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出版者:东南大学出版社

作者:陈绍炳 编

出品人:

页数:266

译者:

出版时间:2003-9

价格:27.00元

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isbn号码:9787810893381

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• 建筑环境与能源应用工程
• 建筑技术
• 热工
• 自动控制
• 原理
• 过程控制
• 工业自动化
• 控制工程
• 热力学
• 传热学
• 流体力学
• 系统分析

热工过程自动控制原理 本书致力于深入浅出地阐述热工领域自动控制的基本原理、系统构成、分析方法与设计技术。本书内容聚焦于工业生产中常见的热工过程，如锅炉、换热器、反应器、汽轮机、压缩机等，分析其动力学特性，并介绍如何运用现代自动控制理论与技术对其进行优化与调控，以实现生产过程的稳定、高效、安全运行。 第一章 导论 本章将首先界定热工过程自动控制的研究范畴与重要性，强调其在提高能源利用效率、保障产品质量、降低生产成本、减少环境污染等方面的关键作用。随后，简要回顾自动控制技术的发展历程，特别是其在热工领域的应用演进。接着，介绍本书的整体结构与各章节的学习重点，为读者建立清晰的学习脉络。最后，提出学习本书所需的基础知识，包括基本的工程热力学、流体力学、传热学以及基础的数学知识。 第二章 热工过程的数学模型 精准的数学模型是进行自动控制设计的基础。本章将重点讲解如何对典型热工过程建立动态数学模型。我们将从描述热工过程物理规律的守恒方程出发，推导其微分方程或传递函数形式。例如，针对锅炉的蒸汽压力控制，我们会分析其质量平衡、能量平衡方程，并考虑蒸汽的压缩性、管道阻力等因素，建立蒸汽压力与给水流量、炉膛热负荷之间的动态关系。对于换热器的温度控制，我们将考虑热流体和冷流体的能量守恒，推导出口温度与入口温度、流量、换热面积等参数之间的模型。本书将涵盖线性模型与非线性模型的建立方法，并探讨模型简化与参数辨识的常用技术。 第三章 自动控制系统的基本组成与性能指标 本章将详细介绍自动控制系统的基本构成单元，包括传感器、变送器、控制器、执行器等，并分析它们在热工过程中的具体应用。例如，温度传感器（如热电偶、热电阻）用于测量过程变量，变送器将测量信号转换为标准电信号，控制器（如PID控制器、PLC）根据预设算法产生控制信号，执行器（如阀门、电机）则根据控制信号改变被控对象的输入，从而实现对过程变量的调节。 紧接着，本章将深入阐述自动控制系统的性能指标，这是评价控制系统优劣的关键。我们将详细介绍瞬态响应指标，如超调量、调节时间、峰值时间、上升时间，以及稳态性能指标，如稳态误差。此外，我们还会讨论系统的稳定性问题，介绍稳定性判据，并阐述如何通过分析系统的根轨迹、频率响应来评估和改善系统性能。 第四章 线性系统分析 本章将聚焦于线性自动控制系统的理论分析方法。我们将详细介绍传递函数与系统方块图的绘制与简化技术，这有助于直观地理解系统各组成部分之间的相互关系。 时域分析：我们将通过单位阶跃响应、单位脉冲响应等时域分析方法，直观地展示系统在输入变化时的动态行为，并推导出一阶、二阶系统的时域响应特性。 频域分析：本章将重点介绍频率响应的概念，包括幅频特性和相频特性。我们将讲解奈奎斯特图、波特图等频率响应图的绘制与解读，以及如何利用这些图来分析系统的稳定性、动态性能。例如，我们将介绍奈奎斯特稳定判据，并利用波特图分析系统的带宽、增益裕度和相位裕度。 根轨迹法：我们将详细介绍根轨迹的绘制方法与意义，以及如何通过根轨迹分析来确定控制系统的稳定性范围以及参数对系统动态性能的影响。 第五章 PID 控制原理与设计 PID（比例-积分-微分）控制器是热工过程自动控制中最广泛应用的控制器类型。本章将深入剖析PID控制的原理，详细讲解比例（P）、积分（I）和微分（D）控制的作用，以及它们如何共同作用来消除稳态误差、改善动态响应。 PID 控制器结构与算法：我们将介绍位置式PID和增量式PID等不同形式的PID控制算法，并探讨其在实际应用中的优缺点。 PID 参数整定方法：本章将重点介绍多种经典的PID参数整定方法，包括试凑法、临界比例法（齐格勒-尼科尔斯方法）、衰减法等。我们将结合实际热工过程的例子，演示如何根据系统特性选择合适的整定方法，并优化PID参数以获得满意的控制效果。 PID 控制在热工过程中的应用：我们将通过具体的案例，如锅炉给水控制、换热器温度控制，详细阐述PID控制器在这些热工过程中的具体实现与调试过程。 第六章 状态空间方法 本书将引入更先进的自动控制理论——状态空间方法。相较于传递函数，状态空间方法能够更全面地描述系统的动态行为，尤其适用于多输入输出（MIMO）系统和非线性系统。 状态空间模型：我们将讲解如何将系统的微分方程模型表示为一组一阶微分方程构成的状态方程，以及输出方程。 可控性与可观性：本章将介绍可控性和可观性的概念，并阐述它们在控制器设计和状态观测器设计中的重要性。 状态反馈控制：我们将讲解如何通过状态反馈来设计控制器，以实现期望的系统性能，如极点配置。 状态观测器：对于无法直接测量所有状态变量的情况，本章将介绍如何设计状态观测器来估计系统的状态。 第七章 数字控制系统 随着计算机技术的发展，数字控制系统在热工过程中得到了越来越广泛的应用。本章将讲解数字控制系统的基本原理与设计方法。 采样与保持：我们将分析连续系统离散化的过程，包括采样定理、采样间隔的选择以及保持器的作用。 离散时间系统分析：本章将介绍Z变换及其在离散时间系统分析中的应用，包括离散时间传递函数、零极点分析。 数字PID控制器设计：我们将讲解如何将连续PID控制器转化为数字PID控制器，并讨论数字PID控制器参数的整定方法。 数字控制器的实现：本章将介绍如何利用微控制器、PLC等硬件平台实现数字控制算法。 第八章 进阶控制策略 除了PID控制，热工过程自动控制还涉及多种先进的控制策略，以应对更复杂的控制问题。本章将介绍几种重要的进阶控制策略。 模糊控制：我们将讲解模糊逻辑控制的基本原理，包括模糊化、模糊推理和解模糊过程，并阐述其在处理非线性、不确定性系统中的优势。 神经网络控制：本章将介绍神经网络在控制领域的应用，包括前馈神经网络、递归神经网络等，以及如何利用神经网络进行模型学习和控制器设计。 模型预测控制（MPC）：我们将深入讲解MPC的基本思想，包括模型预测、滚动优化和反馈校正，并分析其在处理多变量耦合系统、约束优化问题上的优越性。 自适应控制与鲁棒控制：本章还将简要介绍自适应控制和鲁棒控制的概念，以及它们在处理系统参数变化和外部扰动时的作用。 第九章 热工过程自动控制系统设计实例 为了巩固所学理论知识，本章将通过具体的工程实例，系统地展示热工过程自动控制系统的设计流程。我们将选择具有代表性的热工过程，如： 锅炉汽包水位控制：详细分析汽包水位控制的数学模型，设计PID控制器，并讨论抗积分饱和等控制技巧。 循环流化床锅炉燃烧优化控制：介绍如何利用多变量控制策略实现燃烧工况的优化，提高锅炉效率和降低污染物排放。 炼油厂催化裂化装置温度与压力控制：分析装置的复杂耦合特性，设计先进的控制系统以保证装置的安全稳定运行。 每个案例都将涵盖系统建模、控制器选择与设计、参数整定、仿真验证以及实际调试等环节，帮助读者将理论知识转化为实践能力。 第十章 自动控制系统的安全与可靠性 在热工生产过程中，安全与可靠性是至关重要的。本章将探讨自动控制系统的安全与可靠性设计。 故障诊断与容错控制：介绍常见的系统故障类型，以及故障诊断的方法，并探讨容错控制技术，以保证系统在发生故障时仍能安全运行。 安全仪表系统（SIS）：讲解SIS的设计原则与应用，以及其在防止重大事故发生中的作用。 可靠性工程：介绍提高控制系统可靠性的常用方法，如冗余设计、失效模式与影响分析（FMEA）等。 本书旨在为读者提供一套系统、完整的热工过程自动控制理论知识体系，并结合丰富的工程实践案例，帮助读者掌握自动控制技术在热工领域的应用，为实现热工过程的智能化、自动化生产提供坚实的理论基础和实践指导。

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这本书的配套资源和使用体验简直是锦上添花。我发现，在书的特定章节后面，作者贴心地附上了一些关键算法的伪代码，这对于我们这些动手能力强、偏好编程实践的读者来说，简直是无价之宝。我立刻将这些伪代码移植到了MATLAB/Simulink环境中进行仿真验证，发现其结果与书本上的理论曲线高度吻合，这极大地增强了我对理论理解的信心。此外，作者在讨论特定控制器的设计流程时，还穿插了一些行业标准的规范要求，这使得我们在学习理论的同时，也能够同步建立起符合工业实践的思维框架。这种理论与实践的无缝衔接，让这本书成为了我工作台上不可或缺的工具书，而不是束之高阁的理论宝典。

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我更倾向于从批判和深挖的角度来审视一本技术书籍的价值，而这本书在理论深度上的挖掘，着实令人印象深刻。它并非仅仅是简单地罗列既有理论，而是在基础理论之上，对经典控制器的局限性进行了深入的剖析和反思。例如，在讨论PID控制的改进算法时，作者并没有止步于标准的参数整定方法，而是引入了前馈控制、解耦控制等更高级的策略，并且详细论述了在非线性系统和时间延迟系统中的适用条件和实际应用中的挑战。这种既能扎根于本，又能放眼于新的学术态度，使得这本书的参考价值远远超过了一本普通的入门教材，它更像是一份前沿研究的综述，为希望进一步深造或从事复杂系统优化的工程师提供了坚实的理论基础和广阔的思考空间。

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翻阅这本书的目录结构，我感受到了编撰者对知识体系构建的严谨态度。它并非是各个知识点零散的堆砌，而是呈现出一种清晰、逻辑严密的层级关系。从最基础的系统建模，到时域分析、频域分析，再到状态空间描述和现代控制理论的引入，每一步都像是建筑师在规划蓝图，步步为营，环环相扣。这种结构优势的好处在于，它迫使用户必须按照既定的逻辑顺序去消化知识，从而避免了“只见树木不见森林”的困境。对于需要系统性地梳理和重构自己知识体系的专业人士来说，这种结构化的编排方式，无疑是最高效的学习路径，它为我们提供了一个坚固可靠的知识框架，让所有学到的工具都能被放置在正确的位置上，从而形成一个完整的认知网络。

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作为一名刚刚步入工业自动化领域的新手，我本来对那些深奥的控制理论感到望而生畏，生怕自己看不懂那些密密麻麻的数学推导。然而，这本书的叙事方式彻底颠覆了我的认知。作者似乎非常懂得如何与初学者对话，他没有急于抛出复杂的拉普拉斯变换或者Z变换，而是先用生动、贴近实际生产场景的案例引入概念，比如温度调节、流量控制，这些例子都非常接地气。每引入一个新的数学工具，作者都会耐心地解释它在物理世界中对应着什么现象，这种“从现象到理论”的讲解路径，极大地降低了学习的心理门槛。特别是那些插图，不再是冰冷的示意图，而是充满了逻辑和美感，让人感觉这不是在啃教科书，而是在听一位经验丰富的老工程师娓娓道来他的独门秘籍。

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这本书的装帧设计简直让人眼前一亮，硬壳封面那种沉稳的质感，配合着烫金的字体，拿在手里分量十足，一看就知道是本经得起时间考验的力作。内页的纸张选材也十分考究，摸上去光滑细腻，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到疲劳，这种对细节的执着，从侧面反映了作者和出版社对学术品质的尊重。而且，这本书的排版布局非常人性化，段落间距、行距都拿捏得恰到好处，很多复杂的公式和图表都清晰地呈现在眼前，让人在处理那些烧脑的理论时，视觉负担大大减轻。我特别喜欢它在章节过渡时采用的那种留白设计，既起到了很好的节奏缓冲作用，又让整本书的阅读体验提升了一个层次，绝对是那种值得珍藏在书架上，时不时拿出来翻阅一番的精品。光是看着它放在那里，就觉得自己的专业素养也在无声中提升了。

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