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文档简介

第二简单控制系统演示文稿现在是1页\一共有184页\编辑于星期四(优选)第二简单控制系统现在是2页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标

简单控制系统是指单输入-单输出(SISO)的线性控制系统,是控制系统的基本形式。

控制系统设计的基本准则是力求简单、可靠、经济和保证控制效果。现在是3页\一共有184页\编辑于星期四简单控制系统的特点结构简单广泛的适应性经济实用可靠性高2.1控制系统组成和控制性能指标现在是4页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标2.1.1控制系统的组成1.简单控制系统的示例温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(温度)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差,按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是5页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标2.1.1控制系统的组成1.简单控制系统的示例温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(温度)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差,按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是6页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(压力)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是7页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(压力)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是8页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(液位)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差,按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是9页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量(液位)与设定值保持一致,检测被控变量,并与设定值比较得到偏差,按一定控制规律对偏差运算,输出信号驱动操纵变量(流量),最终使被控变量回复到设定值。变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

现在是10页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标简单控制系统由检测元件和变送器、控制器、执行器和被控对象组成。流量控制系统示例

现在是11页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标2.控制系统的框图及有关术语简单控制系统的框图简单控制系统的传递函数描述-现在是12页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标控制系统的有关术语(1)检测元件和变送器用于检测被控变量,并将检测到的信号转换为标准信号输出。(2)控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值进行比较,按一定的控制规律对其偏差信号进行运算,运算结果输出到执行器。(3)执行器是控制系统回路中的最终元件,直接用于控制操纵变量变化。(4)被控对象是以被控变量表现其特征的装置、设备或过程。现在是13页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标被控变量y:需要控制的工艺参数,过程控制中的常见被控变量有温度、压力、流量、液位、组分、PH值等。现在是14页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标给定值r:生产过程中被控变量需要保持的值。现在是15页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标操纵变量m:受控于调节阀,用于改变被控变量大小的物理量称为操纵变量。现在是16页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标干扰f:除操纵变量外,作用于被控对象并对被控变量影响较大的输入作用为干扰。现在是17页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标偏差信号e:设定值r减去反馈信号z之差。控制器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。现在是18页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标

简单控制系统的设计主要是被控变量和操纵变量的选择。被控变量的选择原则是:尽可能的选择直接被控变量,有足够的灵敏度,工艺合理,等等。操纵变量的选择原则是:静态合理,动态迅速,稳定性和经济性,等等。现在是19页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标3.控制系统框图的几点说明框图中的各个信号是增量。信号流向用箭头,不是物流和能流的方向。现在是20页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象,用Go(s)表示。-3.控制系统框图的几点说明现在是21页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标4.控制系统的负反馈原则什么是反馈?反馈是系统输出通过测量变送器返回到输入,并和设定值比较的过程。反馈是控制论中最基本的概念,也是对付复杂系统的一条基本的系统学原理。(负反馈、正反馈)负反馈能保持系统稳定并可减少或消除系统动态性能的偏差,在工程控制系统中多采用负反馈。现在是22页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标正作用与负作用

环节的输出信号随输入信号增加而增加为正作用环节;

环节的输出信号随输入信号增加而减少为反作用环节。各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环节输入增加时,输出增加,增益为正,输出减少,增益为负。控制器的正反作用

正作用——控制器输出随测量值的增加而增大,放大倍数为负(Kc<0);

反作用——控制器输出随测量值的增加而减小,放大倍数为正(

Kc>0

。4.控制系统的负反馈原则现在是23页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标控制通道:操纵变量到被控变量的通道扰动通道:扰动变量到被控变量的通道

扰动影响被控变量或设定变化时,通过控制通道的调节改变操纵变量,克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化现在是24页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标定值控制系统:设定值固定的控制系统随动控制系统:被控变量跟随设定值变化的控制系统-现在是25页\一共有184页\编辑于星期四稳定性——闭环控制系统必须稳定快速性——在受到干扰或设定值发生变化时,控制系统存在偏差的时间应尽量短准确性——控制系统被控变量与设定值之间的偏差应尽量小定值系统的控制要求——定得稳、快、准随动系统的控制要求——跟得稳、快、准2.1控制系统组成和控制性能指标2.1.2控制系统的控制性能指标现在是26页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标1.单项控制性能指标y(t)y(∞)B-e(∞)TsB′Cty(0)阶跃作用下的定值控制系统输出响应曲线现在是27页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标Tsty(t)y(0)B’r(t)y(t)r(t)CB阶跃作用下的随动控制系统输出响应曲线现在是28页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标(1)衰减比

衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标,它的定义是第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。(通常希望n在4:1~10:1范围)y(t)y(∞)B-e(∞)TsB′Cty(0)现在是29页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标(2)最大动态偏差emax或超调量σ

最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量,也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。随动系统的超调量σ

Tsty(t)y(0)B’r(t)y(t)r(t)CB现在是30页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标(2)最大动态偏差emax或超调量σ

最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量,也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。定值系统的最大动态偏差y(t)y(∞)B-e(∞)TsB′Cty(0)现在是31页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标

(3)余差e(∞)

余差是控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差,即。定值控制系统的过渡过程,其余差以C表示,即y(t)的最终值y(∞)。随动控制系统的过渡过程,余差

准确性指标。y(t)y(∞)B-e(∞)TsB′Cty(0)现在是32页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标(4)回复时间Ts和振荡频率ω

回复时间也称调节时间,表示控制系统过渡过程的长短,也就是控制系统在受到阶跃作用后,被控变量从原有的稳态值达到新的稳态值所需要的时间。

在衰减比相同的条件下,振荡频率与回复时间成反比。

快速性指标。

Tsty(t)y(0)B’r(t)y(t)r(t)CB现在是33页\一共有184页\编辑于星期四通常采用以下3种表达形式。(1)平分积分鉴定ISE2.综合控制性能指标综合控制指标采用积分鉴定的形式:式中,J为积分鉴定值,e为动态偏差,t为时间。2.1控制系统组成和控制性能指标现在是34页\一共有184页\编辑于星期四2.1控制系统组成和控制性能指标(2)绝对值积分鉴定IAE(3)时间乘以绝对值的积分鉴定ITAE注意:对于有余差的系统,存在e(∞),并且3种形式的积分鉴定值J都将趋于无穷大,无法鉴定系统的控制质量,为此采用e(t)-e(∞)作为动态偏差项代入。现在是35页\一共有184页\编辑于星期四第二章简单控制系统主要内容2.1控制系统组成和控制系统性能指标2.2过程动态特性2.3检测变送环节2.4控制阀的选择2.5控制器的控制算法2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是36页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性2.2.1典型过程动态特性1.自衡非振荡过程

y(t)y(∞)y(0)t自衡非振荡过程的阶跃响应液位储槽自衡非振荡过程Qih该类过程在阶跃输入信号作用下的输出响应曲线没有振荡地从一个稳态趋向另一个稳态。现在是37页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性具有时滞的一阶环节:具有时滞的二阶非振荡环节:

具有自衡的非振荡过程特性的传递函数描述:现在是38页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性2.无自衡非振荡过程该类过程没有自衡能力,它在阶跃输入信号作用下的输出响应曲线无振荡地从一个稳态一直上升或下降,不能达到新的稳态。y0τTt无自衡非振荡过程的阶跃响应液位储槽无自衡非振荡过程Qih现在是39页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性具有时滞的积分环节:具有时滞的一阶和积分串联环节:具有无自衡的非振荡过程特性的传递函数描述:现在是40页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性3.衰减振荡过程

该过程具有自衡能力,在阶跃输入信号作用下,输出响应呈现衰减振荡特性,最终过程会趋于新的稳态值。y(t)0t它具有位于s左平面的共轭复极点,其传递函数形式为自衡振荡过程的阶跃响应现在是41页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性4.具有反向特性的过程该类过程在阶跃输入信号作用下开始与终止时出现反向的变化。即有或自衡型无自衡型y(t)0t

反向特性过程的阶跃响应现在是42页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性它具有自衡和无自衡两种类型,可表示为两个环节的差,即其中,,根据类型确定。

自衡型:

无自衡型:

现在是43页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性自衡型对象的传递函数:

时,具有位于s右半平面的零点,出现反向响应。现在是44页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性无自衡型对象的传递函数

时,具有位于s右半平面的零点,出现反向响应。现在是45页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性若对象中含有纯滞后,则

自衡型对象的传递函数:

无自衡型对象的传递函数:

汽包水位的虚假水位:当蒸汽负荷增加时,引起蒸汽压力突然下降,水急剧汽化,产生大量气泡,造成水位不仅不下降反而迅速上升,然后再下降省煤器汽包蒸汽给水现在是46页\一共有184页\编辑于星期四2.2.2过程特性对控制性能指标的影响

2.2过程动态特性-为了使讨论具有广泛性,假设过程是广义对象的动态特性。控制通道和扰动通道传递函数:现在是47页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性1.增益的影响(1)控制通道增益的影响定值控制系统中,采用比例控制时其增益为Kc,设阶跃扰动幅值为F,根据终值定理,计算出新的稳态值为:余差为现在是48页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性若该控制系统为二阶衰减振荡过程,最大偏差为A,则

可见,随着过程增益Ko的增加,余差减小,最大偏差减小,控制作用增强,但稳定性变差。在其他因素相同的条件下,如果过程增益Ko越大,则控制作用就越大,克服扰动的能力也越强。现在是49页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性(2)扰动通道增益的影响在其他因素相同的条件下,越大,则余差越大,最大偏差越大。现在是50页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性2.时间常数的影响(1)控制通道时间常数的影响在时滞与时间常数之比不变的条件下进行讨论。控制系统的闭环特征方程为相位条件为:现在是51页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性若固定,则相位条件不变,对稳定性没有影响。若固定,时间常数To大,则为使稳定性不变,应减小,因此,时间常数大的时候,为保证系统的稳定性,振荡频率减小,回复时间变长,动态响应变慢。现在是52页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性(2)扰动通道时间常数的影响

扰动通道时间常数Tf大,扰动对系统输出地影响缓慢,有利于通过控制作用克服扰动的影响,因此控制质量高。Tf小,扰动作用快,对系统输出地影响也快,控制作用不能及时克服扰动。如果不考虑时滞和,则有

如果To>Tf,使控制品质变差;如果To<Tf,扰动对系统输出有滤波作用,减小了扰动对输出的影响。现在是53页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性3.时滞的影响(1)控制通道时滞的影响开环传递函数存在时滞,引起相位滞后,从而使交界频率和临界增益降低,使控制不及时,超调量增大,稳定性下降,使闭环控制品质下降。当时,尚可用简单控制系统进行控制。(2)扰动通道时滞的影响时滞τf

的存在不影响系统闭环极点的分布,因此,不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后,即不影响系统的控制品质。现在是54页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性4.扰动进入系统位置的影响进入系统的扰动位置远离被控变量,等效于扰动传递函数中的时间常数增大,因此,与扰动通道时间常数的影响相似。-现在是55页\一共有184页\编辑于星期四2.2过程动态特性5.被控变量与操纵变量的选择被控变量的选择原则为:深入了解工艺过程,选择能够反映工艺过程的被控变量;控制通道的Ko尽量大;过程的τo/To应尽量小;过程的To/Tf

应尽量小;扰动进入系统的位置应尽量远离被控变量。操纵变量的选择原则为:选择对被控变量影响较大的操纵变量,即Ko尽量大;选择对被控变量有较快响应的操纵变量,即过程的τo/To应尽量小;过程的To/Tf

应尽量小;使过程的KfF尽量小;工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。现在是56页\一共有184页\编辑于星期四第二章简单控制系统主要内容2.1控制系统组成和控制系统性能指标2.2过程动态特性2.3检测变送环节2.4控制阀的选择2.5控制器的控制算法2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是57页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.1检测变送原理

检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检测、变送单元转换为标准信号。

在模拟仪表中,标准信号通常采用1~5V、4~20mA、0~10mA电流或电压信号,20~100kPa气压信号;在现场总线仪表中,标准信号是数字信号。检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量标准信号检测变送环节的工作原理图现在是58页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.1检测变送原理

检测变送环节包括传感器和变送器。传感器:将非电物理量通过各种物理、化学、光学等原理转换为电学量;

变送器:将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出。

智能变送器:由传感器和微处理器结合构成,实现数据存储、计算、处理、调节。检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量标准信号检测变送环节的工作原理图现在是59页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.2检测变送环节的性能

静态性能和动态性能静态性能:

1)线性度:输出与输入之间的线性程度;

2)灵敏度S:输出增量与相应输入增量之比;

3)迟滞:正反行程输出信号的差值;

4)重复性:输入量按同方向多次变化时,输出曲线特性不一致的程度;

5)漂移:输入量不变情况下,输出随时间而变化。现在是60页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.2检测变送环节的性能

静态性能和动态性能动态性能:检测元件和变送器的类型繁多,有模拟和数字状态,但它们都可以用时滞的一阶环节近似,其传递函数为:红外温度传感器压力变送器现在是61页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.3检测变送环节的选择原则

检测元件和变送器的基本要求:准确、迅速和可靠

准确:能正确反映被控或被测变量,误差小;

迅速:能及时反映被控或被测变量的变化;可靠:检测元件和变送器的基本要求,能在环境工况下长期稳定运行。现在是62页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.3检测变送环节的选择原则1)由于检测元件直接与被测或被控介质接触,因此在选择检测元件时,首先考虑该元件是否能适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境,能否长期稳定运行;2)检测元件的精度、快速性、线性特性:以满足工艺检测和控制要求为原则,仪表的量程应满足读数误差的要求同时应尽量选用线性特性。仪表量程大,则Km小;而仪表量程小,则Km大。现在是63页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节3)检测变送环节的时间常数相对过程,大多数检测变送环节的时间常数是较小的成分检测变送环节的时间常数和时滞很大;气动仪表的时间常数比电动仪表大;采用保护套管的温度计比直接与被侧介质接触检测温度有更大的时间常数(保护套管结垢—变大;保护套管磨损—变小)

现在是64页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节4)检测变送环节的时滞产生原因:检测点与检测变送仪表之间有一定的传输距离l,而传输速度v也有制约,因此,产生时滞为减小时滞的措施:选择合适的传输位置,减小传输距离l;选用增压泵、抽气泵等装置,提高传输速度v。现在是65页\一共有184页\编辑于星期四在考虑时滞影响时,应考虑时滞与时间常数之比,尽量减小时滞与时间常数的比值。流量、压力、物位的时滞较小过程成分等物性参数的检测变送时滞大温度检测变送的时滞相对时间常数较大2.3检测变送环节现在是66页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节2.3.4对检测变送信号的处理

1.信号补偿(1)热电偶:冷端温度补偿;(2)热电阻:线路电阻补偿;(3)气体流量:温度、压力补偿。2.线性化检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量的,有些存在非线性,如热电势与温度、差压与流量等,会造成控制系统的非线性,应进行线性化处理。(1)软件实现线性化;(2)硬件实现线性化——开方器。现在是67页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节3.信号滤波信号滤波有硬件滤波和软件滤波,有高频滤波、低频滤波、带通滤波、带阻滤波等。

硬件滤波:通常采用阻容滤波环节,可以用电阻电容组成低通滤波,也可以用气阻和气容组成滤波环节;可以组成有源滤波,也可组成无源滤波等。

软件滤波:采用计算方法,用程序编制各种数字滤波器。在智能仪表、DCS等装置中,通常采用软件滤波。现在是68页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节工程控制中常用的数学滤波算法有下列几种。(1)一阶低通滤波(滤去高频干扰)计算公式:式中,和y(k)分别是滤波器的第k次输出信号和输入信号;

是低通滤波器的滤波系数,Ts为采样周期,T为滤波时间常数。该滤波器等价于传递函数,常用于去除信号中夹带的高频噪声。在计算机控制系统中广泛采用,如智能仪表和DCS中对测量信号的高频滤波。现在是69页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节(2)一阶高通滤波(滤去低频干扰——如零点漂移)计算公式有两种形式:该滤波器常用于去除信号中夹带的低频噪声,如零漂、直流分量等,分别等价于传递函数和。Ts为采样周期,T为时间常数现在是70页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节(3)递推平均滤波(低通滤波)递推平均滤波是一种低通滤波器,以第k次采样时刻为基准,依次将该时刻以前时刻共m个采样值的平均值作为滤波器的输出,并进行递推。计算公式为:写成递推形式为:现在是71页\一共有184页\编辑于星期四递推加权平均滤波器被控对象流量液位压力温度m11331根据被测和被控对象的不同,采样个数m可按下表选取,加权系数ci按新信息的加权系数大的原则设置。2.3检测变送环节现在是72页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节(4)程序判别滤波程序判别滤波采用程序判别确定滤波器输出信号的数值,常用于剔除跳变的误码。计算公式:式中,b为规定的阈值。应用时应适合选取b值,来达到剔除尖峰干扰的滤波效果。现在是73页\一共有184页\编辑于星期四2.3检测变送环节4.信号处理(1)数学运算压差数据的开方;累积流量是瞬时流量的积分;温度压力补偿时的加、乘、除运算。(2)信号报警与联锁(3)数学变换富里叶变换小波变换数模变换、模数变换现在是74页\一共有184页\编辑于星期四第二章简单控制系统主要内容2.1控制系统组成和控制系统性能指标2.2过程动态特性2.3检测变送环节2.4控制阀的选择2.5控制器的控制算法2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是75页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择控制阀是自动控制系统中的重要组成部分,其作用是根据控制器输出信号,直接控制能量或物料等介质的输送量,达到控制工艺参数的目的。

由于控制阀安装在生产现场,常年与生产介质直接接触,且不少控制阀工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、易堵塞等恶劣条件下,如果控制阀选择不当或维护不善,就会使整个控制系统不能可靠工作,严重影响系统的控制质量。现在是76页\一共有184页\编辑于星期四气动调节阀2.4控制阀的选择现在是77页\一共有184页\编辑于星期四电动调节阀2.4控制阀的选择现在是78页\一共有184页\编辑于星期四液动调节阀2.4控制阀的选择现在是79页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择控制阀根据能源分类:气动、液动和电动。气动阀具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆等优点控制阀选择的内容包括:结构形式及材料的选择、口径大小及开闭形式的选择、流量特性的选择及阀门定位器的选择等。现在是80页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.4.1结构形式及材质的选择1.控制阀的结构控制阀由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构:将控制器的输出信号转换成直线位移或角位移,两者之间为比例关系;类型:薄膜式(直线位移)、活塞式(直线位移)和长行程式(角位移)。调节机构:将执行机构输出的直线位移或角位移转换成流通截面积的变化,从而改变操纵变量的大小。类型:直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋转阀、套筒阀等。现在是81页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择现在是82页\一共有184页\编辑于星期四直通单座阀只有一个阀芯,阀前后压差小,适用于要求泄漏量小的场合有一个阀芯和一个阀座。阀杆与阀芯连接,当执行机构作直线位移时,通过阀杆带动阀芯移动,从而改变操纵变量,实现调节流体流量的功能。直通单座阀是一种最常见的控制阀。2.4控制阀的选择现在是83页\一共有184页\编辑于星期四直通双座阀有两个阀芯,阀前后压差大,适用于允许有较大泄漏量的场合直通双座调节阀有两个阀芯和两个阀座。流体从左侧流入,经两个阀芯和阀座后,汇合到右侧流出。由于上阀芯所受向上推力和下阀芯所受向下推力基本平衡,因此,整个阀芯所受不平衡力小。2.4控制阀的选择现在是84页\一共有184页\编辑于星期四角阀阀体呈直角,适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质的场合2.4控制阀的选择现在是85页\一共有184页\编辑于星期四隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合2.4控制阀的选择现在是86页\一共有184页\编辑于星期四蝶阀适用于有悬浮物的介质、大流量、压差小、允许大泄漏量的场合2.4控制阀的选择现在是87页\一共有184页\编辑于星期四高压阀适用于高压控制的特殊场合2.4控制阀的选择现在是88页\一共有184页\编辑于星期四三通阀适用于分流或合流控制的场合2.4控制阀的选择现在是89页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.控制阀的材质阀芯:不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等;阀体:铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。现在是90页\一共有184页\编辑于星期四特殊情况(1)闪蒸和空化闪蒸——当压力为P1的流体流经节流孔时,流速突然急剧增加,而静压力骤然下降;当节流孔后的压力P2达到或者低于该流体所在情况的饱和蒸汽压Pv时,部分液体就气化成气体,形成气液两相共存的现象,这种现象就是闪蒸。空化——如果产生闪蒸之后,P2不是保持在饱和蒸汽压下,在离开节流孔之后又急骤上升,这时气泡产生破裂并转化为液体,这个过程就是空化。2.4控制阀的选择现在是91页\一共有184页\编辑于星期四两个阶段闪蒸——液体内形成空腔或气泡;空化——气泡破裂。严重后果闪蒸阶段——对阀芯和阀座环接触线附近造成破坏,阀芯外表产生一道道磨痕;空化阶段——气泡突然破裂,产生极大的冲击力,严重冲撞和破坏阀芯、阀体和阀座。2.4控制阀的选择现在是92页\一共有184页\编辑于星期四避免空化作用的方法从压差上考虑,选择压力恢复系数小的控制阀,如球阀、蝶阀等从结构上考虑,选择特殊结构的阀芯、阀座,如阀芯上带有锥孔,使高速液体通过阀芯、阀座时的每一点压力都高于在该温度下的饱和蒸汽压,或者使液体本身相互冲撞,形成高度紊流,使控制阀中的液体动能转化为热能,减少气泡的形成;从材质上考虑——材料越硬,抵御空化作用的能力越强。2.4控制阀的选择现在是93页\一共有184页\编辑于星期四(2)磨损当流体速度高并且含有颗粒物时,磨损非常严重。为减小磨损,选择控制阀时尽量要求流路光滑,采用坚硬的阀内件,如套筒阀;材料应选抗磨性能强的,也可以选择有弹性衬里的隔膜阀、蝶阀、球阀等。(3)腐蚀

选择隔膜阀,加衬蝶阀等;如果介质是极强腐蚀的有机酸或无机酸,采用价格昂贵的全钛控制阀。2.4控制阀的选择现在是94页\一共有184页\编辑于星期四(4)高温选择耐高温的球阀、角阀、蝶阀,并在阀体上装散热片,阀内件采用硬热性材料,或者考虑采用有陶瓷衬里的特殊阀门。(5)低温温度低于-30°C,在阀上安装不锈钢盖,内部装有高度绝热的冷箱。(6)高压降

选择角阀,和防空化控制阀2.4控制阀的选择现在是95页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.4.2口径大小及控制阀作用方式的选择1.口径大小的选择选择原则:最大流量时,阀门开度为85%左右;最小流量时,阀门开度在15%左右。2.控制阀气开和气关作用方式气开:输入的气压信号越高,阀门开度越大,失气时全关,故称FC型;

气关:输入的气压信号越高,阀门开度越小,失气时全开,故称FO型。气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节。现在是96页\一共有184页\编辑于星期四气动控制阀气开、气关组合方式图序号执行机构阀体控制阀a正正气关b正反气开c反正气开d反反气关气动控制阀气开、气关组合方式表2.4控制阀的选择现在是97页\一共有184页\编辑于星期四控制阀气开、气关形式的选择:基本原则:根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关特性实际应用:气源中断或电源中断时,进入装置的原料、热源应切断——进料阀选气开切断装置向外输出产品——出料阀选气开精馏塔回流应打开——回流阀选气关2.4控制阀的选择现在是98页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.4.3控制阀的流量特性

介质流过阀门的流量与阀杆行程之间的关系,通常用相对值来表示:式中,和分别为阀全开时最大流量和阀杆的最大行程。根据控制阀两端的压降,控制阀流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性可分为线性、等百分比(对数)、抛物线、双曲线、快开、平方根等多种类型。国内常用的理想特性有线性、等百分比和快开等几种。现在是99页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择1.线性流量特性

线性流量特性是指控制阀的流量与阀杆的行程成线性关系,即单位行程变化引起的流量变化是常数。流量与行程的关系为

定义控制阀的可调比:则线性流量特性表示为:当L=0时,;当时,。现在是100页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择1.线性流量特性

线性流量特性是指控制阀的流量与阀杆的行程成线性关系,即单位行程变化引起的流量变化是常数。调节阀增益:CL为常数,增益KV与可调比有关,与流过调节阀的流量Q无关。现在是101页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.等百分比流量特性(对数流量特性)

等百分比流量特性是指单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正比关系。流量和行程的函数关系:等百分比的流量特性的函数关系为等百分比特性控制阀的增益为现在是102页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.等百分比流量特性(对数流量特性)

等百分比流量特性调节阀,CE=lnR为常数,KV与流量q成正比,0现在是103页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择3.快开流量特性

快开流量特性是指单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成反比关系。流量与行程的函数关系为:快开流量特性的函数关系为:控制流量特性控制阀的增益为:现在是104页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择3.快开流量特性

快开流量特性,是常数,KV与流量q的倒数成正比。0现在是105页\一共有184页\编辑于星期四1-线性;2-对数(等百分比);3-快开控制阀的流量特性l/lmax(%)2.4控制阀的选择5010031203.350100q/qmax(%)现在是106页\一共有184页\编辑于星期四控制阀的理想流量特性是在阀两端压降恒定条件下的流量特性,实际应用时,控制阀两端的压降下降,因此控制阀的理想流量特性发生畸变。

压降比的定义:控制阀全开时阀两端压降占系统总压降的比值。2.4控制阀的选择一般情况下,S=1时,理想流量特性现在是107页\一共有184页\编辑于星期四随着压降比S的减小,管道总阻力增大,控制阀全开时最大流量减小,实际可调比减小;随着压降比S的减小,控制阀流量特性畸变,曲线上凸,线性畸变为快开,等百分比趋向于线性。2.4控制阀的选择现在是108页\一共有184页\编辑于星期四SS<0.30.3<S<0.6S>0.6所需工作流量特性宜用低S线性等百分比快开线性等百分比快开应选理想流量特性控制阀等百分比等百分比线性线性等百分比快开根据压降比S确定控制阀理想流量特性2.4控制阀的选择现在是109页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.4.4控制阀流量特性的选择

控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定;

控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。

流量特性选择的目的

通过控制阀增益Kv的变化来补偿被控对象增益Kp的变化,使系统开环增益基本恒定。

现在是110页\一共有184页\编辑于星期四随动控制系统的情况2.4控制阀的选择现在是111页\一共有184页\编辑于星期四定值控制系统的情况2.4控制阀的选择现在是112页\一共有184页\编辑于星期四以换热器定值控制系统为例说明控制阀工作流量特性的选择。假设两种流体均未发生相变,根据热量平衡方程有2.4控制阀的选择现在是113页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择即对象增益换热器控制阀的选择现在是114页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择(1)负荷G1变化:被控对象的负荷线随G1变化。当G1大时,Kp小,G1小时,Kp大。根据控制阀流量特性使G2大时,Kv大,使G2小时,Kv大,因此选用等百分比特性。o(a)扰动变化(b)温度变化o现在是115页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择(2)温度θ1i

变化:被控对象的负荷线随θ1o变化。Kp不随G2大小的变化而变化,即Kp为常数,根据稳定运行准则,应选用线性特性。o(a)扰动变化(b)温度变化o现在是116页\一共有184页\编辑于星期四2.4控制阀的选择2.4.5阀门定位器的选择

阀门定位器有气动阀门定位器和电-气阀门定位器两种,后者兼有电-气转换功能。阀门定位器有如下3种功能。1.改善控制阀的动、静态特性—负反馈2.改善控制阀的流量特性—改变反馈凸轮的形状3.实现分程控制

—调整零位和量程的调整现在是117页\一共有184页\编辑于星期四2.4.6其他执行器1.执行电动机2.液压伺服机构3.其他执行装置

新型直流电动机、形状记忆合金驱动执行器、压电驱动执行器、超导驱动执行器等。2.4控制阀的选择现在是118页\一共有184页\编辑于星期四第二章简单控制系统主要内容2.1控制系统组成和控制系统性能指标2.2过程动态特性2.3检测变送环节2.4控制阀的选择2.5控制器的控制算法2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是119页\一共有184页\编辑于星期四控制器将被控变量的测量值与设定值相比较,如果存在偏差,就按预先设置的不同控制规律发出控制信号,控制生产过程,使被控变量与设定值相等,控制器的输出信号随输入的偏差信号的变化而变化的规律称为控制规律。常用的控制规律有:比例(P)控制比例积分(PI)控制比例微分(PD)控制比例积分微分(PID)控制2.5控制器的控制算法现在是120页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.5.1连续PID控制算法1.比例控制(1)比例(P)控制的数学表达式

u0是控制器偏差e=0时的初值增量式:传递函数:ttu0ue(2)比例作用现在是121页\一共有184页\编辑于星期四(1)控制器输出与偏差在一定范围内保持比例关系。2.5控制器的控制算法现在是122页\一共有184页\编辑于星期四(2)通常用比例度δ表示控制器输出与偏差成线性关系的比例控制器输入(偏差)的范围,因此,又称为比例带。2.5控制器的控制算法现在是123页\一共有184页\编辑于星期四(3)比例控制是有余差的控制,Kc越大,余差越小,最大偏差也越小,但系统的振荡也越剧烈,稳定性越差。2.5控制器的控制算法现在是124页\一共有184页\编辑于星期四(3)比例控制是有余差的控制,Kc越大,余差越小,最大偏差也越小,但系统的振荡也越剧烈,稳定性越差。对于二阶衰减振荡,定值控制系统的最大偏差:可见,随着过程增益Kc的增加,最大偏差减小,但稳定性变差。2.5控制器的控制算法现在是125页\一共有184页\编辑于星期四(3)比例控制是有余差的控制,Kc越大,余差越小,最大偏差也越小,但系统的振荡也越剧烈,稳定性越差。对于二阶衰减振荡,随动控制系统的超调量:可见,随着过程增益Kc的增加,余差减小,而超调量增大。2.5控制器的控制算法现在是126页\一共有184页\编辑于星期四(3)比例控制是有余差的控制,Kc越大,余差越小,最大偏差也越小,但系统的振荡也越剧烈,稳定性越差。2.5控制器的控制算法现在是127页\一共有184页\编辑于星期四(3)比例控制是有余差的控制,Kc越大,余差越小,最大偏差也越小,但系统的振荡也越剧烈,稳定性越差。定值控制系统KC增加时2.5控制器的控制算法现在是128页\一共有184页\编辑于星期四对于开环不稳定对象,则应具体情况具体分析:2.5控制器的控制算法现在是129页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法开环不稳定对象的示例现在是130页\一共有184页\编辑于星期四比例度参考范围:压力控制系统——30%~70%流量控制系统——40%~100%液位控制系统——20%~80%温度控制系统——20%~60%适用场合:干扰较小、对象时滞较小而时间常数并不太小,控制质量要求不高,允许有余差的场合。2.5控制器的控制算法现在是131页\一共有184页\编辑于星期四2.比例积分控制2.5控制器的控制算法传递函数:(2)比例积分作用u0(1)比例积分控制规律数学表达式ttue现在是132页\一共有184页\编辑于星期四比例积分控制2.5控制器的控制算法现在是133页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法(3)积分时间Ti的影响0ty(t)

Ti减小PI控制器(1)比例作用基础上叠加对偏差的积分输出

—消除余差(2)Ti小,积分作用强,消除余差的能力强,但是,系统振荡加剧,衰减比变小;(3)Ti大,积分作用弱,消除余差的能力弱。现在是134页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法(3)积分时间Ti的影响现在是135页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法定值控制系统Ti增加时(3)积分时间Ti的影响现在是136页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法比例积分控制引入积分作用后,要保持原有的稳定裕度,必须减小比例增益Kc,同时会使其他控制指标下降。适用场合:因其能消除余差,范围较广,大多数场合都可使用。Ti常用范围:压力控制系统——0.4~3min流量控制系统——0.1~1min温度控制系统——3~10min液位控制系统——一般不加入积分作用现在是137页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法3.比例微分控制(1)比例微分控制规律数学表达式传递函数:(2)比例微分作用eu(t)0ttKc

e0现在是138页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法理想比例微分控制现在是139页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法实际比例微分控制实际比例微分控制传递函数KD为“微分增益”,一般为5~10现在是140页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法(3)微分时间Td的影响

PD控制器(1)也是和比例作用配合,P、PI、PD、PID(2)微分输出与偏差变化速度成正比,

——

“超前”调节作用(3)Td大,微分作用大,控制系统灵敏,但稳定性变好现在是141页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法使用微分作用时,需注意:(1)微分时间Td的要适当;(2)微分作用适用于容量滞后较大的对象,但对时滞不起作用;(3)对于具有大噪声的对象,一般不引入微分作用;(4)

KD>1,正微分;

KD<1,反微分;(5)对于PD或PID控制系统,设定值调整需缓慢进行,或者“微分先行”——只对测量值进行微分计算。现在是142页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法4.比例积分微分控制从以上讨论可知,比例、积分、微分3种控制规律各有其独特的作用。将3种控制规律组合在一起,就是比例积分微分(PID)控制,其数学表达式为现在是143页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法4.比例积分微分控制

现在是144页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法4.比例积分微分控制实际PID数学表达式为比例积分微分(PID)控制器适用于被控对象负荷变化较大,容量滞后较大,干扰变化比较强,工艺不允许有余差存在,且控制质量要求较高的场合。现在是145页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法5.积分饱和及其防止

实际积分作用与比例作用一样,只在一定范围内起作用,输出达到限值后就不继续上升或下降,这是积分作用的饱和特性;因积分过量造成执行机构不能及时改变方向的现象称为积分饱和。积分饱和的原因:内因:控制规律有积分作用,使积分输出达到某一限值;外因:由于偏差长期存在,例如阀关闭、控制器未选中等

现在是146页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法5.积分饱和及其防止

现在是147页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法5.积分饱和及其防止防止积分饱和现象有以下3种方法。(1)对控制器的输出加以限幅,使其不超过额定的最大值或最小值。(2)限制控制器积分部分的输出,使之不超过限值。(3)积分切除法,即在控制器的输出超过某一限值时,将控制器的控制规律由比例积分自动切换成纯比例控制状态。现在是148页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.5.2离散PID控制算法1.离散PID控制算法(1)位置式PID控制算法(2)增量式PID控制算法(3)速度式控制算法现在是149页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.5.2离散PID控制算法1.离散PID控制算法(1)位置式PID控制算法现在是150页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.5.2离散PID控制算法1.离散PID控制算法(2)增量式PID控制算法现在是151页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.5.2离散PID控制算法1.离散PID控制算法(3)速度式控制算法现在是152页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.离散PID控制算法的特点与连续PID控制算法相比较,离散PID控制算法具有下列特点。(1)PID三种控制参数独立的,没有控制器参数之间的关联。(2)离散PID控制器的参数可以在更大范围的设置。现在是153页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.离散PID控制算法的特点与连续PID控制算法相比较,离散PID控制算法具有下列特点。(3)离散PID控制器是采样控制,相当于引入时滞环节,所以控制品质差于连续控制品质。常用控制度表示连续控制与离散控制控制品质的差异程度。控制度定义为控制度总是大于1。采样周期越小,控制度越小;采样周期越大,离散控制品质越差。现在是154页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.离散PID控制算法的特点与连续PID控制算法相比较,离散PID控制算法具有下列特点。(4)采样周期Ts选择,满足香农定理现在是155页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法2.离散PID控制算法的特点(4)采样周期Ts选择,满足香农定理现在是156页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法3.离散PID控制算法的改进(1)积分分离所谓的积分分离,就是仅在偏差处于较小的范围内才使用积分作用,当偏差大于一定的数值时,则取消积分的作用。其算式为其中,当e(k)≤A时,Kl=1,即引入积分作用;当e(k)≥A时,Kl=0,即取消积分作用;A为预定的阈值。现在是157页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法(2)不完全微分所谓的不完全微分,是用实际的微分环节来代替理想微分环节其中,(b)t完全微分与不完全微分的阶跃响应0uupudu1u0(a)u1udupt现在是158页\一共有184页\编辑于星期四2.5控制器的控制算法3.微分先行所谓的微分先行,是将微分环节移到测量值与设定值的比较点之前,即对测量值y(t)而不是对偏差e(t)进行微分运算。微分先行算式微分先行现在是159页\一共有184页\编辑于星期四第二章简单控制系统主要内容2.1控制系统组成和控制系统性能指标2.2过程动态特性2.3检测变送环节2.4控制阀的选择2.5控制器的控制算法2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是160页\一共有184页\编辑于星期四2.6控制器控制规律选择与参数整定2.6.1控制器正反作用的选择现在是161页\一共有184页\编辑于星期四2.6控制器控制规律选择与参数整定2.6.1控制器正反作用的选择(-)控制器执行器被控对象测量变送器+-reumyz工业控制器(正作用)(-)(+)(+)广义对象(负作用)(?)现在是162页\一共有184页\编辑于星期四2.6控制器控制规律选择与参数整定2.6.1控制器正反作用的选择气开阀现在是163页\一共有184页\编辑于星期四2.6控制器控制规律选择与参数整定2.6.1控制器正反作用的选择气开阀蒸汽现在是164页\一共有184页\编辑于星期四2.6.2控制器的参数整定若干原则假设广义对象为控制器参数:2.6控制器控制规律选择与参数整定-现在是165页\一共有184页\编辑于星期四(1)开环总增益为KcKo,如果增大了Ko,则相应减小相同倍数的Kc;反之亦然。例如,变送器量程变小,则相应减小Kc。(2)是广义对象的动态参数,该值越大,控制系统越不易稳定,应取Kc较小,(3)P,I,D三者中,比例是最基本的控制作用,先采用比例作用,然后再考虑Ti,Td。也可以按广义对象的纯滞后,设置Ti,Td,最后调Kc2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是166页\一共有184页\编辑于星期四(4)积分作用的引入:可以消除余差,应尽量缩小不稳定性。一般,Tp为工作周期。引入积分作用,相位滞后小于40°,幅值比增加小于20%,Kc下降10%~20%。(5)微分作用的引入:对容量滞后有效,而对纯滞后无能为力,一般,引入微分后可适当提高稳定性,Kc可以提高10%~20%。对含有高频噪声过程,不宜引入微分,有些流量系统可以引入反微分。2.6控制器控制规律选择与参数整定现在是167页\一共有184页\编辑于星期四(6)稳定性是控制系统品质的基本性能,一般取衰减比n作为稳定性指标。对于PI控制器,满足衰减比有多组Kc与Ti,一般取Kc/Ti

大的一组为好。因为

Kc/Ti越大,则积分作用越强,控制品质好。(7)衰减比n的选择:对于定值控制系统,要求被控变量在受到干扰的

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