过程控制第8章.pptx

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1、概述基本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制比例控制积分控制微分控制模拟式控制器基本构成原理及部件DDZ-型电动控制器第1页/共69页内容提要数字式控制器数字式控制器的主要特点数字是控制器的基本构成KMM型可编程序调节器可编程序控制器概论可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的编程语言OMRON C 系列 PLC应用实例第2页/共69页第一节第一节 电动控制仪表概述电动控制仪表概述控制仪表经历三个发展阶段控制仪表经历三个发展阶段 基地式控制仪表 单元组合式仪表中的控制单元 以微处理器为基元的控制装置第3页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律控制器的控制规律是指 控制器的

2、输出信号与输入信号之间的关系。即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号,然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时第4页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律 位式控制(其中以双位控制比较常用)、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)及它们的组合形式,如比例积分控制(PI)、比例微分控制(PD)和比例积分微分控制(PID)。第5页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律一、双位控制理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为理想双位控制特性双位控制示

3、例第6页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变,便可成为一个具有中间区的双位控制器,见下图。由于设置了中间区,当偏差在中间区内变化时,控制机构不会动作,因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低,延长了控制器中运动部件的使用寿命。实际的双位控制特性具有中间区的双位控制过程第7页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论被控变量波动的上、下限在允许范围内,使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现,因而应用很普遍。第8页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调

4、节器的调节规律二、比例控制 在双位控制系统中,被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程,为了避免这种情况,应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例,根据偏差的大小,控制阀可以处于不同的位置,这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量,从而使被控变量趋于稳定,达到平衡状态。第9页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律简单的比例控制系统示意图如左图,根据相似三角形原理如左图,根据相似三角形原理对于具有比例控制的控制器对于具有比例控制的控制器比例控制的放大倍数比例控制的放大倍数K KP P是一个重要的系数,是一个重要的系数,它决定了比例控制作用的强弱。它决定了比例控制作用的强弱。

5、第10页/共69页第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响比例度比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。比例度示意图(5-5)第11页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律 比例度与放大倍数KP成反比。控制器的比例度越小,它的放大倍数KP就越大,它将偏差(控制器输入)放大的能力越强,反之亦然。结论第12页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律优点优点:反应快,控制及时缺点缺点:存在余差 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时,控制器的比例度可以选得小些,以提高系统的灵敏度,使反应快些,从而过渡过程曲线的形状较好。反

6、之,比例度就要选大些以保证稳定。结论第13页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律三、积分控制 当对控制质量有更高要求时,就需要在比例控制的基础上,再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制器特性当输入偏差是常数A时 当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减小)。当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减小)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。结结论论积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比,即第14页/共69页第二节第二

7、节 调节器的调节规律调节器的调节规律把比例与积分组合起来,这样控制既及时,又能消除余差。比例积分控制器特性积分时间对过渡过程的影响比例积分控制规律可用下式表示 或若偏差是幅值为A的阶跃干扰第15页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律比例积分控制器对于多数系统都可采用,比例度和积分比例度和积分时间时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时,可能控制时间较长、最大偏差也较大;负荷变化过于剧烈时,由于积分动作缓慢,使控制作用不及时,此时可增加微分作用。第16页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律四、微分控制在自动控制时,控制器具有微在自动控制时,控制器具有微分控制

8、规律分控制规律理想微分控制器特性优点优点具有超前控制功能。具有超前控制功能。缺点缺点它的输出不能反映偏差的大小,假如偏差固定,即使数它的输出不能反映偏差的大小,假如偏差固定,即使数值很大,微分作用也没有输出,因而控制结果不能消除值很大,微分作用也没有输出,因而控制结果不能消除偏差,所以不能单独使用这种控制器,它常与比例或比偏差,所以不能单独使用这种控制器,它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。例积分组合构成比例微分或三作用控制器。第17页/共69页第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律比例微分控制规律比例微分控制规律比例微分控制器特性比例积分控制规律比例积分控制规律微分时

9、间对过渡过程的影响三作用控制器特性第18页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器一、基本构成原理及部件 在模拟式控制器中,所传送的信号形式为连续的模拟信连续的模拟信号号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器电动控制器。调节器基本构成1.1.比较环节比较环节作用作用将给定信号与测量信号进行比较,产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。2.2.放大器放大器是一个稳态增益很大的比例环节。3.3.反馈环节反馈环节作用作用 通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。第19页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器二、DDZ-型电动控制器1.DDZ-1.DDZ-型仪表的特点型仪表的

10、特点(1 1)采用国际电工委员会()采用国际电工委员会(IECIEC)推荐的统一标准信号。)推荐的统一标准信号。优点优点 电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,这不但利用了晶体管的线性段,而且容易识别断电、断线等故障。只要改变转换电阻阻值,控制室仪表便可接收其他1:5的电流信号。因为最小信号电流不为零,为现场变送器实现两线制创造了条件。现场变送器与控制室仪表仅用两根导线联系,既节省了电缆线和安装费用,还有利于安全防爆。第20页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器(2 2)广泛采用集成电路,可靠性提高,维修工作量减少。)广泛采用集成电路,可靠性提高,维修工作量减少。优点优点 由于

11、集成运算放大器均为差分放大器,且输入对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路,焊点少,强度高,大大提高了仪表的可靠性。第21页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器(3 3)型仪表统一由电源箱供给型仪表统一由电源箱供给24V DC24V DC电源,并有蓄电电源,并有蓄电池作为备用电源。池作为备用电源。优点优点 各单元省掉了电源变压器,没有工频电源进入单元仪表,既解决了仪表发热问题,又为仪表的防爆提供了有利条件。在工频电源停电时备用电源投入,整套仪表在一定时间内仍可照常工作,继续进行监视控制作用

12、,有利于安全停车。第22页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器(4 4)结构合理,比之)结构合理,比之型有许多先进之处。型有许多先进之处。表现在表现在 基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器两个品种,指示表头为100mm刻度纵形大表头,指示醒目,便于监视操作。自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行,并有硬手动和软手动两种方式。面板上设有手动操作插孔,可和便携式手动操作器配合使用。第23页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器 结构形式适于单独安装和高密度安装。有内给定和外给定两种给定方式,并设有外给定指示灯,能与计算机配套使用,可组成SPC系统实现计算机监督控制

13、,也可组成DDC控制的备用系统。(5 5)整套仪表可构成安全火花型防爆系统。)整套仪表可构成安全火花型防爆系统。26第24页/共69页第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器2.DDZ-2.DDZ-型电动控制器的组成与操作型电动控制器的组成与操作DDZ-型控制器结构方框图 主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动(包括硬手动和软手动两种)切换电路、输出电路及指示电路等组成。第25页/共69页28DTL-3110型调节器正面图1自动-软手动-硬手动切换开关;2双针垂直指示器;3内给定设定轮;4输出指示器;5硬手动操作杆;6软手动操作板键;7外给定指示灯;8阀位指示器;9输出记录指示;1

14、0位号牌;11输入检测插孔;12手动输出插孔第三节第三节 模拟式调节器模拟式调节器第26页/共69页过程控制第9章 执行器第27页/共69页主要内容气动执行器气动执行器的结构与分类控制阀的流量特性控制阀的选择气动执行器的安装和维护电动执行器电-气转换器及电-气阀门定位器电-气转换器电-气阀门定位器第28页/共69页第一节第一节 概述概述作用作用 接收控制器送来的控制信号,改变被控介质的流量,从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。按能源形式分类按能源形式分类p 气动执行器p 电动执行器p 液动执行器执行器执行器第29页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器结结构构执行结构执行结

15、构 执行器的推动装置,它按控制信号压力的大小产生相应的推力,推动控制机构动作,所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构控制机构 执行器的控制部分,它直接与被控介质接触,控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。第30页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器常用辅助设备常用辅助设备阀门定位器手轮机构气动执行器示意图第31页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器一、气动执行器的结构与分类1.1.执行机构执行机构 薄膜式薄膜式 活塞式活塞式结构简单、价格便宜、维修方便,应用广泛。推力较大,用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。长行程长行程行程长、转矩

16、大,适于输出转角(6090)和力矩。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。结构第32页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器2.2.控制机构控制机构根据不同的使用要求,控制阀的结构形式主要有以下几种。(1 1)直通单座控制阀)直通单座控制阀阀体内只有一个阀芯与阀座。特点特点结构简单、泄漏量小,易保证关闭,甚至完全切断。缺点缺点在压差大的时候,流体对阀芯上下作用的推力不平衡,这种不平衡力会影响阀芯的移动。直通单座阀第33页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(2 2)直通双座控制阀)直通

17、双座控制阀 阀体内有两个阀芯和阀座。特点特点流体流过的时候,不平衡力小。缺点缺点容易泄漏可分为正作用式与反作用式两种形式。根据阀芯与阀座的相对位置根据阀芯与阀座的相对位置直通双座阀第34页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(3 3)角形控制阀)角形控制阀 角形阀的两个接管呈直角形,一般为底进侧出。特点特点 流路简单、阻力较小,适于现场管道要求直角连接,介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。角形阀第35页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(4 4)三通控制阀)三通控制阀 共有三个出入口与工艺管道连接。按照流通方式分按照流通方式分合流型和分流型两种 三通阀第3

18、6页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(5 5)隔膜控制阀)隔膜控制阀 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。特点特点结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强,适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制,也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。隔膜阀注意执行机构须有足够的推力 第37页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(6 6)蝶阀)蝶阀 特点特点结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。缺点缺点泄漏量大。蝶阀第38页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(7 7)球阀)球阀 球阀的阀芯与阀体都呈球形体,转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时,就具有不同的

19、流通面积,以达到流量控制的目的。“V”形和“O”形两种开口形式。球阀阀芯分类球阀阀芯分类球阀球阀阀芯的形状第39页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(8 8)凸轮挠曲阀)凸轮挠曲阀 阀芯呈扇形球面状,与挠曲臂及轴套一起铸成,固定在转动轴上。特点特点密封性好。重量轻、体积小、安装方便,适用于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。凸轮挠曲阀第40页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(9 9)笼式阀)笼式阀 特点特点 可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好,更换不同的套筒可得到不同的流量特性,阀内部件所受的汽蚀小、噪声小,是一种性能优良的阀,特别适用于要求低噪声及压差较

20、大的场合。缺点缺点不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。笼式阀第41页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器二、调节阀的流量特性 控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度(相对位移)间的关系,即 第42页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器1.1.控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性不同流量特性的阀芯形状1快开;2直线;3抛物线;4等百分比 在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状(1 1)直线流量特性)直线流量特性 指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。第43页/共69页第二节第二节 气动执行器

21、气动执行器积分可得边界条件边界条件:l=0时,Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式,可分别得R R 为控制阀的可调范围或可调比。为控制阀的可调范围或可调比。Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量,一般是Qmax的24。注意!第44页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器可得注意:当可调比不同时,特性曲线在纵坐标上的起点注意:当可调比不同时,特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。是不同的。第45页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器理想流量特性1快开;2直线;3抛物线;4等百分比曲线举例当R=30,l/L=0时,Q/Qmax=0.33假设R=,位移变化量为10%在10时,流量

22、变化的相对值为在50时,流量变化的相对值为 在80时,流量变化的相对值为 在流量小时,流量变化的相对值大;在流量大时,流量变化的相对值小。第46页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(2 2)等百分比(对数)流量特性)等百分比(对数)流量特性 等百分比流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。将之积分 将前述边界条件代入 第47页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(3 3)抛物线流量特性)抛物线流量特性(4 4)快开特性)快开特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量,随开度的增大,流量很快就达到最大。快开特性的阀芯形式是平板

23、形的,适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。第48页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器.控制阀的工作流量特性控制阀的工作流量特性 在实际生产中,控制阀前后压差总是变化的,这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性。(1 1)串联管道的工作流量特性)串联管道的工作流量特性串联管道的情形管道串联时控制阀压差变化情况第49页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器管道串联时控制阀的工作特性第50页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(2 2)并联管道的工作流量特性)并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路,以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时,只好将旁路阀打开

24、一些,此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。并联管道的情况如图所示,显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和,即QQ1Q2。第51页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器 以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比,可以得到在压差p为一定时,而x为不同数值时的工作流量特性曲线。并联管道时控制阀的工作特性第52页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器由上图可见由上图可见 当x1,即旁路阀关闭、Q20时,控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。随着x值的减小,即旁路阀逐渐打开,虽然阀本身的流量特性变化不大,但可调范围大大降低了。控

25、制阀关死,即l/L0时,流量Qmin比控制阀本身的Q1min大得多。第53页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响,控制阀上的压差还会随流量的增加而降低,使可调范围下降得更多些,控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小,甚至几乎不起控制作用。采用打开旁路阀的控制方案是不好的,一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几,即x值最小不低于0.8。第54页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变,串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低,并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少

26、,并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小,即输入信号变化引起的流量变化值减少。结论结论第55页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器三、控制阀的选择1.1.控制阀结构与特性的选择控制阀结构与特性的选择 主要根据工艺条件,如温度、压力及介质的物理、化学特性(如腐蚀性、黏度等)来选择。结构形式选择结构形式选择特性选择特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性,然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。第56页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器 主要从工艺生产上安全要求出发。

27、信号压力中断时,应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小,则应选用气关式,以使气源系统发生故障,气源中断时,阀门能自动打开,保证安全。反之阀处于关闭时危害性小,则应选用气开阀。选择要求选择要求 有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之,为气开式。2.2.气开式与气关式的选择气开式与气关式的选择第57页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器序号序号执行机构执行机构控制阀控制阀气动执行器气动执行器(a a)(b b)(c c)(d d)正正正正反反反反正正反反正正反反气关气关气开气开气开气开气关气关组合方式表 组合方式图第58页/共69页第二节第二节 气动执行器气动

28、执行器3.3.控制阀口径的选择控制阀口径的选择 口径选择得过小,会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。口径选择得过大,会浪费设备投资,且使控制阀经常处于小开度工作,控制性能变差,易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。流量系数KV的定义为:当阀两端压差为100kPa,流体密度为1g/cm3,阀全开时,流经控制阀的流体流量。对于不可压缩的流体,且阀前后压差p1p2不太大时,有 第59页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器四、气动执行器的安装和维护(1)为便于维护检修,气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。(2)气动执行器应安装在环境温度不高于+60

29、和不低于-40的地方,并应远离振动较大的设备。(3)阀的公称通径与管道公称通径不同时,两者之间应加一段异径管。第60页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(5)通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明,不能装反。(4)气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时,除小口径阀外,一般应加支撑。即使正立垂直安装,当阀的自重较大和有振动场合时,也应加支撑。(6)控制阀前后一般要各装一只切断阀,以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时,不影响工艺生产的继续进行,一般应装旁路阀。第61页/共69页第二节第二节 气动执行器气动执行器(7)控制阀安装前,应对管路进

30、行清洗,排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗,并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时,应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。控制阀在管道中的安装1调节阀;2切断阀;3旁路阀(8)在日常使用中,要对控制阀经常维护和定期检修。第62页/共69页第三节第三节 电动执行器电动执行器 电动执行器接收来自控制器的010mA或420mA的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,去操纵阀门、挡板等控制机构,以实现自动控制。定义定义分类分类 角行程角行程 直行程直行程 多转式多转式第63页/共69页第三节第三节 电动执行器电动执行器角行程电动执行机构角行程电动执行机构 主要由伺

31、服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。角行程执行机构的组成示意图第64页/共69页第四节第四节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器 电-气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号,送到气动控制器或气动显示仪表;也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀,此时常用电气阀门定位器,它具有电-气转换器和气动阀门定位器两种作用。第65页/共69页第四节第四节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器一、电-气转换器按力矩平衡原理工作按力矩平衡原理工作电-气转换器原理结构图1喷嘴挡板;2调零弹簧;3负反馈波纹管;4十字弹簧;5正反馈波纹管

32、;6杠杆;7测量线圈;8磁钢;9铁芯;10放大器第66页/共69页第四节第四节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器二、电-气阀门定位器作用作用 具有电-气转换器的作用,可用电动控制器输出的010 mA DC或420 mA DC信号去操纵气动执行机构;具有气动阀门定位器的作用,可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位。改变图9-23中反馈凸轮5的形状或安装位置,还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用。第67页/共69页第四节第四节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器图9-23电-气阀门定位器1力矩马达;2主杠杆;3平衡弹簧;4反馈凸轮支点;5反馈凸轮;6副杠杆;7副杠杆支点;8薄膜执行机构;9反馈杆;10滚轮;11反馈弹簧;12调零弹簧;13挡板;14喷嘴;15主杠杆支点第68页/共69页感谢您的观看!第69页/共69页

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