CN114157207A - 基于自适应测速的pi控制器及其控制方法、系统 - Google Patents

基于自适应测速的pi控制器及其控制方法、系统 Download PDF

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CN114157207A CN202111549298.8A CN202111549298A CN114157207A CN 114157207 A CN114157207 A CN 114157207A CN 202111549298 A CN202111549298 A CN 202111549298A CN 114157207 A CN114157207 A CN 114157207A
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Abstract

本发明实施例提供一种基于自适应测速的PI控制器及其控制方法、系统，属于自适应测速技术领域。所述控制方法包括获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值；根据所述可调模型的电流估计值和所述参考模型的电流实际值获得电流误差值。通过上述技术方案，本发明提供的基于自适应测速的PI控制器及其控制方法、系统通过获取可调模型的电流估计值以及参考模型的电流实际值以计算出电流误差值和电流误差值的变化率，模糊控制器根据电流误差值和电流误差值的变化率智能调节输出值，进而提高了该PI控制器对电流误差值的控制精度。同时，采用对电流误差值直接进行积分调节的方式，能够快速得消除稳态误差。

Description

基于自适应测速的PI控制器及其控制方法、系统
技术领域
本发明涉及自适应测速技术领域，具体地涉及一种基于自适应测速的PI控制器及控制方法以及系统。
背景技术
电机角度检测中，模型参考自适应测速方法应用较为广泛，但是模型参考自适应中的自适应机构使用的时传统PI控制，传统PI控制在参数标定上要花费大量的时间。
传统PI控制器存在积分饱和问题。所谓积分饱和，是指系统存在一个方向的偏差时，PI控制器的积分环节不断累加，最终到达控制器的限幅值，即使继续积分作用，控制器输出不变，所以出现了积分饱和。一旦系统出现反向偏差，控制器反向积分，控制器输出逐渐从饱和区退出，退出的时间与之间积分饱和的深度有关。但是，在退饱和的时间内，控制器输出还是在限幅值，此时容易出现调节滞后的情况，降低了系统的控制精度，进而导致系统性能变差。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于自适应测速的PI控制器及控制方法以及系统，该控制方法具有快速消除稳态误差、提高系统控制精度的功能。
为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种基于自适应测速的PI控制器的控制方法，包括：
获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值；
根据所述可调模型的电流估计值和所述参考模型的电流实际值获得电流误差值；
根据所述电流误差值获得电流误差值的变化率；
将所述电流误差值和所述电流误差值的变化率输入至模糊控制器以获得第一输出值；
根据公式(1)计算经比例调节后的第二输出值，
B＝Kp×A， (1)
其中，B为所述第二输出值，Kp为比例系数，A为所述第一输出值；
根据所述电流误差值积分调节获得第三输出值；
根据公式(2)计算可调模型的转速值，
Figure BDA0003416892850000021
其中，
Figure BDA0003416892850000022
为可调模型的转速值，C为所述第三输出值；
将所述可调模型的转速值输入至所述可调模型以获得可调模型的电流估计值。
可选地，所述控制方法还包括将所述可调模型输出的电流估计值返回至获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值。
可选地，根据所述可调模型的电流估计值和所述参考模型的电流实际值获得电流误差值包括：
根据公式(3)计算电流误差值，
Figure BDA0003416892850000023
其中，σ为所述可调模型的电流误差值，
Figure BDA0003416892850000024
为所述可调模型的电流估计值，I′s为所述参考模型的电流实际值。
可选地，根据所述电流误差值获得电流误差值的变化率包括：
获得上一个时刻所述电流误差值；
根据公式(4)计算电流误差值的变化率，
Figure BDA0003416892850000025
其中，Δσ为所述电流误差值的变化率，σi为当前时刻的所述电流误差值，σi-1为上一时刻的所述电流误差值。
可选地，将所述电流误差值和所述电流误差值的变化率输入至模糊控制器以获得第一输出值包括：
获取所述电流误差值和所述电流误差值的变化率；
判断所述电流误差值是否大于0；
在判断所述电流误差值大于0的情况下，再次判断所述电流误差值的变化率是否大于0；
在判断所述电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A1；
在判断所述电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A2；
在判断所述电流误差值小于或等于0的情况下，再次判断所述电流误差值的变化率是否大于0；
在判断所述电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A3；
在判断所述电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以抑制超调的值输出第一输出值A4。
可选地，根据所述电流误差值积分调节获得第三输出值包括：
将所述电流误差值进行积分以获得第一积分调节值；
根据公式(5)计算经比例调节后的第二积分调节值，
T＝Ki×S， (5)
其中，T为所述第二积分调节值，Ki为积分调节系数，S为所述第一积分调节值；
根据所述第二积分调节值获得第三输出值。
可选地，根据所述第二积分调节值获得第三输出值包括：
判断所述第二积分调节值的绝对值是否大于预设阈值；
在判断所述第二积分调节值的绝对值大于所述预设阈值的情况下，再次判断所述第二积分调节值是否大于所述预设阈值；
在判断所述第二积分调节值大于所述预设阈值的情况下，第三输出值为所述阈值；
在判断所述第二积分调节值小于所述预设阈值的相反数的情况下，第三输出值为所述阈值的相反数；
在判断所述第二积分调节值的绝对值大于或等于所述阈值的相反数且所述第二积分调节值小于或等于所述阈值的情况下，第三输出值为所述第二积分调节值；
输出所述第三输出值。
另一方面，本发明还提供一种基于自适应测速的PI控制器，包括控制器，所述控制器用于执行上述任一所述的控制方法。
再一方面，本发明还提供一种基于自适应测速的系统，包括：
如上述所述的PI控制器；
电流传感器，与可调模型连接，用于实时检测所述可调模型的电流。
再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如上述任一所述的控制方法。
通过上述技术方案，本发明提供的基于自适应测速的PI控制器及其控制方法、系统通过获取可调模型的电流估计值以及参考模型的电流实际值以计算出电流误差值和电流误差值的变化率，将电流误差值和电流误差值的变化率输入至模糊控制器，模糊控制器根据电流误差值和电流误差值的变化率智能调节输出值，进而提高了该PI控制器对电流误差值的控制精度。同时，采用对电流误差值直接进行积分调节的方式，能够快速得消除稳态误差。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的原理图；
图2是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的控制方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的控制方法中模糊控制器的流程图；
图4是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的控制方法中积分调节的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的原理图；图2是根据本发明的一个实施方式的基于自适应测速的PI控制器的控制方法的流程图。在图1和图2中，该控制方法可以包括：
在步骤S10中，获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值，其中，参考模型的电流实际值为预设定值，也是可调模型的电流的理想值。可调模型的电流估计值为动态值，需要从可调模型中实时检测获取。
在步骤S11中，根据可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值获得电流误差值。其中，可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值的差值即为电流误差值。电流误差值越小，则说明可调模型的电流与参考模型的电流非常接近，此时可调模型的电流被控制的较好；电流误差值越大，则说明可调模型的电流与参考模型的电流差距大，此时可调模型的电流被控制的很差。
在步骤S12中，根据电流误差值获得电流误差值的变化率。其中，由于可调模型的电流估计值是动态变化的，因此该电流估计值存在变化趋势，需要根据至少两个时刻的电流误差值以确定电流误差值的变化率，可通过该变化率预测电流误差值的变化，以便于实现对电流误差的精确控制。
在步骤S13中，将电流误差值和电流误差值的变化率输入至模糊控制器以获得第一输出值。其中，根据当前时刻的电流误差值以及电流误差值的变化率可以预测下一时刻电流误差值的变化趋势，模糊控制器根据该变化趋势智能调节其输出以满足精确控制电流误差值的目的。
在步骤S14中，根据公式(1)计算经比例调节后的第二输出值，
B＝Kp×A， (1)
其中，B为第二输出值，Kp为比例系数，A为第一输出值。
在步骤S15中，根据电流误差值积分调节获得第三输出值，其中，将电流误差值单独积分处理，积分调节能够快速的消除稳态误差，以提高该PI控制器的控制精度。
在步骤S16中，根据公式(2)计算可调模型的转速值，
Figure BDA0003416892850000061
其中，
Figure BDA0003416892850000062
为可调模型的转速值，C为第三输出值，
在步骤S17中，将可调模型的转速值输入至可调模型以获得可调模型的电流估计值。
在步骤S10至步骤S17中，根据可调模型的电流估计值以及参考模型的电流实际值能够计算出电流误差值以及电流误差值的变化率，模糊控制器能够根据电流误差值以及电流误差值的变化率预测电流误差值的变化趋势，并根据该变化趋势智能调节其输出，进而能够满足精确控制电流误差值的目的。同时，对电流误差值进行单独积分，最后根据模糊控制器的输出值经比例调节后的第二输出值和电流误差值积分后的第三输出值获取可调模型的转速值。
传统PI控制器中存在积分饱和的问题，积分饱和是指系统存在一个方向的偏差时，该PI控制器的积分不断累加，最终到达控制器的限幅值，且不会再随着积分的继续作用而改变。在积分饱和的情况下，需要控制器反向积分，控制器逐渐从饱和区退出，但是在退饱和的过程中，控制器还是输出限幅值，容易出现调节滞后的情况，降低了系统的控制精度，进而导致系统性能变差。在本发明的该实施方式中，采用模糊控制器之后直接用比例调节的方式，使得模糊处理后一旦出现偏差，就会立即调节。同时，积分环节直接处理电流误差，该积分调节能够快速的消除稳态误差，进而提高了该PI控制器对电流误差值的控制精度。
在本发明的该实施方式中，为了对可调模型的电流值进行稳定闭环控制，还需对可调模型的实时的电流值进行处理。具体地，该控制方法还可以包括：
将可调模型输出的电流估计值返回至获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值。其中，需要使用电流传感器对可调模型的实时电流进行检测，并将实时检测的电流传输至该PI控制器的输入端，以实现对可调模型的电流值闭环调节的目的，进一步提高了该PI控制器对电流误差值的控制精度。
在本发明的该实施方式中，为了计算出电流误差值，还需要对可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值进行处理。具体地，该控制方法还可以包括：
根据公式(3)计算电流误差值，
Figure BDA0003416892850000081
其中，σ为可调模型的电流误差值，
Figure BDA0003416892850000082
为可调模型的电流估计值，I′s(i1)为参考模型的电流实际值。
在本发明的该实施方式中，为了计算出电流误差值的变化率，还需对至少两个时刻的电流误差值进行处理。具体地，该控制方法还可以包括：
获得上一个时刻电流误差值。其中，需要先确定当前时刻的电流误差值，并根据当前时刻确定上一个时刻，再根据上一个时刻从PI控制器中获取上一个时刻的电流误差值。
根据公式(4)计算电流误差值的变化率，
Figure BDA0003416892850000083
其中，Δσ为电流误差值的变化率，σi为当前时刻的电流误差值，σi-1为上一时刻的电流误差值。
在本发明的该实施方式中，为了获得稳定的可调模型的转速值，模糊控制器还需要对电流误差值和电流误差值的变化率进行智能调节并输出。具体地，该控制方法可以包括如图3所示的步骤。在图3中，该控制方法可以包括：
在步骤S20中，获取电流误差值和电流误差值的变化率。其中，电流误差值的电流误差值的变化率应为同一时刻的值。
在步骤S21中，判断电流误差值是否大于0。其中，为了预测下一时刻的电流误差值，还需要对当前时刻的电流误差值的正负进行判断。
在步骤S22中，在判断电流误差值大于0的情况下，再次判断电流误差值的变化率是否大于0。其中，若电流误差值大于0，则说明可调模型的电流值小于参考模型的电流值，为了预测下一时刻的电流误差值的变化趋势，还需要对电流误差值的变化率的正负性进行判断。
在步骤S23中，在判断电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A1。其中，若电流误差值的变化率大于0，则说明电流误差值的变化越来越大，此时可调模型的电流值跟踪不上参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出。
在步骤S24中，在判断电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A2。其中，若电流误差值的变化率小于或等于0，则说明电流误差值的变化越来越小，此时可调模型的电流值趋向参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出。
在步骤S25中，在判断电流误差值小于或等于0的情况下，再次判断电流误差值的变化率是否大于0。其中，若电流误差值小于或等于0，则说明可调模型的电流值大于参考模型的电流值，为了预测下一时刻的电流误差值的变化趋势，还需要对电流误差值的变化率的正负性进行判断。
在步骤S26中，在判断电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A3。其中，若电流误差值的变化率大于0，则说明电流误差值的变化越来越小，此时可调模型的电流值回归参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出。
在步骤S27中，在判断电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以抑制超调输出第一输出值A4。其中，若电流误差值的变化率小于或等于0，则说明该电流误差值的变化越来越大，此时出现电流超调，模糊控制器应该以抑制超调的值输出，即以较小值输出。
在步骤20至步骤S27中，根据电流误差值的正负以及电流误差值的变化率的正负对电流误差值的变化趋势进行预测。若电流误差值和电流误差值的变化率均为正，则说明可调模型的电流值跟踪不上参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出；若电流误差值为正，电流误差值的变化率为负，则说明此时可调模型的电流值趋向参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出；若电流误差值为负，电流误差值的变化率为正，则说明此时可调模型的电流值回归参考模型的电流值，模糊控制器应该以较小值输出；若电流误差值和电流误差值的变化率均为负，则说明此时出现电流超调，模糊控制器应该以抑制超调的值输出，即以较小值输出。本发明通过采用对电流误差值以及电流误差值的变化率的正负进行判断的方式，能够预测下一时刻电流误差值的变化趋势以及数值，模糊控制利用这一特性智能调节输出，进而能够满足精确控制电流误差值的目的。
在本发明的该实施方式中，为了获得积分调节值，还需要对电流误差值进行处理。具体地，该控制方法还可以包括：
将电流误差值进行积分以获得第一积分调节值。其中，需要将电流误差值直接进行积分运算，以获得第一积分调节值。
根据公式(5)计算经比例调节后的第二积分调节值，
T＝Ki×S， (5)
其中，T为第二积分调节值，Ki为积分调节系数，S为第一积分调节值。
根据第二积分调节值获得第三输出值。其中，为了提高系统控制精度，还需要对第二积分调节值进行抗积分饱和处理。
在本发明的该实施方式中，为了避免第二积分调节值过高或过低影响可调模型的电流值的稳定性，还需要对第二积分调节值进行抗积分饱和处理。具体地，该控制方法还可以包括如图4所示的步骤。在图4中，该控制方法还可以包括：
在步骤S30中，判断第二积分调节值的绝对值是否大于预设阈值。其中，需要事先设定积分调节值的阈值，并将第二积分调节值的绝对值与该阈值进行比较，以判断该第二积分调节值是否在阈值范围内。
在步骤S31，在判断第二积分调节值的绝对值大于预设阈值的情况下，再次判断第二积分调节值是否大于预设阈值。其中，若第二积分调节值的绝对值大于阈值，则说明该第二积分调节值大于预设阈值或小于预设阈值的相反数。为了明确抗积分饱和的输出值，还需要对第二积分调节值的进行进一步的判定。
在步骤S32中，在判断第二积分调节值大于预设阈值的情况下，第三输出值为阈值。其中，若第二积分调节值大于预设阈值，则说明该第二积分调节值过大，则抗积分饱和的输出值应为预设阈值。
在步骤S33中，在判断第二积分调节值小于预设阈值的相反数的情况下，第三输出值为阈值的相反数。其中，若第二积分调节值小于或等于预设阈值的相反数，则说明第二积分调节值过小，则抗积分饱和的输出值应为预设阈值的相反数。
在步骤S34中，在判断第二积分调节值的绝对值大于或等于阈值的相反数且第二积分调节值小于或等于阈值的情况下，第三输出值为第二积分调节值。其中，若第二积分调节值的绝对值大于或等于阈值的相反数且第二积分调节值小于或等于阈值，则说明该第二积分调节值再预设阈值范围内，则抗积分饱和的输出值应为第二积分调节值。
在步骤S30至步骤S34中，事先设定第二积分调节值的阈值范围，若第二积分调节值在阈值范围之内，则将该第二积分调节值作为第三输出值输出；若该第二积分调节值不在预设阈值范围内，则还需判断该第二积分调节值是大于阈值还是小于阈值的相反数。若第二积分调节值大于阈值，则将阈值作为第三输出值输出，若第二积分调节值小于阈值的相反数，则将阈值的相反数作为第三输出值输出，可保障积分调节值在控制范围内，进而可避免积分饱和的情况出现，消除了稳态误差的同时，同步提高了PI控制器的控制精度。
另一方面，本发明还提供一种基于自适应测速的PI控制器。具体地，该PI控制器可以包括控制器。具体地，该控制器用于执行如上任一的控制方法。
再一方面，本发明还提供一种基于自适应测速的系统。具体地，该系统可以包括PI控制器以及电流传感器。具体地，该电流传感器与可调模型连接，用于实时监测可调模型的电流。
再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以存储有指令，该指令用于被机器读取以使得该机器执行如上任一的控制方法。
通过上述技术方案，本发明提供的基于自适应测速的PI控制器及其控制方法、系统通过获取可调模型的电流估计值以及参考模型的电流实际值以计算出电流误差值和电流误差值的变化率，将电流误差值和电流误差值的变化率输入至模糊控制器，模糊控制器根据电流误差值和电流误差值的变化率智能调节输出值，进而提高了该PI控制器对电流误差值的控制精度。同时，采用对电流误差值直接进行积分调节的方式，能够快速得消除稳态误差。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自适应测速的PI控制器的控制方法，其特征在于，包括：
获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值；
根据所述可调模型的电流估计值和所述参考模型的电流实际值获得电流误差值；
根据所述电流误差值获得电流误差值的变化率；
将所述电流误差值和所述电流误差值的变化率输入至模糊控制器以获得第一输出值；
根据公式(1)计算经比例调节后的第二输出值，
B＝Kp×A， (1)
其中，B为所述第二输出值，Kp为比例系数，A为所述第一输出值；
根据所述电流误差值积分调节获得第三输出值；
根据公式(2)计算可调模型的转速值，
Figure FDA0003416892840000011
其中，
Figure FDA0003416892840000012
为可调模型的转速值，C为所述第三输出值；
将所述可调模型的转速值输入至所述可调模型以获得可调模型的电流估计值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括将所述可调模型输出的电流估计值返回至获得可调模型的电流估计值和参考模型的电流实际值。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述可调模型的电流估计值和所述参考模型的电流实际值获得电流误差值包括：
根据公式(3)计算电流误差值，
Figure FDA0003416892840000013
其中，σ为所述可调模型的电流误差值，
Figure FDA0003416892840000021
为所述可调模型的电流估计值，I′s为所述参考模型的电流实际值。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述电流误差值获得电流误差值的变化率包括：
获得上一个时刻所述电流误差值；
根据公式(4)计算电流误差值的变化率，
Figure FDA0003416892840000022
其中，Δσ为所述电流误差值的变化率，σi为当前时刻的所述电流误差值，σi-1为上一时刻的所述电流误差值。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，将所述电流误差值和所述电流误差值的变化率输入至模糊控制器以获得第一输出值包括：
获取所述电流误差值和所述电流误差值的变化率；
判断所述电流误差值是否大于0；
在判断所述电流误差值大于0的情况下，再次判断所述电流误差值的变化率是否大于0；
在判断所述电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A1；
在判断所述电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A2；
在判断所述电流误差值小于或等于0的情况下，再次判断所述电流误差值的变化率是否大于0；
在判断所述电流误差值的变化率大于0的情况下，模糊控制器以较小值输出第一输出值A3；
在判断所述电流误差值的变化率小于或等于0的情况下，模糊控制器以抑制超调的值输出第一输出值A4。
6.根据所述权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述电流误差值积分调节获得第三输出值包括：
将所述电流误差值进行积分以获得第一积分调节值；
根据公式(5)计算经比例调节后的第二积分调节值，
T＝Ki×S， (5)
其中，T为所述第二积分调节值，Ki为积分调节系数，S为所述第一积分调节值；
根据所述第二积分调节值获得第三输出值。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，根据所述第二积分调节值获得第三输出值包括：
判断所述第二积分调节值的绝对值是否大于预设阈值；
在判断所述第二积分调节值的绝对值大于所述预设阈值的情况下，再次判断所述第二积分调节值是否大于所述预设阈值；
在判断所述第二积分调节值大于所述预设阈值的情况下，第三输出值为所述阈值；
在判断所述第二积分调节值小于所述预设阈值的相反数的情况下，第三输出值为所述阈值的相反数；
在判断所述第二积分调节值的绝对值大于或等于所述阈值的相反数且所述第二积分调节值小于或等于所述阈值的情况下，第三输出值为所述第二积分调节值；
输出所述第三输出值。
8.一种基于自适应测速的PI控制器，其特征在于，包括控制器，所述控制器用于执行如权利要求1至7任一所述的控制方法。
9.一种基于自适应测速的系统，其特征在于，包括：
如权利要求8所述的PI控制器；
电流传感器，与可调模型连接，用于实时检测所述可调模型的电流。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如权利要求1至7任一所述的控制方法。
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