电子电工与电子技术实验教程

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isbn号码:9787502029531
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具体描述

现代工业自动化与过程控制系统设计 本书导读 本书旨在为致力于现代工业自动化、过程控制系统(PCS)设计与实施的工程师、技术人员以及高年级本科生和研究生提供一本全面、深入且极具实践指导意义的参考手册。在当今高度集成化和智能化的工业制造环境中,对高效、可靠和灵活的自动化控制系统的需求从未如此迫切。本书聚焦于从系统规划、硬件选型到软件编程、现场调试和高级控制策略应用的完整生命周期,强调理论与工程实践的紧密结合。 --- 第一部分:工业自动化基础理论与系统架构 第一章:工业控制系统的演进与现代架构 本章首先回顾了从继电器控制、可编程逻辑控制器(PLC)到分布式控制系统(DCS)和基于PC的控制系统的发展历程,阐明了技术进步对工业生产力的驱动作用。重点分析了现代工业控制系统的核心组件及其相互关系,包括现场设备层、控制层、监控层和信息管理层(MES/ERP接口)。深入探讨了工业以太网、现场总线技术(如Profibus DP/PA, Foundation Fieldbus, EtherCAT)的特性、优势与应用场景,为读者构建一个清晰的系统拓扑认知框架。 第二章:传感器与执行器的精确选型与集成 过程控制的精度和可靠性始于现场设备的质量。本章详细介绍了工业现场各类关键传感器的物理原理、技术指标、安装要求及误差分析,覆盖温度、压力、流量、液位、分析仪器等核心测量单元。同时,对执行机构(如电动/气动调节阀、变频驱动器、伺服系统)的动态特性、响应时间、精确度进行了详尽对比。尤其强调了智能传感器和执行器(如HART, IO-Link协议设备)如何通过双向通信提高系统的诊断能力和维护效率。 第三章:控制理论在过程控制中的应用深化 本章超越了基础的PID控制,深入探讨了更先进的控制算法。详细解析了传递函数、状态空间模型在复杂系统建模中的应用,并介绍了如解耦控制、前馈控制、Smith预估器等提高复杂多变量系统性能的策略。针对具有大延迟、强耦合特性的工业过程,系统阐述了模型预测控制(MPC)的基本原理、离线辨识与在线优化的实施流程。 --- 第二部分:核心控制平台技术与编程实践 第四章:可编程逻辑控制器(PLC)的高级编程与网络通信 本章以主流工业PLC平台为例,侧重于非顺序逻辑的复杂应用。详细介绍了结构化编程语言(如ST语言)在实现复杂算法中的优势,并探讨了如何使用功能块(Function Blocks)构建可重用、可维护的控制模块。重点内容包括:PLC与变频器、伺服驱动器的同步控制、高速计数与运动控制的编程实现,以及冗余系统(Hot Standby)的配置与故障切换机制。 第五章:分布式控制系统(DCS)的系统集成与组态 DCS是大型、连续过程控制的首选平台。本章剖析了DCS的集中管理、分散控制的架构优势。内容涵盖DCS控制站的配置、控制策略的图形化组态(Function Block Diagram, SFC),以及关键的系统维护操作,如在线修改、版本管理和历史数据的归档策略。着重讲解了DCS中的先进过程控制(APC)模块的集成与调试流程。 第六章:人机界面(HMI/SCADA)的设计、安全与报警管理 有效的操作员界面是确保操作安全和效率的门户。本章不仅教授SCADA软件的图形化设计规范(如遵循ISA 101的告警管理原则),还深入探讨了数据采集、历史趋势分析和报表生成。关键部分讨论了操作员安全授权体系(基于角色的访问控制)的建立,以及如何设计“信息丰富但无信息过载”的“高可操作性”主监控画面。 --- 第三部分:系统安全、测试与高级应用 第七章:工业控制系统(ICS)的信息安全与网络防护 随着工业物联网(IIoT)的发展,控制系统的网络安全已成为核心议题。本章系统介绍了ICS安全威胁的类型(如勒索软件、逻辑篡改),并遵循NIST网络安全框架或IEC 62443标准,详细阐述了多层防御策略的实施,包括物理隔离、网络分段(DMZ/Purdue Model)、深度包检测(DPI)的应用,以及安全补丁管理流程。 第八章:系统调试、性能评估与故障诊断 控制系统的最终价值体现在其稳定运行和高品质输出上。本章提供了从I/O点循环测试到联机“热切换”测试的系统化调试方法论。重点教授如何利用过程分析工具(如高精度数据采集工具)进行系统性能指标(如OEE、过程变差)的量化评估,并利用故障树分析(FTA)和根本原因分析(RCA)对间歇性故障进行科学诊断。 第九章:预测性维护(PdM)与边缘计算在控制中的集成 展望未来,本章探讨了如何将先进的数据分析能力引入实时控制环境。讲解了如何利用边缘计算设备对PLC/DCS采集到的振动、电流等高频数据进行实时特征提取和健康状态评估。介绍状态监测技术(Condition Monitoring)与现有控制逻辑的接口设计,实现从被动维护向基于设备健康状况的主动控制策略的转变。 --- 本书特色: 本书的结构设计旨在覆盖从基础原理到前沿技术的完整知识链。每一个章节的理论讲解后,均配有详尽的工程案例剖析和关键技术参数的选型对比表格。全书强调系统级的集成思维,而非单一设备的孤立操作,为读者提供一套完整的、可复制的、面向现代复杂工业流程的自动化系统设计与优化方法论。

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这本书简直是工科新生的福音啊!我刚开始接触电子电路那会儿,看到那些复杂的原理图和各种元器件就头大,感觉自己像是在看天书。那时候我手里就拿着这本《电子电工与电子技术实验教程》,说实话,一开始我对它的期望并不高,觉得不就是本枯燥的实验指导书嘛。但翻开后,我发现我错了,大错特错!它的编写思路非常贴合初学者的认知过程。每一章的理论讲解都极其精炼,绝不拖泥带水,直奔核心概念,比如欧姆定律、基尔霍夫定律这些基础中的基础,它能用最朴素的语言给你讲清楚背后的物理意义,而不是一堆冷冰冰的公式。更让我惊喜的是,它对实验环节的描述,简直是手把手教学的典范。从最简单的电阻、电容、电感测试,到后来稍微复杂一点的晶体管放大电路搭建,每一步操作的细节都标注得清清楚楚,包括仪表的正确连接方式、参数的读取技巧,甚至连“小心烫手”这种温馨提示都有。我记得有一次我搭了个直流稳压电路怎么都调不准,都快放弃了,翻到实验教程里对照着检查,才发现是哪个面包板的接触点松了。这种细致入微的引导,让我那种“动手无从下手”的恐惧感完全消失了,取而代之的是一种“原来如此”的顿悟感。这本书提供的不仅仅是操作指南,更是一种建立信心的过程,让我真正体会到了理论知识在实践中是如何‘活’起来的。

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坦白说,我是一个对“做”比对“读”更感兴趣的人,所以传统教材里那种长篇大论的理论推导对我来说简直是煎熬。这本实验教程的魅力就在于它极大地压缩了纯理论的篇幅,把大量的篇幅和精力都投入到了如何通过动手操作来验证和深化理解上。每次实验开始前,它都会用一个简短的引子告诉你这个实验的“目的”和“意义”,马上就能把我拉入情境之中。比如,在探究RC电路的充放电特性时,它会让你直接去观察示波器上曲线的变化过程,然后根据测量到的时间常数来反推电容的实际值。这种“先做后悟”的模式,比单纯在纸面上推导出 $V(t) = V_0 (1 - e^{-t/RC})$ 要来得深刻和直观得多。而且,这本书在实验步骤中多次穿插了“故障排除提示”,这在实际工作中简直是救命稻草。你知道,现实中的电路搭建很少会一次成功,总是有这样那样的意外情况发生。书中提前预设了一些常见的错误连接或参数设置导致的现象,并给出了解释和纠正方法。这使得我在实践中遇到的问题大多都能在书中找到对应的“预案”,极大地提高了我的独立解决问题的能力,让我感觉自己不再是那个只能被动接受指令的实验员,而是真正开始掌握了控制电路的能力。

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说实话,我是一个比较注重效率的人,搞实验最怕的就是那种翻来覆去讲一个概念的教材,浪费时间不说,还容易让人失去耐心。这本《电子电工与电子技术实验教程》在结构组织上做得非常到位,它采用了模块化设计,每个实验单元都是一个相对独立又相互关联的知识点闭环。比如,在讲完半导体二极管的单向导电性之后,紧接着就安排了整流电路的实验,理论和实践的衔接极其流畅自然。我特别喜欢它在实验设计上的巧妙之处——循序渐进,难度梯度把握得恰到好处。它不会一开始就扔给你一个复杂的集成电路设计,而是让你先熟悉基础元件的特性曲线,然后逐步过渡到使用这些元件搭建起功能模块。这种“搭积木式”的学习路径,极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我用这本书配合着学校实验室的设备进行操作,几乎没遇到过知识点跟不上实验进度的窘境。而且,它对实验结果的分析部分也很有启发性,不仅仅是要求算出理论值和测量值的误差,还会引导你去思考误差可能来源于哪些方面,比如元件的精度、环境温度的影响,甚至是测量工具本身的局限性。这种深入探究的习惯,对于培养一个严谨的工程师思维来说,是无价之宝。

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从一个对学习体验要求较高的角度来看,《电子电工与电子技术实验教程》在视觉设计和排版上也做得相当出色,这一点很容易被忽略,但对提升学习体验至关重要。这本书的插图质量非常高,电路图清晰,线条简洁有力,关键元件的标注也非常明确,完全没有那种模糊不清、影印质量差的教材的通病。更重要的是,它在图文结合上做到了精准的对应。比如,当它描述一个三极管的接法时,对应的原理图和实物接线图会并置出现,甚至有些地方还配上了PCB布局的示意图,这对于需要从原理图直接过渡到实际PCB布局的学生来说,提供了极大的便利。此外,排版上留白适中,字体选择也偏向于清晰易读的非衬线字体,这让长时间阅读和对照实验步骤时,眼睛不容易感到疲劳。相比于那些设计得像字典一样厚重、内容挤压在一起的教材,这本教程在“阅读友好度”上无疑是加分项。它给人的感觉是:设计者是真正站在使用者的角度,希望学习过程是尽可能顺畅、直观和愉悦的,而不是一种负担。这种对细节的关注,体现了出版方对教育质量的认真态度。

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作为一名已经工作几年的工程师,回头看我大学时用的那些实验书,很多现在看来都显得过于陈旧,要么是围绕着早已淘汰的器件在讲,要么就是对现代电子技术的发展跟不上趟。但《电子电工与电子技术实验教程》这本书给我的感觉是,它在保持核心电学原理不变的同时,对现代常用器件和测试手段的覆盖是比较跟进的。我注意到书中涉及到了对一些基础运算放大器(Op-Amp)的应用,以及对数字逻辑电路基础的初步接触,这些都是现代电子系统设计中不可或缺的部分。我记得有一部分是关于传感器接口电路的实验,虽然深度有限,但它清晰地展示了如何将一个物理量转换为可测量的电信号,这在实际项目初期进行方案调研时非常有帮助。这本书的语言风格是那种非常务实的、面向工程应用的,它不太会花笔墨去探讨那些过于深奥的物理机制,而是聚焦于“如何用好它”和“如何让它工作起来”。这种实用主义的倾向,使得这本书的知识保质期相对较长,即便是几年后回顾,那些关于基本电路构建的经验和教训依然闪烁着智慧的光芒。它更像是一本工具书,而不是一本纯粹的理论教材。

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