前馈控制系统设计
升降膜式蒸发器的前馈反馈控制系统的设计
升降膜式蒸发器的前馈反馈控制系统的设计升降膜式蒸发器是一种常用的热传递设备，广泛应用于化工、制药、食品等行业。
为了提高蒸发器的效率和稳定性，设计一个合理的前馈反馈控制系统是非常重要的。
一、升降膜式蒸发器的基本原理升降膜式蒸发器通过将液体送入设备中，利用加热源将液体加热并转化为气态，然后从设备顶部排出。
在这个过程中，液体在设备内形成了一层薄膜，并通过重力作用向下流动。
同时，气体通过设备底部进入，并与下降的液体接触进行传热和质量传递。
气体从设备顶部排出，并经过冷凝处理后得到所需产品。
二、前馈反馈控制系统的必要性升降膜式蒸发器的操作过程中可能会受到多种因素的影响，如进料流量、进料浓度、加热温度等。
这些因素对于设备的稳定运行和产品质量有着重要影响。
设计一个前馈反馈控制系统可以实时监测和调节这些因素，以保证蒸发器的稳定性和性能。
三、前馈反馈控制系统的设计要点1. 传感器选择：选择合适的传感器对蒸发器的关键参数进行监测，如进料流量、进料浓度、加热温度等。
常用的传感器包括流量计、浓度计和温度计等。
2. 控制算法选择：根据监测到的数据，设计合适的控制算法来实现对蒸发器的控制。
常用的控制算法有PID控制算法、模糊控制算法和模型预测控制算法等。
3. 控制信号输出：根据控制算法得出的结果，通过执行机构输出相应的控制信号。
执行机构可以是电动调节阀或变频调速装置等。
4. 反馈回路设计：为了提高系统的稳定性和鲁棒性，需要设计一个反馈回路来实时监测设备运行状态，并将反馈信息输入到控制系统中进行调节。
5. 控制系统参数整定：根据蒸发器的具体情况和要求，对控制系统参数进行整定，以达到最佳的控制效果。
参数整定包括比例系数、积分时间和微分时间等。
四、前馈反馈控制系统的工作流程1. 传感器实时监测蒸发器的关键参数，并将数据传输给控制系统。
2. 控制系统根据监测到的数据，通过控制算法计算出相应的控制信号。
3. 控制信号经过执行机构输出到蒸发器中，调节进料流量、进料浓度或加热温度等参数。
前馈反馈水箱控制系统设计
课程设计名称：前馈反馈水箱控制系统系别：专业：姓名：学号：指导教师：·成绩评定·指导教师评语：课程设计成绩评定目录一设计方案的介绍 (4)二、工艺流程 (5)三、前馈反馈控制的理论 (5)四、设仪器仪表的选型 (5)1、控制装置的选择 (5)2、监测仪表 (6)3、控制阀的选型 (6)五、测量与控制端连接表 (7)六、参数的整定 (7)1、静态放大系数K F的整定 (7)2、控制器参数的选择 (8)七、总结 (9)八、参考文献 (10)九、附录一设计方案的介绍设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。
其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。
被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。
采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵（采用变频器变频控制电机模拟流量扰动），涡轮流量计；第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵（输出流量恒定），电动控制阀。
除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。
前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。
前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。
前馈反馈系统结构框图 1前馈反馈控制系统原理图 2二工艺流程水箱液位的控制主要是控制水箱中的液位在要求的精度范围内。
一号水泵作为动力源给水的输送提供动力，进入水箱。
并用变频器控制一号水泵用来模拟流量上产生的扰动。
二号水泵为补偿回路提供动力，为水箱提供水补偿。
当扰动产生后，通过前馈控制调节阀对扰动产生补偿。
补偿后产生的余差再通过反馈控制控制调节阀进行调节。
三前馈反馈控制的原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。
在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。
第8-6章前馈控制系统
+ Y=T2
例：加热炉出口温度前馈－串级控制系统
原油
燃料
8.6.3 前馈控制系统的应用场合
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。 3）当对象的控制通道的惯性和滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可引入前馈控制。
4）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。
过程控制
8. 6 前馈控制系统
6.2前馈控制
8.6.1 概述 8.6.2 前馈控制系统的结构 8.6.3 前馈控制系统的应用场合
8.6.1 概述
反馈控制特点（例：换热器温度控制系统）
蒸汽
Q1：冷物料流量 pD ：蒸汽压力
TC
pD , Q2 Q1，T1 T2 给定值 偏差
T1：冷物料温度 T2：热物料温度
换热器温度前馈-反馈控制系统
前馈控制器的传递函数：
W
ff
(S )
W PD ( S ) W PC ( S )
前馈反馈控制系统实现完 全补偿与开环前馈比较前 馈控制器传函相同。
Q1 前馈-反馈控制原理方块图
Wff(S)
+
WPD(S) WPC(S)
+ T 2
T1i
-
WC(S)
前馈-反馈控制方框图
前馈-反馈控制系统优点： 1、只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它 干扰可由反馈控制予以校正； 2、反馈回路的存在，降低了前馈控制模型 的精度要求，为工程上实现比较简单的通用 模型创造了条件； 3、负荷变化时，模型特性也要变化，可由 反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能 力。
第六章-前馈控制系统
➢ 只适用于克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰 动无抑制作用，因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。
➢ 前馈控制的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往 控制规律比较复杂。
4、前馈与反馈控制的比较
过程控制
反馈控制
过程控制过程控制过程控制4前馈与反馈控制的比较反馈控制前馈控制设计原理反馈控制理论不变性原理被测变量被控变量扰动量控制器输入测量和设定之间的偏差被测扰动量控制规律的实现可以和经济有时只能近似控制系统组态闭环开环典型控制器ppipdpid及开关超前滞后环节控制作用在过程受扰动的影响以前在过程受扰动的影响以后过程控制过程控制过程控制5前馈控制系统的方框图框图中ds扰动s对象扰动通道传递函数gffs前馈调节器gps对象传递函数前馈调节器的传递函数可应用不变性原理定量地导出其前馈控制系统框图为
➢ 实际工业生产过程中的扰动不止一个
➢ 有些扰动不可测量或难以测量 ➢ 前馈控制对被控变量的控制效果没有检验依据
➢ 即使Gp(s)和Gd(s)可以精确获得，但Gff(s)不能物理实现，例 如出现纯超前环节。
二、前馈控制系统的结构
过程控制
1、静态前馈控制
K ff Gff (s) s0
Gd (s) Gp (s)
ff p d
在大多数情况下，只需考虑主要的惯性 环节，也就是实现部分补偿，因此，动 态前馈算式通常采用近似式：
G ff
(s)
K ff
Tps 1 Td s 1
过程控制
根据Tp和Td的大小关系，动态前馈控制器的阶跃响应如图。 当Tp>Td时，前馈控制器呈现超前特性； 当Tp<Td时，前馈控制器呈现滞后特性； 当Tp=Td时，前馈控制器呈现比例特性，即为静态前馈增益；
反馈前馈控制系统设计课题背景描述
反馈前馈控制系统设计课题背景描述背景描述：反馈前馈控制系统是一种常用的控制系统设计方案。
它通过将反馈和前馈两种控制方式结合起来，能够实现更加精确、稳定和灵活的控制效果，被广泛应用于各种机电设备、自动化生产线等领域。
在实际应用中，反馈前馈控制系统的设计需要考虑多方面因素，包括被控对象的特性、控制器的性能要求、信号采集和处理方式等。
因此，如何有效地设计反馈前馈控制系统成为了一个重要的课题。
本文将从以下几个方面进行详细介绍和分析：反馈前馈控制系统的基本原理、设计流程和具体实现方法，以及在实际应用中需要注意的问题和解决方案。
一、反馈前馈控制系统基本原理1. 反馈控制原理反馈控制是指通过测量被控对象输出信号，并与期望输出信号进行比较，得到误差信号后再通过调节输入信号来使误差趋近于零的一种闭环控制方式。
其基本思想是根据被测量物理量与期望值之间的误差来调整控制量，以达到控制目标。
2. 前馈控制原理前馈控制是指在被控对象输入信号中加入一个预测信号，通过提前调节输入信号来消除误差，从而实现更加精确和稳定的控制效果。
其基本思想是在被测量物理量出现变化之前就对其进行预测，并通过预测结果来调整输入信号。
3. 反馈前馈控制原理反馈前馈控制是将反馈和前馈两种控制方式结合起来，通过同时考虑当前状态和未来趋势来实现更加精确、稳定和灵活的控制效果。
其基本思想是根据当前状态和未来趋势对被测量物理量进行预测，并通过反馈和前馈两种方式对输入信号进行调节，以达到最优的控制效果。
二、反馈前馈控制系统设计流程1. 系统建模系统建模是指将被控对象、传感器、执行器等各个部分组成一个完整的数学模型，以便于后续的仿真和分析。
在建模过程中需要考虑到系统的非线性特性、时变特性等因素，以保证模型的准确性和可靠性。
2. 控制器设计控制器设计是指根据系统模型和控制要求，设计出合适的控制算法和参数，以实现对被控对象的精确、稳定和灵活的控制。
在控制器设计过程中需要考虑到系统的动态响应特性、鲁棒性、抗干扰能力等因素。
基于PLC的前馈反馈控制系统设计
综合4 基于PLC的前馈反馈控制系统设计
一、控制描述
反馈控制是按照被控参数与给定值之差进行控制的，控制器必须在被控参数出现偏差后才能对它进行调节，补偿干扰对被控参数的影响。
前馈控制方法是一种开环控制，能对主干扰进行及时地补偿，而不会影响控制系统的动态品质。
前馈－反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿，这种扰动能测定，其它扰动由负反馈系统来消除，这样能使系统的动态误差大大减小。
本设计下水槽液位作为主回路的被控量，流量作为前馈信号，比值器作为补偿器。
通过本设计搞清楚反馈控制、前馈控制；前馈反馈与串级控制的概念。
二、设计任务
运用所学的过程控制理论知识，根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，进行下水槽液位前馈-反馈控制系统的原理设计、硬件系统设计、控制系统设计、上位监控系统设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。
设计的主要内容包括：
1. 控制器采用S7-200PLC；
2. 设计出系统的结构图、原理示意图、接线图等；
3. 设计出控制系统，包括控制器、PID控制算法及参数的选择；
4. 设计出系统方框图，描述各量的功能，并论述系统闭环控制原理；
5. 设计出上位监控系统，包括通讯、数据库、对象图形、数据显示、历史趋
势等；
6. 系统运行与调试，并加扰动，分析系统克服扰动的能力；
7. 主被控量稳态误差控制在3%以下；
8. 打印出系统的输出相应特性，并分析有关性能指标。
三、设计报告
课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。
1
2。
第 5章 前馈控制系统
( S ) G PC ( S )
1 G C ( S ) G PC ( S )
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G PD ( S ) G G
ff ff
( S ) G PC ( S ) 0
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
F c p ( 1 2 ) F S h S
FS
Gff Mff
F
θ
2
θ
1
F c p ( 1 2 ) F S h S
Cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热
FS F cp hS ( 1 i
2
)
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
FS F cp hS ( 1 i
• 本系统不但能通过串级副回路及时克服给 水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷 的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等 于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不 变。
5.5 前馈控制系统的参数整定
5.5.1 Kf的整定 5.5.2 T1、T2的整定
5.5.1 Kf的整定
重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀 位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰， 将会输出错误的静态前馈输出。 Kf的整定方法： （1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单 纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大， 直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。
一个固定的前馈 模型难以获得良好的 控制品质。为了解决 上述局限性，将前馈 与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
TC Gff θ F Σ
《仪表选用及DCS组态》 2.5 前馈-反馈控制系统设计
所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制规律 为比例特性，即GB(0)=-GF(0)/GO(0) =-KB，其大小是 根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通道的 静态放大系数决定的。例如在上图所示的换热器前馈控制 方案中，其前馈控制器的静态特性为KB=-Kf/KO。
（二）动态前馈控制系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5.5 前馈控制系统的设计
汽包水位的前馈—串级控制系 （三冲量控制系统）
锅炉汽包水位控 制系统的任务是：使 给水量和锅炉蒸发量 相平衡，使锅炉汽包 水位维持在工艺规定 的范围之内。
影响汽包水位的 因素主要有：蒸汽负 荷变化干扰、给水量 的调节。
2.5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制 （feedforward control sysytem）是一种开环控 制，直接按干扰大小进 行控制，以补偿干扰作 用对被控变量的影响。
2.5.2 前馈控制的特点和局限性
（一）前馈控制的特点
①前馈控制是一种开环控制 ②前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制 ③前馈控制器是专用控制器 ④前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的
右图为加热炉前馈— 串级复合控制系统示意图。
2.5.4 前馈控制系统的选用
①当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可 控的干扰时，可以引入前馈控制
②当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通 道的时间常数大时可以选用前馈控制。
③当主要干扰无法用串级控制方案使其包含在副回 路内，或者副回路滞后过大时，串级控制系统克服干扰 的能力就比较差，此时选用前馈控制能获得很好的控制 效果。
一般是在静态前馈控 制的基础上，加上延迟环 节或微分环节，以达到对 干扰作用的近似补偿。
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目录
一、前馈控制系统设计
1、前馈控制系统选择原则
1.1 扰动量可测不可控原则 (2)
1.2 控制系统精确辨识原则 (2)
1.3被控系统自衡原则 (3)
1.4 优先性原则 (3)
1.5 经济性原则 (4)
2、工程整定
2.1 整定的总体原则
2.1.1 稳定性 (4)
2.1.2快速性 (5)
2.1.3 反馈控制的静差 (5)
3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5)
二、实例仿真 (6)
2.1前馈控制系统整定 (7)
2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7)
2.3、反馈控制系统整定 (8)
2.4、系统仿真 (9)
三、心得体会 (11)
四、参考文献 (12)
二、实例仿真
系统按结构分类，可分为：静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。
其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。
前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。
一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。
前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。
其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。
本例采用前馈、反馈分别整定的方法。
假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下：
e-10s
干扰通道传递函数为：G f(s)G2(s)=15
(81)(10s1)
s++
e-8s
系统被控部分传递函数为：G1(s)G2(s)=6
s++
(51)(10s1)
给定部分传递函数为：Gc(s)=1
2.1前馈控制系统整定。
由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：K d=-2.5, T dl=8。
若系统采用PID控制，则系统结构框图如图：
2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图
2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。
系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。
对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析(不含PID调节器部分)，为分析方便，取：
不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：6
+++2
(3s1)(10s1)(5s1)
开环Bode图如图2.2.1所示，可见开环系统不稳定。
2.2.1反馈控制(不含控制器)开环Bode图
2.3、反馈控制系统整定。
本例反馈控制器取为PI形式。
采用阶跃响应法整定PI参数。
开环阶跃响应Simulink框图如图所示。
单位阶跃响应曲线如图2.3.1所示。
2.3.1开环阶跃响应Simulink框图
2.3.2开环系统单位阶跃响应
u=1。
因此得：
2.4、系统仿真。
利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈-反馈复合控制Simulink框图2.4.1所示，其中各个模块的具体结构如2.4.2所示，仿真结果如2.4.3所示。
2.4.1 系统前馈-反馈复合控制Simulink框图
2.4.2系统主要模块结构图
2.4.3 系统前馈-反馈复合控制Simulink仿真结果
采取前馈-反馈复合控制系统比单纯采取前馈控制提高了系统控制品质。
一、前馈控制系统设计
1.1 前馈控制系统选择原则
前馈控制系统的选择主要有一下原则：
1.1.1 扰动量可测不可控原则
扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。
如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。
例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。
温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。
而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。
而在很多现场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应采取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。
1.1.2 控制系统精确辨识原则
控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。
作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。
相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。
1.1.3被控系统自衡原则
在非自衡系统中不能单独使用前馈控制。
前馈控制本身是开环控制系统，不改变被控系统的非自衡性，所以这样的系统应先构成自衡系统才能采用前馈控制。
1.1.4 优先性原则
采用控制系统中的优先性依次是：反馈控制、静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制。
由于反馈控制能时刻监控被控对象的被控参数，能保证在所有干扰下，将被控参数的变动控制在允许范围之内。
所以，系统应优先考虑采用反馈控制。
当存在反馈控制难以克服的频率高、幅值大、对被控参数影响显著、可测而不可控的扰动或控制系统通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，为了改善和提高系统的控制质量，可以引入前馈控制。
在实际工业生产过程中，尤其当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时应用静态前馈控制可获得较高的控制精度。
静态前馈控制只能保证被控制参数的静态偏差接近或等于零，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，不能消除过度过程中所产生的动态偏差。
当需要严格控制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。
当被控对象的干扰较多，或不能精确辨识干扰对被控对象的影响时，可以采用前馈-反馈控制。
利用前馈控制对主要干扰对象进行控
制，通过反馈控制抑制由于辨识不精确以及其他干扰引起的误差。
也就是说，前馈-反馈控制系统将干扰分成两个等级，对影响大的干扰采用前馈补偿，保证系统输出不会有过大的波动，对于影响小的干扰允许引起系统输出的偏差，通过偏差进行补偿。
当被控对象较复杂，干扰较多，要求控制较为精细时，应采用前馈-串级控制。
1.1.5 经济性原则
静态前馈控制简单，一般采用比例调节器或比值器就能满足使用要求。
而通常动态前馈控制要采用专用的控制器，投资高于静态前馈控制，所以，若静态前馈能达到工艺要求时，则首先选用静态前馈控制。
2、工程整定
2.1 整定的总体原则
前馈控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性和反馈控制的静差问题。
2.1.1 稳定性
稳定性是控制系统正常工作的首要条件。
对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况，更涉及干扰扰动问题。
干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。
干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至处于不安全工作状态。
2.1.2快速性
应保证系统响应的快速性。
2.1.3 反馈控制的静差
在稳态时，反馈控制应能较好地反应系统的控制要求，应做到系统响应和控制要求的一致，故系统跟踪不应存在静差。
3、前馈-反馈复合系统工程整定
前馈-反馈复合控制的工程整定方法主要有：
统，并对前馈控制系统进行整定。
三、心得体会
通过本例的仿真，我们认识到前馈-反馈复合控制方法相比传统PID控制，具有稳定性好、自适应性好、能显著提高系统控制品质等有点。
在这次仿真过程中，我们查阅了自动控制系统的相关材料，一定程度上对自动控制系统和其发展现状有了认识了解。
根据仿真要求，我们经过对系统参数进行分析和整定，得到了仿真结果并对结果进行分析，进一步了解到了，前馈-反馈复合控制系统的特点。
在做的过程中，我们遇到了问题都尽力通过查阅资料解决，不过还有一定的不足，促使我们在以后学习中努力补缺补漏加以解决。
总得来说，通过这次实例仿真，使我们对过程控制系统有了更深入的了解，进行理论与实践的结合，为我们以后的学习和工作打下了更好的基础，在今后的日子里，我们将理论与实践更深入结合，充分运用于工作中。
四：参考文献
[1]孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：化学工业出版社，2006.1：79-135
[2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88
[3] 邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.8：45-90
[4] 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，2002.7：42-62
[5] 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003：126-135
[6] 何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001.3：134-150。