DCS分布式控制系統實訓裝置，高級過程控制綜合實驗裝置
2024-09-17 08:23
一、概述
(1)、高級過程控制綜合實驗裝置可滿足“自動調節原理”，“過程控制”，“控制儀表”，“自動檢測技術與傳感器”,“計算機”及相關課程的教學實驗需求；(2)、高級過程控制綜合實驗裝置可作為有關企業技術人員、儀表操作人員、系統運行監控人員的實習、培訓實驗設備。
(3) 高級過程控制綜合實驗裝置能實現包括溫度、壓力、流量、液位定值調節系統，以及比值、串級、前饋等復雜調節系統的實驗及培訓功能。
(4) 高級過程控制綜合實驗裝置能適應培訓基地相關專業在熱工儀表、高級過程自動控制原理及系統、3火電廠計算機控制及系統、熱工自動控制系統、DCS、PLC等相關專業的實驗、培訓要求。
(5) 高級過程控制綜合實驗裝置被控對象提供有接口控制箱，控制箱電源和信號分開。控制箱包括電源裝置、變頻器、溫度調溫裝置及設備的基本保護裝置，此外并提供與DCS接口的端子，作為與DCS、PLC的擴展接口。
DB-CG14 高級過程控制綜合實驗裝置
1、輸入電源:三相四線制或三相五線制 380V±10％ 50Hz；
2、工作環境: 溫度–10℃－+40℃ 相對濕度＜85％（25℃）；
3、裝置容量：＜5kVA；外形尺寸：1830mm×780mm×1850mm
三、具體系統配置要求
| 名稱 | 單位 | 數量 | 技術參數 | 型號 | 產地 |
| 亞克力有機玻璃水 箱 | 只 | 3 |
包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于直接觀察液位的變化和記錄結果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。主水箱容積可以隔斷、可以組合，其中有一只水箱要求可以進行非線性實驗。刻度線要求刻在水箱內壁上，不能采用粘貼紙貼在水箱上，水箱容積不小于20升，容積可變。 |
DB-1 | 上海 |
| 工業模擬鍋爐 | 臺 | 1 | 鍋爐要求共有三個同心不銹鋼圓筒，從里到外共分三層：內層設有電熱絲加溫裝置，第二層為冷卻層，第三層為溢流層，鍋爐由三相電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），要求由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。配套加熱器，由可控硅移相控溫，功率達2.5KW以上。防干燒裝置，要求提供防干燒探頭。 | DB-2 | 上海 |
| 盤 管 | 臺 | 1 | 模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，長25米（43圈），管徑15mm，在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。 | DB-3 | 上海 |
| 管道及閥門 | 套 | 若干 | 整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出 | 諸暨 | |
| 液位變送器 | 只 | 5 | 三個液位變送器分別用來對上、中、下三個水箱和鍋爐的液位進行檢測，其量程為0～3KPa(以實際的水箱高度為準)，用于測量水箱液位高度，為直流24V供電、標準兩線制接線4～20mA變送輸出、精度0.5級，采用工業用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。智能壓變送器傳感器帶HART通訊功能。 | DB801 | 上海 |
| 溫度傳感器 | 只 | 6 | 裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。Pt100測溫范圍：-200～+850℃。智能壓變送器傳感器帶HART通訊功能。 | DBPT100 | 上海 |
| 鍋爐防干燒保護裝置 | 只 | 1 | 為保證實驗效果好、不降低鍋爐加熱功率的前提下，本套裝置配備了良好的防干燒保護系統，當鍋爐內膽液位低于紅色警戒水位線時，保護裝置將切斷調壓模塊輸出電壓，以有效保護電加熱管不被干燒損壞。 | DB-4 | 上海 |
| 水泵 | 只 | 2 | 本裝置采用磁力驅動泵，流量為30升/分，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。三相磁力驅動泵，噪音低，壽命長，揚程達12米 |
上海西山MP-55R-220 上海西山MP-55R-380 |
上海 |
| 電磁閥 | 只 | 1 | 在本裝置中，其中一只作為電動調節閥支路和變頻支路的連通閥，起接通和關斷兩條支的作用。另外六只作為各液位水箱兩條支路的進水閥門。工作壓力：最小壓力為10Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。 | DN15 | 永德信 |
| 二相移相調壓裝置 | 只 | 1 | 采用二相全隔離一體化交流移相調壓器模塊，采用SMT工藝，DCB陶瓷基板，有LED電源指示和LED輸出調節量指示，控制參數：可輸入0～5V、0～10V、4～20mA；輸出參數：額定工作電壓：380VAC±10%；電網頻率：50Hz；斷態峰值截止電壓VP：≥1200VPK；電小負載電流：100 mA；斷態漏電流：<12 mA；關斷最大延時：10ms；調節響應時間：10ms； |
DTY-H220D35 |
上海紅氏 |
| 電加熱管 | 只 | 1 | 由三根1.0KW電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內膽內的水進行加溫。 | 上海 | |
|
交流變頻控制 |
只 | 1 |
本系統采用的變頻調速模塊為多功能、緊湊型產品，具備V/F控制、通用磁通矢量控制、最佳勵磁控制等，運行特性：多段速15速、PID控制、輸出電流檢測、異常時再試功能、零電流檢測；輸出頻率范圍：0.2～400Hz；頻率設定分辨率：0.06Hz/60HZ；頻率精度：最大輸出頻率的±0.1%以內；控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。 |
MM420 | 西門子 |
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智能調節器 |
套 | 3 |
要求三臺智能調節器采用AI519全通用人工智能調節器。全球通用的85～264VAC輸入范圍供電。具有RS485通訊功能，采用先進的AI人工智能調節法。具備自整定功能。（K5 主控）S4、X3變送輸出. |
AI818 | 宇電 |
|
▲計算機直接控制模塊 |
套 | 1 | 要求用于計算機控制，設有通訊端口，完全模擬工業現場環境，裝有一塊遠程數據采集模塊8017和一塊遠程數據采集模塊8024。要求8017為8通道模擬量輸入模塊，輸入量為1－5V；8024為4通道模擬量輸出模塊，輸出信號為4－20mA；上位機要求采用MCGS組態軟件進行監控。安裝有遠程數據采集模塊，可進行計算機直接數字控制（DDC）。網絡功能：數據采集軟件具有網路功能,利用計算機控制技術現場總線，采用工業以太網協議，具有良好的開放性，共享總線網絡結構，以能夠相互共享資源的方式結合起來。計算機網絡中的技術具有自治特點，他們以傳輸數據和控制為目的。一個工程師站，可以控制無限個操作員站，老師可以在任何地方對他進行監控和控制，用密碼的形式來實現。 | 8017，8024 | 北京集智達 |
| PLC控制系統要求 | 套 | 1 | 采用西門子S7—1200 CPU1212C PLC，要求信號采集穩定，可靠性高，組態靈活。要求支持以太網等多種通信方式。12路數字量輸入，8路數字量輸出），要求配置SM1234模塊，模擬量輸入輸出模塊（四路輸入、二路輸出）；上位機要求采用mcgs軟件進行監控。 | CPU1212C PLC | 西門子 |
| 序號 | 名稱 | 卡件號 | 數量 | 單位 | |
| 1 | 機柜（2100×800×600) | XP202 | 1 | 個 | |
| 2 | I/O機籠（20槽，4U） | XP211 | 1 | 個 | |
| 3 | 數據轉發卡 | XP233 | 1 | 塊 | |
| 4 | 主控制卡 | XP243X | 1 | 塊 | |
| 5 | 24V轉5V電源卡（窄面板） | XP258-2 | 2 | 個 | |
| 6 | 系統電源（II代） | PW732(24VDC,10A) | 2 | 個 | |
| 7 | 8路電流信號輸入卡 | XP351 | 2 | 塊 | |
| 8 | 8路模擬量輸出卡 | XP372 | 1 | 塊 | |
| 9 | 空卡 | XP000 | 6 | 塊 | |
| 10 | 不冗余端子板 | XP520 | 5 | 塊 | |
| 11 | 中控交換機 | SUP-2218 | 2 | 套 | |
| （二）操作站軟件 | |||||
| 序號 | 名稱 | 型號 | 數量 | 單位 | |
| 1 | 實時監控 | PRO 111操作站運行軟件 | 1 | 套 | |
| 2 | 工程師組態軟件 |
PRO 135 實現系統組態、流程圖制作、報表制作、圖形化編程等 |
1 | 套 | |
| （三）輔助部件 | ||||
| 序號 | 名稱 | 性能 | 部件型號 | 數量 |
| 1 | 空氣開關 | 通用空氣開關2P | 6 | |
| 2 | 接線端子 | 端子(含附件) | 1 | |
| 3 | 安裝附料 | 1 | ||
本系統中DCS控制方案采用浙大中控知名品牌的最新技術的DCS控制系統，軟件采用工程監控組態軟件。DCS控制系統硬件至少包含有4槽主控制器背板模塊、主控制器模塊、電源模塊、直流電源分配板模塊、交流電源分配板模塊、8通道星形IO-BUS模塊、星形IO-BUS終端匹配器模塊、8路模擬量輸入模塊、8通道熱電阻輸入模塊、8路模擬量輸出模塊等。
DCS系統需是面向過程自動化應用的大型分布式控制系統，采用全冗余、多重隔離等可靠性設計技術，并吸收安全系統的設計理念，從而保證系統的長期穩定運行。
（1）系統性能指標：
項目 參數值
從輸入變化到顯示該變化時間 ≤1s
從操作鍵入到相應輸出變化時間 ≤1s
CPU控制IEC周期 10ms、50ms、100ms、200ms、500ms可選
畫面顯示完成時間 ≤1s
動態數據更新時間 ≤1s
系統容量 現場控制站 64臺/域
最大域數 15個
單個現場控制規模 I/O模塊數 ≤100
I/O點數 ≤1600
模擬量控制回路數 ≤128
（2）網絡參數：
系統網連接工程師站、操作員站、歷史站和控制站等系統節點，由100/1000M高速冗余工業以太網絡構成，支持P-TO-P（對等網）、C/S（客戶機/服務器）、P-TO-P和C/S（混合）三種網絡結構，可快速構建星型、環型或總線型拓撲結構的高速冗余網絡，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，基于TCP/IP協議，通訊速率100/1000Mbps自適應，傳輸介質為5類非屏蔽雙絞線。
（3）控制器參數：
技術指標
CPU 工業級PowerPC架構RISC芯片，32位，主頻400MHz，帶ECC；
內存 128M Bytes
程序存儲FLASH 16M Bytes
掉電保持SRAM 1M Bytes；保存運算中間變量和過程數據；掉電后數據保持最長72小時。
運算調度周期 100ms
畫面顯示完成時間 ≤1s
動態數據更新時間 ≤1s
（4）系統控制柜 采用標準工業控制柜，上置大功率通風扇，下有防水進風凹槽，前置高強度透明玻璃，其整體做前門，在不用打開柜門的情況下即可觀看整柜儀表運行情況，前后門均加工業控制柜專業用鎖，整柜體內外全噴塑防觸電結構，另有接地裝置，控制系統在控制柜中可分層擺掛，前置大面板裝有各種標準件及控制儀表模塊等。
（5）主控制器模塊
性能指標：
輸入電壓：21.6～26.4VDC
功耗（Max.）：6W @ 24VDC
熱插拔：支持
模塊冗余：支持，主從熱備冗余，冗余切換時間最大50ms
運算速度：
CPU：工業級PowerPC,33oMHz,32位
存儲器：
NOR FLASH：16M Bytes
NAND FLSAH：128M Bytes
DDRZ SDRAM：128M Bytes
掉電保持SRAM：1M Bytes
掉電保護：
工作方式：后備電池保持
掉電后數據保持時間：大于2 年
電池壽命：大于5 年，可在線更換
系統網：
以太網：100Mbps
工作方式：雙網冗余
控制網：
總線協議：PROFIBUS-DP
協議版本：DPV1
工作方式：雙網冗余
通訊速率：187.5Kbps、500Kbps、l.5Mbps
物理特性：
安裝方式：背板插槽安裝
防護等級：IP20
（6）4槽主控制器背板模塊
支持4個模塊，左邊兩個槽位插主控制器模塊，右邊兩個槽位插IO-BUS模塊。
主控模塊和IO-BUS模塊的外部接口位于4槽主控底座上。
底座接口：
冗余電源接口，提供 24VDC 給冗余主控以及冗余IO-BUS 供電；
電源狀態接口，實現電源監視；
冗余控制器（A 機和B 機）插槽，左A 右B；
冗余 IO-BUS 模塊（A 網和B 網）插槽，左A 右B；
冗余12路8孔接口（A1-A6，B1-B6），實現IO-BUS 控制總線的總線型或星型拓撲結構，并將現場電源、系統電源、IO-BUS 總線信號
（7）24VDC 120W電源模塊
實現交流110VAC/220VAC到直流24VDC的轉換，輸入與輸出隔離，輸出額定功率120W。
具有過載保護功能，當輸出功率超過105~150%的額定功率，限流輸出，過載消除后自動恢復。輸出短路時，伴有蜂鳴報警。
輸入電壓：115VAC/230VAC，切換開關選擇
輸出電壓：24VDC
額定功率：120W
支持1＋1冗余
開關頻率55KHz
輸出短路/過載保護
輸出過壓保護
輸出超溫保護
輸出狀態查詢和LED指示燈
輸入/輸出/外殼隔離
（8）24VDC 240W電源模塊
實現220VAC到24VDC輸出的轉換，輸入與輸出隔離；具有輸出短路保護功能，故障消除后電源自動恢復。
輸入電壓范圍 176~264VAC
輸入頻率范圍 50~60Hz.
功率因數(Typ.) 滿負載 0.96/230VAC
輸入電流 1.4A/230VAC
浪涌電流 冷啟動 45A/230VAC
漏電流 <3.5mA/240VAC
額定輸出電壓 24VDC
輸出電壓精度 ±2%
額定輸出電流 10A
額定輸出功率 240W
紋波（包括噪聲） 240mVp-p
負載調整率 ±2%
電壓調整率 ±1%
階躍負載特性 <±5%@從20%到70%的負載突變，穩定時間<50ms
（9）交流電源分配板模塊
交流配電模塊實現兩路冗余220V交流電輸入，10路220V交流輸出。兩路交流輸入，每路分成5路輸出220VAC，共10路220VAC輸出。每路輸出有一個船型開關，控制輸出狀態。
輸入電壓：110V/220VAC（2路）
輸出電壓：110V/220VAC（每路輸入對應5路輸出）
開關方式：每路輸出有一個船型開關（帶綠色的通斷指示燈）
安裝方式：導軌安裝
（10）直流電源分配板模塊
直流電源配電板實現1組（2路）24VDC系統電源的冗余并聯輸出，2組（4路）24VDC（120W/240W），現場電源的冗余并聯輸出，1組（2路）24/48VDC輔助（查詢）電源的冗余并聯輸出，并且檢測各輸入電源的電壓狀態，進行低壓報警輸出。
輸入電壓：
1組2路24VDC系統電源（Max. 240W）
1組2路24VDC（240W）現場電源
1組2路24VDC（120W）現場電源
1組2路24/48VDC輔助（查詢）電源
輸出電壓：
冗余系統電源（24VDC）、240W現場電源（24VDC）、120W現場電源（24VDC）并聯分配在2個6孔連接器上輸出；冗余24/48VDC輔助（查詢）電源并聯分配在4個3孔連接器上輸出。
輸入電壓報警閾值：
24VDC：＞22V 輸出閉合；＜20V 輸出開路
48VDC：＞44V 輸出閉合；＜41V 輸出開路
負載能力：
24VDC 最大負載10A
48VDC 最大負載5A
冗余壓降：
25℃環境下滿載輸入，輸出壓降小于1V
隔離耐壓：
系統電源與現場電源間 ≥1500VAC，1min@5mA
系統電源與輔助（查詢）電源間 ≥1500VAC，1min@5mA
現場電源與輔助（查詢）電源間 ≥1500VAC，1min@5mA
絕緣電阻：
≥100M@常態（溫度25±2℃，相對濕度30±5%無冷凝）
≥10M@濕熱環境（溫度45±2℃，相對濕度95±3%無冷凝）
（11）8通道星形IO-BUS模塊
系統電源：
輸入電壓：24VDC（-10%~+10%）
功耗：150mA @24VDC（Max.）
熱插拔：支持
供電方式：系統供電
HUB功能：
端口：8端口：1~6 IO口，7主控口，8擴展口
其中7口和8口電氣隔離，其他6路非電氣隔離
連接線纜：采用K系統預制DP電纜
協議：PROFIBSUS- DP
通訊速率：45.45k bps~3M bps 自適應
級聯個數：3級級聯/1.5Mbps，2級級聯/3Mbps（每一級HUB的輸出和輸出之間的延遲不大于1.5μS）
傳輸距離：200m/1.5M bps（100m/3M bps）
電氣帶負載能力：30節點
檢測功能：
DP總線：檢測各支線DP總線的斷路、總線差分線之間短路故障
AC/DC電源模塊：查詢電源的狀態
機柜溫度：范圍：-10℃~70℃；精度：1℃；速度：0.5min；
物理特性：
安裝方式：導軌安裝
防護等級：IP20
工作環境：
工作溫度：（機柜內溫度） 0℃~60℃
存儲溫度：-40℃~70℃
相對濕度：5%~95%（無凝結）
海拔：< 3000m
（12）星形IO-BUS終端匹配器模塊
有兩個8孔連接器，總線A、總線B各1個，只是電纜進線，沒有出線，安裝在每一路總線分支的末端，提供終端匹配電阻。
（13）8通道模擬量輸入模塊
可以接二線制儀表或四線制儀表，每通道預留4個接線端子，無需跳線就可以設置為配電或不配電工作方式。連接安全柵時，支持跨機柜接線方式。同時，具備強大的過流、過壓保護功能，通道誤接±30VDC和過電流都不會損壞模塊。同時，配合增強型底座還可以做到現場誤接AC220V不損壞。
供電電壓：24VDC±10%；
功率消耗（MAX）：6W@24VDC，8通道同時外供電源；
通道數量：8路；
信號類型：0～5V/0～10V/0～100mA/0～20mA/4～20mA；
轉換精度：0.1%@25℃，0～20mA/～10V，滿量程；0.2%@25℃，0～10mA/～5V，滿量程；
電流采樣電阻：200Ω；
采樣速度：10次/秒MAX；
通訊接口類型：PROFIBUS-DP協議；
通訊速率：500Kbps/93.75 Kbps /45.45 Kbps /19.2 Kbps /9.6 Kbps；
通訊隔離電壓：500Vrms；
防護等級：IP40
（14）8通道模擬量輸出模塊
供電電壓：+24VDC10%；電流消耗：最大250mA (電壓為+24 VDC)通道數：8路；信號類型：4～20mA/0-20mA/0-24mA/0-5V；精度：0.2%；負載能力：750/24VDC；工作溫度：0℃~45℃；存儲濕度：5%～95%相對濕度,不凝結；防護等級IP40
（15）8通道AI與AO底座模塊：配套AI/AO模塊的接線端子，實現與外圍設備的連線。
（16）8通道熱電阻輸入模塊
通道數目：8；
接線方式：支持二線制、三線制、四線制；
量程：溫度范圍：Pt100：-200~850℃；Cu50：-50~150℃；阻值范圍：1~500Ω
ADC分辨率：16位；
穩定度：0.05% F.S.；
通道掃描時間：1s/8通道；
差模抑制比：≥60 dB @ 50/ 60 Hz；
故障診斷類型：通道斷線、短路、超量程
（17）8通道熱電阻輸入底座模塊：配套RTD熱電阻模塊的接線端子，實現與外圍設備的連線。
（18）A網12插頭多功能總線預制電纜
（19）查詢電源分配板供電預制電纜；3針molex插座
（20）直流電源監測報警預制電纜；兩個12針molex插座
（21）DCS系統軟件：包含工程總控軟件操作員在線軟件、操作員在線配置工具軟件、 離線查詢軟件、仿真啟動管理軟件等。
（22）軟件授權
常規實驗項目
1、過程控制系統組成認識實驗
過程控制及檢測裝置硬件結構組成認識
控制方案組成與控制系統連接
智能調節儀表、智能變送儀表等智能儀表的操作及參數設定
傳感器的校正（零點遷移與量程調整）
2、被控對象特性測試實驗
調節閥流量靜態特性的測試
磁力泵變頻調速機構流量靜態特性的測試
單容水箱液位對象動態特性的測試
多容水箱液位對象動態特性的測試
鍋爐內膽溫度對象動態特性的測試
3、位式控制系統實驗
鍋爐內膽水溫的位式控制
鍋爐夾套水溫的位式控制
4、單回路控制系統實驗
上水箱或中水箱或下水箱液位的定值控制
多容水箱液位的定值控制
鍋爐內膽水溫的定值控制
鍋爐夾套水溫的定值控制
調節閥支路流量的定值控制
變頻調速磁力泵支路流量的定值控制
5、串能控制系統的實驗
串級控制系統的信號連接
水箱液位的串級控制
水箱液位與流量的串級控制
鍋爐內膽水溫與鍋爐夾套水溫串級控制
6、比值控制系統實驗
單閉環流量比值控制
雙閉環流量比值控制
7、復雜控制系統實驗
水箱液位的動態前饋-反饋控制
溫度smith預估控制
8、工控組態軟件組態實驗
實時數據庫組態實驗
圖形動畫、報表、曲線、報警組態實驗
設備通訊組態實驗
腳本程序應用組態實驗
9、PLC控制方式下的過程控制實驗
（三）物聯網無線網絡控制
1、ZIGBEE通訊實驗
2、ZIGBEE組網實驗（提供觸摸屏的組網圖）
3、WiFi通訊實驗與電腦通信（錄制視頻尋址過程）
4、PID參數調節與控制（提供4個站點的曲線圖）
5、觸摸屏顯示功能（提供軟件界面）
6、手機APP顯示與控制（提供軟件界面）
7、開關量控制實驗
（四）DCS實驗內容
系統流程圖
特性實驗
1、水箱單容特性實驗
3、上下水箱雙容特性實驗
4、電動閥流量特性實驗
6、溫度特性實驗
7、壓力特性實驗
單回路控制實驗
1、電動調節閥支路單容液位控制實驗
2、變頻器支路單容液位控制實驗
3、上水箱雙容液位控制實驗
4、上下水箱雙容液位控制實驗
串級控制實驗
1、上水箱雙容串級控制實驗
2、溫度流量串級控制實驗
3、比值控制實驗
復雜控制實驗
1、單閉環比值流量控制實驗
2、隨動流量比值控制實驗
3、雙容解耦控制