前馈系统及其在工业中的应用--以换热器为例

过程控制系统设计2小组分组设计

第二组分组设计作业

前馈控制系统及其 在工业中的应用 ——以换热器为例

2011年10月19日完成

目录

1.小组分工

1.1 任务布置 1.2 团队合作

2.前馈控制系统知识介绍

2.1 前馈控制及其基本概念 2.2 前馈-反馈控制系统

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3.前馈控制系统实例分析

3.1 实例选择

3.2 题目拟定以及初步分析 3.3 控制系统硬件选型 3.4 控制系统的仿真

4.总结

5.参考文献

1 小组分工

It is TEAMWORK that works！

1.1任务布置

此次小组设计共有五名同学参加，分别是：

其中组长为x同学，并由顾同学负责任务的布置和检查，以及汇总。 每个成员任务如下:

x同学负责任务的布置以及检查汇总工作，并总结各人的工作完成上课演示的PPT以及上交的WORD文档；并和梁博文同学一起完成硬件选型工作。

x同学（男）负责对书本上以及参考文献的上关于前馈控制的知识进行汇总以及概括总结，作为分组设计第一部分内容“前馈控制及其工作原理介绍”。并寻找实际前馈控制中控制通道，干扰通道的传递函数。

x同学负责前馈控制的实例选择。通过选择实际情况下的应用案例，选择我们前馈控制的实际案例分析并对此案例作出初步的控制目标选定，控制方案选

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定，控制系统框图的选定。

x同学负责前馈控制的硬件选定。通过对控制目标，控制任务的确定，在实际控制元件中找出符合此次控制任务的适宜元件。

x同学（女）负责仿真系统的完成。通过控制系统方框图的选定，在Simulink仿真环境下对实例进行仿真，选定合适参数，完成仿真结果。

1.2 团队合作

此次小组任务是通过团队合作的形式完成，并不只是每个人完成各自的工作即可。具体团队合作形式如下;

1.每位小组成员的工作是相互联系的。每个成员工作完成的好坏直接影响到其他同学的工作是否能够及时有效的完成。例如：x同学（男）的传递函数选取会影响到x同学的仿真系统的设定；x同学的实例选取是所有实例分析的基础，只有他的工作完成才能进一步对换热器系统控制这一实例进行进一步的分析；而x同学的硬件实施直接受杨同学选定实际案例的影响。

2.每一位同学的工作都是在其他同学的共同帮助之下完成的。我们小组不仅在课上讨论，课下也有数次的小组讨论，每个人得到自己的规定任务之后在规定时间之内完成并在下一次会议之前上交由顾组长汇总。小组会上将汇总之后的初稿进行共同修改和完善，各位同学将自己在完成自己任务时的心得体会进行分享，并对其他同学的阶段成果做出建议，直至所有工作完成。

总之，这次小组活动是一次团队合作的结果。我们每个人都努力为这一次小组任务做出了自己的贡献，在此一并感谢。

2．前馈控制器及其工作原理介绍

2．1前馈控制器及其工作原理介绍

2.1.1.前馈系统的基本概念

不同于反馈控制，是按照引起被控变量的变化的干扰大小进行控制的。控制系统中需要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并且能测出时，控制器就能发出控制信号并使控制器做出相应变化，使两者抵消于被控变量发生偏差之前。

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图1 前馈系统基本框图

2.1.2 前馈控制的主要特点

和反馈控制系统比较，前馈系统的主要特点如下： (1).前馈控制属于“开环”控制系统，输出变量不会经反馈回路影响到补偿器的输出。

(2).前馈控制按照干扰作用大小进行控制 ，比反馈控制及时、有效 (3).前馈控制系统的补偿量的设计可以实现“不变性”的原理。 (4).一种前馈作用只能控制某一特定干扰 (5).前馈控制要使用专用的前馈控制器 2.1.3 前馈控制的主要形式

前馈控制的传递函数为： Gf(S)G(S)? BGV(S)GO(S)

G其中： B(S)为前馈控制器的传递函数 Gf(S)为外部干扰通道的传递函数

GV(S)为控制阀传递函数 GO(S)为被控对象控制通道的传递函数

(1）静态前馈控制

前馈控制器的输出只是输入量的函数，干扰通道和控制通道的动态特性相同时，控制器采用比例控制，即为静态前馈控制。是前馈模型中最简单的形式。

控制模型如下：

图2 前馈系统静态控制模型

静态前馈控制器是一个比例环节。

（2）动态前馈控制

动态前馈的实现基于不变性原理,动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，但结构往往比较复杂,需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考使用动态前馈方案。

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动态前馈G（满足绝对不变性： ffS）Gff(S)??Gf(S)/Go(S) 常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯性环节。

Kf??fsG(S)?ef 1?Tfs

Go(S)?Koe??os1?TosKf1?Tos?(?f??o)s??eKo1?TfsKf?(?f??o)s故有：G ff(S)???eKo1?T1s一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用: Gff(S)??Kff?1?T2s

2.1.4 前馈控制的缺点 前馈系统的缺点如下 (1).补偿结果无法检测；

(2).难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置； (3).一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量

2.1.5 前馈控制的应用条件

前馈控制主要的应用场合有以下几种情况：

(1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。

(2）主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以运用检测变送装置将其在线转化为标准的电或气的信号；所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定。

(3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。

则:Gff(S)??2.2前馈----反馈控制系统（FFC一FBC）

2.2.1 前馈系统的实际偏差

在理论上，前馈控制可以实现受控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因，前馈控制系统依然会存在偏差，原因如下：

（1）实际的工业对象会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。这样设计的前馈控制器对其它干扰是丝毫没有校正作用的。

（2）受前馈控制模型精度限制。

（3）用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节e?s或纯微分环节(TDs?1)时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的：如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。

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4 总结

通过这次小组设计，我们意识到：

前馈对于调节控制速度和控制精度要求较高的控制系统的有反馈无法取代的作用。其控制速度很快，精度也很高，具有不变性。

对比前馈、反馈及前馈—反馈复合控制系统的控制效果，可以看出复合控制系统的效果是最好的，在工业上也是应用最广的。

此次设计，让我们对前馈控制这一方面的知识有了深入的了解，并且充分锻炼了大家的团队合作能力,从理论到实际，团队中每个人都参与到其中，都在挑战各自任务的困难的同时增加了自己的知识，从分工到合作，团队中每个人锻炼了自己独立思考和与人协作的能力。而我们在选型等一系列过程中，也提高了自己理论联系实际的能力。

但是在这次的设计过程之中还是出现了一些问题。由于分组设计的时间有些仓促，对于硬件的选型并不是十分的完美，在输出输入信号的选择上出现了错误。同时也存在使用的控制元件过于精细，经济性有所不足等问题。每一个成员的工作的合作性还有待加强。

另在这篇报告和课上演示的PPT之中，不足之处也在所难免。也希望能给予批评指正，本小组五位成员在此表示衷心感谢。

感谢每一位为这次分组设计作业给出指导和帮助的老师和同学。

第二小组小组长：x同学 2011/10/19

5 参考文献

[1]张早校 主编， 《过程控制装置及系统设计》.北京大学出版社, 2010.8月.

[2]王毅，张早校 主编，《过程装备控制技术及应用（第二版）》.化学工业出版社,2008.8月.

[3]朱聘冠，《换热器原理及计算》，北京：清华大学出版社，1987 [4]《套管换热器温度前馈_反馈控制系统的实验研究》，浙江大学化工自动化教研组，上海工业自动化仪表教研室.

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D 报警输出 B□ N L G K1 K2 控制输出 K3 K4 X1 X2 X3 X4 P 通讯输出 R S 变送器配电电源 V12 V24 供电电源 W 输入信号

输入类型表

参数提示符 输入信号内容 方式723723110 mm B1-1个报警点，B2-2个报警点 无控制输出 继电器控制输出 固态继电器输出 单相可控硅过零触发 三相可控硅过零触发 单相可控硅移相触发 三相可控硅移相触发 4-20mA输出 0-10mA输出 1-5V输出 0-5V输出 微型打印机 串行通讯RS232 串行通讯RS485 无馈电输出 带DC12V馈电输出 带DC24V馈电输出 220VAC供电 DC24V供电 Sn 见\输入信号类型表\

参数提示符 输入信号内容 21

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tc-K tc-S tc-E tc-b tc-t tc-n tc-j P100 C100 Cu50

K型 S型 E型 B型 T型 N型 J型 Pt100 Cu100 Cu50 rtd 1000 bA1 bA2 0-50 0-5V 1-5V 0-20 0-10 4-20 0-400Ω Pt1000 BA1 BA2 0-50mA 0-5V 1-5V 0-20mA 0-10mA 4-20mA 最终选择型号如下：尺寸723723110 mm，4~20mA给定信号以及输出控制信号。24V直流电源供电，无馈电输出

由于输入信号可以选择，因此，温度控制器（反馈控制器）选择1~5V直流电压输入信号， 流量控制器（前馈控制器）选择流量计输入的4~20mA信号。

3.3.5控制阀的选型

控制阀由执行机构和调节机构组成。执行机构可分解为两部分：力或力矩转换部件和位移转换部件。将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件；将力或力矩转换为直线位移或角位移的部件称为位移转换部件。调节机构将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化，改变操纵变量的数值。下图是控制阀组成部分的框图：

图21 控制阀组成部分框图

执行机构有不同的类型，按所使用能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。按执行机构输出的移动方向，执行机构分为正作用和反作用执行机构。正作用执行机构在输入信号增加时，阀杆向外移动。反作用执行机构在输入信号增加时，阀杆向内移动。按执行机构输出位移的类型，执行机构分为直行程执行机构、角行程执行机构和多转式执行机构。按执行机构输出和输入的动作特性，执行机构分为比例式、比例积分式等类型。

调节机构也有不同的类型。通常，将调节机构称为阀。按结构分类，调节机

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构分为直通单座阀、直通双座阀、三通阀、角形阀、高压阀、隔膜阀、套筒阀、球阀、偏心旋转阀、闸阀和蝶阀等。大多数普通的阀门可添加有关阀门附件，例如执行机构、阀门定位器、阀门位置检测传感器等。

按流量特性，调节机构分为线性阀、等百分比阀和快开阀等。按阀芯的形式，调节机构分为直行程和角行程阀芯等。直行程阀芯，分平板式、柱塞式、窗口式、多级式和套筒式等。角行程阀芯分为偏心旋转式、球式、V形切口式和蝶式等。

除了执行机构和调节机构外，控制阀还可添加一些附件来配合控制阀的动作，包括阀门定位器、手轮机构、信号转换装置、阀位检测、传送装置和自锁装置等，这些附件使控制阀的功能更完善，使用更方便，应用更灵活，性能更优越。

从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过控制阀来实现。由于下列原因，控制阀变得十分重要。

（1）控制阀是节流装置，属于动部件，与检测元件和变送器、控制器比较，在控制过程中，控制阀需要不断改变节流件的流通面积，使操纵变量变化，以适应负荷变化或操作条件的改变。因此，对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如，密封会使控制阀摩擦力增加，控制阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。

（2）控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。

（3）控制阀的阀内件与过程介质直接接触，和检测元件与过程介质接触的不同之处如下 a．控制阀阀组件的接触介质可能与检测元件的接触介质不同，对控制阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。 b．检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但控制阀通常与过程介质直接接触，很难采用隔离的方法与过程介质隔离。

（4）控制阀的节流使能量在阀内件内部被消耗，因此，降低能耗，降低控制阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。

（5）控制阀对流体进行节流的同时也造成噪声。例如，当阀出口压力低于液体的蒸汽压力时，造成闪蒸；当阀下游压力高于液体蒸汽压力时，造成汽蚀。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关，因此，降低噪声，降低压力损失等对控制阀提出更高要求。

（6）控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程，生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的功能，控制阀应能够适应不同应用的要求。

（7）检测元件和变送器、控制器等发展快，投入的人力和物力多。相对来看，通常认为控制阀结构简单，因此，对控制阀投入研究和开发的人力和物力相对不足。

我们选择上海一环公司生产 电动三通合流分流调节阀（选择分流作用，电开式）。

选择三通合流分流调节阀的理由如下： 在此控制系统中，流入控制管道的热废水总流量是不可控制的，而可控的是流入换热器的热废水的量。而当热废水总流量大于流入换热器热水总流量时，多余热废水需要流走至下一工序而不是被堵在阀门之外。因此选择普通单通道阀门就并不合适。故选用三通合流分流阀。

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图22电动三通合流分流调节阀实物图

性能指标如下

阀体、阀盖：WCB、HT200、ZG230-450、ZG1Cr18Ni9Ti 阀芯、阀座1Cr18Ni9Ti、司钛莱合金堆焊 填料聚四氟乙烯、不锈钢波纹管

阀杆推杆2Cr13、1Cr18Ni9Ti 衬套2Cr13 垫片橡胶石棉板、1Cr18Ni9Ti、石墨缠绕垫片 固有流量特性直线、抛物线 工作温度(℃)

普通型:铸铁：-20～200、 铸钢：-40～250、 铸不锈钢：-60～250 散热型:-40～450、 铸不锈钢: -60～450 介质温度（℃） 200以下（对合流阀而言） 固有可调比R30：1

公称压力PN (Mpa) 1.6、 4.0、 6.4

允许泄漏量硬密封：Ⅳ级、 软密封：Ⅵ级 作用方式 电开式、电关式

信号范围（mA.DC）0～10、 4～20 电源电压220V、 50HZ

最终选型指标如下：

选用普通型电开式，公称压力1.6MPa 流量特性：抛物线型

输入信号范围：4~20mA 直流电

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对于该控制系统，当被控变量即冷流体出口温度升高时，应该使操纵变量即热流体的流量减小，故是一个反作用系统。而测量变送器一般都是正作用的，本次设计中，被控对象是正作用的，执行器选择电开（相对于流入换热器这一管路而言）式的正作用阀，当执行器输入信号故障或无信号输入时时，信号电流为0，阀门最小，流入换热器的热水的量最少，降低被加热水出水温度，起到一定安全保护作用。前馈选择正作用的控制器，反馈选择反作用的控制器。

3.3.6 防爆考虑

此系统无需考虑防爆系统，无论是被加热的冷水，还是加热用的工业废水，其从水中挥发出的易爆物的浓度很低，故不需考虑防爆作用。

3.3.7硬件汇总清单

实现此次设计所需的硬件设备如下:

编号 1 2 3 4 5 测温器 温度变送器 流量测量变送计 控制器 执行器 WZC-120铜装配热电阻 SK-WD通用型智能温度变送器 SKLUCB型插入式涡街流量器 SK－808/900系列智能PID调节仪 电动三通合流分流调节阀 1 1 1 2 1 其中之一需改装 分流作用，电开式 名称 型号 数量 备注

3.3.8 连接方式

连接方式如图所示：

图23 控制系统硬件连接方式

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图中两根线相连的元件代表两线制信号输入/输出。流量测量信号，流量控制器接收以及控制信号，温度控制器控制信号为4~20mA直流电信号，温度变送输出信号，温度控制器（反馈控制器）接收信号为1~5V直流电信号。数字为变送器或控制器接口编号，+,-号代表正负极。流量测量变送器，温度变送器，控制器均以24V直流电压为电源并接地，控制器给定4~20mA直流电。变送器7,8号接口短接。给水阀所得信号由前馈以及反馈控制系统得到的两路控制信号由与门叠加后所得。给水阀接入220V交流电为电源并接地。

图中各硬件电源接口，接地线，控制器给定信号输入线，未流入换热器的热废水管道等略去。

3.4 控制系统的仿真

3.4.1 仿真分析

该换热器可看成双容控制对象，改变冷物料的流量会先改变金属管子的表面温度，管子会吸收热量，它有一个蓄热容积，管子内的物料又有一个蓄热容积，所以这个换热器是一个双容对象。

工业工程中，受控对象容积数目可以很多，每个容积大小也不相等，传递函数的一般形式为

Gp?s??K?T1s?1??T2s?1?...?Tns?1?为了分析和设计问题简化，常将对象特性近似成

KGp?s??e??sTcs?1根据参考文献在该系统中，调节通道的传递函数是

e?2s Gpc(s)?5418s?1冷水流量通道的传递函数是

?1.3se Gpd(s)?6014s?1在Simulink仿真环境里， 建立的仿真模型如下：

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图24 Simulink仿真示意图

与下图对比可以清晰看出各组件的作用，其中的通过调节双向开关可以改变前馈、反馈或前馈-反馈复合控制系统的选择。

图25 前馈-反馈示意图

3.4.2 仿真系统参数整定 （1）.反馈控制系统

在过程自动控制系统中，反馈控制是应用最广泛的控制方式。其控制系统基于反馈控制原理，采用闭环结构，不论产生偏差的根源何在，均根据偏差进行调节，只要外作用(扰动)能平稳下来，控制回路最终能使偏差消除或基本消除。反馈控制作用与引起偏差的原因无关，具有普遍适应性的优点。

Kp、选择常用的PID反馈控制器，参数的整定采用经验试凑法。调节比例系数

Kd，到获得满意的波形。 积分系数 Ki、微分系数

K整定结果： =0.01 =0.001 =0.002 KiKdp27

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图26 反馈控制结果示意图

从上图可以看出，反馈控制的稳态误差为零，可以将被加热物料的出口温度很好的维持在40℃，稳态时间大概为110s，但是该控制最大的缺陷是最大偏差很大，超出调节器的调节范围，不能达到要求的控制效果。反馈控制根本无法将扰动的影响克服在被调量偏离其给定值之前；故反馈控制存在被动性，从而限制了控制质量的进一步提高。因此，反馈控制对大延迟和多干扰的过程，调节品质往往很难令人满意。 1. 前馈控制系统

前馈控制与反馈控制的显著区别是前馈控制需要对扰动信号进行检测，只要扰动信号一出现就进行控制，也就有可能在干扰对被调量产生影响并使其偏离设定值而产生偏差之前进行控制，也就有可能使被调量不出现偏差或偏差很小，这是前馈控制的优点。 1+T1sKf，其中 Kf为静态参数，常用的前馈控制模型为： 、T 为动态参T121?T2s数。

T1T2f整定参数：K =1.11 =18.1 =14

图27 前馈控制参数整定示意

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前馈控制能很好的克服扰动，稳态时间大概90s。但是前馈控制也有不足之处，通过下图的比较说明。

图28.1 Kf=1.11

图28.3 Kf=1.20 图28.2 Kf=1.13

对比三幅图发现静态参数微小的变化对控制效果的影响很大，当Kf由1.11变为1.20时，稳态值由40℃变为35℃。前馈控制的缺点首先是要求扰动具有可测性，其次是扰动测量的准确性问题，前馈控制对扰动的测量准确性和对象数学模型的准确性均有较高的要求，这在实际中有时很难满足。这些问题给单独应用前馈控制带来困难。因此在实际控制系统中，单独应用前馈控制能达到控制目的的系统很少。而大量应用的则是将反馈控制和前馈控制相结合的复合控制系统 。 2. 前馈-反馈复合控制系统

复合控制系统中，由前馈控制对主要且易于测量的扰动进行快速补偿，反馈控制则完成对被调量的校验调节以及对其它各扰动引起的偏差进行调节。

参数整定只需将分别整定好的前馈控制器与反馈控制器直接组合起来，一般均可达到理想效果。如果有必要，可以对参数进行简单调整。

T1T2f整定参数：K =1.2 =18.1 =14

=0.02 =0.0018 =0.002 KpKiKd29

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图29 最终整定图

从控制结果可以看出，前馈-反馈控制可以很快的消除偏差，且不造成大的波动，最大偏差0.8℃，稳态时间大概90s，可以满足题目的控制要求。前馈-反馈控制系统既发挥了前馈控制快速补偿的优点，又保持了反馈控制具有普遍适应性的长处，因而得到广泛的应用 。

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4 总结

通过这次小组设计，我们意识到：

前馈对于调节控制速度和控制精度要求较高的控制系统的有反馈无法取代的作用。其控制速度很快，精度也很高，具有不变性。

对比前馈、反馈及前馈—反馈复合控制系统的控制效果，可以看出复合控制系统的效果是最好的，在工业上也是应用最广的。

此次设计，让我们对前馈控制这一方面的知识有了深入的了解，并且充分锻炼了大家的团队合作能力,从理论到实际，团队中每个人都参与到其中，都在挑战各自任务的困难的同时增加了自己的知识，从分工到合作，团队中每个人锻炼了自己独立思考和与人协作的能力。而我们在选型等一系列过程中，也提高了自己理论联系实际的能力。

但是在这次的设计过程之中还是出现了一些问题。由于分组设计的时间有些仓促，对于硬件的选型并不是十分的完美，在输出输入信号的选择上出现了错误。同时也存在使用的控制元件过于精细，经济性有所不足等问题。每一个成员的工作的合作性还有待加强。

另在这篇报告和课上演示的PPT之中，不足之处也在所难免。也希望能给予批评指正，本小组五位成员在此表示衷心感谢。

感谢每一位为这次分组设计作业给出指导和帮助的老师和同学。

第二小组小组长：x同学 2011/10/19

5 参考文献

[1]张早校 主编， 《过程控制装置及系统设计》.北京大学出版社, 2010.8月.

[2]王毅，张早校 主编，《过程装备控制技术及应用（第二版）》.化学工业出版社,2008.8月.

[3]朱聘冠，《换热器原理及计算》，北京：清华大学出版社，1987 [4]《套管换热器温度前馈_反馈控制系统的实验研究》，浙江大学化工自动化教研组，上海工业自动化仪表教研室.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wdrh.html