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)：

● 總結了流程工業(yè)過(guò)程控制當前實(shí)際使用所需的基本知識和關(guān)鍵技術(shù)，作為本書(shū)的理論基礎；

● 提出了一套通用的系統化和結構化的過(guò)程分析和控制設計方法，用以解決流程工業(yè)過(guò)程控制方案的設計；

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

● 提供了針對常見(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、內容提要：

本書(shū)詳細介紹了一個(gè)成功的過(guò)程控制工程師所需要的基礎知識和實(shí)踐技能，論述了當前流程工業(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)側重考慮實(shí)際應用問(wèn)題，包括工程問(wèn)題的控制解決方案和防止控制系統失控/失靈的措施，尤其是復雜的控制回路和廠(chǎng)級控制系統。

本書(shū)在論述了過(guò)程控制在現代流程工業(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化和結構化方法，用于過(guò)程分析和控制方案設計，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)程的控制設計、典型設備的控制設計和實(shí)際應用中的典型控制計算等。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(guān)、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)驗和應用技能，學(xué)到使實(shí)際問(wèn)題的控制系統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應用到工業(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)現復雜工業(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，后續三部分由三個(gè)知識層次組成：“基礎知識”→“核心技能”→“典型應用”，構成本書(shū)的應用知識框架，如下圖所示。三個(gè)層次緊密聯(lián)系，相互依托，循序漸進(jìn)。重要的知識概念和技術(shù)方法都用實(shí)例加以剖析，方便讀者對知識的理解和接受。

圖：本書(shū)應用知識框架

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、控制性能指標、控制回路結構和類(lèi)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)和設計程序，并提出了過(guò)程控制工程師應具備的基本知識結構。這部分知識內容適合于過(guò)程控制工程師的入門(mén)學(xué)習，也可作為非控制專(zhuān)業(yè)人員（工藝、儀表、系統、管理、操作）的科普閱讀，同時(shí)也為閱讀后續的三個(gè)知識層次做了框架上的鋪墊。

第二部分“基礎知識”（Chap.3-5）系統深入介紹了過(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、復雜PID回路和先進(jìn)過(guò)程控制等，側重于介紹和分析實(shí)際應用時(shí)如何保證這些技術(shù)在復雜多變的應用場(chǎng)景中和非正常工況下不會(huì )失敗或退化。這部分內容是本書(shū)應用知識框架的第一層次（基礎知識層次），主要的受眾者是過(guò)程控制和控制系統（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知識框架下，提出了如何提升分析和解決問(wèn)題的能力，也就是面對一個(gè)陌生的工藝過(guò)程如何入手去理解工藝流程、設計控制方案、排除可能出現的控制故障。本書(shū)首次提出了一套完整通用的分析方法和設計程序，用系統化和標準化的手段將過(guò)程分析和控制設計的“藝術(shù)”量化為“技術(shù)”。這部分內容是本書(shū)應用知識框架的第二層次（核心技能層次），對過(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“典型應用”（Chap.10-12）利用大量的實(shí)例展示了前幾部分介紹的知識和技能在實(shí)踐中的融合和運用，包括過(guò)程控制常用計算、典型設備控制、典型工藝流程控制等。這部分內容是本書(shū)應用知識框架的第三層次（典型應用層次），體現了理論與實(shí)踐的結合，知識與技能的融合，是資深過(guò)程控制工程師應該具備的綜合素質(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)入加拿大和美國石油公司從事25年的過(guò)程控制工作。長(cháng)期的一線(xiàn)現場(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)到應用，從項目管理、產(chǎn)品管理、項目執行到運行維護。25年間設計并實(shí)施了數百種控制解決方案，包括基層控制、先進(jìn)控制、壓縮機控制、動(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，區域跨越歐亞美非各洲，項目規模從小型控制改進(jìn)課題到數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、博士生導師，主要從事連續過(guò)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(guò)程控制系統、流程工業(yè)CIMS（計算機集成制造系統）等方面的教學(xué)和科學(xué)研究。出版的著(zhù)作包括“過(guò)程辨識”和“系統辨識理論及應用”等，主要譯著(zhù)有F.G.Shinskey的“過(guò)程控制系統—應用、設計和整定（第3版和第4版）”。

4、寫(xiě)作動(dòng)機

本書(shū)以實(shí)際應用分析為主，理論分析壓到最小程度，寫(xiě)作之前作者對過(guò)程控制的現狀和知識層次結構進(jìn)行了深入的探討，以便形成本書(shū)的寫(xiě)作動(dòng)機和指導思想，奠定寫(xiě)作思路和格調。

過(guò)程控制是一個(gè)很特別的工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，它和運動(dòng)控制同屬于自動(dòng)控制。雖然兩者同宗同源，但兩者的控制對象差別很大，實(shí)際應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)應對復雜多變的被控對象。由于學(xué)校教學(xué)的局限，培養的過(guò)程控制人才普遍面臨著(zhù)學(xué)用脫節的窘?jīng)r?，F狀猶如屠龍與馴馬：學(xué)校教學(xué)設定的控制對象是飛龍（倒立擺、蓄水池），實(shí)際應用面對的控制對象是野馬（反應器、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、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)現理論與實(shí)踐嚴重脫節，學(xué)不能致用。這時(shí)只能緊急惡補馴馬技，苦練套馬桿，在吃一塹長(cháng)一智的過(guò)程中摸索成長(cháng)，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。從知識層面講，過(guò)程控制和工藝、設備、儀器儀表、控制系統等有高度的重疊和依賴(lài)；從經(jīng)驗和技能要求上看，過(guò)程控制又和工藝設計、操作運營(yíng)、檢修維護等緊密相關(guān)。因此過(guò)程控制所需的知識和技能非常廣泛和繁雜，由此帶來(lái)一個(gè)獨特的優(yōu)勢是視野廣：在設計階段要明白工藝，實(shí)施階段要熟悉系統，運營(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于全局到細節都有足夠了解的技術(shù)工種，“萬(wàn)金油”的稱(chēng)號實(shí)至名歸。但跨學(xué)科也帶來(lái)煩惱：知識要求廣、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(zhuān)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(wú)需知其所以然。過(guò)程控制工程師永遠做不到（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，儀表和系統工程師是幫手，操作人員是朋友，懂行的部門(mén)領(lǐng)導是后盾。

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

過(guò)程控制的應用知識和技能具有鮮明的層次結構，不妨從老子《道德經(jīng)》中“道”、“法”、“術(shù)”和“器”的角度，對過(guò)程控制的知識層次結構和應用范圍作個(gè)詮釋?zhuān)源宿垌槺緯?shū)的寫(xiě)作指導思想。

“道”是萬(wàn)事萬(wàn)物的自然規律和發(fā)展方向，即“天道”；“法”是循道而行、為達目標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、更有效結果所必需的工具?！兜赖陆?jīng)》論述的“道”、“法”、“術(shù)”和“器”四個(gè)層次與過(guò)程控制的知識層次是可以一一對應起來(lái)的。

 “器”（Devices, Instruments, Control Systems)，如傳感器、變送器、調節閥、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?！肮び破涫?，必先利其器”，過(guò)程控制工程師應該熟悉這些必需之器的功用，做到得心應手。但這些“器”各自有專(zhuān)門(mén)的技術(shù)工種負責，因此過(guò)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(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。

“術(shù)”(Methods, Tricks, Procedures)，常見(jiàn)的控制算法和手段，比如回路整定、數據處理、數據分析、信號變換、信號補償、“三傳一反”、壓縮機動(dòng)態(tài)特性等都屬于“術(shù)”的層次范疇?！靶g(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據科學(xué)家那樣對各種數據分析算法了如指掌，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，有些知識可以臨時(shí)抱佛腳，或虛心向團隊里的相關(guān)專(zhuān)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)”是維持控制系統正常運行的必需，是對過(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，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)達到整體穩定。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(lái)的禍害。

“法”(Skills, Methodologies)，是過(guò)程控制工程師應具備的特質(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計，以及控制問(wèn)故障的診斷和排除?！胺ā笔切兄行У淖罴褜?shí)踐，要達到“法”的高度，必須對“術(shù)”和“器”能靈活應用。需要多年知行合一的修真苦煉，不但要學(xué)習成功的經(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(shí)踐存在很大區別，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(gè)PID回路是簡(jiǎn)單的，但在DCS上實(shí)現一個(gè)能夠24/7連續工作的PID控制回路就相對難了，因為它要應對各種想得到和想不到的應用需求和故障場(chǎng)景，很難做到萬(wàn)無(wú)一失。

工藝流程是對過(guò)程控制工程師的最大挑戰，其一生可能要面對數不清的陌生工藝流程，不可能全部精通，面對一個(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)程分析對所有的過(guò)程類(lèi)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，控制方案的設計或故障問(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(xiàn)、爐、塔，更重要的是深知一個(gè)個(gè)流動(dòng)的測量變量以及它們之間的因果關(guān)系和動(dòng)態(tài)響應。

“道”(Strategies, Philosophies)，修煉到極致的人方可得“道”?！暗馈笔且环N直覺(jué)、一種本能，是從必然王國進(jìn)入到自由王國。雖然實(shí)際問(wèn)題千變萬(wàn)化，但萬(wàn)變不離其宗，宗即是“道”，悟道之人，觸類(lèi)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(huì )很快提升。當然，得“道”之人應該樂(lè )于分享，獨樂(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)小小的反饋機制可以取代復雜的物料和熱量平衡計算。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)用測試和建模的方法整定PID參數，往往比貌似簡(jiǎn)便快捷的“曲線(xiàn)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、游刃有余的結果。

上述這些關(guān)于“道”、“法”、“術(shù)”和“器”的論說(shuō)，是對過(guò)程控制知識層次結構的很好詮注，這便成為了本書(shū)的寫(xiě)作指導思想，也可用以引導讀者閱讀本書(shū)。

《自動(dòng)化博覽》、“控制網(wǎng)”聯(lián)合報道