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(shū)：工業(yè)控制進(jìn)展 (Advances in Industrial Control)

語(yǔ)        言：英文

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

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

1、本書(shū)特點(diǎn)：

● 總結(jié)了流程工業(yè)過(guò)程控制當(dāng)前實(shí)際使用所需的基本知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，作為本書(shū)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(guò)程分析和控制設(shè)計(jì)方法，用以解決流程工業(yè)過(guò)程控制方案的設(shè)計(jì)；

● 使用了大量從實(shí)際項(xiàng)目和工程應(yīng)用中提取的例子，增強(qiáng)了對(duì)知識(shí)概念、技術(shù)方法和控制設(shè)計(jì)程序的理解；

● 提供了針對(duì)常見(jiàn)控制問(wèn)題的故障排除方法和工具，具有可視化、工程化特點(diǎn)。

2、內(nèi)容提要：

本書(shū)詳細(xì)介紹了一個(gè)成功的過(guò)程控制工程師所需要的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐技能，論述了當(dāng)前流程工業(yè)控制實(shí)踐中使用的或未來(lái)可能需要的核心技術(shù)。該書(shū)側(cè)重考慮實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，包括工程問(wèn)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(jí)控制系統(tǒng)。

本書(shū)在論述了過(guò)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(guò)程分析、控制設(shè)計(jì)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(guò)程分析和控制方案設(shè)計(jì)，并用大量實(shí)際例子說(shuō)明如何使用這些方法，包括典型工藝過(guò)程的控制設(shè)計(jì)、典型設(shè)備的控制設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中的典型控制計(jì)算等。全書(shū)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(shū)可以幫助過(guò)程控制工程師從中獲得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用技能，學(xué)到使實(shí)際問(wèn)題的控制系統(tǒng)可靠工作的想法和辦法，也可以幫助過(guò)程控制領(lǐng)域的讀者了解控制理論知識(shí)應(yīng)用到工業(yè)過(guò)程控制中需要考慮的一些實(shí)際問(wèn)題，以及如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的先進(jìn)和智能控制。

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

圖：本書(shū)應(yīng)用知識(shí)框架

第一部分“大局/概貌”（Chap.1-2）是全書(shū)的引論。首先論述過(guò)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(guò)程控制及過(guò)程控制工程師在流程工業(yè)及其自動(dòng)化大局里扮演的角色和發(fā)揮的作用做出一個(gè)明確的定位，然后介紹過(guò)程控制的工程需求、常用技術(shù)和設(shè)計(jì)程序，并提出了過(guò)程控制工程師應(yīng)具備的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)。這部分知識(shí)內(nèi)容適合于過(guò)程控制工程師的入門(mén)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(shí)也為閱讀后續(xù)的三個(gè)知識(shí)層次做了框架上的鋪墊。

第二部分“基礎(chǔ)知識(shí)”（Chap.3-5）系統(tǒng)深入介紹了過(guò)程控制基本框架里所涵蓋的重要技術(shù)，包括簡(jiǎn)單PID回路、復(fù)雜PID回路和先進(jìn)過(guò)程控制等，側(cè)重于介紹和分析實(shí)際應(yīng)用時(shí)如何保證這些技術(shù)在復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景中和非正常工況下不會(huì)失敗或退化。這部分內(nèi)容是本書(shū)應(yīng)用知識(shí)框架的第一層次（基礎(chǔ)知識(shí)層次），主要的受眾者是過(guò)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(wèn)題的手段和解決問(wèn)題的方法。在第二部分論述的基礎(chǔ)知識(shí)框架下，提出了如何提升分析和解決問(wèn)題的能力，也就是面對(duì)一個(gè)陌生的工藝過(guò)程如何入手去理解工藝流程、設(shè)計(jì)控制方案、排除可能出現(xiàn)的控制故障。本書(shū)首次提出了一套完整通用的分析方法和設(shè)計(jì)程序，用系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的手段將過(guò)程分析和控制設(shè)計(jì)的“藝術(shù)”量化為“技術(shù)”。這部分內(nèi)容是本書(shū)應(yīng)用知識(shí)框架的第二層次（核心技能層次），對(duì)過(guò)程控制工程師和工藝工程師的實(shí)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(shí)例展示了前幾部分介紹的知識(shí)和技能在實(shí)踐中的融合和運(yùn)用，包括過(guò)程控制常用計(jì)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(shū)應(yīng)用知識(shí)框架的第三層次（典型應(yīng)用層次），體現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合，知識(shí)與技能的融合，是資深過(guò)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(dòng)化系，獲學(xué)士學(xué)位，1994年獲加拿大Alberta大學(xué)過(guò)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(guó)石油公司從事25年的過(guò)程控制工作。長(zhǎng)期的一線現(xiàn)場(chǎng)工作涵蓋了過(guò)程控制的幾乎所有方面，從研究、開(kāi)發(fā)到應(yīng)用，從項(xiàng)目管理、產(chǎn)品管理、項(xiàng)目執(zhí)行到運(yùn)行維護(hù)。25年間設(shè)計(jì)并實(shí)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(jī)控制、動(dòng)態(tài)仿真、實(shí)時(shí)優(yōu)化等，涉及的生產(chǎn)過(guò)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(xiàng)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(dòng)化系教授、博士生導(dǎo)師，主要從事連續(xù)過(guò)程行業(yè)的建模與辨識(shí)、故障診斷和安全評(píng)估、多傳感器信息融合、過(guò)程控制系統(tǒng)、流程工業(yè)CIMS（計(jì)算機(jī)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(guò)程辨識(shí)”和“系統(tǒng)辨識(shí)理論及應(yīng)用”等，主要譯著有F.G.Shinskey的“過(guò)程控制系統(tǒng)—應(yīng)用、設(shè)計(jì)和整定（第3版和第4版）”。

4、寫(xiě)作動(dòng)機(jī)

本書(shū)以實(shí)際應(yīng)用分析為主，理論分析壓到最小程度，寫(xiě)作之前作者對(duì)過(guò)程控制的現(xiàn)狀和知識(shí)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的探討，以便形成本書(shū)的寫(xiě)作動(dòng)機(jī)和指導(dǎo)思想，奠定寫(xiě)作思路和格調(diào)。

過(guò)程控制是一個(gè)很特別的工程專業(yè)領(lǐng)域，它和運(yùn)動(dòng)控制同屬于自動(dòng)控制。雖然兩者同宗同源，但兩者的控制對(duì)象差別很大，實(shí)際應(yīng)用需求也是南轅北轍，過(guò)程控制要求盡量利用簡(jiǎn)單的理論和可靠的技術(shù)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的被控對(duì)象。由于學(xué)校教學(xué)的局限，培養(yǎng)的過(guò)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(duì)象是飛龍（倒立擺、蓄水池），實(shí)際應(yīng)用面對(duì)的控制對(duì)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(huì)發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)不能致用。這時(shí)只能緊急惡補(bǔ)馴馬技，苦練套馬桿，在吃一塹長(zhǎng)一智的過(guò)程中摸索成長(zhǎng)，走了很多彎路。

過(guò)程控制的另一個(gè)特點(diǎn)是跨學(xué)科領(lǐng)域。從知識(shí)層面講，過(guò)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(yàn)和技能要求上看，過(guò)程控制又和工藝設(shè)計(jì)、操作運(yùn)營(yíng)、檢修維護(hù)等緊密相關(guān)。因此過(guò)程控制所需的知識(shí)和技能非常廣泛和繁雜，由此帶來(lái)一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是視野廣：在設(shè)計(jì)階段要明白工藝，實(shí)施階段要熟悉系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)階段要了解操作，與其他學(xué)科相比視角更加廣闊。過(guò)程控制可能是唯一對(duì)于全局到細(xì)節(jié)都有足夠了解的技術(shù)工種，“萬(wàn)金油”的稱號(hào)實(shí)至名歸。但跨學(xué)科也帶來(lái)煩惱：知識(shí)要求廣、技能要求高。雖說(shuō)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(méi)有人可以在所有相關(guān)領(lǐng)域都樣樣精通，所以過(guò)程控制工程師面對(duì)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(tuán)隊(duì)合作，有些知識(shí)要知其然更要知其所以然，有些則只需知其然而無(wú)需知其所以然。過(guò)程控制工程師永遠(yuǎn)做不到（也不可能做到）單打獨(dú)斗，必須要有良好的團(tuán)隊(duì)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(mén)領(lǐng)導(dǎo)是后盾。

過(guò)程控制的這些現(xiàn)狀激勵(lì)了作者的寫(xiě)作熱情，試圖為改變現(xiàn)狀做出點(diǎn)努力，這便成為了本書(shū)的寫(xiě)作動(dòng)機(jī)。

過(guò)程控制的應(yīng)用知識(shí)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(duì)過(guò)程控制的知識(shí)層次結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍作個(gè)詮釋，以此捋順本書(shū)的寫(xiě)作指導(dǎo)思想。

“道”是萬(wàn)事萬(wàn)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(shí)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(gè)層次與過(guò)程控制的知識(shí)層次是可以一一對(duì)應(yīng)起來(lái)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(wú)疑問(wèn)都屬于“器”的層次范疇。“工欲善其事，必先利其器”，過(guò)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(mén)的技術(shù)工種負(fù)責(zé)，因此過(guò)程控制工程師對(duì)“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(gè)優(yōu)秀的過(guò)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(jiàn)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(hào)變換、信號(hào)補(bǔ)償、“三傳一反”、壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性等都屬于“術(shù)”的層次范疇。“術(shù)”的特點(diǎn)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(shí)必須有選擇性地掌握，懂得取舍，必要的知識(shí)既要知其然也要知其所以然，熟悉其應(yīng)用場(chǎng)景，融會(huì)貫通。然而，一個(gè)過(guò)程控制工程師不需要像數(shù)據(jù)科學(xué)家那樣對(duì)各種數(shù)據(jù)分析算法了如指掌，也不需要像一個(gè)工藝工程師那樣熟悉精餾塔的塔板特性，有些知識(shí)可以臨時(shí)抱佛腳，或虛心向團(tuán)隊(duì)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(jiàn)和常用的“術(shù)”是維持控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的必需，是對(duì)過(guò)程控制工程師的基本要求。但很多過(guò)程控制工程師花費(fèi)大量時(shí)間在“術(shù)”和“器”上，比如PID回路整定或DCS組態(tài)微調(diào)，樂(lè)此不疲，忘記了“術(shù)”和“器”是為了更高層次的任務(wù)。一個(gè)有問(wèn)題的控制回路很難通過(guò)整定PID參數(shù)來(lái)改善其控制性能；一個(gè)物料不平衡的工藝過(guò)程不可能靠增加幾個(gè)控制器來(lái)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(bǔ)救整體方案固有的缺陷，也很難修補(bǔ)整體方案缺陷帶來(lái)的禍害。

“法”(Skills, Methodologies)，是過(guò)程控制工程師應(yīng)具備的特質(zhì)，也就是具有上分析問(wèn)題的能力和解決問(wèn)題的技能，具體來(lái)說(shuō)就是控制方案的分析和設(shè)計(jì)，以及控制問(wèn)故障的診斷和排除。“法”是行之有效的最佳實(shí)踐，要達(dá)到“法”的高度，必須對(duì)“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(yàn)，也要接觸足夠多的失敗案例，反中求正，不蹈覆轍。理論和實(shí)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(cuò)誤的。比如在Matlab里仿真一個(gè)PID回路是簡(jiǎn)單的，但在DCS上實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠24/7連續(xù)工作的PID控制回路就相對(duì)難了，因?yàn)樗獞?yīng)對(duì)各種想得到和想不到的應(yīng)用需求和故障場(chǎng)景，很難做到萬(wàn)無(wú)一失。

工藝流程是對(duì)過(guò)程控制工程師的最大挑戰(zhàn)，其一生可能要面對(duì)數(shù)不清的陌生工藝流程，不可能全部精通，面對(duì)一個(gè)陌生工藝流程往往會(huì)感到無(wú)從入手。實(shí)際上，工藝流程的動(dòng)態(tài)因果關(guān)系分析或過(guò)渡過(guò)程分析對(duì)所有的過(guò)程類型都是適用的，比如精餾塔與壓縮機(jī)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(jì)或故障問(wèn)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(dòng)為主動(dòng)，以不變應(yīng)萬(wàn)變。一個(gè)資深的過(guò)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(gè)個(gè)流動(dòng)的測(cè)量變量以及它們之間的因果關(guān)系和動(dòng)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(jué)、一種本能，是從必然王國(guó)進(jìn)入到自由王國(guó)。雖然實(shí)際問(wèn)題千變?nèi)f化，但萬(wàn)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(jī)遇和天分，需要持之以恒的身體力行。工作團(tuán)隊(duì)里有一位得“道”高人，團(tuán)隊(duì)水平會(huì)很快提升。當(dāng)然，得“道”之人應(yīng)該樂(lè)于分享，獨(dú)樂(lè)樂(lè)不如眾樂(lè)樂(lè)。

大“道”至簡(jiǎn)，高明的控制方案往往是意外的簡(jiǎn)單，比如有時(shí)一個(gè)小小的反饋機(jī)制可以取代復(fù)雜的物料和熱量平衡計(jì)算。一個(gè)完美的控制方案有時(shí)需要跳到盒子之外，比如一個(gè)簡(jiǎn)單的、合理的工藝改進(jìn)可以大大簡(jiǎn)化控制方案。大巧似拙，有時(shí)候慢便是快，比如老老實(shí)實(shí)用測(cè)試和建模的方法整定PID參數(shù)，往往比貌似簡(jiǎn)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(shí)踐融會(huì)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(shuō)，是對(duì)過(guò)程控制知識(shí)層次結(jié)構(gòu)的很好詮注，這便成為了本書(shū)的寫(xiě)作指導(dǎo)思想，也可用以引導(dǎo)讀者閱讀本書(shū)。

《自動(dòng)化博覽》、“控制網(wǎng)”聯(lián)合報(bào)道