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文檔簡(jiǎn)介

1、前饋控制系統(tǒng)前饋控制前饋控制前饋控制的提出和基本概念前饋控制的提出和基本概念前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的選用與穩(wěn)定性前饋控制的選用與穩(wěn)定性前饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)前饋控制的提出和基本概念前饋控制的提出和基本概念換熱器工藝流程圖換熱器工藝流程圖1s, FpD2,F蒸汽冷凝液:流體流量F:冷流體溫度2:熱流體溫度1前饋控制系統(tǒng)換熱器控制要求DpFF)蒸汽壓力()入口溫度()被加熱的物料流量(主要擾動(dòng):控制參數(shù):蒸汽流量被控參數(shù):熱流體溫度恒定控制要求:熱流體溫度3212s11前饋控制系統(tǒng)換熱器溫度反饋控制

2、系統(tǒng)換熱器溫度反饋控制系統(tǒng)Fs, FpD2,F蒸汽冷凝液TTTC101前饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)反饋控制的本質(zhì)是反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏基于偏差來消除偏差差”。是一種是一種“不及時(shí)不及時(shí)”的控制:無論擾動(dòng)發(fā)的控制:無論擾動(dòng)發(fā)生在哪里,總要等到被控量發(fā)生偏差后,生在哪里,總要等到被控量發(fā)生偏差后,調(diào)節(jié)器才開始調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總要調(diào)節(jié)器才開始調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總要落后擾動(dòng)作用的發(fā)生。落后擾動(dòng)作用的發(fā)生。存在存在“穩(wěn)定性穩(wěn)定性”問題:必須進(jìn)行分析。問題:必須進(jìn)行分析。對(duì)包圍在環(huán)內(nèi)的一切擾動(dòng)量均能抑制。對(duì)包圍在環(huán)內(nèi)的一切擾動(dòng)量均能抑制。前饋控制系統(tǒng)前饋控制的原理與特點(diǎn)前饋控制的原理與特

3、點(diǎn) 選擇影響被控量,并且可測(cè)量的主要擾選擇影響被控量,并且可測(cè)量的主要擾動(dòng),構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)動(dòng),構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)Fs, FpDF蒸汽冷凝液FT1前饋補(bǔ)償器前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)框圖F1)s (ffGGPD(s)GPC(s)Dq前饋控制系統(tǒng)前饋控制的補(bǔ)償原理前饋控制的補(bǔ)償原理)(sGPD)(sGff)(sGPC)(sF)(1s)()()(0)()()()()()()()()()()(11sGsGsGsGsGsGsFssFsGsGsFsGsPCPDffPCffPDPCffPD前饋控制器模型為:前饋控制系統(tǒng)前饋控制的特點(diǎn)前饋控制的特點(diǎn)“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影

4、響”,又稱為又稱為“擾動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)補(bǔ)償”;擾動(dòng)發(fā)生后,前饋控制擾動(dòng)發(fā)生后,前饋控制“及時(shí)及時(shí)”動(dòng)作;動(dòng)作;屬于開環(huán)控制,只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)屬于開環(huán)控制,只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的,則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定;定的,則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定;只適合于只適合于可測(cè)不可控可測(cè)不可控的擾動(dòng);的擾動(dòng);控制規(guī)律取決于被控對(duì)象的特性;控制規(guī)律取決于被控對(duì)象的特性;一種前饋控制只能克服一種擾動(dòng)。一種前饋控制只能克服一種擾動(dòng)。前饋控制系統(tǒng)(1)可測(cè):擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器,在)可測(cè):擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器,在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。號(hào)。(2)不可控:擾動(dòng)量與控制量之間的相

5、互獨(dú))不可控:擾動(dòng)量與控制量之間的相互獨(dú)立性,即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動(dòng)通道立性,即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)無關(guān)聯(lián)無關(guān)聯(lián),從而,從而控制量控制量無法改變無法改變擾動(dòng)量擾動(dòng)量的大小。的大小。前饋控制系統(tǒng)前饋控制的局限性前饋控制的局限性完全補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn):擾動(dòng)通道和完全補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn):擾動(dòng)通道和控制通道的數(shù)學(xué)模型很難準(zhǔn)確求控制通道的數(shù)學(xué)模型很難準(zhǔn)確求出;即使求出,工程上難以實(shí)現(xiàn)。出;即使求出,工程上難以實(shí)現(xiàn)。只能克服只能克服可測(cè)不可控可測(cè)不可控的擾動(dòng)的擾動(dòng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)前饋前饋-反饋控制系統(tǒng)反饋控制系

6、統(tǒng)前饋前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng))(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY結(jié)構(gòu)之一:前饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型)()()()()()()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsFsYsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsFsGsYFPCffPDPCCPCffPDPCCPCffPD在單純前饋控制下:作用下,系統(tǒng)輸出為在前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一的數(shù)學(xué)模型)()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGs

7、FsYsYsGsGsFsGsGsFsGsYFPCPDffPCCPCffPDPCCPCffPD作用下,系統(tǒng)輸出為在前饋控制系統(tǒng)結(jié)論結(jié)論定的適應(yīng)能力。特性參數(shù)的變化具有一時(shí)所引起對(duì)象非線性求,同時(shí)對(duì)于工況變動(dòng)前饋補(bǔ)償器精度的要的存在不僅可以降低對(duì),說明由于反饋為原來的控量的影響反饋控制,擾動(dòng)量對(duì)被前饋)()(1/1 . 1sGsGPCC2.只要對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償,其它干擾由只要對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償,其它干擾由反饋控制予以校正。反饋控制予以校正。前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之二結(jié)構(gòu)之二)(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY前饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型全補(bǔ)償條件)

8、作用下,系統(tǒng)輸出為在()()()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsGsFsGsYFCPCPDffPCCCPCffPDPCCCPCffPD前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用:加熱爐前饋工業(yè)應(yīng)用:加熱爐前饋-反饋控制反饋控制FTTTffGTC1FBFo前饋控制系統(tǒng)分析調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制作用燃料油壓力等由反饋其它擾動(dòng):進(jìn)料溫度、前饋控制量:主要擾動(dòng):進(jìn)料流量控制參數(shù):燃油流量被控參數(shù):出口溫度21FFFB前饋控制系統(tǒng)前饋前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖:由于串級(jí)控制系統(tǒng)

9、對(duì)進(jìn)入典型結(jié)構(gòu)框圖:由于串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)影響有較強(qiáng)的抑制作用,所副回路的擾動(dòng)影響有較強(qiáng)的抑制作用,所以前饋控制主要克服一次擾動(dòng)。以前饋控制主要克服一次擾動(dòng)。)(1sGC)(sGPC)(ffsG)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)(2sGC)(2sGP)(2sX)(2sY前饋控制系統(tǒng)前饋控制模型前饋控制模型動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化為:可以求出:)()(1)()()()(222222sGsGsGsGsXsYPCPC)(1sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)()(22sXsY)(2sX前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用:加熱爐溫度控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用:加熱爐溫度控制系

10、統(tǒng)oFTTT)(sGffFCTC1FBFFT前饋控制系統(tǒng)習(xí)題習(xí)題5.119123s)(ffsG125 . 0s0T)(1sFT9122s2X2Y211前饋控制系統(tǒng)確定控制器的正反作用形式確定控制器的正反作用形式先研究副調(diào)節(jié)器先研究副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器為反作用形式)由()已知控制閥為氣開式(正作用過程蒸汽流量增加)控制閥開度增大(:副對(duì)象是蒸汽流量控制0030201220202CCVVKKKKKK前饋控制系統(tǒng)再研究主調(diào)節(jié)器再研究主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器為反作用形式)副回路(正作用過程溫度增加)蒸汽流量增加(主對(duì)象是溫度控制:00120111100210CCKKKGK前饋控制系統(tǒng)習(xí)題習(xí)題5.12畫出結(jié)構(gòu)圖畫出

11、結(jié)構(gòu)圖;串級(jí)控制是由內(nèi)外兩個(gè)反饋回路所組成,串級(jí)控制是由內(nèi)外兩個(gè)反饋回路所組成,而前饋而前饋-反饋控制是由一個(gè)反饋回路和另反饋控制是由一個(gè)反饋回路和另一個(gè)開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成;一個(gè)開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成;前饋控制系統(tǒng)串級(jí)控制中的副參數(shù)是反映主被控變量的串級(jí)控制中的副參數(shù)是反映主被控變量的中間變量,控制作用對(duì)它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)中間變量,控制作用對(duì)它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果;而前饋效果;而前饋-反饋控制中的前饋輸入量反饋控制中的前饋輸入量是對(duì)主被控變量有顯著影響的干擾量,是是對(duì)主被控變量有顯著影響的干擾量,是完全不受控制作用約束的獨(dú)立變量;完全不受控制作用約束的獨(dú)立變量;前饋控制系統(tǒng)a圖的框圖圖的框圖T

12、C加熱爐)(sFTFC燃料油控制閥檢測(cè)變送前饋控制系統(tǒng)b圖的框圖圖的框圖TC加熱爐TFC燃料油控制閥檢測(cè)變送檢測(cè)變送前饋控制系統(tǒng)前饋控制的選用與穩(wěn)定性前饋控制的選用與穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的可測(cè)實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的可測(cè)及不可控性及不可控性(1)可測(cè):擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器,在)可測(cè):擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器,在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。號(hào)。(2)不可控:擾動(dòng)量與控制量之間的相互獨(dú))不可控:擾動(dòng)量與控制量之間的相互獨(dú)立性,即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動(dòng)通道立性,即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)無關(guān)聯(lián)無關(guān)聯(lián)

13、,從而,從而控制量控制量無法改變無法改變擾動(dòng)量擾動(dòng)量的大小。的大小。前饋控制系統(tǒng)前饋控制的選用與穩(wěn)定性前饋控制的選用與穩(wěn)定性前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性(1)前饋控制是開環(huán)控制,只要各環(huán)節(jié)是)前饋控制是開環(huán)控制,只要各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的,系統(tǒng)就是穩(wěn)定的;穩(wěn)定的,系統(tǒng)就是穩(wěn)定的;(2)前饋)前饋-反饋、前饋反饋、前饋-串級(jí)系統(tǒng),只要反饋串級(jí)系統(tǒng),只要反饋或串級(jí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,則相應(yīng)的前饋或串級(jí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,則相應(yīng)的前饋-反饋、反饋、前饋前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)也一定穩(wěn)定;串級(jí)控制系統(tǒng)也一定穩(wěn)定;(3)無自平衡能力的生產(chǎn)過程,通常不能)無自平衡能力的生產(chǎn)過程,通常不能單獨(dú)使用前饋控制。單獨(dú)使用前饋控

14、制。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋控制模型是由過程擾動(dòng)通道和過前饋控制模型是由過程擾動(dòng)通道和過程控制通道決定的,但準(zhǔn)確獲取過程程控制通道決定的,但準(zhǔn)確獲取過程擾動(dòng)通道和過程控制通道的傳遞函數(shù)擾動(dòng)通道和過程控制通道的傳遞函數(shù)通常很困難,所以理論整定難以進(jìn)行,通常很困難,所以理論整定難以進(jìn)行,目前廣泛采用的是工程整定法。目前廣泛采用的是工程整定法。參見教材參見教材P138-142。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象都具有非周期性與相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象都具有非周期性與過阻尼的特性,經(jīng)??捎靡粋€(gè)一階或二過阻尼的特性,經(jīng)??捎靡粋€(gè)一階或二階容量

15、滯后,必要時(shí)再串一個(gè)純滯后環(huán)階容量滯后,必要時(shí)再串一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來近似。節(jié)來近似。前饋控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性21/)1(1 )(TTeKtmTtff式中:出響應(yīng)為:在單位階躍作用下,輸fKtfm1111-)(21sTsTKsGfff具有超前特性,適合具有超前特性,適合于控制通道滯后大于于控制通道滯后大于干擾通道滯后干擾通道滯后具有滯后特性,適合具有滯后特性,適合于控制通道滯后小于于控制通道滯后小于干擾通道滯后干擾通道滯后前饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)辦法實(shí)現(xiàn)辦法實(shí)現(xiàn)。;也可以用計(jì)算機(jī)程序節(jié)或一階微分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)、加法器和一階慣性環(huán)實(shí)現(xiàn);也可以用比值器標(biāo)準(zhǔn)儀表(標(biāo)準(zhǔn)模塊)上式中的各環(huán)節(jié)可以用sssTsTKsGs

16、GsGfPCPDff21121111-)()()(21前饋控制系統(tǒng)大滯后補(bǔ)償控制大滯后補(bǔ)償控制大滯后帶來的影響大滯后帶來的影響大滯后過程的預(yù)估補(bǔ)償控制大滯后過程的預(yù)估補(bǔ)償控制增益自適應(yīng)的預(yù)估補(bǔ)償控制增益自適應(yīng)的預(yù)估補(bǔ)償控制前饋控制系統(tǒng)大滯后帶來的影響大滯后帶來的影響由于過程控制通道中純滯后的存在,被控由于過程控制通道中純滯后的存在,被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)承受的擾動(dòng)。量不能及時(shí)反映系統(tǒng)承受的擾動(dòng)。擾動(dòng)量擾動(dòng)量影響的反映要依靠被控參數(shù)的檢測(cè),由于影響的反映要依靠被控參數(shù)的檢測(cè),由于滯后的存在,反映時(shí)間滯后,因而開始調(diào)滯后的存在,反映時(shí)間滯后,因而開始調(diào)節(jié)的時(shí)間也滯后節(jié)的時(shí)間也滯后調(diào)節(jié)不及時(shí)。調(diào)節(jié)不

17、及時(shí)。過程會(huì)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)過程會(huì)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。(原因是調(diào)節(jié)不及時(shí))間。(原因是調(diào)節(jié)不及時(shí))前饋控制系統(tǒng)大滯后的界定與控制方案大滯后的界定與控制方案控制方案。須采用特殊的控制效果不好,采用必控制和前饋)實(shí)踐證明,采用串級(jí)(。之比大于控制通道時(shí)間常數(shù)與過程時(shí)間)大滯后過程:純滯后(23 . 01T前饋控制系統(tǒng)大滯后過程的預(yù)估補(bǔ)償控制大滯后過程的預(yù)估補(bǔ)償控制基本思想:按照過程特性,預(yù)估基本思想:按照過程特性,預(yù)估出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性。中,以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性。前饋控制系統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制

18、)(sGC)(sGPDsPesG)()(sX)(sY)(sF。的輸出信號(hào)為反饋信號(hào)以函數(shù),為過程控制通道的傳遞分開,并以基本思想:將)()()(sGsGesGPPsP前饋控制系統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng))(sGC)(sGfsPesG)()(sX)(sY)(sF)(sGPse)(sU)1)(sPesG前饋控制系統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制等效框圖預(yù)估補(bǔ)償控制等效框圖)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)1)(sPesG)(sU)(sY)(1sY前饋控制系統(tǒng)Smith補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)用近似數(shù)學(xué)模型模擬純滯后環(huán)節(jié)用近似數(shù)學(xué)模型模擬純滯后環(huán)節(jié)帕德帕德一階和二階近似式一階

19、和二階近似式前饋控制系統(tǒng)帕德一階近似式帕德一階近似式)(帕德一階近似式:s211-12-11-s212s21s2-1ssee前饋控制系統(tǒng)12s21s-112s21s112s2112s2-12222ssee帕德二階近似式:帕德二階近似式帕德二階近似式前饋控制系統(tǒng)帕德近似式的實(shí)現(xiàn)帕德近似式的實(shí)現(xiàn)2s2111)(sX)(sY前饋控制系統(tǒng)Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sU)(1sYs6111s2112)(sGP)(fsG前饋控制系統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制存在的問題預(yù)估補(bǔ)償控制存在的問題產(chǎn)中應(yīng)用。分敏感,因此難于在生且對(duì)模型十象精確的數(shù)學(xué)

20、模型,而補(bǔ)償器要知道被控對(duì))由于(。量擾動(dòng)的抑制效果要好果比對(duì)干擾控制對(duì)給定值的跟隨效預(yù)估補(bǔ)償時(shí)無控制作用,所以當(dāng)時(shí)產(chǎn)生控制作用只有SmithSmithtt2,) 1 (前饋控制系統(tǒng)增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制B)(sU)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sF)(sGPseA/Bs1A)(1sd)(2sd前饋控制系統(tǒng)加熱爐溫度預(yù)估補(bǔ)償控制加熱爐溫度預(yù)估補(bǔ)償控制軋鋼車間加熱爐多點(diǎn)平均溫度反饋軋鋼車間加熱爐多點(diǎn)平均溫度反饋控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)主要配置:系統(tǒng)主要配置:六臺(tái)設(shè)有斷偶報(bào)警六臺(tái)設(shè)有斷偶報(bào)警裝置的溫度變送器、三臺(tái)高值選擇裝置的溫度變送器、三臺(tái)高值選擇器、一臺(tái)加法器、一臺(tái)器、一臺(tái)加法器、一臺(tái)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和一臺(tái)電和一臺(tái)電/氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器前饋控制系統(tǒng)加熱爐溫度反饋控制系統(tǒng)流程圖加熱爐溫度反饋控制系統(tǒng)流程圖3ITT1TT2SHTT3TT4SHTT5TT6SHPI /PID定值器1I2IITImI燃料空氣前饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介統(tǒng)),可經(jīng)濟(jì)燃燒。少(比值控制系變化按比例地增加或減動(dòng)跟隨燃料量的進(jìn)入加熱爐,風(fēng)量能自引風(fēng)特性的噴嘴加熱爐燃料:通過具有平均加法器:實(shí)現(xiàn)三個(gè)信號(hào)仍能正常工作;中有一個(gè)斷偶時(shí),系統(tǒng):當(dāng)每對(duì)熱電偶采用高值選擇器SH 前饋控制系統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案預(yù)估補(bǔ)償控制方案)(sGCT

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