Modelling and Control of Fermentation Processes (I E E Control Engineering Series) pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Institution of Electrical Engineers

作者:

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1987-08

價格:USD 99.00

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780863411045

叢書系列:

圖書標籤:

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

工業過程控製與優化前沿：麵嚮復雜係統的建模、辨識與控製策略研究 圖書導言 在當今高度依賴自動化和智能化的工業生産環境中，對復雜動態係統的精確理解、有效預測和魯棒控製是確保産品質量、提高生産效率和實現可持續發展的核心技術。本書聚焦於現代工業過程控製領域的前沿理論與應用實踐，旨在為讀者提供一套係統化、深入且具有工程實踐指導意義的知識體係。我們探討的對象不再是綫性的、簡單的單元操作，而是那些涉及多變量耦閤、強非綫性和時變特性的復雜工業係統，如精細化工反應器、能源轉換係統、先進材料製造過程等。 本書的構建基於對經典控製理論的深刻理解，並著力於引入和闡述近年來在係統辨識、先進過程控製（APC）以及基於模型的預測控製（MPC）等領域取得的突破性進展。它力求在理論的嚴謹性與工程應用的可操作性之間找到最佳平衡點，為從事過程控製研究、係統設計與優化的高級工程技術人員、研究人員和研究生提供一份高質量的參考資料。 --- 第一部分：復雜工業過程的數學描述與係統辨識基礎 本部分旨在為後續的控製策略設計奠定堅實的數學基礎。我們首先探討如何將現實中的物理或化學過程轉化為可分析、可計算的數學模型。 第一章：復雜係統建模的理論框架 本章深入剖析瞭描述復雜工業過程的常用數學模型範式。重點討論瞭從第一性原理齣發的集總參數模型（Lumped Parameter Models）和偏微分方程（PDE）模型的建立方法及其在過程控製中的適用性。對於那些機理模型難以精確建立的係統，我們引入瞭半經驗模型（Semi-Empirical Models）和黑箱模型（Black-Box Models）。特彆強調瞭在處理強非綫性和不確定性時，如何利用非綫性描述函數（如NARX、Hammerstein-Wiener模型）來捕捉係統的動態特性。此外，還詳細闡述瞭模型簡化和降階技術的重要性，這對於後續實現實時、高效的在綫控製至關重要。 第二章：高維與非綫性係統的係統辨識 係統辨識是實現有效控製的前提。本章聚焦於針對工業界常見的高維、多輸入多輸齣（MIMO）和非綫性係統的辨識技術。我們係統地介紹瞭參數估計方法，包括最小二乘法（LS）、加權最小二乘法（WLS）及其在存在過程噪聲和測量誤差情況下的魯棒性改進。 核心內容涵蓋非綫性辨識方法，如基於核方法的辨識、神經網絡辨識框架的應用，以及如何利用子空間辨識（Subspace Identification）技術直接從輸入輸齣數據中提取係統狀態空間模型，尤其適用於大型工業過程的建模。辨識模型驗證和模型不確定性分析是本章的重點，確保所建立的模型能夠在實際運行條件下保持可靠性。 --- 第二部分：先進過程控製策略與優化方法 基於精確或近似的係統模型，本部分轉嚮如何設計齣能夠應對實際操作約束和動態變化的先進控製算法。 第三章：麵嚮約束的控製設計：模型預測控製（MPC）的深入解析 模型預測控製（MPC）已成為處理多變量、帶約束過程控製的首選方案。本章首先詳細迴顧瞭綫性MPC（LMPC）的基本原理、滾動時域優化問題（Receding Horizon Optimization）的構建，以及如何處理等式和不等式約束。 隨後，我們將重點擴展至非綫性模型預測控製（NMPC）的理論基礎。這包括對非綫性優化問題（NLP）的求解策略（如梯度法、內點法）的討論，以及如何通過實時在綫優化來保證控製性能。本章還涵蓋瞭MPC在處理死區、飽和非綫性和狀態約束等復雜工況時的魯棒性增強技術。 第四章：魯棒控製與不確定性處理 在實際工業環境中，模型總存在誤差，過程參數會發生漂移。本章探討如何設計對模型不確定性和外部擾動具有高魯棒性的控製係統。內容涵蓋$ ext{H}_infty$ 控製理論在過程控製中的應用，它側重於最小化最壞情況下的性能指標。此外，我們還討論瞭魯棒模型預測控製（RMPC）的設計理念，通過引入不確定性集閤和魯棒優化技術，確保控製策略在可行域內對模型誤差保持穩定性和性能。 第五章：實時優化與過程強化 控製的目的不僅是維持設定點，更重要的是追求最優的經濟效益或能耗最低。本章將控製理論與實時優化（RTO）相結閤。我們探討瞭如何將操作窗口的優化問題嵌入到實時控製框架中，以應對例如原料價格波動或設備效率變化帶來的外部變化。內容包括兩層控製架構（RTO/APC 架構）的設計、收斂性分析，以及在非凸優化問題中保證安全性和實時性的策略。 --- 第三部分：高級主題與工程實踐案例 本部分將理論知識應用於特定的工程領域，並探討未來控製技術的發展方嚮。 第六章：分布式控製係統與網絡化過程控製 現代大型工廠往往由多個相互關聯的子係統組成。本章關注如何有效控製這些分布式係統。我們分析瞭多層級控製架構的設計原則，包括分散控製與集中協調的平衡。重點討論瞭網絡化控製係統（NCS）中由通信延遲、丟包和網絡帶寬限製帶來的挑戰，並介紹瞭相應的魯棒性和安全性保障措施。 第七章：數據驅動與混閤係統控製 隨著傳感器技術和數據采集能力的提升，數據驅動控製（Data-Driven Control）成為一個日益重要的研究方嚮。本章介紹瞭基於曆史數據直接生成控製律的方法，如“無模型”控製策略的實現。同時，針對那些包含連續動態和離散事件（如開關、故障切換）的混閤整數係統（Hybrid Systems），我們探討瞭如何應用混閤整數綫性規劃（MILP）方法來設計安全、高效的切換控製策略。 第八章：過程安全與故障診斷 控製係統的可靠性直接關係到工業安全。本章探討瞭故障檢測與隔離（FDI）技術，包括基於模型殘差的檢測方法和基於數據分析的異常模式識彆。我們詳細介紹瞭卡爾曼濾波（Kalman Filtering）及其擴展形式（如擴展卡爾曼濾波EKF、無跡卡爾曼濾波UKF）在狀態估計和輕微故障檢測中的關鍵作用，以及如何將故障信息反饋到控製律中，實現容錯控製（Fault-Tolerant Control）。 --- 結語 本書匯集瞭過去數十年在過程控製領域積纍的深刻見解和最新的研究成果，力求為讀者提供一個堅實且麵嚮未來的技術平颱。掌握書中的建模、辨識和先進控製技術，將使工程師和研究人員能夠自信地應對當前工業界麵臨的最復雜的動態挑戰。

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