列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.doc
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目錄 摘要 1 1換熱器過程控制概述、組成及特點(diǎn) 2 1.1 概述 2 1.2 換熱器的組成 2 1.3 系統(tǒng)控制過程的特點(diǎn) 3 1.4 引起換熱器出口溫度變化的擾動因素 3 2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方案圖 4 2.1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖 4 2.2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖 5 3 換熱器過程控制系統(tǒng)分析 5 3.1 系統(tǒng)介紹 5 3.2 兩極Smith預(yù)估補(bǔ)償器 6 3.3模糊控制器 7 4 方案比較 9 4.1 換熱器一般溫控系統(tǒng) 9 4.2 Smith預(yù)估器的控制機(jī)理 9 5 控制器的選擇 11 5.1 LDG型系列電磁流量計 11 5.2 HR-WP-201TR/TC22W智能熱電阻/熱電偶溫度變送器 11 5.3 LWGB系列渦輪流量變送器 12 5.4 KVHV電動V型調(diào)節(jié)球閥 12 5.5 AI-7048型4路PID 溫度控制器 13 5.6 流量控制器 :型號TLS11-LC 14 參考文獻(xiàn) 15 摘要 換熱器作為一種標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。這個對象的特點(diǎn)是:熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)進(jìn)行換熱,從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪:壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng),主控變量為換熱管出口溫度,副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化,使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn),具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短,超調(diào)量減少,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 1換熱器過程控制概述、組成及特點(diǎn) 1.1 概述 換熱器作為一種標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。這個對象的特點(diǎn)是:熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)進(jìn)行換熱,從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪:壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng),主控變量為換熱管出口溫度,副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化,使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn),具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短,超調(diào)量減少,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 1.2 換熱器的組成 換熱器溫度控制系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵,變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度,可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。 1.3 系統(tǒng)控制過程的特點(diǎn) 換熱器溫度控制過程有如下特點(diǎn):換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象(出口溫度)組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)(換熱器出口溫度)經(jīng)檢驗元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號,測量值與給定值的差值送入調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器對偏差信號進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出控制作用。 換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程如下:冷流體和熱流體分別通過換熱器的殼程和管程,通過熱傳導(dǎo),從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度,通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程,出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程,與熱流體交換熱后流回蓄電池,循環(huán)使用。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置一個調(diào)節(jié)閥,可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設(shè)置一個電功調(diào)節(jié)閥,可以根據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)冷流體流量的大小。多級離心泵的轉(zhuǎn)速由變頻器來控制。 1.4 引起換熱器出口溫度變化的擾動因素 簡要概括起來,引起換熱器出口溫度變化的擾動因素主要有: (1)熱流體的流量和溫度的擾動,熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門的開度和循環(huán)泵壓頭的影響。熱流體的溫度主要受到加熱爐加熱溫度和管路散熱的影響。 (2)冷流體的流量和溫度的擾動。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和閥門的開度等因素的影響。 (3)加熱爐的啟停機(jī)的影響。 (4)室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門開度的影響。 2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方案圖 2.1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖 圖1換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程: 系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵,變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。 換熱器過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動調(diào)節(jié)閥控制具有傳遞滯后大,反應(yīng)遲緩等缺點(diǎn),根具離心泵模型得到通過控制離心泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量具有反應(yīng)靈敏,滯后小等特點(diǎn),而離心泵轉(zhuǎn)速是通過變頻器調(diào)節(jié)的,因此,本系統(tǒng)中采用變頻器作為執(zhí)行器。 調(diào)節(jié)過程:根據(jù)檢測到的冷流量的變化,先調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速,控制冷流量的大小,即為副回路,然后再根據(jù)熱流體出口溫度與設(shè)定值之間的偏差,根據(jù)合適的控制算法,進(jìn)一步調(diào)節(jié)冷流體的流量,以保持出口溫度的穩(wěn)定,若熱物流出口溫度與給定值有偏差,通過變頻器調(diào)節(jié)離心泵使冷物流流量變化,達(dá)到調(diào)節(jié)熱物流出口溫度。若冷物流流量與給定值有偏差,調(diào)節(jié)離心泵使冷物流流量變化,調(diào)節(jié)冷物流流量,進(jìn)一步調(diào)節(jié)熱物流出口溫度,這樣組成流體出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。 2.2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖 圖2為換熱器出口溫度控制系統(tǒng)方框圖: 3 換熱器過程控制系統(tǒng)分析 3.1 系統(tǒng)介紹 換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象(出口溫度)組成閉合回路。本設(shè)計采用一帶有Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪:壙刂破鞯目刂葡到y(tǒng),主控變量為換熱管出口溫度,副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化。被調(diào)參數(shù)(換熱器出口溫度)經(jīng)檢驗元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號c,測量值c與給定值r的差值e送入調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器對偏差信號e進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出控制作用u。系統(tǒng)主控變量為換熱管出口溫度,副變量為冷水流量。對換熱器出口溫度偏差、偏差變化率和冷流體的流量值模糊化,使換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn)。 控制方法是兩極Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)拇塒ID控制方法,在副回路中加入預(yù)估補(bǔ)償器,預(yù)先估計出副控制對象在干擾作用下的動態(tài)特性,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償,力圖使被延遲了τ時間的被控量超前反應(yīng)到副調(diào)節(jié)器的輸入端,使副調(diào)節(jié)器提前動作,從而明顯減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程。以模糊控制和積分調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器,由于模糊控制具有動態(tài)特性好,魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),克服對象模型不精確,對象參數(shù)時變的缺點(diǎn),副回路以Simth預(yù)估補(bǔ)償器為輔,解決純滯后問題。 3.2 兩極Smith預(yù)估補(bǔ)償器 圖3中,Gc2(s)為副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù),G2(s)e-τs為副回路被控對象的傳遞函數(shù),模糊控制器與積分環(huán)節(jié)并聯(lián)作為主調(diào)節(jié)器,其等效傳遞函數(shù)設(shè)為Gc1(s),Gc1(s)作為主回路被控對象傳遞函數(shù),G2(s)(1-e-τs)和G0(s)(1-e-τs)分別為內(nèi)回路和外回路Smith預(yù)估器。 Gc2(s) G1(s) 模糊控制器 G2(s)e-τs 積分環(huán)節(jié) G0(s)(1-e-τs) G2(s)(1-e-τs) 圖3 基于主副回路Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)拇壞:刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中 ,副回路等效傳遞函數(shù)為 外回路中含有Smith預(yù)估器的控制器的等效傳遞函數(shù) ,則圖3所示的串級控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 由上兩式可以看出,經(jīng)兩級Smith預(yù)估器補(bǔ)償后,系統(tǒng)的特征方程為1+G2(s)GC2(s)(1+G1(s)GC1(s))=0 特征方程不包含e-τs,因此,滯后特性不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3.3模糊控制器 圖4給出了模糊控制原理框圖: 模糊化 控制規(guī)則 模糊推理 清晰化 E EC U 圖4 模糊控制原理框圖 串級模糊控制系統(tǒng)流程如圖5所示 圖5 串級模糊控制系統(tǒng)流程圖 實測值的模糊化:模糊控制器的輸入變量為溫度偏差E及偏差的變化率EC,輸出變量 為控制器輸出的電壓信號U,三者的基本論域分別為[-1,1],[-02,02]及[0,5]。可令 E、EC及U的模糊集合論域均取{-3,-2,- 1,0,1,2,3}的離散區(qū)間。則其量化因子分別為 KE=3/1=3,KEC=3/02=15,KU=5/6。在模糊控制區(qū),輸入輸出變量語言可以表達(dá)為:負(fù)大 (NB),負(fù)小(NS),0(Z),正小(PS),正大 (PB)。 圖6模糊子集的隸屬函數(shù) 模糊推理:對于雙輸入單輸出模糊控制器,其控制規(guī)則為“ifEisAandECisBthenUis C”來描述,根據(jù)過程控制的實際經(jīng)驗得到49條規(guī)則,根據(jù)這些規(guī)則,可求得模糊關(guān)系R。表中每一 條推理語言均可得到相應(yīng)的模糊關(guān)系R1,R2,R3,…,R49。模糊關(guān)系R的求法如下:R=(EEC) U。而描述整個系統(tǒng)控制規(guī)則的總模糊關(guān)系R 為:R1∪R2∪…∪Rn。由E、EC及上式推理合成 規(guī)則,得到輸出模糊集U=(EEC)R。 表1 模糊控制規(guī)則表 去模糊化:采用最大隸屬度法,分別對 輸出模糊集合U1、U2、…、U49進(jìn)行去模糊化,將模糊控制器輸入量化等級與其輸出精確值相對應(yīng), 得到模糊控制查詢表,如表所示。實時控制時, 根據(jù)輸入偏差與輸入偏差變化率的模糊值直接查找控制表,獲得控制量。 4 方案比較 4.1 換熱器一般溫控系統(tǒng) 根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學(xué)原理,可得被控對象傳遞函數(shù)的近似表達(dá)式: 式中 GP( s) ———對象的傳遞函數(shù); K———對象的放大系數(shù); TS———對象的時間常數(shù); τ———對象的純時間滯后; Go(s)———對象傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分。 可以看出,它是一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。一般的溫控系統(tǒng)如圖7所示。 圖7 一般溫控系統(tǒng)方框圖 圖中R(s)為參擾。從圖7可以得出換熱器一般溫控系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為: 由于特征方程里含有e-τ s項,這對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極其不利,若τ足夠大,系統(tǒng)就很難穩(wěn)定;而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié),使控制器的設(shè)計變得復(fù)雜。 4.2 Smith預(yù)估器的控制機(jī)理 Smith預(yù)估器控制的基本思路是:預(yù)先估計過程在基本擾動下的動態(tài)特性,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制,力圖使被延遲了τ的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器,并使之動作,以此來減小超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過程。對于帶長時滯過程而言,Smith預(yù)估器是一種非常有效的通用的補(bǔ)償器,其主要優(yōu)點(diǎn)在于滯后時間能從閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中消除。然而,預(yù)估器要求被控對象的數(shù)學(xué)模型非常準(zhǔn)確,這在實際工程中很難辦到,特別是對積分和非穩(wěn)定系統(tǒng),其控制更為困難。Smith預(yù)估器控制原理圖如圖8所示。 圖8 Smith預(yù)估控制器原理圖 圖中U(s)為控制器的輸出,L(s)為系統(tǒng)外擾(也稱負(fù)荷擾動),GL(s)是C(s)對L(s)的傳遞函數(shù),GS(s)為Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。若Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為 GS(s) = Go(s) (1-e-τs) 由圖8可得Smith預(yù)估控制器的傳遞函數(shù)Φ(s)為 另有 由上面兩式可以看出,在定值和外擾作用下的閉環(huán)特征方程中均不包含受控對象的純延遲,因而起到了純延遲的補(bǔ)償作用。與式對應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。與圖9所示原理圖等效的控制系統(tǒng),很容易用MATLAB函數(shù)命令set ( )來實現(xiàn),這使得控制品質(zhì)的仿真研究變得簡單。 圖9 Smith預(yù)估器控制原理等效圖 本設(shè)計采用的兩極Smith補(bǔ)償器與上面簡單介紹的有異曲同工之妙,前面已作了一些介紹,概括了其與傳統(tǒng)PID控制的一些優(yōu)點(diǎn),一般來說,可以看出該控制系統(tǒng)換熱器熱流體出口溫度控制過渡過程平穩(wěn),具有較傳統(tǒng)PID串級控制算法過渡時間縮短,超調(diào)量減少,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),這里就不多加介紹了。 5 控制裝置的選擇 5.1 LDG型系列電磁流量計 主要技術(shù)指標(biāo): 介質(zhì)電導(dǎo)率:>20μs/cm 成套精度:口徑Φ10~Φ250 0.5%;1.0%;口徑Φ300~Φ1200 1.0%; 輸出信號:0~10mA DC;4~20mA DC 電 源:傳感器由轉(zhuǎn)換器供電~24V,轉(zhuǎn)換器電源:220V50Hz 連接法蘭:機(jī)標(biāo)JB/T81-94;國標(biāo)GB9119-88或按用戶需要 口 徑:口徑Φ10~Φ1200mm 5.2 HR-WP-201TR/TC22W智能熱電阻/熱電偶溫度變送器 主要技術(shù)參數(shù) 系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度:0.5%F.S(可訂制0.2%) 冷端溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度:1℃(預(yù)熱時間30分鐘) 測量熱電阻時允許的引線電阻:≤15Ω 輸入阻抗:電流-100Ω;電壓-500KΩ 電流輸出允許外接的負(fù)載阻抗:4~20mA,0~350Ω;0~10mA,0~700Ω 電壓輸出時的內(nèi)部阻抗:250Ω 輸入、輸出、電源、通訊之間絕緣阻抗:不小于100MΩ 輸入/輸出/電源/通訊/雙回路之間絕緣強(qiáng)度:直流DC≥2000V.dc,交流AC≥1500V.dc 輸入信號故障時的輸出狀態(tài)設(shè)置:輸出狀態(tài)有跟隨方式、報警方式、保持方式三種狀可設(shè)置。 通訊接口:RS485 通訊協(xié)議:本公司提供的專用通訊協(xié)議、MODBUS協(xié)議 通訊距離:RS485—節(jié)點(diǎn)數(shù)(不加中繼時),距離≤1000米(波特率9600時) 編程及校準(zhǔn):現(xiàn)場手持式中文編程器-它可對本儀表進(jìn)行功能編程及計量校準(zhǔn),大屏幕全中文菜單,功能齊全,操作方便;簡易型編程器-單行液晶菜單操作,可在現(xiàn)場對儀表進(jìn)行功能設(shè)置,使用及攜帶靈活,由于本產(chǎn)品采用數(shù)字化結(jié)構(gòu),并采取了環(huán)境溫度自補(bǔ)償、零點(diǎn)自動校準(zhǔn)等先進(jìn)技術(shù),因此可長年保證準(zhǔn)確度在規(guī)定范圍內(nèi),不需頻繁校準(zhǔn)。 面板指示:PWR-電源指示燈(綠色);ALM-輸入信號報警指示燈(紅色);輸入信號故障時閃爍;輸入信號超量程時長亮。 工作環(huán)境:安裝位置不得有強(qiáng)烈振動,以及來自信號端、電源端及空間不得超過IEC61000-4-4-1995中第三類工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾的強(qiáng)度,并使用環(huán)境中不得有對金屬、塑料件起嚴(yán)重腐蝕作用的有害物質(zhì)。 溫度漂移:<0.005%F.S/℃ 工作環(huán)境溫度:-10—+55℃ 供電電源:直流,DC24V10%;交流,AC95~265V 輸入功率:0.9~1.8W(與型號有關(guān)) 5.3 LWGB系列渦輪流量變送器 主要技術(shù)指標(biāo): 精確度:1.0級、0.5級、0.2級 環(huán)境溫度-20~+50℃ 輸出信號:4~20mA(兩線制) 輸出陰抗0-500Ω 供電電源:直流12V-24V 5.4 KVHV電動V型調(diào)節(jié)球閥 型號:KVHV-V 主要技術(shù)參數(shù): 閥體:公稱通徑:25-300mm 公稱壓力:PN1.6,4.0,6.4MPa 連接形式:法蘭式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P對夾式法蘭連接 材料:WCB ZG1Gr18Ni9Ti CF3M 填料:V型聚四氟乙烯填料,含浸聚四氟乙烯填料,石棉紡織填料。耐高溫碳纖維填料 溫度:常溫:-20℃~+120℃ 散熱:+200℃~+450℃ 閥內(nèi)組件: 閥芯形式:V形缺口半球體 流量特性:近似等百分比或近似直線特性及快開特性。 球體閥桿材料:2Cr131Gr18Ni9Ti oCr17NI17Mo2(316L) 金屬閥座材料:與閥桿材料相同,密封堆焊鈷鉻硬質(zhì)合金 非金屬閥材料:增強(qiáng)聚四氟乙烯。 執(zhí)行機(jī)構(gòu): 可選用PSQ系列、3810系列或NB系列電子式角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 5.5 AI-7048型4路PID 溫度控制器 技術(shù)規(guī)格 輸入規(guī)格: 熱電偶:K、S、R、E、J、T、B、N、WRe5-WRe26 線性mV電壓:0~20mV、0~60mV、0~100mV、0~1V等 測量范圍: K(0~+1300℃)、S(0~+1700℃)、R (0~+1700℃)、T(-200~+350℃)、E(0~1000℃) 、J(0~1200℃)、B(0~1800℃)、N(0~1300℃) 、WRe5-WRe26 (0~2300℃)、Pt100(-200~+600℃) 線性mV電壓輸入:由用戶用SCH及SCL參數(shù)自由定義 測量精度:0.2 FS 1個字 注1 :熱電偶輸入且采用內(nèi)部冷端補(bǔ)償時應(yīng)另加1℃冷端補(bǔ)償允許誤差,采用銅電阻、冰點(diǎn)或恒溫槽補(bǔ)償時則不需要 注2 :B分度號熱電偶在60~600℃范圍可進(jìn)行測量,但精度無法達(dá)到標(biāo)定精度,在600~1800℃可保證測量精度。 溫度漂移:≤0.01%FS/℃ (典型值為60ppm/℃) 電磁兼容: IEC61000-4-4 (電快速瞬變脈沖群),! 4KV/5KHz ;IEC61000-4-5 (浪涌),4KV 隔離耐壓: 電源端、繼電器觸點(diǎn)及信號端相互之間 ≥2300VDC ;SSR電壓輸出與熱電偶輸入之間 ≥600VDC 控制周期:0.48秒/4回路 輸出規(guī)格:SSR驅(qū)動電壓,12VDC/20mA每回路,包含短路保護(hù)功能 電源: 100~240VAC/50Hz 或24VAC/DC +10%,-15%;5VA 使用環(huán)境:溫度-10 ~ +60℃,濕度≤90%RH 5.6 流量控制器 :型號TLS11-LC 產(chǎn)品規(guī)格: LC(流量控制器) 量程范圍: 50,100,200,500 CCM LPM 精度等級: 2% 滿量程 重復(fù)性: 2% 滿量程 量程比: 50:1 響應(yīng)時間: 100 毫秒 壓降大?。?隨量程范圍變化 PSID 操作溫度: +1~+50 ℃ 補(bǔ)償溫度: +1~+50 ℃ 零點(diǎn)漂移: 0.02%/ATM 0.02% 滿量程℃ 范圍漂移: 0.02%/ATM 0.02% 滿量程℃ 濕度量程: 0-100% 0-100% 無冷凝 過流率: 2.4% 2.4% 滿量程 最大耐壓: 100 100 PSIG 供應(yīng)電流(典型): 30 250 毫安 電壓電源: 12-30 12-25 VDC 輸入/輸出: 0-5VDC,0-10VDC,4-20mA,RS-232 VDC 電氣連接: 8針 8針 DIN小型圓插頭 機(jī)械連接: 1/8″-1/4″ 1/8″ NPTF 接液部:件303不銹鋼,Viton ,RTV硅樹脂,PolyethermideR 閥門僅為:陽極氧化鋁,410和304不銹鋼,鎳,銅,Viton ,Delrin 參考文獻(xiàn) [1]張毅.自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008. 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