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1、1 1.课程设计目的随着科学技术的发展，现代过程工业规模加大，复杂程度变高，对产品的质量要求更加严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因此想要满足这些要求，解决这些问题，是不能仅仅只依靠简单的控制系统的，故引入更为复杂、更为先进的控制系统是十分必要的。由于采用复杂控制系统的装置或对象都是工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要予以特别的重视。串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的
2、封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用；能实现实时现场监控，能充分利用 Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表；它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。应用组态技术，是现代工业控制的必然趋势。本课题的意义在于对组态王软件的学习和应用组态王软件进行开发设计，尤其是对串级控制系统的开发设计。学会应用组态王软件开发串级压力监控系统：设计监控界面，设定参数变量，进行动画连接，
3、实现历史曲线、实时曲线的显示与监控等。2.课程设计题目描述和要求2.1 课程设计主要内容：（1）理解 DCS 控制系统与组态软件（2）理解组态软件的功能及其结构（3）收集国内外常用工业组态软件的资料（4）着重学习并应用“组态王”工业组态软件（5）设计反应车间的计算机监控系统（6）撰写课程设计报告2.2 设计需要实现功能（1）总貌流程图实时动态显示名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 29 页 -2（2）实时数据报表显示、打印（3）历史数据报表存储与查询（4）实时趋势曲线显示（5）事件报警窗口显示（6）系统用户登录与权限配置3.课程设计报告内容3.1 组态王的介绍3.1.
4、1 组态王软件的结构“组态王”采用了多线程、COM 组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠，是全中文界面的组态软件。组态王具有在“组态王工程浏览器”查看工程的各个组成部分、完成构造数据库、定义外部设备等功能。工程浏览器调用画面制作系统 MAKE 和画面运行系统 VIEW来完成画面的开发和运行。应用程序的开发环境是MAKE。在这个环境中需要完成设计画面、动画连接等工作。MAKE 具有先进完善的图形生成功能；能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、过程记录、趋势曲线、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。VIEW是“组态王”软件的实时运行环境，在 MAKE 中建立的图形画面只有在VIEW
5、中才能运行。VIEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还有把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视的功能，并生成历史数据文件。3.1.2 组态王与外部设备的通讯“组态王”外部设备是第一台下位机，在开发过程中根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接过程。在运行期间，组态王通过这些外部设备和驱动程序交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动程序都是一个COM 对象的方式使驱动和组态王构成一个如图3-1 所示的完整的系统，使系统有很强的扩展性也保证了运行系统的高效率。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 29
6、页 -3 图 3-1 组态软件与下位机通讯3.2 监控系统的设计开发者在 MAKE 中制作的画面都是静态的，它们通过实时数据库以动画方式反映工业现场的状况，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。数据库变量的变化导致画面的动画效果。通过“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，当工业现场的数据，比如温度、液面高度等发生变化时，通过驱动程序，将引起实时数据库中变量的变化，如果画面上有一个图素，比如指针，规定了它的偏转角度与这个变量相关，就会看到指针随工业现场数据的变化而同步偏转。设计人机接口的一次突破是动画连接的引入，它提供了标准的工业控制图形界面，把程序员从重复的图形
7、编程中解放出来，并且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。3.2.1 建立新工程首先为工程指定工作目录(或工程路径)。组态王用工作目录表示工程，不同的工程应置于不同的目录下。通过工程管理器完成新工程的创建。请执行以下操作：（1）在工程浏览器中选择菜单“工程/新建”，出现“新建工程”对话框。（2）在对话框中输入工程名称：液位流量串级控制系统（3）在工程描述中输入：我的工程（4）工程路径自动指定为当前目录下以工程名称命名的子目录。新建好的“液位流量串级控制系统”工程如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 29 页 -4 图 3-2 建立新工程3.2.2 创建组态
8、画面在工程浏览器中左侧的树形视图中选择选择“画面”，在右侧视图中双击“新建”。工程浏览器将运行组态王开发环境TOUCHMAK，弹出如下对话框。在“新画面”对话框中设置如下图，在对话框中单击“确定”。TOUCHMAK将按照你指定的风格产生一幅名为“液位流量串级控制”的画面。图 3-3 创建组态画面接下来在此画面中绘制各图素。绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示，如果工具箱没有出现，选择菜单“工具显示工具箱”或按 F10键打开它。工具箱中各种基本工具的使用方法和WINDOWS中“画笔”很类似。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 29 页
9、-5 图3-4图库管理器与工具箱利用组态王提供的绘图工具箱，结合现场设备的布局和外观，创建组态画面，以抽象的图形画面来模拟实际的液位流量串级控制系统，如下图：图 3-5 液位流量串级控制系统组态图3.2.3 定义 I/O 设备名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 29 页 -6 IO设备既外部设备，组态王把与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机(PLC、仪表、模块、板卡、变频器等)，它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows 应用程序，它们之间一般通过 DDE 交换数据；网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过 IO
10、变量和它们交换数据。（1）仿真 plc 的定义程序在实际运行中是通过I/O 设备和下位机交换数据的，当程序在调试时，可以使用仿真 I/O 设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。组态王提供一个仿真PLC设备，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。在使用仿真 PLC设备前，首先要定义它，实际 PLC设备都是通过计算机的串口向组态王提供数据，所以仿真PLC设备也是模拟安装到串口COM 上，定义过程如图图 3-6 仿真 plc 的定义需要注意的是这里定义的串口是虚拟的，实际仿真PLC设备并不使用计算机的COM 口，而且 COM 口也不需要配置。名师资料总结-精品资料欢迎下载
11、-名师精心整理-第 6 页，共 29 页 -7（2）串口类设备定义为方便你定义外部设备组态王设计了“设备配置向导”引导你一步步完成设备的连接。工程人员根据设备配置向导就可以完成串口设备的配置，组态王最多支持 128个串口。工程人员从树形设备列表区中可选择PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等节点中的一个。然后选择要配置串口设备的生产厂家、设备名称、通讯方式；PLC、智能仪表、智能模块、变频器等设备通常与计算机的串口相连进行数据通讯。操作步骤如下图：图 3-7 串口类设备定义（3）串口参数设置对于不同的串口设备，其串口通讯的参数是不一样的，如波特率、数据位、校验位等。所以在定义完设备之后，还
12、需要对计算机通讯时串口的参数进行设置。如上节中定义设备时，选择了 COM1 口，则在工程浏览器的目录显示区，选择“设备”，双击“COM1”图标，弹出“设置串口COM1”对话框，如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 29 页 -8 图 3-8 串口参数设置在“通讯参数”栏中，选择设备对应的波特率、数据位、校验类型、停止位等，这些参数的选择可以参考组态王的相关设备帮助或按照设备中通讯参数的配置。“通讯超时”为默认值，除非特殊说明，一般不需要修改。“通讯方式”是指计算机一侧串口的通讯方式，是 RS232或 RS485，一般计算机一侧都为RS232，按实际情况选择相应的
13、类型即可。3.2.4 构造数据库变量数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。（1）变量定义方法选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标
14、，弹出“变量属性”对话框如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 29 页 -9 图 3-9 变量定义此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，在“变量名”处输入变量名，如：“检测值 1”；在“变量类型”处选择变量类型如：“I/O 实数”，设置好其他参数，单击“确定”即可。（2）基本变量类型变量的基本类型共有两类：内存变量、I/O 变量。IO 变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，如下位机数据采集设备（如 PLC、仪表等）或其它应用程序（如DDE、OPC 服务器等）。这种数据交换是双向的、动态的，就是说：在“组态王”系统运行过程
15、中，每当 I/O 变量的值改变时，该值就会自动写入下位机或其它应用程序；每当下位机或应用程序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如“检测值1”、“检测值 2”等变量，都需要设置成“I/O 变量”。内存变量是指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据、只在“组态王”内需要的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。（3）变量的数据类型名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 29 页 -10 组态王中变量的数据类型与一般程序设计语言中的变量比较类似，主要有以下几种：实型变量类
16、似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于表示浮点（float）型数据，取值范围 10E-3810E+38，有效值 7 位。离散变量类似一般程序设计语言中的布尔（BOOL）变量，只有0，1 两种取值，用于表示一些开关量。字符串型变量类似一般程序设计语言中的字符串变量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称，密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。字符串长度最大值为128个字符。整数变量类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量，用于表示带符号的整型数据，取值范围（2147483648)2147483647。3.2.5 建立动画连接（1）动画连接概述工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静
17、态的，那么它们如何才能反映工业现场的状况呢？通过“动画连接”所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的数据，比如温度、液面高度等，当它们发生变化时，通过 I/O 接口，将引起实时数据库中变量的变化，如果设计者曾经定义了一个画面图素比如指针与这个变量相关，我们将会看到指针在同步偏转。动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整
18、理-第 10 页，共 29 页 -11（2）文本对象定义动画连接给文本对象定义动画连接是在“动画连接”对话框中进行的。例如需要在图中实时显示液位变送器的检测值，如下图：图 3-10 文本对象双击文本对象“#”，可弹出“动画连接”对话框，如下图：图 3-11 动画连接用鼠标单击“模拟值输出”按钮，弹出对话框如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 29 页 -12 图 3-12 模拟值输出连接在“表达式”处通过浏览，本站点已设好的变量中找到检测值一，其余属性目前不用更改。再单击“确定”返回组态王开发系统。（3）动画连接命令语言对于图素，有时一般的动画连接表达式完成不
19、了工作，而程序只需要点击一下画面上的按钮等图素才执行，如点击一个按钮，执行一连串的动作，或执行一些运算、操作等。这时可以使用动画连接命令语言。该命令语言是针对画面上的图素的动画连接的，组态王中的大多数图素都可以定义动画连接命令语言。如在登录界面上放置一个登录按钮，如下图：图 3-13 按钮对象名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 29 页 -13 双击该按钮，弹出动画连接对话框，如下图：图 3-14 动画连接在“命令语言连接”选项中包含三个选项：按下时：当鼠标在该按钮上按下时，或与该连接相关联的热键按下时执行一次。弹起时：当鼠标在该按钮上弹起时，或与该连接相关联的热键
20、弹起时执行一次。按住时：当鼠标在该按钮上按住，或与该连接相关联的热键按住，没有弹起时周期性执行该段命令语言。按住时命令语言连接可以定义执行周期，在按钮后面的“毫秒”标签编辑框中输入按钮被按住时命令语言执行的周期。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 29 页 -14 图 3-15 命令语句窗口函数说明：LogOn：此函数用于在 TOUCHVEW中登录。画面程序运行时单击此按钮，弹出“登录”对话框。操作者在此对话框中输入用户名和口令，以获得操作权限。LogOff：此函数用于在 TOUCHVEW中退出登录。ShowPicture：此函数用于显示画面。ClosePictur
21、e：此函数用于将已调入内存的画面关闭，并从内存中删除。ReportSaveAs：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 29 页 -15 此函数为报表专用函数，将指定报表按照所给的文件名存储到指定目录下。或将指定的报表存储为EXCEL 格式的文件。ReportSetHistData2：此函数为报表专用函数。查询历史数据，使用该函数，只要设置查询的数据在报表中填充的起始位置，即输入起始行数（StartRow）、列数（StartCol）。系统会自动弹出历史数据查询对话框。3.2.6 趋势曲线组态王的实时数据和历史数据除了在画面中以值输出的方式显示外，还可以趋势曲线形式显示。
22、趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。曲线外形类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。（1）实时趋势曲线对于实时趋势曲线最多可显示四条曲线，在画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，时间轴不能回卷，不能查阅变量的历史数据。激活画面制作系统 Touchmak,在工具箱中选用“实时趋势曲线”工具，然后在画面上绘制趋势曲线，为了让操作者使用方便，在趋势曲线的下方需要增加标注，说明各种颜色的曲线所代表的变量。双击此实时趋势曲线对象，弹出“实时趋势曲线对象”对话框，对话框设置如下图:图 3-16 液位实时趋势曲线对象名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第
23、 15 页，共 29 页 -16 图 3-17 实时趋势曲线设置对话框(2)历史趋势趋势历史趋势曲线最多可显示十六条曲线，画面程序运行时，历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能。从图库中调用已经定义好各功能按扭的历史趋势曲线，对于这种历史趋势曲线，用户只需要定义几个相关变量，适当调整曲线外观即可完成历史趋势曲线的复杂功能，这种形式使用简单方便；该曲线控件最多可以绘制8 条曲线,但该曲线无法实现曲线打印功能。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 29 页 -17 图 3-18 流量历史趋势曲线对象双击
24、曲线对象，弹出“历史曲线向导”对话框，并建立和变量的关联，如下图:图 3-19 历史曲线向导对话框3.2.7 数据报表数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 29 页 -18 是生产过程必不可少的一个部分。它既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。组态王提供内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表
25、。组态王还支持运行状态下单元格的输入操作，在运行状态下通过鼠标拖动改变行高，列宽。另外，工程人员还可以制作各种报表模板，实现多次使用，以免重复工作。（1）实时数据报表实时数据报表主要是来显示系统实时数据。除了在表格中实时显示变量的值外，报表还可以按照单元格中设置的函数、公式等实时刷新单元格中的数据。在报表的单元格中直接输入“=变量名”，既可在运行时在该单元格中显示该变量的数值，当变量的数据发生变化时，单元格中显示的数值也会被实时刷新。如下图：图 3-20 实时数据报表（2）历史数据报表历史报表记录了以往的生产记录数据，对用户来说是非常重要的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1
26、8 页，共 29 页 -19 图 3-21 历史数据报表在工程目录树中选数据改变命名语言；双击有窗口中的新建图标；在变量域中填上：本站点$秒；在程序窗口中写下如下语句：图 3-22 数据改变命名语言3.2.8 报警窗口组态王运行系统中报警的实时显示是通过报警窗口实现的。报警窗口分为两类：实时报警窗和历史报警窗。实时报警窗口主要显示当前系统中存在的符合报警窗显示名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 29 页 -20 配置条件的实时报警信息和报警确认信息，当某一报警恢复后，不再在实时报警窗中显示。实时报警窗不显示系统中的事件。历史报警窗显示当前系统中符合报警窗显示配置条件
27、的所有报警和事件信息。报警窗口中最大显示的报警条数取决于报警缓冲区大小的设置。在组态王中新建画面，在工具箱中单击报警窗口按钮，鼠标箭头变为单线“十”字型，在画面上适当位置按下鼠标左键并拖动，绘出一个矩形框，当举行框大小符合报警窗口大小要求时，松开鼠标左键，报警窗口创建成功，如下图：图 3-23 报警窗口报警窗口创建完成后，要对其进行配置。双击报警窗口，弹出报警窗口配置属性页，如下图所示。首先显示的是通用属性页。在该页中有一个实时报警窗和历史报警窗的选项，选择当前报警窗是哪一个类型：如果选择“实时报警窗”，则当前窗口将成为实时报警窗；否则，如果选择“历史报警窗”，则当前窗口将成为历史报警窗。实时
28、和历史报警窗的配置选项大多数相同。如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 29 页 -21 图 3-24 报警窗口配置属性页3.3 调试主副调节器在恒压供水条件下工作，将上水箱液位和流量组成串级实验设备，安系统框图接好导线。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 29 页 -22 图 3-25 登录界面图 3-26 主控界面名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 29 页 -23 图 3-27 参数设置图 3-28 流量历史曲线名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 29 页 -24 图 3
29、-29 液位历史曲线图 3-30 实时数据报表名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 29 页 -25 图 3-31 实时报表导出图 3-32 历史数据报表名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 29 页 -26 图 3-33 历史报警记录4.总结4.1 实验过程中遇到的问题及解决方法（1）点击“view”开始运行时，运行的界面为空白无任何画面。解决方法：在工程浏览器中点击“运行”，在弹出来的“运行系统设置”窗口中的“主画面配置”一栏里设置“登录”界面为主画面，再次点击“view”开始运行时，就会直接显示登录界面。（2）调试时，历史曲线没有显示，
30、提示历史数据服务器没有打开。解决方法：重新安装了组态王软件，历史曲线可以显示了。（3）调试时，“实时报警记录”“历史报警记录”无显示。解决方法：在工程浏览器中对“数据词典”中的变量进行报警定义，确定其报警限。（4）调试时，对副回路进行参数自整定不成功。解决方法：副调节器的给定值是时刻变化的，因此对副回路进行参数自整定是不正确的，只能对主回路进行参数自整定，只需将主调节器708 的 ctl设为 2，此时系统进行参数自整定，整定名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 29 页 -27 完毕后 ctl会变成 3。而实验书中已经给出主副调节器的参数表，这些参数是已经进行优化过的
31、参数，因此只要对照参数表将主副调节器的参数设置好，系统就可以达到比较稳定的控制。4.2 心得体会组态王这一软件是从我们本学期开始上过控实验才接触的一款组态软件，而实验课上我们对组态王的了解，也只是停留在使用浙江求是科教设备有限公司生产的PCT系列过控实验系统装置自带的监控系统，而从未涉及过使用组态王来设计与实现计算机监控系统。记得当时在葛洲坝电厂实习时，在二江电厂里，技术人员曾像我们展示过一款由华科自主开发研制的监控系统，当时就给我留下了深刻的影响，没想到这次课程设计我能自己动手尝试使用组态王软件来设计反应车间计算机监控系统。整个课程设计下来，我发现自己其实锻炼了很多，学到了很多，我基本掌握了
32、组态王软件的使用，能够用组态王设计与实现简单的反应车间计算机监控系统组态。并且更深入的理解了串级控制系统的特点。同时也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。设计本身并不是有很重要的意义，重要的是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力，以及设计的过程，设计的思想和设计中的每一个环节。在此特别感谢陈老师的悉心指导，使我将整个课程设计较为成功的完成。有了这一段丰富的经历，我相信今后的课程设计，我一定可以完成的比这次更好。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 27 页，共 29 页 -28 参考文献1 胡寿松.自动控制原理 M.北京：科学出版社，2001.2 组态
33、王 6.5 初级培训教程 Z.北京亚控公司，2007.3 金以慧.过程控制 M.北京：清华大学出版社，2000.4 徐兵等，过程控制，机械工业出版社，2004.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 28 页，共 29 页 -29 课程设计成绩:项目业务考核成绩（70%）（百分制记分）平时成绩（30%）（百分制记分）综合总成绩（百分制记分）注:教师按学生实际成绩（平时成绩和业务考核成绩）登记并录入教务MIS 系统，由系统自动转化为“优秀（90100 分）、良好（8089 分）、中等（7079 分）、及格（6069 分）和不及格（60 分以下）”五等。指导教师评语:指导教师（签名）:20 年名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 29 页，共 29 页 -