Modelling and Control of Fermentation Processes (I E E Control Engineering Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Institution of Electrical Engineers

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1987-08

价格:USD 99.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780863411045

丛书系列:

图书标签:

• Fermentation
• Process Control
• Modelling
• Bioprocess Engineering
• Control Engineering
• Chemical Engineering
• Biotechnology
• Systems Engineering
• IEE Control Series
• Industrial Biotechnology

工业过程控制与优化前沿：面向复杂系统的建模、辨识与控制策略研究 图书导言 在当今高度依赖自动化和智能化的工业生产环境中，对复杂动态系统的精确理解、有效预测和鲁棒控制是确保产品质量、提高生产效率和实现可持续发展的核心技术。本书聚焦于现代工业过程控制领域的前沿理论与应用实践，旨在为读者提供一套系统化、深入且具有工程实践指导意义的知识体系。我们探讨的对象不再是线性的、简单的单元操作，而是那些涉及多变量耦合、强非线性和时变特性的复杂工业系统，如精细化工反应器、能源转换系统、先进材料制造过程等。 本书的构建基于对经典控制理论的深刻理解，并着力于引入和阐述近年来在系统辨识、先进过程控制（APC）以及基于模型的预测控制（MPC）等领域取得的突破性进展。它力求在理论的严谨性与工程应用的可操作性之间找到最佳平衡点，为从事过程控制研究、系统设计与优化的高级工程技术人员、研究人员和研究生提供一份高质量的参考资料。 --- 第一部分：复杂工业过程的数学描述与系统辨识基础 本部分旨在为后续的控制策略设计奠定坚实的数学基础。我们首先探讨如何将现实中的物理或化学过程转化为可分析、可计算的数学模型。 第一章：复杂系统建模的理论框架 本章深入剖析了描述复杂工业过程的常用数学模型范式。重点讨论了从第一性原理出发的集总参数模型（Lumped Parameter Models）和偏微分方程（PDE）模型的建立方法及其在过程控制中的适用性。对于那些机理模型难以精确建立的系统，我们引入了半经验模型（Semi-Empirical Models）和黑箱模型（Black-Box Models）。特别强调了在处理强非线性和不确定性时，如何利用非线性描述函数（如NARX、Hammerstein-Wiener模型）来捕捉系统的动态特性。此外，还详细阐述了模型简化和降阶技术的重要性，这对于后续实现实时、高效的在线控制至关重要。 第二章：高维与非线性系统的系统辨识 系统辨识是实现有效控制的前提。本章聚焦于针对工业界常见的高维、多输入多输出（MIMO）和非线性系统的辨识技术。我们系统地介绍了参数估计方法，包括最小二乘法（LS）、加权最小二乘法（WLS）及其在存在过程噪声和测量误差情况下的鲁棒性改进。 核心内容涵盖非线性辨识方法，如基于核方法的辨识、神经网络辨识框架的应用，以及如何利用子空间辨识（Subspace Identification）技术直接从输入输出数据中提取系统状态空间模型，尤其适用于大型工业过程的建模。辨识模型验证和模型不确定性分析是本章的重点，确保所建立的模型能够在实际运行条件下保持可靠性。 --- 第二部分：先进过程控制策略与优化方法 基于精确或近似的系统模型，本部分转向如何设计出能够应对实际操作约束和动态变化的先进控制算法。 第三章：面向约束的控制设计：模型预测控制（MPC）的深入解析 模型预测控制（MPC）已成为处理多变量、带约束过程控制的首选方案。本章首先详细回顾了线性MPC（LMPC）的基本原理、滚动时域优化问题（Receding Horizon Optimization）的构建，以及如何处理等式和不等式约束。 随后，我们将重点扩展至非线性模型预测控制（NMPC）的理论基础。这包括对非线性优化问题（NLP）的求解策略（如梯度法、内点法）的讨论，以及如何通过实时在线优化来保证控制性能。本章还涵盖了MPC在处理死区、饱和非线性和状态约束等复杂工况时的鲁棒性增强技术。 第四章：鲁棒控制与不确定性处理 在实际工业环境中，模型总存在误差，过程参数会发生漂移。本章探讨如何设计对模型不确定性和外部扰动具有高鲁棒性的控制系统。内容涵盖$ ext{H}_infty$ 控制理论在过程控制中的应用，它侧重于最小化最坏情况下的性能指标。此外，我们还讨论了鲁棒模型预测控制（RMPC）的设计理念，通过引入不确定性集合和鲁棒优化技术，确保控制策略在可行域内对模型误差保持稳定性和性能。 第五章：实时优化与过程强化 控制的目的不仅是维持设定点，更重要的是追求最优的经济效益或能耗最低。本章将控制理论与实时优化（RTO）相结合。我们探讨了如何将操作窗口的优化问题嵌入到实时控制框架中，以应对例如原料价格波动或设备效率变化带来的外部变化。内容包括两层控制架构（RTO/APC 架构）的设计、收敛性分析，以及在非凸优化问题中保证安全性和实时性的策略。 --- 第三部分：高级主题与工程实践案例 本部分将理论知识应用于特定的工程领域，并探讨未来控制技术的发展方向。 第六章：分布式控制系统与网络化过程控制 现代大型工厂往往由多个相互关联的子系统组成。本章关注如何有效控制这些分布式系统。我们分析了多层级控制架构的设计原则，包括分散控制与集中协调的平衡。重点讨论了网络化控制系统（NCS）中由通信延迟、丢包和网络带宽限制带来的挑战，并介绍了相应的鲁棒性和安全性保障措施。 第七章：数据驱动与混合系统控制 随着传感器技术和数据采集能力的提升，数据驱动控制（Data-Driven Control）成为一个日益重要的研究方向。本章介绍了基于历史数据直接生成控制律的方法，如“无模型”控制策略的实现。同时，针对那些包含连续动态和离散事件（如开关、故障切换）的混合整数系统（Hybrid Systems），我们探讨了如何应用混合整数线性规划（MILP）方法来设计安全、高效的切换控制策略。 第八章：过程安全与故障诊断 控制系统的可靠性直接关系到工业安全。本章探讨了故障检测与隔离（FDI）技术，包括基于模型残差的检测方法和基于数据分析的异常模式识别。我们详细介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其扩展形式（如扩展卡尔曼滤波EKF、无迹卡尔曼滤波UKF）在状态估计和轻微故障检测中的关键作用，以及如何将故障信息反馈到控制律中，实现容错控制（Fault-Tolerant Control）。 --- 结语 本书汇集了过去数十年在过程控制领域积累的深刻见解和最新的研究成果，力求为读者提供一个坚实且面向未来的技术平台。掌握书中的建模、辨识和先进控制技术，将使工程师和研究人员能够自信地应对当前工业界面临的最复杂的动态挑战。

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