控制回路基础——批量过程和连续过程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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Terrence Blevins，Mark Ni 著

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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302443728

商品编码：29764099937

包装：平装-胶订

出版时间：2016-11-01

基本信息

书名：控制回路基础——批量过程和连续过程

定价：79.00元

作者：Terrence Blevins, Mark Nixon 陈德基

出版社：清华大学出版社

出版日期：2016-11-01

ISBN：9787302443728

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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在介绍过程特征描述和控制设计的许多地方，读者都会有机会将所学的知识用在基于互联网的专题练习中。读者只要能宽带上网和有一个网络就可以使用专题练习。专题练习包含有动态过程仿真，这样读者会有一种真实的“动手”经历。网站上还有内容用以帮助探索基本和高级控制技术。另外，书门有一章介绍建立过程仿真的技术。这些技术采用绝大多数分布式控制系统都提供的各种工具。在介绍控制技术时，简单的过程实例被用来展示这些技术是如何在工业中使用的。本书关于工业应用的*后一章还包含一些更复杂的工业实例，它们展示如何将基本控制技术结合起来以满足不同的应用需求

内容提要

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本书深入介绍了在过程控制领域中工作所用到的概念和术语。书中的材料表述方式直观，不依赖于控制系统供应商的产品。读者不需要在过程工厂环境工作过，也不需要熟悉现场设备和控制系统。许多关于实际控制设计和过程应用的材料来自作者在过程控制系统工作的亲身体验。因而此书旨在给各种人员提供一个指南，包括工程师、经理、技术员和其他刚刚接触过程控制的人，或有经验的、但对多回路控制技术还不熟悉的控制工程师。在介绍完工业上常用的传统的单回路和多回路技术之后，本书简单介绍了高级控制技术。不管读者是否是一个过程控制工程师，在一个控制团队工作，或在一个仪表部门工作，书中的知识都将有助于夯实基础以理解和使用现有的控制系统或设计新的控制应用。。

目录

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目录章简介
第2章背景和历史展望
2.1工厂结构
2.2工厂组织
2.2.1过程区域
2.2.2过程设备
2.2.3工厂操作员
2.2.4辅助部门
2.2.5工作实践
2.3早期控制系统
2.4分布式控制系统
2.5操作员界面
2.6系统安装
2.7与外部系统的界面
2.8现代控制系统
2.9标准的影响
参考文献
第3章测量
3.1电磁流量计
3.2涡街流量计
3.3基于差压的测量
3.4科式质量流量计
3.5压力测量
3.6温度测量
3.7液位测量
3.8其他测量技术
参考文献
第4章在线分析仪
4.1采样分析仪和原位分析仪的对比
4.2烟气中的氧O2
4.3流体的pH和ORP
4.4在线估计器
参考文献
第5章终控制元件
5.1调节阀
5.2阻尼驱动器
5.3变频器
5.4切断阀
参考文献
第6章现场布线和通信
6.1传统设备安装
6.2HART设备的安装
6.3现场总线设备的安装
6.4安装无线HART
参考文献
第7章控制和现场仪表文档
7.1平面布置图
7.2过程流程图
7.3管道和仪表图
7.4回路图
7.5标注规范
7.6连接线和功能符号
7.7设备图形符号
7.8文档实例
7.8.1范例——基本中和反应控制系统
7.8.2范例——基本反应塔控制
7.8.3范例——批量反应器控制系统
7.8.4范例——连续进料和回收罐
参考文献
第8章操作员图形界面
8.1报警条件显示
8.2动态元素
8.2.1图符
8.3用户显示
8.4过程性能监测
8.5流程图数据接口
参考文献
第9章过程特征描述
9.1过程结构
9.2过程定义
9.3纯增益过程
9.4纯延迟过程
9.5纯滞后过程
9.6一阶加纯滞后过程
9.7积分过程
9.8反向响应过程
9.9线性过程
9.10专题练习——简介
9.11专题练习——过程特征描述
9.11.1专题练习指导
9.11.2专题综述与讨论
参考文献
0章控制系统的目的
10.1经济激励
10.1.1合成氨工厂范例
10.2安全性、环保法规和设备保护
10.3协调收益和复杂性的平衡
1章单回路控制
11.1手动控制
11.1.1实施
11.1.2输入/输出处理
11.1.3模拟量输入
11.1.4状态
11.1.5手动加载功能块
11.1.6模拟量输出
11.2反馈控制
11.2.1纯比例控制
11.2.2比例积分控制
11.2.3比例�不�分�参⒎挚刂�
11.2.4控制结构
11.2.5控制动作
11.2.6反算
11.3PID功能块实现
11.3.1PID形式和结构
11.3.2模式
11.4脉冲输出
11.4.1占空比控制
11.4.2增加/减少控制
11.5过程动作
11.6专题练习——反馈控制
参考文献
2章整定和回路性能
12.1初始回路整定
12.2手动整定
12.3自动建立整定
12.3.1自动整定应用
12.3.2响应仿真
12.4系统投用——黏滞阀门及其他现场挑战
12.5回路增益特征描述
12.6配对参数与解耦
12.7专题练习——PID整定
12.8专题练习讨论
参考文献
3章多回路控制
13.1前馈控制
13.1.1动态补偿
13.1.2其他实现方式
13.1.3专题练习——前馈控制
13.1.4专题练习讨论
13.2级联控制
13.2.1级联控制的好处
13.2.2范例——过热器温度控制
13.2.3实现
13.2.4专题练习——级联控制
13.3超驰控制
13.3.1超驰操作
13.3.2范例——白液澄清器
13.3.3范例——压缩机
13.3.4实现
13.3.5专题练习——超驰控制
13.3.6专题练习讨论
13.4使用两个操纵参数的控制
13.4.1分程控制
13.4.2阀位控制
13.4.3比例控制
4章模型预估控制
14.1用MPC取代PID控制
14.2MPC投用
14.3用MPC取代带前馈的PID
14.4用MPC取代PID超驰
14.5用MPC处理过程间的相互干扰
14.6在现有控制策略中添加MPC控制
14.7MPC的应用
14.8专题练习——模型预估控制
参考文献
5章过程仿真
15.1过程仿真概述
15.2从P&ID;图开发过程仿真
15.3过程非线性仿真
15.4其他注意事项
15.5专题练习——过程仿真
参考文献
6章工业应用
16.1库存控制
16.1.1缓冲罐
16.1.2回收罐
16.1.3锅炉汽包液位——单冲量
16.1.4锅炉汽包液位——三冲量
16.1.5专题练习——三冲量汽包液位控制
16.2批量过程
16.2.1批量蒸煮器
16.2.2批量化学反应器
16.2.3批量生物反应器
16.2.4专题练习——批量化学反应器
16.3连续过程
16.3.1化学反应器
16.3.2喷雾干燥器控制
16.3.3专题练习——连续化学反应器
16.4燃烧控制
16.4.1小型锅炉/加热器
16.4.2加热缸
16.4.3电站锅炉——单一燃料
16.4.4石灰回转窑
16.4.5专题练习——电站锅炉控制
16.5蒸馏控制
16.5.1专题练习——蒸馏控制
16.6过程区域间的协调
16.6.1合成氨工厂氢/氮控制
16.6.2动力室蒸汽生产
16.6.3专题练习——合成氨工厂氢/氮控制
16.7复杂的动态过程，过程间的相互干扰
16.7.1纸浆漂白
16.7.2一段转化炉温度
参考文献
附录A本书相关网络资源
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A.3书籍选择
术语表

作者介绍

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Terrence “Terry” Blevins在他的职业生涯中一直积极参与过程控制系统的应用及设计。15年来，他担任系统工程师和团队管理者为纸浆和造纸工业设计和开发了先进的控制解决方案。Terry在建立艾默生过程管理集团 (Emerson Process Management) 的高级控制项目中起了关键作用。Terry是开发DeltaV高级控制产品的团队领导。他是现场总线基金会 (Fieldbus Foundation?) 功能模块规范开发和维护团队的领导，也是SIS (安全仪表系统)结构和模型规范的编辑。在这方面的工作中，Terry参与了将现场总线基金会的功能模块推进成为国际标准的过程。Terry是IEC （国际电工委员会）SC65E WG7功能块标准委员会的美国专家，该委员会负责IEC 61804的功能块标准。他是ISA104 - EDDL（电子设备描述语言）具有投票权的委员和委员会主席，是美国对IEC65E小组的技术咨询小组（USTAG）的技术顾问。他也是美国技术咨询小组USNC TAG（IEC/SC65和IEC/TC65）的成员。Terry撰写了过程/工业仪表与控制手册（Process/ Industrial Instruments and Controls Handbook）第五版1节标准概要的“ISA /IEC现场总线概述”，联合撰写了仪器工程师手册，过程控制与优化（Instrumentation Engineer's Handbook, Process Control and Optimization）第四版的四个章节。他与别人合著了ISA（国际自动化协会）的畅销书解除对高级控制的约束（Advanced Control Unleashed）。他拥有50项，并已写作了70篇以上关于过程控制系统设计和应用的论文。Terry在1971年获得路易维尔大学(University of Louisville) 电机工程科学学士学位，在1973年获得普渡大学 (Purdue University) 电子工程科学硕士学位。2004年，他入选了控制杂志的过程自动化名人堂。目前，Terry是艾默生过程管理集团DeltaV产品工程部未来产品规划团队的首席技术师。
Mark Nixon的职业生涯一直与控制系统的设计和开发相关。Mark开始时作为一个系统工程师在石油和天然气，炼油，化工，纸浆等行业的项目上工作。他在1998年从加拿大搬到得克萨斯州奥斯汀市，在各种研究和开发的职位上工作过。从1995到2005年，Mark是DeltaV系统首席设计师。2006年，他加入了无线团队，非常积极的参与了WirelessHART规范和IEC 62591标准的制定。Mark目前的研究领域包括基于WirelessHART（无线HART）设备的控制，批量过程的数据分析，无线技术在过程工业中的应用，移动用户，操作员界面和高级图形学。他目前活跃于下列领域：操作员行为中心（.operatorperformance.org），WirelessHART标准，ISA - 88标准，现场总线基金会标准（.fieldbus.org/）和ISA - 101 标准。他写了许多论文，目前拥有超过70项。他与别人合著了WirelessHART：用于工业自动化的实时网状网络（WirelessHART: Real-Time Mesh Network for Industrial Automation），并为工业仪表与控制手册（Industrial Instruments and Controls Handbook）和过程工业中的现代测量与终端执行单元精要（Essentials of Modern Measurements and Final Elements in the Process Industry）提供了章节。Mark 1982年在滑铁卢大学 (University of Waterloo) 电气工程系获得理学学士学位。
Deji Chen (陈德基) 在过程控制工业界工作了近20年，现为同济大学计算机系教授级研究员。他是OPC工业标准的始创者之一，工作过的项目涉及各种现场总线，包括WirelessHART标准的制定。他合写了许多论文，拥有多项，与Mark Nixon等合著了WirelessHART：用于工业自动化的实时网状网络（WirelessHART: Real-Time Mesh Network for Industrial Automation）和Wireless Control Foundation - Continuous and Discrete Control for the Process Industry。德基于1999年在德州大学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin) 计算机系获得博士学位，研究方向是实时系统。

文摘

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序言

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控制回路基础：系统优化与稳定运行的基石 这是一本面向工业自动化、过程控制、电气工程、化学工程以及相关领域专业人士和学生的入门级教材，旨在系统、深入地讲解控制回路的基本原理、设计方法和应用实践。全书围绕“如何使一个被控对象（过程）在外界干扰或设定值变化时，依然能够稳定地、精确地达到预期的目标状态”这一核心问题展开，深入浅出地剖析了各类控制回路的设计理念、数学模型、动态特性以及稳定性判断方法。 本书内容全面，结构清晰，从最基本的控制概念入手，逐步深入到复杂系统的分析与设计。它不仅强调理论的严谨性，更注重与实际工程应用的紧密结合，力求让读者在掌握核心理论的同时，也能深刻理解这些理论如何在真实的工业环境中发挥作用。 核心章节概览： 第一部分：控制系统的基本概念与构成 在本书的开篇，我们将系统地介绍自动控制的基本概念。这包括对“控制”这一行为的精确定义，以及其在现代工业生产中的不可替代的重要性。我们将探讨控制系统的基本组成部分：传感器（用于测量过程变量）、控制器（用于根据测量值和设定值产生控制信号）以及执行机构（用于将控制信号转换为对过程的实际影响）。通过生动的实例，例如恒温器的简单工作原理，来帮助读者建立对控制系统最直观的认识。 此外，我们将深入剖析被控对象（过程）的特性。理解被控对象的动态行为是设计有效控制器的前提。我们会介绍描述被控对象特性的几种关键参数，如增益（反应输入变化对输出影响的程度）、时间常数（描述系统响应速度的重要指标）以及纯延迟（信号传输到被控对象并产生响应所需的时间）。这些参数的理解，将为后续的数学建模和控制器设计打下坚实基础。 第二部分：数学建模与系统分析 为了对被控对象的动态行为进行量化描述和分析，本书将详细介绍数学建模的方法。我们将重点讲解如何利用微分方程来精确地描述线性时不变（LTI）系统的动态特性。对于更复杂的系统，我们还会介绍如何运用传递函数这一强大的工具，在频率域或复域分析系统的输入输出关系，从而忽略中间的内部状态，专注于系统的外部表现。 传递函数的概念对于理解系统的频率响应至关重要。本书将深入探讨频率响应，包括幅频特性和相频特性。通过分析系统在不同频率下的响应，我们可以预测系统在面对不同变化速率的干扰时，其稳定性和动态性能。例如，一个系统可能对缓慢的变化响应良好，但对快速的扰动则可能变得不稳定。 稳定性分析是控制理论的核心内容之一。我们将介绍几种重要的稳定性判据，如劳斯-霍尔维茨判据和奈奎斯特判据。这些判据能够帮助我们在不进行实际仿真或实验的情况下，判断一个控制系统是否稳定，以及其稳定裕度。稳定裕度的大小直接关系到系统在面对扰动时的鲁棒性。 第三部分：经典控制器的设计与实现 在此部分，我们将重点介绍最常用、最基础的几类控制器：比例（P）控制器、比例-积分（PI）控制器和比例-积分-微分（PID）控制器。 比例（P）控制器是最简单的控制器，其输出与被控变量与设定值之间的误差成正比。我们将分析P控制器的优缺点，包括其能够快速响应，但通常会引入稳态误差。 比例-积分（PI）控制器在P控制器的基础上增加了积分项，积分项的作用是消除稳态误差，从而使被控变量能够精确地跟踪设定值。本书将详细解释积分作用的原理，以及如何通过调整积分增益来优化系统的响应。 比例-积分-微分（PID）控制器是工业界应用最广泛的控制器。它集成了比例、积分和微分三种控制作用。微分项的作用是预测误差的变化趋势，从而提前进行调整，抑制超调，提高系统的动态响应速度和稳定性。我们将详细讲解P、I、D各项的作用机理，以及它们如何协同工作，实现对被控对象的精确控制。 本书将提供一系列行之有效的PID控制器参数整定方法，包括临界比例法、衰减振荡法以及Ziegler-Nichols方法等。这些方法旨在帮助工程师在实际工程中，快速有效地找到最优的PID参数组合，以满足特定过程的控制要求。 第四部分：进阶控制策略与应用 在掌握了PID控制的基础后，本书将进一步介绍一些更高级的控制策略，以应对更复杂或对性能有更高要求的应用场景。 前馈控制：与反馈控制不同，前馈控制基于对干扰的测量，在干扰尚未对被控对象产生影响之前就提前进行补偿。我们将探讨前馈控制的设计原理，以及如何与反馈控制相结合，形成复合控制，以提高系统的整体性能。 串级控制：当一个过程的控制难度较大，或者需要更快的内部环路响应时，串级控制是一种有效的解决方案。本书将解析串级控制的结构，即一个主控制器控制一个从属控制器的设定值，从而利用从属控制器快速响应内部扰动，为主控制器提供一个更稳定的“环境”。 比值控制：在许多化学工艺中，保持两种或多种物料流量的比例关系至关重要。我们将介绍比值控制器的设计方法，以及如何实现精确的物料配比。 解耦控制：对于多变量相互耦合的被控对象，传统的单回路控制难以达到理想效果。本书将介绍解耦控制的基本思想，即通过设计适当的控制器，使得一个输入变量只影响一个输出变量，从而实现对多变量系统的独立控制。 模糊控制与神经网络控制简介：为了适应非线性、不确定性强的被控对象，本书还将简要介绍模糊逻辑控制和神经网络控制等现代控制理论方法，为读者打开进一步学习的窗口。 第五部分：实际工程中的考量与实践 理论知识需要与实际工程紧密结合。本部分将聚焦于实际工程中可能遇到的各种问题和考虑。 传感器与执行机构的选择与标定：准确的测量和可靠的执行是控制系统正常工作的基石。我们将讨论不同类型传感器的特点、选型原则，以及执行机构的特性（如死区、饱和等）对控制性能的影响，并强调标定的重要性。 采样与离散化：在数字控制系统中，连续信号被离散化处理。本书将介绍采样定理，以及如何对连续控制器进行离散化设计，并分析采样周期对系统性能的影响。 噪声与干扰的处理：实际工业环境中充斥着各种噪声和干扰。我们将探讨滤波器的作用，以及如何设计滤波器来抑制噪声，保证控制信号的平滑性。 鲁棒性与模型不确定性：在实际应用中，被控对象的模型往往是不精确的，并且存在不确定性。本书将强调设计具有良好鲁棒性的控制器，使其能够在模型不完全准确的情况下依然保持良好的性能。 控制系统的性能评价：除了稳定性，我们还需要对控制系统的动态性能进行评价。我们将介绍常用的性能指标，如超调量、调节时间、稳态误差等，并指导读者如何根据实际需求来优化这些指标。 案例分析与项目实践：为了加深读者的理解，本书将穿插多个实际的工业控制案例分析，涵盖不同类型的过程，如温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等。通过这些案例，读者可以学习如何将理论知识应用于实际问题，并了解不同行业在控制系统设计上的共性与差异。 本书特色： 循序渐进的知识体系：从基础概念到复杂算法，层层递进，确保读者能够扎实掌握每一个知识点。 丰富的图示与例证：大量的图表、流程图和具体算例，将抽象的理论知识可视化，易于理解。 强调实践应用：每个理论章节都紧密联系实际工程问题，提供可操作的设计思路和方法。 面向广泛读者群：无论您是初学者还是希望巩固提升的专业人士，本书都能为您提供宝贵的学习资源。 通过对控制回路基础——批量过程和连续过程的深入学习，读者将能够： 深刻理解自动控制系统的基本原理和工作机制。 掌握描述和分析被控对象动态特性的数学工具。 设计并实现各种类型的经典和现代控制器。 具备分析和解决实际工业控制问题的能力。 为进一步学习更高级的控制理论打下坚实的基础。 本书旨在成为您在控制工程领域学习和实践道路上不可或缺的指南。

评分☆☆☆☆☆

我个人认为，这本书最大的亮点在于它对“过程特性识别”的重视程度，这在很多现代教材中被简化了。它花了相当大的篇幅教导读者如何通过阶跃响应测试（Step Test）来准确地获取系统的增益（Gain）、时间常数（Time Constant）乃至纯延迟时间（Dead Time）。作者详细对比了不同阶跃幅值对系统线性度假设的影响，并提出了如何通过多次测试取平均值来提高参数辨识的可靠性。这种对基础实验方法论的坚持，让我对以往粗略进行的系统辨识工作进行了深刻的反思。特别是书中关于时间延迟处理的讨论，它没有仅仅满足于使用Smith预估器，而是进一步探讨了如何利用频域分析来识别具有显著时间延迟环节的系统，比如通过Bode图的相位裕度来反推延迟对稳定性的实际贡献。这本书更像一位严厉的导师，逼迫读者真正去“理解”过程的物理本质，而不是停留在调用库函数解决问题的表面。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计实在太吸引人了，那种深邃的蓝色和精密的线条构图，一下子就让人联想到严谨的工程学世界。我本来是抱着试试看的心态翻开的，没想到里面的内容密度高得惊人。我发现它花了很大篇幅来探讨PID控制器的调优策略，特别是针对那些反应滞后的复杂系统，作者居然能用如此直观的图示和数学模型来解释“死区”和“饱和”对系统稳定性的影响。书中对卡尔曼滤波的介绍简直是教科书级别的，它不仅仅是告诉你公式，而是深入剖析了如何在传感器噪声严重的环境下，通过状态估计来重构出准确的工艺变量值。对于我这种在化工流程控制一线摸爬滚打多年的工程师来说，这些实战经验的理论支撑是无比宝贵的。特别是关于批次过程（Batch Process）的描述，它打破了我过去对S88标准的刻板印象，展示了如何利用先进的反应动力学模型来优化反应终点判断，这比我过去依赖的时间设定要精确得多。我个人认为，这本书的价值在于，它没有停留在基础概念的重复，而是直接切入了现代工业自动化中最具挑战性的部分。

评分☆☆☆☆☆

这本书的组织结构逻辑清晰得令人称奇，仿佛有一条无形的线索贯穿始终，将看似分散的控制理论知识点串联起来。我注意到作者在处理“顺序控制”和“逻辑控制”的部分时，采用了一种非常巧妙的过渡方式。他先从传统的继电器逻辑图（Ladder Logic）的局限性入手，然后自然而然地引出了状态机模型在处理复杂批次切换逻辑中的优越性。更让我感到惊喜的是，书中还穿插了一些关于DCS（集散控制系统）的编程范例，虽然没有直接给出具体的厂商代码，但其基于Function Block Diagram（功能块图）的编程思想阐述得非常到位，特别是关于“定时器块”和“比较器块”的组合应用，对理解现代PLC/DCS的底层运行机制很有帮助。我感觉作者是真正的一线专家，因为他描述的许多故障排除场景，比如间歇性振荡的追溯，都带着一种“过来人”特有的洞察力，而不是书本上的理论复述。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的排版和插图质量，放在今天来看，确实显得有些过时了。很多流程图看起来像是用老式的CAD软件绘制的，线条生硬，配色也比较单调，这在一定程度上影响了快速识别关键信号流的效率。然而，一旦你克服了视觉上的不适，深入到内容本身，就会发现那些“朴素”的图示反而更加专注于信息本身，没有任何多余的装饰。例如，在讲解模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）时，其成员函数（Membership Function）的图形化展示虽然简单，却精准地描绘了隶属度的渐变过程，远比那些色彩斑斓的商业软件演示更加具有教学意义。这本书的魅力在于其内容的深度和不变性，它关注的是控制工程永恒的原理，而不是追逐转瞬即逝的软件版本更新。它像一本沉甸甸的工具书，需要你静下心来，一字一句地啃读，而不是快速浏览。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的行文风格非常老派，带有一种七十年代技术手册的严谨与厚重感。它不像现在的很多新书那样追求花哨的界面和简化表达，而是坚持用最原始、最无可辩驳的数学语言来构建知识体系。第一章关于拉普拉斯变换在系统建模中的应用，讲解得细致入微，作者似乎生怕读者漏掉任何一个微小的代数推导步骤，每一步都给出了清晰的物理意义注解。我特别欣赏作者对“开环”与“闭环”系统性能指标对比的那一章节，他没有简单地罗列上升时间、超调量这些参数，而是通过一个虚拟的温度控制案例，动态展示了串级控制（Cascade Control）结构如何有效抑制前馈干扰，这种情景模拟式的讲解，极大地加深了我对复杂控制结构协同作用的理解。不过，对于初学者来说，这部分的阅读门槛可能稍高，需要有一定的微分方程基础才能完全跟上作者的思路，否则很容易被那些密集的希腊字母和积分符号淹没。