前言

“嵌入式控制系统工程设计”课程是控制科学与工程学科的必修课之一。该课程由电路分析基础、电子技术、嵌入式系统、自动控制原理、电磁兼容、工业组态软件、网络控制系统等多门课程融合而成，对于学生全面掌握嵌入式控制系统的工程设计理论和方法、拓宽专业知识面、更好地将理论联系实际具有极其重要的作用。

本书根据控制科学与工程、电子信息学科研究生培养要求，以铝电解智能制造系统为原型编写而成，可为嵌入式系统工程应用类课程提供有力支撑。本书从嵌入式控制系统基本概念出发，详细介绍了嵌入式控制系统工程设计的理论和方法，及其具体的工程实践应用，涵盖了多个典型的冶金生产过程数智化转型工程设计案例，具有突出的冶金行业特色，有较强的系统性、前沿性和创新性，可激发学生的学习兴趣，培养学生掌握嵌入式控制系统工程项目设计开发方法、运用理论知识分析和解决冶金自动化领域复杂工程问题的能力，提高学生的工程实践能力、工程创新能力和工程师综合素养，满足国家未来战略需求对高端复合型工程创新人才的培养需求。

本书根据《高等学校课程思政建设指导纲要》要求，将学生解决复杂工程问题中的非技术因素与课程思政知识点相结合，提升学生综合素质，系统全面地培养具有工程报国、工匠精神、工程伦理、团结协作、跨学科交流、批判性思维和勇于担当的适应和引领产业数字化和数字产业化发展的新时代卓越工程师。

结合控制科学与工程学科工程教育的培养目标，本书的特色及创新如下。

(1) 案例内容丰富，行业特色鲜明。嵌入式控制系统工程设计案例均以实际冶金工业的智能制造系统为原型，涵盖了铝电解生产过程的多个环节，涉及槽电压、阳极导杆电流、阴极钢棒温度、氧化铝下料控制等，充分体现了冶金行业特色。通过冶金行业智能制造系统的全流程开发，培养学生综合应用嵌入式控制技术解决实际工程问题的能力。

(2) 知识体系全面，理论方法先进。本书包含典型嵌入式控制系统的基本概念、关键技术，以及工程设计中必须考虑的电磁兼容和可靠性设计方法，并通过实际的工程案例展示其综合应用，且融入了编者团队在铝电解智能制造系统项目开发中的最新科研成果，做到了理论与实践的统一，能够为学生未来深造、就业打下比较坚实的基础，提升了教材的高阶性、创新性和挑战度。

(3) 章节编排新颖，强化工程教育。工程案例章节编排严格按照从需求分析、总体方案设计，到软硬件平台搭建、各功能模块软件代码开发，再到系统集成、测试的嵌入式控制系统工程项目设计开发标准流程进行，强化学生的工程思维，提高他们解决复杂工程问题的能力。

(4) 融入思政元素，实化价值塑造。结合实践课程“思政育人”要求，将我国冶金行业重大工程项目成果和编者团队所在单位老一辈教师、育人模范、科研达人等先进典型在工程伦理、工匠精神、家国情怀、使命担当等方面的突出贡献，融入本书，通过身边人、身边事教育引导学生，实现专业课程与思政课程的同向同行、协同发力。

(5) 引入研究性教学，强化创新能力培养。在传统习题、思考题的基础上引入一些课本上不能直接找到答案的研究性题目，鼓励学生通过课外资料的查阅，对课程中的重点、难点、热点问题独立自主地开展研究，提出自己的解决方案并在一定范围内展开讨论，引导他们了解最新科技前沿、拓展知识面，增强他们主动学习意识、自学能力、独立分析和解决问题的能力。

本书共分为11章。第1～3章介绍嵌入式控制系统及其工程设计的相关基础理论和方法;第4～11章以有色金属行业铝电解生产环节的数字化、智能化升级转型为例，详细介绍了铝电解智能制造系统的全流程设计开发，主要包括铝电解槽阳极导杆电流、阴极钢棒温度和槽电压智能感知系统，铝电解槽智能控制系统、铝电解槽智能下料控制策略、铝电解人机交互系统和铝电解工业能耗监测系统。各章均按照嵌入式控制系统工程项目标准开发流程编写，具体情况如下。

第1章为绪论，重点介绍了嵌入式系统和嵌入式控制系统的基本概念、嵌入式系统的主要分类、嵌入式系统硬件平台、嵌入式系统软件平台以及嵌入式控制系统工程设计基本流程等。

第2章为嵌入式控制系统的基础理论与关键技术，重点介绍了嵌入式控制系统的组成、嵌入式物联网、边缘计算、智能传感、智能运维和人机交互技术等。

第3章为嵌入式控制系统的电磁兼容与可靠性设计，重点介绍了电磁兼容的定义、电磁兼容性测量、电磁兼容标准、嵌入式系统可靠性、嵌入式硬件系统可靠性设计和嵌入式软件可靠性设计。

第4章为铝电解智能制造系统设计开发，重点从功能、性能、可靠性和可持续发展角度进行了智能制造系统的需求分析，以及对应的系统架构设计、技术路线和软硬件实现框架。

第5～11章分别为阳极导杆电流智能感知系统设计开发、阴极钢棒温度智能感知系统设计开发、槽电压智能感知系统设计开发、铝电解槽智能控制系统设计开发、铝电解槽智能下料控制策略设计开发、铝电解槽人机交互系统设计和基于华为云IoT的铝电解工业能耗监测系统设计，均按照从需求分析、系统方案设计，到硬件和软件系统设计与开发，直至系统安装与调试的嵌入式控制系统工程设计流程进行详细论述。

本书的编写力求深入浅出、循序渐进，各实际工程案例均通过分布式和模块化的思想进行总体方案设计及系统软硬件各功能模块的设计与实现，有利于锻炼学生从需求分析、方案设计到产品开发、产品测试和产品维护的全流程工程创新能力，具有很强的工程实践指导性。

本书得到了北京科技大学2022年度研究生教材建设项目资金的资助。

本书由北京科技大学自动化学院崔家瑞、李擎、阎群、杨旭担任主编，贵阳铝镁设计研究院有限公司黄若愚、遵义铝业股份有限公司王明刚和景德镇学院李香泉担任副主编，黄健、张涛、高晶晶和王超参编。其中，第1章由崔家瑞、李擎编写，第2章由阎群、杨旭编写，第3章由李香泉、黄健编写，第4章由杨旭、高晶晶编写，第5章由崔家瑞、黄若愚编写，第6章由黄若愚、王明刚编写，第7章由阎群、黄若愚编写，第8章由崔家瑞、杨旭编写，第9章由李擎、张涛编写，第10章由崔家瑞、王明刚编写，第11章由李香泉、王超编写，崔家瑞和李擎负责全书内容设计和统稿。在本书的编写过程中，编者课题组的多名研究生(刘领弈、史文琪、张钰龙、黄志成、周昊、陈乐)参与了部分书稿的文字录入、图形绘制和内容校对工作。在本书的出版过程中，清华大学出版社付出了辛勤的劳动，在此表示衷心的感谢！

在编写过程中参考了大量文献，在此对文献的作者致以真挚的谢意！

由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请广大读者批评指正。

编者

2026年2月