作        者：牛绍华（Steve S. Niu），萧德云                                                                      

出  版  社：Springer，第1版（1st ed.  2022）

系列丛书：工业控制进展 (Advances in Industrial Control)

语        言：英文

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

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

1、本书特点：

● 总结了流程工业过程控制当前实际使用所需的基本知识和关键技术，作为本书的理论基础；

● 提出了一套通用的系统化和结构化的过程分析和控制设计方法，用以解决流程工业过程控制方案的设计；

● 使用了大量从实际项目和工程应用中提取的例子，增强了对知识概念、技术方法和控制设计程序的理解；

● 提供了针对常见控制问题的故障排除方法和工具，具有可视化、工程化特点。

2、内容提要：

本书详细介绍了一个成功的过程控制工程师所需要的基础知识和实践技能，论述了当前流程工业控制实践中使用的或未来可能需要的核心技术。该书侧重考虑实际应用问题，包括工程问题的控制解决方案和防止控制系统失控/失灵的措施，尤其是复杂的控制回路和厂级控制系统。

本书在论述了过程控制在现代流程工业中不可或缺的作用之后，集中讨论了过程分析、控制设计和故障排除所需的技能，创新性地采用了一种通用的系统化和结构化方法，用于过程分析和控制方案设计，并用大量实际例子说明如何使用这些方法，包括典型工艺过程的控制设计、典型设备的控制设计和实际应用中的典型控制计算等。全书图文并茂，插图229幅，表格83张，使所论述的概念更直观、清晰，所使用的方法更容易理解、遵循。

本书可以帮助过程控制工程师从中获得丰富的实践经验和应用技能，学到使实际问题的控制系统可靠工作的想法和办法，也可以帮助过程控制领域的读者了解控制理论知识应用到工业过程控制中需要考虑的一些实际问题，以及如何实现复杂工业过程的先进和智能控制。

全书共四部分十二章，第一部分论述了过程控制的大局/概貌，后续三部分由三个知识层次组成：“基础知识”→“核心技能”→“典型应用”，构成本书的应用知识框架，如下图所示。三个层次紧密联系，相互依托，循序渐进。重要的知识概念和技术方法都用实例加以剖析，方便读者对知识的理解和接受。

图：本书应用知识框架

第一部分“大局/概貌”（Chap.1-2）是全书的引论。首先论述过程控制目标、控制性能指标、控制回路结构和类型，再为过程控制及过程控制工程师在流程工业及其自动化大局里扮演的角色和发挥的作用做出一个明确的定位，然后介绍过程控制的工程需求、常用技术和设计程序，并提出了过程控制工程师应具备的基本知识结构。这部分知识内容适合于过程控制工程师的入门学习，也可作为非控制专业人员（工艺、仪表、系统、管理、操作）的科普阅读，同时也为阅读后续的三个知识层次做了框架上的铺垫。

第二部分“基础知识”（Chap.3-5）系统深入介绍了过程控制基本框架里所涵盖的重要技术，包括简单PID回路、复杂PID回路和先进过程控制等，侧重于介绍和分析实际应用时如何保证这些技术在复杂多变的应用场景中和非正常工况下不会失败或退化。这部分内容是本书应用知识框架的第一层次（基础知识层次），主要的受众者是过程控制和控制系统（DCS)人员。

第三部分“核心技能”（Chap.6-9）主要讨论分析问题的手段和解决问题的方法。在第二部分论述的基础知识框架下，提出了如何提升分析和解决问题的能力，也就是面对一个陌生的工艺过程如何入手去理解工艺流程、设计控制方案、排除可能出现的控制故障。本书首次提出了一套完整通用的分析方法和设计程序，用系统化和标准化的手段将过程分析和控制设计的“艺术”量化为“技术”。这部分内容是本书应用知识框架的第二层次（核心技能层次），对过程控制工程师和工艺工程师的实践工作是非常有帮助的。

第四部分“典型应用”（Chap.10-12）利用大量的实例展示了前几部分介绍的知识和技能在实践中的融合和运用，包括过程控制常用计算、典型设备控制、典型工艺流程控制等。这部分内容是本书应用知识框架的第三层次（典型应用层次），体现了理论与实践的结合，知识与技能的融合，是资深过程控制工程师应该具备的综合素质。

3、作者介绍：

（1）牛绍华（Steve S. Niu）

1985年毕业于清华大学自动化系，获学士学位，1994年获加拿大Alberta大学过程控制博士学位。毕业后在加拿大和瑞典从事10年的学术研究，后进入加拿大和美国石油公司从事25年的过程控制工作。长期的一线现场工作涵盖了过程控制的几乎所有方面，从研究、开发到应用，从项目管理、产品管理、项目执行到运行维护。25年间设计并实施了数百种控制解决方案，包括基层控制、先进控制、压缩机控制、动态仿真、实时优化等，涉及的生产过程包含上游油气生产、炼油、石化、化工和造纸等，区域跨越欧亚美非各洲，项目规模从小型控制改进课题到数十亿美元的大型工程。

（2）萧德云

清华大学自动化系教授、博士生导师，主要从事连续过程行业的建模与辨识、故障诊断和安全评估、多传感器信息融合、过程控制系统、流程工业CIMS（计算机集成制造系统）等方面的教学和科学研究。出版的著作包括“过程辨识”和“系统辨识理论及应用”等，主要译著有F.G.Shinskey的“过程控制系统—应用、设计和整定（第3版和第4版）”。

4、写作动机

本书以实际应用分析为主，理论分析压到最小程度，写作之前作者对过程控制的现状和知识层次结构进行了深入的探讨，以便形成本书的写作动机和指导思想，奠定写作思路和格调。

过程控制是一个很特别的工程专业领域，它和运动控制同属于自动控制。虽然两者同宗同源，但两者的控制对象差别很大，实际应用需求也是南辕北辙，过程控制要求尽量利用简单的理论和可靠的技术应对复杂多变的被控对象。由于学校教学的局限，培养的过程控制人才普遍面临着学用脱节的窘况。现状犹如屠龙与驯马：学校教学设定的控制对象是飞龙（倒立摆、蓄水池），实际应用面对的控制对象是野马（反应器、精馏塔）；学校教授的是屠龙术（状态方程、最优控制），工业需要的是驯马技（传递函数、PID/MPC）；学校教给的是缚龙绳（Matlab、SimuLink)，工业需要的是套马杆(DCS、Excel)。从学校毕业进入工业界后就会发现理论与实践严重脱节，学不能致用。这时只能紧急恶补驯马技，苦练套马杆，在吃一堑长一智的过程中摸索成长，走了很多弯路。

过程控制的另一个特点是跨学科领域。从知识层面讲，过程控制和工艺、设备、仪器仪表、控制系统等有高度的重叠和依赖；从经验和技能要求上看，过程控制又和工艺设计、操作运营、检修维护等紧密相关。因此过程控制所需的知识和技能非常广泛和繁杂，由此带来一个独特的优势是视野广：在设计阶段要明白工艺，实施阶段要熟悉系统，运营阶段要了解操作，与其他学科相比视角更加广阔。过程控制可能是唯一对于全局到细节都有足够了解的技术工种，“万金油”的称号实至名归。但跨学科也带来烦恼：知识要求广、技能要求高。虽说艺多不压身，但人的精力毕竟有限，术业有专攻，深度和广度很难兼顾。没有人可以在所有相关领域都样样精通，所以过程控制工程师面对的最大困难是自我“定位”和“取舍”。唯一的解决方法是自我提高和团队合作，有些知识要知其然更要知其所以然，有些则只需知其然而无需知其所以然。过程控制工程师永远做不到（也不可能做到）单打独斗，必须要有良好的团队合作精神，工艺工程师是老师，仪表和系统工程师是帮手，操作人员是朋友，懂行的部门领导是后盾。

过程控制的这些现状激励了作者的写作热情，试图为改变现状做出点努力，这便成为了本书的写作动机。

过程控制的应用知识和技能具有鲜明的层次结构，不妨从老子《道德经》中“道”、“法”、“术”和“器”的角度，对过程控制的知识层次结构和应用范围作个诠释，以此捋顺本书的写作指导思想。

“道”是万事万物的自然规律和发展方向，即“天道”；“法”是循道而行、为达目标所遵循的方法和技能，即“人法”；“术”是为使“人法”得到实施所采取的技术技巧和手段；“器”是为使“术”取得更完美、更有效结果所必需的工具。《道德经》论述的“道”、“法”、“术”和“器”四个层次与过程控制的知识层次是可以一一对应起来的。

 “器”（Devices, Instruments, Control Systems)，如传感器、变送器、调节阀、PID控制器、DCS、PLC、SIS和MPC控制模块等毫无疑问都属于“器”的层次范畴。“工欲善其事，必先利其器”，过程控制工程师应该熟悉这些必需之器的功用，做到得心应手。但这些“器”各自有专门的技术工种负责，因此过程控制工程师对“器”的掌握一定要基于需求，适可而止，“有所为，而有所不为，”一个优秀的过程控制工程师不一定要求能熟练地搭建MPC与DCS通讯系统。

“术”(Methods, Tricks, Procedures)，常见的控制算法和手段，比如回路整定、数据处理、数据分析、信号变换、信号补偿、“三传一反”、压缩机动态特性等都属于“术”的层次范畴。“术”的特点是知之为知之，不知为不知，可教可学。但是这些“术”的知识必须有选择性地掌握，懂得取舍，必要的知识既要知其然也要知其所以然，熟悉其应用场景，融会贯通。然而，一个过程控制工程师不需要像数据科学家那样对各种数据分析算法了如指掌，也不需要像一个工艺工程师那样熟悉精馏塔的塔板特性，有些知识可以临时抱佛脚，或虚心向团队里的相关专家求教。

“器”和“术”都是易学易用的，熟练掌握常见和常用的“术”是维持控制系统正常运行的必需，是对过程控制工程师的基本要求。但很多过程控制工程师花费大量时间在“术”和“器”上，比如PID回路整定或DCS组态微调，乐此不疲，忘记了“术”和“器”是为了更高层次的任务。一个有问题的控制回路很难通过整定PID参数来改善其控制性能；一个物料不平衡的工艺过程不可能靠增加几个控制器来达到整体稳定。通常情况下，局部的改善或改进是难以补救整体方案固有的缺陷，也很难修补整体方案缺陷带来的祸害。

“法”(Skills, Methodologies)，是过程控制工程师应具备的特质，也就是具有上分析问题的能力和解决问题的技能，具体来说就是控制方案的分析和设计，以及控制问故障的诊断和排除。“法”是行之有效的最佳实践，要达到“法”的高度，必须对“术”和“器”能灵活应用。需要多年知行合一的修真苦炼，不但要学习成功的经验，也要接触足够多的失败案例，反中求正，不蹈覆辙。理论和实践存在很大区别，前者只谈什么是正确的，后者更需要知道什么是错误的。比如在Matlab里仿真一个PID回路是简单的，但在DCS上实现一个能够24/7连续工作的PID控制回路就相对难了，因为它要应对各种想得到和想不到的应用需求和故障场景，很难做到万无一失。

工艺流程是对过程控制工程师的最大挑战，其一生可能要面对数不清的陌生工艺流程，不可能全部精通，面对一个陌生工艺流程往往会感到无从入手。实际上，工艺流程的动态因果关系分析或过渡过程分析对所有的过程类型都是适用的，比如精馏塔与压缩机的工艺分析，其手段和方法是高度一致的，控制方案的设计或故障问题的诊断与排除同样也有共同的法则可循。掌握这些方法和法则，方可变被动为主动，以不变应万变。一个资深的过程控制工程师，眼中看到的不仅仅是流程上的管、线、炉、塔，更重要的是深知一个个流动的测量变量以及它们之间的因果关系和动态响应。

“道”(Strategies, Philosophies)，修炼到极致的人方可得“道”。“道”是一种直觉、一种本能，是从必然王国进入到自由王国。虽然实际问题千变万化，但万变不离其宗，宗即是“道”，悟道之人，触类旁通，举重若轻。悟道需要努力、机遇和天分，需要持之以恒的身体力行。工作团队里有一位得“道”高人，团队水平会很快提升。当然，得“道”之人应该乐于分享，独乐乐不如众乐乐。

大“道”至简，高明的控制方案往往是意外的简单，比如有时一个小小的反馈机制可以取代复杂的物料和热量平衡计算。一个完美的控制方案有时需要跳到盒子之外，比如一个简单的、合理的工艺改进可以大大简化控制方案。大巧似拙，有时候慢便是快，比如老老实实用测试和建模的方法整定PID参数，往往比貌似简便快捷的“曲线试凑法”更可信、更可靠，而且可能事半功倍。这样的境界通常必须是理论与实践融会贯通的前提下收放自如、游刃有余的结果。

上述这些关于“道”、“法”、“术”和“器”的论说，是对过程控制知识层次结构的很好诠注，这便成为了本书的写作指导思想，也可用以引导读者阅读本书。

《自动化博览》、“控制网”联合报道