基于PLC的电梯控制系统的设计

辽 宁 工 业 大 学

电气控制与PLC技术 课程设计（论文）

题目： 基于PLC的电梯控制系统设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自112班 学 号： 100302050 学生姓名： 范云龙 指导教师： （签字） 起止时间：2014.06.30-2014.07.11

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 课程设计（论文）题目 课题完成的功能： 本课程设计要求以五层电梯作为被控对象，采用西门子S7-200型PLC作为控制核心，实现电梯的电气控制运行。 设计任务及要求： （1）认真查阅相关文献资料，清楚了解电梯的结构、工作原理及控制要求。 100302050 学生姓名 范云龙 专业班级 自动化112 基于PLC的电梯控制系统设计 课程设计（论文）任务 （2）完成电梯电力拖动部分设计，包括主电气连接线路设计等。 （3）完成PLC控制系统硬件设计（DI/AI/DO/AO信号分配、PLC硬件电气接线原理图），内容包括：厅门门口召唤按钮箱信号控制、门系统信号控制、井道电气安全保护信号控制、轿厢内按钮箱信号控制、轿厢照明/到站提示/超重报警信号控制、电机正反转控制等。 （4）完成PLC控制系统软件设计，内容包括主程序及相关子程序的程序流程图设计和梯形图程序设计。 （5）撰写课程设计说明书（论文）：其中应包含设计方案说明、系统组成总体结构、硬件设计、软件设计等内容。 技术参数： 电梯层数：5层；曳引电机功率：18kW。 （1）布置任务，查阅资料，确定系统组成和功能分析（2天） 进度计划（2）系统硬件电路设计（3天） （3）系统软件设计及实验研究（2天） （4）撰写、打印设计说明书（2天） （5）答辩（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘 要

电梯是一种垂直方向的运输设备，在高层建筑中是不可缺少的运输设备。它靠电力驱动，拖动一个可以载人或载物的轿厢，在建筑的井道中的导轨上做垂直升降运动。随着社会的不断发展，人们的生活水平越来越高，高层建筑不断增多，电梯在人们生活中有着不可替代的重要作用。

本次设计采用的是德国西门子公司的S7—200系列的可编程控制器CPU226作为控制核心，外接EM223模块来实现对五层楼电梯的控制。当系统上电后，电梯系统开始运行时，PLC根据轿厢内外用户的使用需求控制变频器和曳引电机使轿厢完成纵向的移动，再通过控制变频器和自动门机使电梯开门，用户进出完毕后，红外线传感器确认再无用户正在出入电梯，重量传感器确认电梯内乘客或货物的重量符合要求并未超重，电梯门关闭，电梯继续运行。电梯内设有求救按钮，电梯井道内设有安全保护，系统整体运行安全可靠。

本文设计的基于PLC的五层电梯控制，操作方便，安全可靠。电梯速度快，运行平稳，使乘客安全快捷舒适地完成上下楼。系统结构简单，为电梯日后在使用中的维修和维护带来了很大的方便。

关键词：电梯；高层建筑；PLC控制；变频器

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目 录

第1章 绪论 ............................................................... 1 第2章 设计方案 .......................................................... 3

2.1 设计方案的选择 ...................................................... 3 2.2 PLC的选择 .......................................................... 3 2.3系统结构框图 ........................................................ 4

第3章 电梯硬件系统的设计............................................... 5

3.1 厅门门口召唤按钮箱 .................................................. 5 3.2门系统 .............................................................. 6 3.3 桥箱内部按钮信号箱 .................................................. 6 3.4 桥箱内照明/超重报警装置 ............................................. 7

3.4.1红外线感应器 .................................................. 7 3.4.2 称重传感器 .................................................... 8 3.5电动机正反转控制 .................................................... 9 3.6电梯系统整体硬件结构 ............................................... 11 3.7 I/O分配表 ......................................................... 12 3.8 PLC外部接线图 ..................................................... 13

第4章 软件设计 ......................................................... 14

4.1程序流程图 ......................................................... 14 4.2系统的梯形图 ....................................................... 15

4.2.1电梯系统开关门程序 ........................................... 15 4.2.2电梯复位程序 ................................................. 16 4.2.3电梯桥箱关门及复位程序 ....................................... 17

第5章 课程设计总结..................................................... 18 参考文献 ................................................................. 19

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第1章 绪论

随着科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，高层建

筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼如雨后春笋。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品 在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样， 成为重要的垂直运输设备之一。

继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高， 继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。 总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC 是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。

在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PLC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工 作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。 PLC 控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。

由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。现在 PLC 作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商家、家用的微机不同，由于

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控制对象的复杂性，使用 环境的特殊性和工作运行的连续性，使其在设计上有许 多特点。

（1）、可靠性高，抗干扰能力强； （2）、编程方法简单、直观；

（3）、体积小、耗能低、重量轻；

（4）、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强； （5）、控制程序可变，具有良好的柔性； （6）、维修工作量小、维护方便； （7）、接口模块功能强、品种多。

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第2章 设计方案

2.1 设计方案的选择

电梯控制方式主要分为三种，分别是继电器控制方式、微机控制方式和可编程控制器（PLC）控制方式，由于继电器控制存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短的缺陷现在已逐渐被淘汰，微机控制可靠性差故也不多采用，而PLC控制采用一种巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作。又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等是它本身系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，因此，它比继电器控制有明显的优越性，比微机控制有明显的可靠性，自动化水平更高。

综上所述PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、优越性和实用性的控制方式，它更适合用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术，所以本次课程设计采用可编程控制器(PLC)作为控制方式。

2.2 PLC的选择

根据在学校所学内容，本次设计采用的是S7-200系列的CPU226。由于其输入输出口较多可以满足本次设计的要求。CPU226本机集成了24点输入／16点输出，共有40个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU226有13Ｋ字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHｚ高速计数器，2路独立的20KHｚ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。

S7-200自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力－特别是有关它的实时性能－它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计－目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。S7-200实物如图2.1所示。

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图2.1 S7-200实物图

2.3系统结构框图

系统结构框图如图2.2所示

电梯内按键

电梯外按键 电梯内外显示 变频器 自动门机

红外线检测

行程开关 超重检测 超重警报 PLC 变频器 电机正反转 照明 图2.2 系统结构框图

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第3章 电梯硬件系统的设计

3.1 厅门门口召唤按钮箱

召唤按钮是设置在电梯停靠站厅门外侧，给厅外乘用人员提供召唤电梯的装置。

根据处位的不同，召唤按钮箱分位于上端站，只装设一只下行召唤按钮，位于下端站只装设一只上行召唤按钮的单钮召唤箱。位于中层站者，则是装设一只上行召唤按钮和一只下行召唤按钮的双召唤箱。

一楼按钮箱和五楼按钮箱如图3.1所示。

图3.1 一楼和五楼按钮箱

2-4楼按钮箱如图3.2所示。

图3.2 2-4楼按钮箱

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3.2门系统

门系统的功能：封住层站入口和轿厢入口。

门系统的组成：由轿厢门、层门、开门机、门锁装置等组成。 轿厢门：设在轿厢入口的门，由轿门板、门导轨、轿厢地坎等组成。 层门：又称厅门，设置在每个层站入口的门，由门、门导轨、层门地坎、层门联动机构及自复门机构等组成。

开门机：使轿厢门及层门开启或关闭的装置。

门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后将层门锁紧，同时接通安全回路，使电梯方能运行的机电连锁安全装置。

自动门机即感应自动门机组，是一套感应自动门的核心，相当人的大脑和肌肉。主控制器：它是自动门的指挥中心，（类似人类大脑）通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

门系统如图3.3所示。

图3.3 门系统

3.3 桥箱内部按钮信号箱

桥箱内部按钮信号箱是司机或乘用人员控制电梯上下运行的操纵控制中 心。按钮箱装置的电器元件与电梯的控制方式、停层站数有关。

按钮箱上装配的电器元件一般包括下列几种：

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发送轿内指令任务，命令电梯起动和停靠层站的元件，轿内按钮控制、信号 和集选控制电梯的轿内指令按钮；控制电梯工作状态的钥匙开关；控制开关；急 停按钮；短接和应急按钮；点动开门按钮；轿内照明灯开关；蜂鸣器；但是近年来已出现按钮箱和指层箱合为一体新型操纵指层箱。 电梯内部按钮箱如图3.4所示。

图3.4 电梯内键盘

3.4 桥箱内照明/超重报警装置

在本次设计中主要使用红外线感应器以及称重传感器实现桥箱内部的照明以及超重报警的功能。

3.4.1红外线感应器

红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器，有灵敏度高等优点。

红外线传感器依动作可分为：

(1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之

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热型。

(2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动 势效果的量子型。

本电梯系统选用TKJ系列电梯红外线光幕如图3.5所示。 TKJ系列电梯红外线光幕详细参数： 最大扫描光束94束 响应时间53.2ms

零距离允许垂直错位50MM，零距离允许水平错位5MM 最小检出物体高度50MM，有效检测高度1670MM 有效探测距离0-3000MM，抗光实验100000LUX

光幕长度1.8米或2米可选，宽度24MM，厚度10MM（3）进行输出端子分配时，通常将高压部份放在前，低压部分放在后。

图3.5 TKJ系列电梯红外线光幕

3.4.2 称重传感器

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。主要有S型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等几种样式。

称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形

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式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、 陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

本电梯系统选用BHR-DTA 电梯专用称重传感器，BHR-DTA 电梯专用称重传感器采用桥式双剪切结构，精度高、稳定性好，专用于安全报警。BHR-DTA称重传感器如图3.6所示。

图3.6 BHR-DTA 电梯专用称重传感器

3.5电动机正反转控制

电机要实现正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调即可，通常是V相不变，将U相与W相对调节器，为了保证两个接触器动作时能够可靠调换电动机的相序，接线时应使接触器的上口接线保持一致，在接触器的下口调相。由于将两相相序对调，故须确保二个KM线圈不能同时得电，否则会发生严重的相间短路故障，因此必须采取联锁。为安全起见，常采用按钮联锁与接触器联锁的双重联锁正反转控制线路，如图3.7所示；使用了按钮联锁，即使同时按下正反转按钮，调相用的两接触器也不可能同时得电，机械上避免了相间短路。另外，由于应用的接触器联锁，所以只要其中一个接触器得电，其长闭触点就不会闭合，这样在机械、电气双重联锁的应用下，电机的供电系统不可能相间短路，有效地保护了电机，同时也避免在调相时相间短路造成事故，烧坏接触器。

正向启动过程

按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电，与SB2并联的KM1的辅助常开触点闭合，以保证KMl线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM1的主触点持续闭合，电动机连续正向运转。

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停止过程

按下停止按钮SB1，接触器KMl线圈断电，与SB2并联的KM1的辅助触点断开，以保证KMl线圈持续失电，串联在电动机回路中的KMl的主触点持续断开， 切断电动机定子电源，电动机停转。 反向起动过程

按下起动按钮SB3，接触器KM2线圈通电，与SB3并联的KM2的辅助常开触点闭合，以保证KM2线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM2的主触点持续闭合，电动机连续反向运转

图3.7 电动机正反转控制

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3.6电梯系统整体硬件结构

电梯控制系统主要由变频调速主回路、输入输出单元以及 PLC 单元构成， 由如图3.8所示，PLC用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止，运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和控制功能。

图3.8 电梯系统硬件结构图

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3.7 I/O分配表

本设计系统为五层楼电梯控制系统，采用S7—200 CPU226加上一个扩展模块EM223的24VDC输入法16点/输出16点类型。它是24点输入和16点输出点加上16点扩展输入和16点扩展输出。基本上可以满足五层楼的电梯控制系统。如表3.1所示。

表3.1 I/O分配表

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I3.0 一楼上行 二楼上行 二楼下行 三楼上行 三楼下行 四楼上行 四楼下行 五楼下行 红外线检测 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I3.1 一层行程开关 二层行程开关 三层行程开关 四层行程开关 五层行程开关 到达一层 上限限位 下限限位 重量检测 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.2 到达二层 到达三层 到达四层 到达五层 开门按键 关门按键 开门限位开关 关门限位开关 总开关

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 一层上行灯 二层上行灯 二层下行灯 三层上行灯 三层下行灯 四层上行灯 四层下行灯 五层下行灯 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 内部一层灯 内部二层灯 内部三层灯 内部四层灯 内部五层灯 电梯上行显示 电梯下行显示 求救显示 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 电梯上升 电梯下降 电梯开门 电梯关门 外部楼层显示 12

本科生课程设计（论文） 3.8 PLC外部接线图 根据I/O分配表对PLC绘制外部接线图。PLC外部接线图如图3.9所示。 一楼上行二楼上行二楼下行三楼上行三楼下行四楼上行四楼下行五楼下行一层行程开关二层行程开关三层行程开关四层行程开关五层行程开关到达一层上限限位下限限位到达二层到达三层到达四层到达五层电梯开门电梯关门开门限位开关关门限位开关DC24V红外线检测重量检测总开关I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7COMI3.0I3.1I3.2COMCPU226Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7一层上行灯二层上行灯二层下行灯三层上行灯三层下行灯四层上行灯四层下行灯五层下行灯内部一层灯内部二层灯内部三层灯内部四层灯内部五层灯上行指示灯下行指示灯求救显示COM2COM1Q2.0Q2.1AC220VDC24V电梯上升电梯下降电梯开门电梯关门外部楼层显示EM223Q2.2Q2.3Q2.4 图3.9 PLC外部连线图 13

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第4章 软件设计

4.1程序流程图

根据电梯的工作原理与功能要求以及输入/输出点的地址分配表，来绘制电梯的程序流程图。电梯程序流程图为图4.1。

图4.1 系统运行流程图

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4.2系统的梯形图

4.2.1电梯系统开关门程序

电梯轿厢自动选向程序设计电梯轿厢运行首要功能便是自动选向功能，此功能分开讨论，便是上行、下行两部分。由上述分析可知，电梯轿厢方向只有上下两种情况，则在本小节之中分别进行讨论。电梯轿厢上行：二层：当二层有外呼上指示、三层有外呼上（下）指示、四层有外呼上（下） 指示、五层有外呼下指示、三、四、五有内呼指示时，停在二层的电梯轿厢会上行： 三层：当三层有外呼上指示、四层有外呼上（下）指示、五层外呼下指示、 四、五层有内呼指示时，停在三层的电梯轿厢会上行； 四层：当四层有外呼上指示、五层外呼下指示、五层内呼指示时，停在四层的电梯轿厢会上行；五层；任何指示都不会造成停在五层的电梯轿厢上行的情况。

电梯桥箱上行程序如图4.2所示。

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图4.2 电梯上行程序

4.2.2电梯复位程序

当门电机开门触发被置位后，当符合一定条件时，应取消置位，使之停止开门，故应取消置位。

条件： （1）当开门按钮没有按下，有关门按钮按下时；

（2）出发开门限位，自动停止开门；

（3）当开门按钮没有按下，有门电机关置位电梯轿厢开门复位。 电梯复位程序如图4.3所示

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图4.3 电梯复位程序

4.2.3电梯桥箱关门及复位程序

轿厢关门及复位设计当开门动作结束之后，通过延时计时器的0.8s延时，电梯将会自动关门，触发关门限位之后，关门动作结束。同时，当关门按钮按下时，关门动作也会触发；当有门电机开门动作触发时，关门动作停止，开门动作触发。 梯形图如图4.4所示。

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图4.4 电梯关门及复位程序

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第5章 课程设计总结

本文在阐述电梯的结构组成和可编程控制器的工作原理的基础上，针对5层5站电梯，使用西门子PLC S7-200系列可编程控制器，设计了电梯的控制系统。包括电梯的硬件系统、轿内指令和厅外召唤的面板、电梯的开关门运行模块、电梯运行控制模块等，实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：电梯控制系统以可编程控制器为核心，并与变频器相配合，实现了对电梯的运行速度进行无级调速，提高了电梯的舒适度，增强了电梯运行的安全性和可靠性，方便了电梯的同常保养维护和故障检修工作，降低了电梯运行的成本，能够满足电梯的控制要求。该电梯控制系统对不同层高的建筑，只需简单的将外围电路进行扩展，就能满足使用要求，具有很强的通用性。系统安装调试工作少，方便日后的维修和保养。

通过这次毕业设计锻炼，使我了解了电梯系统的工作原理和基本功能模块，以及实现这些功能的具体方法。并且通过对系统的整体掌握，到子系统的逐步分析的设计思路与模式使我在今后的学习中有了更长足的进步。

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参考文献

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