过于偏向单一的电子工程视角。例如，在介绍传感器时，我希望它能详细区分不同类型的传感器（如光电、电涡流、压力传感器）的工作原理，更重要的是，要强调它们在实际工业环境中的选型标准和抗干扰能力，这才是工程实践中最要命的问题。接着是执行机构，步进电机、伺服电机以及各种液压/气动执行器的对比分析是必不可少的。我希望能看到它们各自的优缺点、响应速度、精度以及维护复杂度的清晰对比表格。更进一步，如果能穿插讲解一些常用的数据采集和信号调理电路的基础知识，那就太棒了。我并不是要求它成为一本专业的电子电路书，但至少要让一个机械背景的读者能理解从传感器输出的微弱信号是如何被处理成可以被控制器识别的数字信号的。这部分的详尽程度，直接决定了读者未来在实际搭建系统时，会不会因为对硬件特性不了解而走弯路。我希望能看到那种“这个电机在高温高湿环境下可能会出现什么问题”的实战经验分享。

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控制理论的学习总是让人望而生畏，尤其是那些偏学术的教材。所以，我对这部分内容抱有非常谨慎的期待。我希望这本书在讲解控制系统时，能采取一种“问题导向”的教学方式。比如，当讲解到“闭环控制”时，不是直接抛出传递函数，而是先描述一个实际问题——“如何让机械臂的末端精确地停在某个位置，即使外部受到轻微扰动？”然后，顺理成章地引出反馈和校正的概念。对于PID参数的整定，我希望它能提供一些启发式的、直观的理解，而不是仅仅给出Ziegler-Nichols等经验公式。例如，通过调整P、I、D参数对系统响应曲线（超调、调节时间）带来的定性影响描述。如果能配有大量的仿真图例，直观展示不同参数组合下的系统行为，那就更好了。更重要的是，我期待它能把控制理论与具体的机电系统相结合，比如，如何将一个两级倒立摆（如果涉及）或一个简单的伺服电机系统，用控制理论的语言进行建模和分析。如果这部分内容过于抽象，沦为纯数学的展示，那么对于入门者来说，这本书的实用价值就会大打折扣，因为它无法帮助我们构建起“控制”与“动作”之间的桥梁。

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这本书，说实话，入手之前我真是带着挺大的期望的。毕竟现在工业4.0、智能制造这些词汇都快把耳朵听出茧子来了，急需一本靠谱的入门教材来给我搭个清晰的知识框架。我期望它能像一位经验丰富的老工程师，耐心地把我领进这个既高深又充满实践乐趣的领域。开篇的导论部分，我特别关注它对“机电一体化”这个概念的界定和历史脉络的梳理。一个好的开始应该是引人入胜且能迅速建立起对整个学科的宏观认识。我希望能看到对传感器技术、执行机构、控制系统这三大核心模块如何有机结合的生动阐述，而不是干巴巴的术语堆砌。理想情况下，它应该能通过一些实际工业案例的快速引入，比如自动化生产线上的机械臂是如何协同工作的，来激发读者的兴趣。如果它能用一种相对直观的方式，把复杂的控制算法（比如PID控制的基础思想）用工程学的语言解释清楚，哪怕只是停留在概念层面，而不是直接抛出复杂的数学公式，那绝对是加分项。我特别期待它能清晰地指出，为什么需要机电一体化，它解决了传统纯机械或纯电子系统哪些本质上的缺陷。总而言之，我对第一部分的期望是：建立全局观，激发学习热情，并为后续的深入学习打下坚实的概念基础，让读者能明白“一体化”的精髓究竟在哪里。

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