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isbn号码:9789861540221

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• 机械测量
• 测量技术
• 传感器
• 仪器仪表
• 工程测量
• 误差分析
• 数据采集
• 实验测量
• 工业测量
• 计量学

工业控制与自动化系统集成导论 第一部分：基础原理与系统架构 第一章：现代工业的脉动——自动化与控制的演进 本章追溯了工业自动化从简单机械装置到复杂信息物理系统（CPS）的百年历程。我们将探讨工业革命以来，对效率、精度和安全需求的不断提升如何驱动控制理论和执行技术的发展。重点分析了工业1.0到工业4.0的特征转变，特别是数据驱动决策在现代制造中的核心地位。理解自动化系统的基本目标——提高生产力、保证产品质量、降低运营成本——是后续深入学习的基石。 第二章：控制理论基石：从开环到闭环 详细阐述反馈控制系统的基本原理和拓扑结构。引入经典的PID（比例-积分-微分）控制器，解析P、I、D三个参数对系统动态响应（如超调、稳态误差和响应速度）的影响。通过具体的数学模型（如一阶和二阶系统）来演示如何通过调整这些参数来优化系统性能。此外，本章还将介绍前馈控制、级联控制等高级控制策略的初步概念，为理解复杂多变量系统的控制打下理论基础。 第三章：工业控制系统的核心架构：PLC、DCS与SCADA 本章聚焦于现代工业环境中三大主流控制平台的结构、功能和应用场景。 可编程逻辑控制器（PLC）： 深入解析PLC的硬件组成（CPU、I/O模块、通信接口）及软件编程范式（梯形图、指令表、结构化文本）。探讨其在离散事件驱动控制（如装配线、包装机）中的不可替代性。 集散控制系统（DCS）： 阐述DCS的分布式、高可靠性架构，特别是在连续过程控制（如化工、石油、电力）中的优势。比较其与PLC在系统冗余、操作员界面和过程管理方面的差异。 监控与数据采集系统（SCADA）： 讲解SCADA如何作为高层级的监控和数据管理平台，连接底层PLC/RTU，实现对大范围地理区域内基础设施（如电网、水务）的远程监控与调度。 第二部分：传感、执行与人机交互 第四章：过程量度与工业传感器技术 精确的测量是有效控制的前提。本章系统性地分类介绍工业环境中常用的各类传感器。 温度测量： 重点分析热电偶、电阻温度检测器（RTD）的工作原理、线性和精度限制，以及在极端环境下的应用选择。 压力与流量控制： 讲解差压原理在流量测量中的应用（如孔板、文丘里管），以及静压、动压的测量技术。探讨科氏力质量流量计和超声波流量计的现代优势。 物位检测： 比较接触式（如浮球、导波）和非接触式（如雷达、超声波）测量技术，分析其在不同介质（导电性、粘稠度）下的适用性。 信号调理与标准化： 详细说明工业标准信号（如4-20 mA、0-10 VDC、HART协议）的意义，以及如何进行滤波、放大和线性化处理，确保信号的准确传输。 第五章：驱动与执行机构：将指令转化为动作 本章探讨如何将控制器的输出信号转化为物理动作。 电机驱动技术： 深入分析三相交流感应电机、步进电机和伺服电机的工作特性。重点讲解变频驱动器（VFD）在控制电机转速和扭矩方面的调控原理，以及伺服系统在高精度定位中的应用。 阀门与调节机构： 详细介绍调节阀的类型（球阀、蝶阀、截止阀），执行器的选择（气动、电动、液压）及其选型标准。讨论阀门特性曲线（线性、等百分比、快开）与控制回路的匹配问题。 液压与气动基础： 简述液压和气动系统在提供大功率和快速响应方面的优势，并讨论它们在工业自动化中的接口和安全注意事项。 第六章：人机界面（HMI）与可视化设计 有效的操作界面是连接人与复杂自动化系统的桥梁。本章聚焦于现代HMI的设计原则和技术实现。 HMI设计哲学： 探讨认知负荷理论在HMI设计中的应用，强调清晰性、一致性和易用性。介绍“少即是多”的原则，避免信息过载。 功能实现： 讲解如何使用HMI软件组态趋势图、报警列表、配方管理和历史数据查询功能。 移动化与远程访问： 讨论平板电脑和智能手机在工业巡检和远程监控中的集成趋势，以及确保数据安全传输的必要性。 第三部分：网络通信与系统集成 第七章：工业通信网络：连接自动化世界的神经系统 本章全面解析驱动现代工厂互联互通的各类通信标准。 现场总线技术： 比较早期和现代现场总线（如PROFIBUS DP/PA, Foundation Fieldbus, CANopen）的特点，重点分析它们在提高现场设备数据交换可靠性和实时性上的作用。 以太网在工业中的应用： 详细介绍工业以太网协议（如Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT）。着重分析实时性（Determinism）的实现机制，这是工业控制网络区别于传统办公网络的根本所在。 OPC UA： 讲解OPC统一架构作为跨平台、安全、面向服务的数据交换标准的关键作用，及其在打通OT（操作技术）与IT（信息技术）之间的鸿沟中的核心地位。 第八章：数据管理与制造执行系统（MES） 本章探讨如何从自动化设备中采集数据并将其转化为生产决策信息。 数据采集与Historian： 分析工业历史数据库（Historian）的架构，如何高效存储和检索海量时间序列数据。讨论数据清洗、时间戳同步和数据完整性的重要性。 MES的功能模块： 详细介绍制造执行系统在车间层面的核心功能，包括生产调度管理、质量管理、设备综合效率（OEE）分析、物料跟踪和文档管理。 与ERP/PLM的集成： 阐述MES如何作为企业资源规划（ERP）与车间控制层之间的桥梁，实现计划的下达和生产结果的上报，确保供应链的闭环管理。 第四部分：高级主题与未来趋势 第九章：过程安全与系统可靠性工程 在自动化系统中，安全性和可靠性是不可妥协的要求。 功能安全标准： 深入解读IEC 61508（电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）和IEC 61511（过程工业中的安全仪表系统SIS）。解释安全完整性等级（SIL）的确定过程。 故障诊断与冗余设计： 介绍常见的冗余架构（如1oo2、2oo3），以及如何通过在线诊断技术预警潜在的设备故障，从而最大化系统运行时间。 网络安全威胁： 探讨针对工控系统的特定网络攻击向量（如震网病毒、勒索软件），并提出纵深防御策略，包括网络分段（Purdue模型）、访问控制和加密通信的实施。 第十章：工业物联网（IIoT）与智能制造 本章展望自动化技术的未来发展方向。 IIoT的架构： 阐述从边缘计算（Edge Computing）到云端（Cloud）的数据流模型。分析边缘计算在低延迟控制和本地数据预处理中的关键作用。 大数据分析在制造中的应用： 介绍如何利用机器学习算法对设备运行数据进行预测性维护（PdM），从被动维修转向主动干预。探讨如何通过数据挖掘发现生产过程中的隐藏瓶颈。 数字孪生（Digital Twin）： 解释数字孪生概念，即物理资产的虚拟模型，如何用于实时性能监控、流程优化和新方案的无风险测试，加速工厂的智能化转型。 --- （注：本书内容侧重于工业控制系统的整体架构、经典控制理论在工程中的应用、关键组件（传感器、执行器）的选择与集成，以及网络通信和数据管理，旨在为读者提供一个全面、实用的自动化系统集成知识框架。）

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我得说，这本书的叙事风格非常独特，它成功地营造了一种“对话”的氛围，而不是居高临下的说教。作者在关键的理论转折点，常常会设置一些反问句，引导读者去思考测量过程中的潜在陷阱。比如，在讲解如何选择合适的量程时，作者没有直接给出“选择标准”，而是提问：“如果你的目标精度要求是最大测量范围的千分之一，而你恰好在量程的上限点进行测量，你承担的风险和需要付出的时间成本分别是什么？” 这种代入式的提问，迫使读者必须主动参与到知识的建构过程中去。此外，书中对量具的“溯源性”的强调，达到了近乎偏执的程度。它不仅讲解了国家计量基准，还细致描绘了从国家标准到工作标准的层级传递链条，这让我在撰写项目质量保证文件时，有据可依，极大地提升了报告的专业性和可信度。整本书读下来，感觉自己像是跟随一位经验丰富、一丝不苟的计量学大师进行了一次漫长的学术徒步旅行，收获的不仅仅是知识，更是一种严谨的、对“真理”的敬畏之心。

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这本《机械测量》的书籍，着实让人眼前一亮。初翻开扉页，那种严谨的学术气息就扑面而来，仿佛能闻到实验室里精密仪器的金属光泽。我尤其欣赏作者在基础理论部分的处理方式，他们并没有停留在枯燥的公式推导，而是巧妙地融入了大量的实际工程案例。比如，在讨论误差分析那一章，书中通过一个实际的机床加工过程，将系统误差、随机误差以及测量不确定度之间的相互关系阐述得淋漓尽致。这对于我们这些在实际工作中经常需要处理数据、校验设备的人来说，简直是雪中送炭。我记得有一次我们团队为一个关键部件的形位公差犯愁，各种方法试了个遍，收效甚微。后来翻到书里的“接触式测量技术的高级应用”章节，书中提到了一种基于激光干涉仪的非接触式廓形扫描方法，并详细分析了其在复杂曲面测量中的优势和局限性。虽然我们手头没有那么高端的设备，但它启发了我们对现有设备的重新校准和参数优化思路，最终竟也得到了满意的结果。这本书的图文排版也十分考究，那些原理示意图和实物照片的清晰度极高，即便是初次接触这些复杂仪器的学生，也能通过图示快速建立起感性认识，这极大地降低了学习曲线的陡峭程度。总而言之，它不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的工程师在你身旁，随时准备为你指点迷津的实用手册。

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坦白说，刚开始我对这本《机械测量》抱有一种略微的怀疑态度，毕竟市面上关于计量学的书汗牛充栋，很多都显得陈旧或者过于理论化，缺乏与时俱进的视角。然而，这本书成功地打破了我的固有印象。它非常出色地平衡了经典理论与现代技术之间的关系。例如，在介绍振动和动态特性测量时，书中花了相当大的篇幅来介绍最新的数字信号处理（DSP）技术如何优化了传统FFT分析中的泄漏误差和栅栏效应。作者清晰地解释了窗函数选择的物理意义，并给出了不同窗函数（如汉宁窗、海明窗）在分析特定信号类型时的优缺点对比图表，这比我大学时用的教材要直观和深入得多。更令人称道的是，作者没有忽视新兴的测量技术。关于3D打印件的质量控制部分，书中讨论了如何利用结构光扫描数据进行增材制造过程的实时反馈和闭环控制，这无疑是紧跟当前制造业前沿的议题。这本书的作者显然是一群深谙工业实践的专家，他们笔下的文字充满了对实际操作中“痛点”的深刻理解，使得阅读过程充满了“原来如此”的顿悟感。它更像是一本面向未来工程师的工具箱，而不是仅仅记录历史的教科书。

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读完这本书，我最大的感受就是作者对于“精确性”的执着追求几乎渗透到了每一个章节的字里行间。它并非那种走过场、泛泛而谈的入门读物，而是深入到测量科学的“骨髓”之中。我记得有段落专门讨论了传感器在极端环境下的性能衰减问题，特别提到了温度漂移和磁场干扰对电涡流传感器读数的影响。作者没有简单地罗列这些影响，而是给出了详细的数学模型来描述这种非线性关系，并且在后面的“数据后处理”章节中，提供了相应的补偿算法示例。这对我启发很大，因为我们实验室的很多测试需要在高温高湿的户外进行，以往我们都习惯于简单地对数据进行线性修正，效果自然不佳。这本书让我意识到了，真正的精密测量，必须从源头上就考虑环境因素的耦合效应。此外，书中对不同测量尺度的描述也十分到位。从宏观的尺寸测量到纳米级的表面粗糙度分析，作者都给出了相应的国际标准和行业规范的引用，这使得这本书具有了极强的权威性和可追溯性。如果你想知道ISO标准中关于“最小二乘拟合”的具体定义和应用边界，这本书里绝对能找到最权威的解释，绝非网络上那些零散、互相矛盾的资料可比拟。它构建了一个完整的、逻辑自洽的测量知识体系，让人读完后信心倍增，感觉自己对“测量”这件事的理解上升到了一个新的维度。

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这本书的内容编排结构，简直是教科书式的不对称美学体现。它没有采用那种平均分配笔墨的保守写法，而是根据技术成熟度和实际应用频率，对重点章节进行了史诗级的深度挖掘，而对一些相对成熟或应用频率较低的部分，则进行了精炼的概括。以“表面形貌测量技术”这一章为例，作者用了超过三分之一的篇幅去详述原子力显微镜（AFM）在材料科学前沿研究中的应用，包括其在单分子力谱分析中的巧妙设置。接着，对于传统的粗糙度仪，作者反而用了非常简洁的语言点到为止，仅仅强调了其校准流程和标准件的使用规范。这种偏心式的深度处理，非常符合我这种需要将理论知识快速转化为特定领域研究工具的需求。我个人对材料的微观结构分析更感兴趣，因此，能够获得如此详尽的AFM操作细节和数据解释指南，对我来说价值连城。而且，书中在探讨每一种测量方法时，都会附带一个“技术经济性评估”的小节，对比了该方法的成本、速度、精度和对操作人员技能的要求，这种务实的分析角度，让读者在学习技术的同时，也学会了如何在资源有限的工程项目中做出最优选择。

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