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作        者：牛紹華（Steve S. Niu），蕭德云                                                                      

出  版  社：Springer，第1版（1st ed.  2022）

系列叢書：工業(yè)控制進(jìn)展 (Advances in Industrial Control)

語        言：英文

ISBN-10： 3030970663, ISBN-13：978-3030970666

LINK：     htts://link.springer.com/book/9783030970666

1、本書特點：

● 總結(jié)了流程工業(yè)過程控制當(dāng)前實際使用所需的基本知識和關(guān)鍵技術(shù)，作為本書的理論基礎(chǔ)；

● 提出了一套通用的系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的過程分析和控制設(shè)計方法，用以解決流程工業(yè)過程控制方案的設(shè)計；

● 使用了大量從實際項目和工程應(yīng)用中提取的例子，增強了對知識概念、技術(shù)方法和控制設(shè)計程序的理解；

● 提供了針對常見控制問題的故障排除方法和工具，具有可視化、工程化特點。

2、內(nèi)容提要：

本書詳細(xì)介紹了一個成功的過程控制工程師所需要的基礎(chǔ)知識和實踐技能，論述了當(dāng)前流程工業(yè)控制實踐中使用的或未來可能需要的核心技術(shù)。該書側(cè)重考慮實際應(yīng)用問題，包括工程問題的控制解決方案和防止控制系統(tǒng)失控/失靈的措施，尤其是復(fù)雜的控制回路和廠級控制系統(tǒng)。

本書在論述了過程控制在現(xiàn)代流程工業(yè)中不可或缺的作用之后，集中討論了過程分析、控制設(shè)計和故障排除所需的技能，創(chuàng)新性地采用了一種通用的系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化方法，用于過程分析和控制方案設(shè)計，并用大量實際例子說明如何使用這些方法，包括典型工藝過程的控制設(shè)計、典型設(shè)備的控制設(shè)計和實際應(yīng)用中的典型控制計算等。全書圖文并茂，插圖229幅，表格83張，使所論述的概念更直觀、清晰，所使用的方法更容易理解、遵循。

本書可以幫助過程控制工程師從中獲得豐富的實踐經(jīng)驗和應(yīng)用技能，學(xué)到使實際問題的控制系統(tǒng)可靠工作的想法和辦法，也可以幫助過程控制領(lǐng)域的讀者了解控制理論知識應(yīng)用到工業(yè)過程控制中需要考慮的一些實際問題，以及如何實現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)過程的先進(jìn)和智能控制。

全書共四部分十二章，第一部分論述了過程控制的大局/概貌，后續(xù)三部分由三個知識層次組成：“基礎(chǔ)知識”→“核心技能”→“典型應(yīng)用”，構(gòu)成本書的應(yīng)用知識框架，如下圖所示。三個層次緊密聯(lián)系，相互依托，循序漸進(jìn)。重要的知識概念和技術(shù)方法都用實例加以剖析，方便讀者對知識的理解和接受。

圖：本書應(yīng)用知識框架

第一部分“大局/概貌”（Chap.1-2）是全書的引論。首先論述過程控制目標(biāo)、控制性能指標(biāo)、控制回路結(jié)構(gòu)和類型，再為過程控制及過程控制工程師在流程工業(yè)及其自動化大局里扮演的角色和發(fā)揮的作用做出一個明確的定位，然后介紹過程控制的工程需求、常用技術(shù)和設(shè)計程序，并提出了過程控制工程師應(yīng)具備的基本知識結(jié)構(gòu)。這部分知識內(nèi)容適合于過程控制工程師的入門學(xué)習(xí)，也可作為非控制專業(yè)人員（工藝、儀表、系統(tǒng)、管理、操作）的科普閱讀，同時也為閱讀后續(xù)的三個知識層次做了框架上的鋪墊。

第二部分“基礎(chǔ)知識”（Chap.3-5）系統(tǒng)深入介紹了過程控制基本框架里所涵蓋的重要技術(shù)，包括簡單PID回路、復(fù)雜PID回路和先進(jìn)過程控制等，側(cè)重于介紹和分析實際應(yīng)用時如何保證這些技術(shù)在復(fù)雜多變的應(yīng)用場景中和非正常工況下不會失敗或退化。這部分內(nèi)容是本書應(yīng)用知識框架的第一層次（基礎(chǔ)知識層次），主要的受眾者是過程控制和控制系統(tǒng)（DCS)人員。

第三部分“核心技能”（Chap.6-9）主要討論分析問題的手段和解決問題的方法。在第二部分論述的基礎(chǔ)知識框架下，提出了如何提升分析和解決問題的能力，也就是面對一個陌生的工藝過程如何入手去理解工藝流程、設(shè)計控制方案、排除可能出現(xiàn)的控制故障。本書首次提出了一套完整通用的分析方法和設(shè)計程序，用系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的手段將過程分析和控制設(shè)計的“藝術(shù)”量化為“技術(shù)”。這部分內(nèi)容是本書應(yīng)用知識框架的第二層次（核心技能層次），對過程控制工程師和工藝工程師的實踐工作是非常有幫助的。

第四部分“典型應(yīng)用”（Chap.10-12）利用大量的實例展示了前幾部分介紹的知識和技能在實踐中的融合和運用，包括過程控制常用計算、典型設(shè)備控制、典型工藝流程控制等。這部分內(nèi)容是本書應(yīng)用知識框架的第三層次（典型應(yīng)用層次），體現(xiàn)了理論與實踐的結(jié)合，知識與技能的融合，是資深過程控制工程師應(yīng)該具備的綜合素質(zhì)。

3、作者介紹：

（1）牛紹華（Steve S. Niu）

1985年畢業(yè)于清華大學(xué)自動化系，獲學(xué)士學(xué)位，1994年獲加拿大Alberta大學(xué)過程控制博士學(xué)位。畢業(yè)后在加拿大和瑞典從事10年的學(xué)術(shù)研究，后進(jìn)入加拿大和美國石油公司從事25年的過程控制工作。長期的一線現(xiàn)場工作涵蓋了過程控制的幾乎所有方面，從研究、開發(fā)到應(yīng)用，從項目管理、產(chǎn)品管理、項目執(zhí)行到運行維護(hù)。25年間設(shè)計并實施了數(shù)百種控制解決方案，包括基層控制、先進(jìn)控制、壓縮機控制、動態(tài)仿真、實時優(yōu)化等，涉及的生產(chǎn)過程包含上游油氣生產(chǎn)、煉油、石化、化工和造紙等，區(qū)域跨越歐亞美非各洲，項目規(guī)模從小型控制改進(jìn)課題到數(shù)十億美元的大型工程。

（2）蕭德云

清華大學(xué)自動化系教授、博士生導(dǎo)師，主要從事連續(xù)過程行業(yè)的建模與辨識、故障診斷和安全評估、多傳感器信息融合、過程控制系統(tǒng)、流程工業(yè)CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等方面的教學(xué)和科學(xué)研究。出版的著作包括“過程辨識”和“系統(tǒng)辨識理論及應(yīng)用”等，主要譯著有F.G.Shinskey的“過程控制系統(tǒng)—應(yīng)用、設(shè)計和整定（第3版和第4版）”。

4、寫作動機

本書以實際應(yīng)用分析為主，理論分析壓到最小程度，寫作之前作者對過程控制的現(xiàn)狀和知識層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的探討，以便形成本書的寫作動機和指導(dǎo)思想，奠定寫作思路和格調(diào)。

過程控制是一個很特別的工程專業(yè)領(lǐng)域，它和運動控制同屬于自動控制。雖然兩者同宗同源，但兩者的控制對象差別很大，實際應(yīng)用需求也是南轅北轍，過程控制要求盡量利用簡單的理論和可靠的技術(shù)應(yīng)對復(fù)雜多變的被控對象。由于學(xué)校教學(xué)的局限，培養(yǎng)的過程控制人才普遍面臨著學(xué)用脫節(jié)的窘?jīng)r。現(xiàn)狀猶如屠龍與馴馬：學(xué)校教學(xué)設(shè)定的控制對象是飛龍（倒立擺、蓄水池），實際應(yīng)用面對的控制對象是野馬（反應(yīng)器、精餾塔）；學(xué)校教授的是屠龍術(shù)（狀態(tài)方程、最優(yōu)控制），工業(yè)需要的是馴馬技（傳遞函數(shù)、PID/MPC）；學(xué)校教給的是縛龍繩（Matlab、SimuLink)，工業(yè)需要的是套馬桿(DCS、Excel)。從學(xué)校畢業(yè)進(jìn)入工業(yè)界后就會發(fā)現(xiàn)理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)不能致用。這時只能緊急惡補馴馬技，苦練套馬桿，在吃一塹長一智的過程中摸索成長，走了很多彎路。

過程控制的另一個特點是跨學(xué)科領(lǐng)域。從知識層面講，過程控制和工藝、設(shè)備、儀器儀表、控制系統(tǒng)等有高度的重疊和依賴；從經(jīng)驗和技能要求上看，過程控制又和工藝設(shè)計、操作運營、檢修維護(hù)等緊密相關(guān)。因此過程控制所需的知識和技能非常廣泛和繁雜，由此帶來一個獨特的優(yōu)勢是視野廣：在設(shè)計階段要明白工藝，實施階段要熟悉系統(tǒng)，運營階段要了解操作，與其他學(xué)科相比視角更加廣闊。過程控制可能是唯一對于全局到細(xì)節(jié)都有足夠了解的技術(shù)工種，“萬金油”的稱號實至名歸。但跨學(xué)科也帶來煩惱：知識要求廣、技能要求高。雖說藝多不壓身，但人的精力畢竟有限，術(shù)業(yè)有專攻，深度和廣度很難兼顧。沒有人可以在所有相關(guān)領(lǐng)域都樣樣精通，所以過程控制工程師面對的最大困難是自我“定位”和“取舍”。唯一的解決方法是自我提高和團隊合作，有些知識要知其然更要知其所以然，有些則只需知其然而無需知其所以然。過程控制工程師永遠(yuǎn)做不到（也不可能做到）單打獨斗，必須要有良好的團隊合作精神，工藝工程師是老師，儀表和系統(tǒng)工程師是幫手，操作人員是朋友，懂行的部門領(lǐng)導(dǎo)是后盾。

過程控制的這些現(xiàn)狀激勵了作者的寫作熱情，試圖為改變現(xiàn)狀做出點努力，這便成為了本書的寫作動機。

過程控制的應(yīng)用知識和技能具有鮮明的層次結(jié)構(gòu)，不妨從老子《道德經(jīng)》中“道”、“法”、“術(shù)”和“器”的角度，對過程控制的知識層次結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍作個詮釋，以此捋順本書的寫作指導(dǎo)思想。

“道”是萬事萬物的自然規(guī)律和發(fā)展方向，即“天道”；“法”是循道而行、為達(dá)目標(biāo)所遵循的方法和技能，即“人法”；“術(shù)”是為使“人法”得到實施所采取的技術(shù)技巧和手段；“器”是為使“術(shù)”取得更完美、更有效結(jié)果所必需的工具。《道德經(jīng)》論述的“道”、“法”、“術(shù)”和“器”四個層次與過程控制的知識層次是可以一一對應(yīng)起來的。

 “器”（Devices, Instruments, Control Systems)，如傳感器、變送器、調(diào)節(jié)閥、PID控制器、DCS、PLC、SIS和MPC控制模塊等毫無疑問都屬于“器”的層次范疇。“工欲善其事，必先利其器”，過程控制工程師應(yīng)該熟悉這些必需之器的功用，做到得心應(yīng)手。但這些“器”各自有專門的技術(shù)工種負(fù)責(zé)，因此過程控制工程師對“器”的掌握一定要基于需求，適可而止，“有所為，而有所不為，”一個優(yōu)秀的過程控制工程師不一定要求能熟練地搭建MPC與DCS通訊系統(tǒng)。

“術(shù)”(Methods, Tricks, Procedures)，常見的控制算法和手段，比如回路整定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、信號變換、信號補償、“三傳一反”、壓縮機動態(tài)特性等都屬于“術(shù)”的層次范疇。“術(shù)”的特點是知之為知之，不知為不知，可教可學(xué)。但是這些“術(shù)”的知識必須有選擇性地掌握，懂得取舍，必要的知識既要知其然也要知其所以然，熟悉其應(yīng)用場景，融會貫通。然而，一個過程控制工程師不需要像數(shù)據(jù)科學(xué)家那樣對各種數(shù)據(jù)分析算法了如指掌，也不需要像一個工藝工程師那樣熟悉精餾塔的塔板特性，有些知識可以臨時抱佛腳，或虛心向團隊里的相關(guān)專家求教。

“器”和“術(shù)”都是易學(xué)易用的，熟練掌握常見和常用的“術(shù)”是維持控制系統(tǒng)正常運行的必需，是對過程控制工程師的基本要求。但很多過程控制工程師花費大量時間在“術(shù)”和“器”上，比如PID回路整定或DCS組態(tài)微調(diào)，樂此不疲，忘記了“術(shù)”和“器”是為了更高層次的任務(wù)。一個有問題的控制回路很難通過整定PID參數(shù)來改善其控制性能；一個物料不平衡的工藝過程不可能靠增加幾個控制器來達(dá)到整體穩(wěn)定。通常情況下，局部的改善或改進(jìn)是難以補救整體方案固有的缺陷，也很難修補整體方案缺陷帶來的禍害。

“法”(Skills, Methodologies)，是過程控制工程師應(yīng)具備的特質(zhì)，也就是具有上分析問題的能力和解決問題的技能，具體來說就是控制方案的分析和設(shè)計，以及控制問故障的診斷和排除。“法”是行之有效的最佳實踐，要達(dá)到“法”的高度，必須對“術(shù)”和“器”能靈活應(yīng)用。需要多年知行合一的修真苦煉，不但要學(xué)習(xí)成功的經(jīng)驗，也要接觸足夠多的失敗案例，反中求正，不蹈覆轍。理論和實踐存在很大區(qū)別，前者只談什么是正確的，后者更需要知道什么是錯誤的。比如在Matlab里仿真一個PID回路是簡單的，但在DCS上實現(xiàn)一個能夠24/7連續(xù)工作的PID控制回路就相對難了，因為它要應(yīng)對各種想得到和想不到的應(yīng)用需求和故障場景，很難做到萬無一失。

工藝流程是對過程控制工程師的最大挑戰(zhàn)，其一生可能要面對數(shù)不清的陌生工藝流程，不可能全部精通，面對一個陌生工藝流程往往會感到無從入手。實際上，工藝流程的動態(tài)因果關(guān)系分析或過渡過程分析對所有的過程類型都是適用的，比如精餾塔與壓縮機的工藝分析，其手段和方法是高度一致的，控制方案的設(shè)計或故障問題的診斷與排除同樣也有共同的法則可循。掌握這些方法和法則，方可變被動為主動，以不變應(yīng)萬變。一個資深的過程控制工程師，眼中看到的不僅僅是流程上的管、線、爐、塔，更重要的是深知一個個流動的測量變量以及它們之間的因果關(guān)系和動態(tài)響應(yīng)。

“道”(Strategies, Philosophies)，修煉到極致的人方可得“道”。“道”是一種直覺、一種本能，是從必然王國進(jìn)入到自由王國。雖然實際問題千變?nèi)f化，但萬變不離其宗，宗即是“道”，悟道之人，觸類旁通，舉重若輕。悟道需要努力、機遇和天分，需要持之以恒的身體力行。工作團隊里有一位得“道”高人，團隊水平會很快提升。當(dāng)然，得“道”之人應(yīng)該樂于分享，獨樂樂不如眾樂樂。

大“道”至簡，高明的控制方案往往是意外的簡單，比如有時一個小小的反饋機制可以取代復(fù)雜的物料和熱量平衡計算。一個完美的控制方案有時需要跳到盒子之外，比如一個簡單的、合理的工藝改進(jìn)可以大大簡化控制方案。大巧似拙，有時候慢便是快，比如老老實實用測試和建模的方法整定PID參數(shù)，往往比貌似簡便快捷的“曲線試湊法”更可信、更可靠，而且可能事半功倍。這樣的境界通常必須是理論與實踐融會貫通的前提下收放自如、游刃有余的結(jié)果。

上述這些關(guān)于“道”、“法”、“術(shù)”和“器”的論說，是對過程控制知識層次結(jié)構(gòu)的很好詮注，這便成為了本書的寫作指導(dǎo)思想，也可用以引導(dǎo)讀者閱讀本書。

《自動化博覽》、“控制網(wǎng)”聯(lián)合報道