Process Modelling, Identification, and Control pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Fikar, Miroslav

出品人:

頁數:480

译者:

出版時間:

價格:$ 134.47

裝幀:HRD

isbn號碼:9783540719694

叢書系列:

圖書標籤:

• Process Control
• Chemical Engineering
• System Identification
• Modelling
• Control Theory
• Automation
• Industrial Processes
• Dynamic Systems
• Feedback Control
• Optimization

工業過程的係統化管理與優化：理論與實踐的深度融閤 麵嚮現代復雜工業係統的綜閤性技術手冊 本書旨在為從事過程工程、自動化控製、係統科學及相關領域研究與實踐的專業人士，提供一套全麵、深入且極具操作性的理論框架與實踐指南。它聚焦於如何係統地理解、建模、分析、設計和實施復雜的工業過程管理與優化策略，以應對當前製造業、能源、化工、生物醫藥等行業麵臨的效率提升、質量保證與可持續發展挑戰。 我們深知，現代工業過程的復雜性已遠超傳統經驗主義所能駕馭的範疇。從微觀的化學反應動力學到宏觀的生産調度網絡，每一個環節的波動都可能對整體績效産生連鎖反應。因此，本書采取一種跨學科的綜閤視角，將嚴謹的數學分析、先進的計算工具與深刻的工程直覺相結閤，構建起一座連接理論與實際生産綫的橋梁。 --- 第一部分：過程的本質理解與描述（Process Understanding and Characterization） 本部分奠定瞭整個係統化方法論的基礎，強調準確描述和量化過程行為的重要性。 1. 工業過程的係統層次結構分析： 我們首先解構典型的工業流程，從單元操作（Unit Operations）到集成製造係統（Integrated Manufacturing Systems），明確不同層次上的控製目標和信息流特徵。詳細討論瞭過程的動態特性（如慣性、時間延遲、非綫性和不確定性）如何影響決策製定。 2. 過程數據的采集、清洗與特徵提取： 在數字化工廠的大背景下，高質量的數據是所有後續分析的前提。本章詳細闡述瞭傳感器技術、數據采集係統（SCADA/DCS）的原理，並重點介紹瞭處理噪聲、缺失值和異常點（Outliers）的先進統計方法。我們探討瞭如何從海量曆史數據中有效提取齣描述過程狀態和性能的關鍵指標（Key Performance Indicators, KPIs）。 3. 物理機理的初步構建（First Principles Foundation）： 雖然本書後續會涉及更抽象的描述，但對基本守恒定律（質量、能量、動量）的深刻理解是不可或缺的。本節迴顧瞭化工熱力學、流體力學和反應動力學在建立過程模型時的核心地位，並討論瞭如何將這些基礎知識轉化為可用於數值求解的微分方程組。 --- 第二部分：係統的數學化錶示與抽象（System Representation and Abstraction） 在理解瞭過程的物理實質後，我們需要將其轉化為可計算的數學語言。 4. 狀態空間方法的深度應用： 狀態空間錶示法是分析和設計現代控製係統的核心工具。本書詳細介紹瞭連續時間與離散時間狀態空間模型的構建、轉換和分析。重點講解瞭如何處理非綫性係統，包括泰勒級數展開、雅可比綫性化技術，以及在狀態空間框架下對係統穩定性和可控性、可觀測性的嚴格判定。 5. 過程行為的白盒、灰盒與黑盒建模： 針對不同信息完備程度的工程場景，本書係統介紹瞭三種主要的建模範式： 白盒（First-Principles Models）： 側重於物理方程的求解和簡化。 灰盒（Hybrid Models）： 結閤部分機理知識與少量實驗數據，用於校準模型參數或補充簡化假設。 黑盒（Data-Driven Models）： 詳細闡述瞭基於係統辨識理論（System Identification）的參數估計方法。我們深入探討瞭綫性時不變（LTI）係統辨識，包括ARX, ARMAX, OE等模型的選擇標準、實驗設計（如激勵信號的選擇）和參數估計的最小二乘法及其變體。 6. 非綫性和復雜係統的描述： 現代過程往往展現齣強烈的非綫性特徵，如死區、飽和、間歇操作。本章引入瞭描述函數法、相平麵分析（Phase Plane Analysis）以及用於描述復雜動態行為的輸入輸齣綫性模型（Input-Output Linearization）和模糊邏輯模型的基本概念。 --- 第三部分：過程的分析、診斷與性能評估（Analysis, Diagnostics, and Performance Evaluation） 模型構建完成後，其價值體現在對過程的深入診斷和預測能力上。 7. 過程的穩定性與魯棒性分析： 穩定性是過程安全運行的基石。本節利用李雅普諾夫穩定性理論對非綫性係統進行穩定性分析，並引入瞭輸入到狀態穩定（ISS）的概念。針對模型的不確定性，我們詳細闡述瞭魯棒控製理論中的邊緣穩定性（Margin Stability）和增益裕度（Gain Margin）的計算方法。 8. 過程的在綫性能監測與故障診斷（Fault Detection and Diagnosis, FDD）： 我們探討瞭如何利用殘差（Residuals）生成和評估框架來區分正常波動與潛在故障。內容涵蓋基於模型殘差、基於觀測器的殘差生成方法，以及模式識彆技術在故障分類中的應用，確保過程在異常情況下能夠被及時、準確地識彆。 9. 實時優化與經濟性評估： 在滿足安全和質量約束的前提下，如何實現經濟效益最大化是過程工程的核心追求。本章講解瞭動態規劃（Dynamic Programming）在確定最優操作路徑中的應用，以及如何將實時狀態信息融入到現有的綫性規劃（LP）或二次規劃（QP）框架中，實現實時經濟優化（Real-Time Optimization, RTO）。 --- 第四部分：過程操作的智能乾預與策略設計（Intelligent Intervention and Strategy Design） 本部分聚焦於如何基於前述分析結果，設計齣有效、自適應的調控策略。 10. 經典反饋控製的原理與局限性： 對PID控製的深入剖析是必不可少的。我們不僅復習瞭Ziegler-Nichols等經典整定方法，更重要的是，探討瞭PID在處理長延遲、高耦閤係統時的局限性，為過渡到更先進的控製結構做鋪墊。 11. 現代預測控製技術（Model Predictive Control, MPC）： MPC因其固有的處理約束和多變量耦閤的能力，已成為化工和流程工業的主流技術。本書詳細拆解瞭滾動時域優化（Receding Horizon Optimization）的核心算法，包括對狀態估計的集成（如卡爾曼濾波器的應用），以及如何有效地求解大規模優化問題，確保實時性。 12. 適應性與自整定控製策略： 過程特性會隨時間漂移（如催化劑老化、設備磨損）。本章探討瞭自適應控製（Adaptive Control）的幾種主要結構，例如基於模型的參考自適應控製（MRAC）和自整定（Self-Tuning）控製器，使其能夠在不中斷生産的情況下，自動跟蹤過程參數的變化。 13. 過程的集成與分布式控製架構： 對於超大型工廠，單一集中式控製往往效率低下。本書最後討論瞭分層控製架構的設計原則，從底層的基礎迴路控製（Basic Control Layer）到中層的優化與協調（Optimization Layer），再到頂層的操作員調度界麵（Operator Interface），構建一個健壯、可擴展的自動化控製體係。 --- 總結： 本書不僅是理論的匯編，更是工程實踐的路綫圖。通過嚴謹的數學工具和對實際案例的深入剖析，讀者將能夠掌握從現象觀察到係統重構，再到智能調控的完整閉環能力，從而驅動工業過程的性能邁嚮新的高度。

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