CN112527026A - 一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,包括以下步骤:步骤1,确定复合型动力吸振器的有效减振频带;步骤2,将步骤1确定得到的有效减振频带划分为两部分;步骤3,获取复合型动力吸振器所受外界激振频率;步骤4,将步骤3得到的复合型动力吸振器所受外界激振频率与步骤2划分得到的两部分有效减振频带进行比较,进而对复合型动力吸振器进行控制;本发明将吸振器的变质量与变刚度采用两个相互独立的控制系统,互不影响,当其中一个系统失效时,可以避免吸振器调节性能完全失效,吸振器性能更加稳定,本发明的控制方法,简单有效且稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域,具体涉及一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法。
背景技术
动力吸振器因其结构简单、性能稳定及经济性良好等优点而广泛应用于工程结构、机械系统、建筑桥梁等振动控制领域。由振动力学理论可知,当吸振器固有频率与主系统外激励力频率相等时,可有效降低主系统振动。传统的动力吸振器组成如图1所示,其中F0 sin(ωt)为主系统所受的简谐激振力,m1、k1、c1分别为主系统的质量、刚度和阻尼,m2、k2、c2分别为吸振器的质量、刚度和阻尼。对该系统进行仿真得到主系统在安装动力吸振器时的幅频响应曲线,如图2所示。系统具体参数如下表:
主系统参数 | 参数值 | 动力吸振器参数 | 参数值 |
m<sub>1</sub> | 1 | m<sub>2</sub> | 0.05 |
k<sub>1</sub> | 225 | k<sub>2</sub> | 6 |
c<sub>1</sub> | 0.01 | c<sub>2</sub> | 0.006 |
F<sub>0</sub> | 10 |
从图中可以看出,当动力吸振器固有频率等于外界激振力频率时,可以显著降低主系统的振动。但传统动力吸振器结构参数不可变,固有频率不可调节,有效减振带宽很窄。一旦失去调谐,主系统减振效果变差,而且有可能引起主系统的共振从而加剧主系统的振动。
主动式动力吸振器通过主动调节作动器作用力的大小来降低主系统的振动,外界激振力越大,所需要的主动力就越大。主动式动力吸振器较传统动力吸振器虽然可以提高减振效果,扩大有效带宽,但其结构复杂,成本高,耗能大,控制复杂,极大地限制了其在工程上的应用。
自适应式动力吸振器根据外界激振频率,调整自身结构参数(质量、刚度、阻尼),使动力吸振器固有频率与外界激振频率相等。自适应式动力吸振器有效减振频带宽,减振效果好,且耗能小经济性好,兼顾传统动力吸振器和主动式动力吸振器的优点,受到国内外学者的广泛关注。
国内专利号为201310303892.8的发明专利提出了一种变质量动力吸振器的控制方法。通过改变动力吸振器的质量改变吸振器固有频率,从而实现扩宽有效减振频带,并且可以消除安装动力吸振器后主系统出现的新的共振峰。国内专利号为200510094882.3的发明专利公开了一种磁流变弹性体移频式吸振器及控制方法。其工作原理为磁流变弹性体在变化磁场作用下,弹性模量发生改变,以此改变磁流变弹性体的刚度,实现对吸振器固有频率的调节。上述自适应式吸振器虽然可以扩宽动力吸振器有效减振频带,但在某些实际应用中,单纯的变质量或变刚度动力吸振器的减振频带仍无法满足宽频带的要求。
国内专利号201410299504.8的发明专利公开了一种固有频率可调的复合型动力吸振器及其控制方法。利用磁流变弹性体在变化磁场中弹性模量发生改变的特性,实现动力吸振器的变刚度;通过改变储液箱内液体的体积实现动力吸振器的变质量。该发明将减振频带划分为四等分,在每个频段内同时改变刚度和质量,来保证动力吸振器固有频率与外界激振频率相等。该发明虽然可以显著的扩宽动力吸振器的有效减振频带,但其控制过程复杂,难以实现实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,以解决现有自适应式动力吸振器存在的减振频带宽度无法满足要求,或吸振器控制过程过于复杂,难以实现实际应用的问题。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明提供的一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,包括以下步骤:
步骤1,确定复合型动力吸振器的有效减振频带;
步骤2,将步骤1确定得到的有效减振频带划分为两部分;
步骤3,获取主系统当前时刻所受外界激振频率,并将该外界激振频率与主系统前一时刻所受外界激振频率相对比,其中,若该外界激振频率发生变化时,进入步骤4;否则,进入步骤6;
步骤4,根据步骤3得到的主系统当前时刻所受外界激振频率和步骤2划分得到的两部分有效减振频带,对复合型动力吸振器的刚度或质量进行调整;
步骤5,获取复合型动力吸振器和主系统之间相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值,对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,直至复合型动力吸振器和主系统之间相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值与0之间的差值小于预设阈值;
步骤6,重复执行步骤3。
优选地,步骤1中,确定复合型动力吸振器的有效减振频带,具体方法是:
根据复合型动力吸振器的质量和刚度的最小值与最大值确定复合型动力吸振器固有频率的变化范围;
将确定得到的复合型动力吸振器固有频率的变化范围作为复合型动力吸振器的有效减振频带。
优选地,步骤1中,确定复合型动力吸振器的有效减振频带,具体方法是:
优选地,步骤2中,将步骤1确定得到的有效减振频带划分为两部分,具体地:
优选地,步骤4中,对复合型动力吸振器的刚度或质量进行调整,具体方法是:
若主系统所受外界激振力的频率超出有效减振频带时,则不对复合型动力吸振器的质量或刚度进行调整;
其中,ω为主系统所受外界激振力的频率;k2为变刚度单元的刚度;m2为变质量单元的质量;k2max为变刚度单元的刚度最大值;m2max为变质量单元的质量最大值;ωl为有效减振频带的最小值;ωh为有效减振频带的最大值;ωm为有效减振频带的中间值。
优选地,步骤5,所述运动信号包括加速度、速度或者位移信号。
优选地,步骤6中,对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,具体方法是:
根据复合型动力吸振器和主系统之间的相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值、以及新的主系统所受外界激振力的频率,结合闭环比例控制算法对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,具体地:
计算复合型动力吸振器和主系统之间的相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值与0之间的误差值,若该误差值小于预设阈值,则直接进入步骤3;若该误差值大于等于预设阈值时,则对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,则进入步骤3。
优选地,当ωl≤ω<ωm时,则对复合型动力吸振器的刚度进行调整,且刚度调整量为:
其中,Kp1为比例系数,取负数;若Δk2>0,则表明使刚度变大;若Δk2<0,则表明使刚度变小;即
k2(i+1)=k2(i)+Δk2
其中,k2(i+1),k2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的刚度值;
当ωm≤ω≤ωh时,对复合型动力吸振器质量进行调整,质量调整量:
其中,Kp2为比例系数,取正数;若Δm2>0,则表明使质量变大;若Δm2<0,则表明使质量变小;即
m2(i+1)=m2(i)+Δm2
其中,m2(i+1)、m2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的质量值;
若主系统所受外界激振力的频率超出有效减振频带时,则不对复合型动力吸振器的质量或刚度进行调整。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的一种变质量-变刚度复合型动力吸振器的控制方法,通过对吸振器刚度和质量两个参数的调节,使吸振器的有效减振频带显著扩宽,减振效果明显;根据吸振器刚度与质量的极值,确定吸振器有效减振频带,并将其分为两个部分,工作过程只需要对一个变量进行实时控制,方法简单易于实现;吸振器的变质量与变刚度采用两个相互独立的控制系统,互不影响,当其中一个系统失效时,可以避免吸振器调节性能完全失效,吸振器性能更加稳定。另外,采用闭环比例控制方法,利用复合型动力吸振器与主系统振动信号相位差对吸振器参数进行微调,提高吸振器参数控制精度。因此,本发明的控制方法,简单有效且精度高。
附图说明
图1为主系统与传统动力吸振器模型;
图2为安装动力吸振器时,主系统振幅频率响应曲线;
图3为主系统与复合型动力吸振器模型;
图4为安装复合型动力吸振器时,主系统振幅频率响应曲线;图中的“点线”表示吸振器刚度最小(k2=6),质量最大(m2=0.1685)时的频率响应曲线;“点画线”表示动力吸振器刚度最大(k2=9),质量最大(m2=0.1685)时的频率响应曲线;“虚线”表示动力吸振器刚度最大(k2=9),质量最小(m2=0.05)时的频率响应曲线;“实线”表示应用本发明提出的控制方法时主系统在有效减振频带内的频率响应曲线;
图5为复合型动力吸振器工作时其刚度随外界激振频率的变化曲线;
图6为复合型动力吸振器工作时其质量随外界激振频率的变化曲线;
图7为实施例中未安装动力吸振器时主系统位移曲线;
图8为安装动力吸振器后应用本发明控制方法时主系统位移曲线;
图9为安装在单自由度主系统上的变质量-变刚度复合型动力吸振器结构图;
图10为变质量-变刚度复合型动力吸振器比例控制原理图;
图11为励磁线圈控制原理图;
图12为变质量单元控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种变质量一变刚度复合型动力吸振器的控制方法,所述复合型动力吸振器由变质量单元和变刚度单元组成;所述变质量单元通过变刚度单元连接在主系统上,变质量单元的质量m2可以在最大值m2max和最小值m2min之间连续变化,变刚度单元的刚度k2可以在最大值k2max和最小值k2min之间连续变化。
具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据复合型动力吸振器变质量单元的质量和变刚度单元的刚度最小值与最大值m2min、m2max、k2min、k2max、确定复合型动力吸振器固有频率的变化范围[ωl,ωh];理论分析证明,当吸振器固有频率与外界激振频率相等时可有效降低主系统的振动,则有效减振频带为[ωl,ωh];其中:
其中,ωl为有效减振频带的最小值;ωh为有效减振频带的最大值。
步骤2,将有效减振频带划分为[ωl,ωm),[ωm,ωh]两部分,其中:
其中,ωm为有效减振频带的中间值。
步骤3,对主系统-复合型动力吸振器组成的总系统,分别安装用于采集主系统和复合型动力吸振器振动信号的传感器,其中,传感器为振动加速度传感器、振动速度传感器或振动位移传感器。
对传感器采集的振动信号作傅里叶变换得到主系统所受外界激振频率ω;并将该外界激振频率与主系统前一时刻所受外界激振频率相比,其中,若该外界激振频率发生变化时,进入步骤4;否则,进入步骤6;
步骤4,在复合型动力吸振器工作中,根据主系统所受外界激振频率ω的大小,对复合型动力吸振器按照如下两式进行控制:
当主系统所受外界激振频率ω在有效减振频带之外时,则不对复合型动力吸振器的质量或刚度进行调整。
所述运动信号包括加速度、速度或者位移信号;其中,所述复合型动力吸振器与主系统的相对加速度是指其中,分别为主系统和复合型动力吸振器绝对加速度,同样地,复合型动力吸振器与主系统的相对速度是指相对位移是指(x2-x1),其中,x2,x1分别为复合型动力吸振器和主系统的速度和位移;
在实际控制过程中,对复合型动力吸振器的刚度或质量的调整,不可避免的会存在误差,为保证复合型动力吸振器参数控制的精确性,获得较好的减振效果,利用闭环比例控制方法对复合型动力吸振器质量与刚度进行微调,具体的:
当ωl≤ω<ωm时,则对复合型动力吸振器的刚度进行调整,且刚度调整量为:
其中,Kp1为比例系数,取负数;若Δk2>0,则表明使刚度变大;若Δk2<0,则表明使刚度变小;即
k2(i+1)=k2(i)+Δk2, (E2)
其中,k2(i+1),k2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的刚度值;
当ωm≤ω≤ωh时,对复合型动力吸振器质量进行调整,质量调整量:
其中,Kp2为比例系数,取正数;若Δm2>0,则表明使质量变大;若Δm2<0,则表明使质量变小;即
m2(i+1)=m2(i)+Δm2, (E4)
其中,m2(i+1)、m2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的质量值。
步骤6,重复执行步骤3。
在实际复合型动力吸振器控制中,利用计算机搭建算法编程环境,根据实际应用中的复合型动力吸振器选取适当的系统参数和控制参数,根据公式(5)与公式(6)以及比例控制器得到相应的控制信号,利用控制板卡将控制信号发送给复合型动力吸振器,实现对复合型动力吸振器的实时控制。
以下给出本发明的具体实施例:
本申请所述的理论分析是指:变质量-变刚度复合型动力吸振器模型如图3所示,m1、k1、c1分别为主系统的质量、刚度和阻尼,m2、k2、c2分别为复合型动力吸振器的质量、刚度和阻尼,F0 sinωt为主系统受到的简谐激振力。m2、k2可以在一定范围你变化。根据牛顿第二定律可得到其动力学方程为:
利用复数解法可求得主系统与吸振器的稳态振幅为:
式中:
A=(k1-m1ω2)(k2-m2ω2)-(k2m2+c1c2)ω2
B=(k1-m1ω2)c2ω-m2(c1+c2)ω3+k2c1ω
吸振器与主系统相对加速度和主系统绝对加速度之间的相位差为:
变质量-变刚度复合型动力吸振器可以采用多种结构形式。本实施例采用如图9所示的复合型动力吸振器,它包括变质量单元与变刚度单元。
变刚度单元主要包括U型基架1、励磁线圈2、预紧螺栓3、夹板4、磁流变弹性体5、吸振块6、水箱7(吸振器变质量单元)以及相关电路,复合型动力吸振器通过U型基架安装在主系统上,用于产生磁场的励磁线圈2安装于U型基架1上。U型基架1的开口处通过安装预紧螺栓3并安装有一对夹板,夹板之间通过磁流变弹性体5夹持有吸振块6。
在工作过程中通过控制励磁线圈2中的电流,改变作用于磁流变弹性体5上的磁场强度,从而改变其剪切模量,使磁流变弹性体5的刚度(即吸振器刚度)发生变化,从而实现对复合型动力吸振器刚度的控制。这里,通过改变励磁线圈2的电流改变磁流变弹性体刚度,则:
其中,Kp1′为电流比例系数,取负数;ΔI2为电流增量;若ΔI2>0,则表明使电流变大;若ΔI2<0,则表明使电流变小;即
I2(i+1)=I2(i)+ΔI2, (E2)
其中,I2(i+1),I2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻励磁线圈的电流值。
如图12所示,复合型动力吸振器质量单元为吸振块6与安装在吸振块6上的水箱7(变质量单元),水箱与供水装置相连结,通过供水装置改变水箱内液体的体积,可以实现复合型动力吸振器质量参数的变化。
所述供水装置包括:流量传感器8、软管9、蠕动泵10(附带电机)、储液箱11及控制装置。水箱、蠕动泵、储液箱之间通过软管相连。
当蠕动泵正转时,水流入水箱7,吸振器整理变大;当蠕动泵反转时,水箱7中水被抽出,质量变小;本实施例中,则:
其中,Kp2′为比例系数,取正数;Δv2为施加在蠕动泵上的电压增量;若Δv2>0,则表明使电压变大;若Δv2<0,则表明使电压变小;即
v2(i+1)=v2(i)+Δv2, (E4)
其中,v2(i+1)、v2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的蠕动泵电压值;且
假设主吸振器参数如下表所示:
表1变质量-变刚度复合型动力吸振器参数
主系统参数 | 参数值 | 动力吸振器参数 | 参数值 |
m<sub>1</sub> | 1 | m<sub>2min</sub> | 0.05 |
k<sub>1</sub> | 225 | m<sub>2max</sub> | 0.1685 |
c<sub>1</sub> | 0.01 | k<sub>2min</sub> | 6 |
F<sub>0</sub> | 10 | k<sub>2max</sub> | 9 |
c<sub>2</sub> | 0.006 |
根据表1可知吸振器质量和刚度最小值与最大值m2min=0.05,m2max=0.1685,k2min=6,k2max=9。则吸振器固有频率变化范围[ωl,ωh]为:
理论分析证明,当吸振器固有频率与外界激振频率相等时,吸振器处于调谐状态,所以吸振器有效减振频带为[5.9673,13.4164]。
将有效减振频带划分为两部分,[ωl,ωm),[ωm,ωh],为保证有效减振频带连续,且当激振频率在任意一个区间内变化时,只对一个变量进行调整,令
所以吸振器有效频带被分为[5.9673,7.3084),[7.3084,13.4164]两部分。
在Simulink中搭建仿真模型进行仿真分析,该模型主要包括信号发生模块、安装于主系统上的复合型动力吸振器模块、激振频率检测模块、相位差检测模块、控制算法模块、变质量执行模块和变刚度执行模块。
仿真过程中信号发生模块产生作用于主系统上的简谐激振力,引起主复合型动力吸振器的振动;激振频率检测模块根据主系统与复合型动力吸振器的加速度信号检测激振频率的大小;相位差检测模块根据主系统与复合型动力吸振器加速度信号检测复合型动力吸振器相对加速度与主系统绝对加速度之间的相位差余弦值;控制算法模块接收激振频率检测模块与相位差检测模块的信号。
工作初始时,控制算法模块根据激振频率检测模块输出的外界激振频率,按照本控制方法式(5)与式(6)(步骤4)输出复合型动力吸振器质量或刚度对应的数值。
控制算法工作过程中需要判断外界激振频率是否发生变化,若外界激振频率未变化,则继续获取外界激振频率;若外界激振频率发生变化,则根据激振频率检测模块输出的外界激振频率,按照本控制方法式(5)与式(6)(步骤4)输出复合型动力吸振器质量或刚度对应的数值。变质量执行模块或变刚度执行模块根据比例控制算法模块的信号调整复合型动力吸振器的质量或刚度。
根据复合型动力吸振器质量与刚度参数变化范围,本实施例中,调整复合型动力吸振器刚度的比例控制器比例系数取-0.01,调整复合型动力吸振器质量参数的比例控制器比例系数取0.01。比例控制原理图如图10所示。
根据理论分析公式(III)可得图4安装复合型动力吸振器时,主系统振幅频率响应曲线;图中的“点线”表示吸振器最小(k2=6),质量最大(m2=0.1685)时的频率响应曲线;“点画线”表示动力吸振器刚度最大(k2=9),质量最大(m2=0.1685)时的频率响应曲线;“虚线”表示动力吸振器刚度最大(k2=9),质量最小(m2=0.05)时的频率响应曲线;“实线”表示应用本发明提出的控制方法时主系统在有效减振频带内的频率响应曲线。图5与图6为应用本发明提出的控制方法时吸振器刚度及质量随外界激振频率的变化曲线。
吸振器初始参数为:m2=0.1685,k2=6,c2=0.006。测试过程中,前500s,外界激振频率ω=6rad/s;第500s至1000s之间外界激振频率ω=7rad/s;第1000s至1500s之间外界激振频率ω=13rad/s;第1500s至2000s之间外界激振频率ω=8rad/s;第2000s至2500s之间外界激振频率ω=6.5rad/s。应用本发明的控制方法对吸振器进行控制,主系统位移时域图如图8所示。0s时动力吸振器固有频率与外界激振频率不等,吸振器不调谐。本发明控制算法控制下,获取外界激振频率后,确定吸振器质量m2应为0.1685,刚度k2应为6.099,控制系统调整吸振器刚度至调谐状态;500s时外界激振频率变为7rad/s,吸振器失调。控制系统获取外界激振频率后,确定吸振器质量m2应为0.1685,刚度k2应为8.2565,控制系统再次调整吸振器刚度至调谐状态。1000s时外界激振频率变为13rad/s,吸振器再次失调。控制系统获取外界激振频率后,确定吸振器质量m2应为0.1667,刚度k2应为9,控制系统同时对吸振器质量与刚度进行调整至调谐状态。1500s与2000s时变化与前三个阶段类似。外界激振频率变化相同的情况下,未安装动力吸振器时,主系统位移时域图如图7所示。对比图7与图8可以明显看出本发明控制算法下的动力吸振器具有很好的减振效果的同时,也具有宽减振频带。
Claims (7)
1.一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,确定复合型动力吸振器的有效减振频带;
步骤2,将步骤1确定得到的有效减振频带划分为两部分;
步骤3,获取主系统当前时刻所受的外界激振频率,并将该外界激振频率与主系统前一时刻所受外界激振频率相对比,其中,若该外界激振频率发生变化时,进入步骤4;否则,进入步骤6;
步骤4,根据步骤3得到的主系统当前时刻所受外界激振频率和步骤2划分得到的两部分有效减振频带,对复合型动力吸振器的刚度或质量进行调整;
步骤5,获取复合型动力吸振器和主系统之间相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值,对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,直至复合型动力吸振器和主系统之间相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值与0之间的差值小于预设阈值;
步骤6,重复执行步骤3。
5.根据权利要求1所述的一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,其特征在于,步骤5中,所述运动信号包括加速度、速度或者位移信号。
6.根据权利要求1所述的一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,其特征在于,步骤5中,对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调,具体方法是:
根据复合型动力吸振器和主系统之间相对运动信号与主系统绝对运动信号之间的相位差余弦值、以及步骤3获取的主系统所受外界激振力的频率,结合闭环比例控制算法对复合型动力吸振器的质量或刚度进行微调。
7.根据权利要求6所述的一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法,其特征在于,
当ωl≤ω<ωm时,则对复合型动力吸振器的刚度进行调整,且刚度调整量为:
其中,Kp1为比例系数,取负数;若Δk2>0,则表明使刚度变大;若Δk2<0,则表明使刚度变小;即
k2(i+1)=k2(i)+Δk2
其中,k2(i+1),k2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的刚度值;
当ωm≤ω≤ωh时,对复合型动力吸振器质量进行调整,质量调整量:
其中,Kp2为比例系数,取正数;若Δm2>0,则表明使质量变大;若Δm2<0,则表明使质量变小;即
m2(i+1)=m2(i)+Δm2
其中,m2(i+1)、m2(i)分别为第(i+1)时刻、第(i)时刻的复合型动力吸振器的质量值;
若主系统所受外界激振力的频率超出有效减振频带时,则保持复合型动力吸振器的质量或刚度不变。
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CN202011429746.6A Pending CN112527026A (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 一种变质量—变刚度复合型动力吸振器的控制方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114087310A (zh) * | 2021-09-27 | 2022-02-25 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种控制自动无级变频式动力吸振器的方法及系统 |
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2020
- 2020-12-09 CN CN202011429746.6A patent/CN112527026A/zh active Pending
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