CN114967432A - 一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的实施例提供了一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法,包括:根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数;根据被控对象设计对应的校正网络中的增益值函数,若当前的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则根据被控对象传递函数,设计校正网络中的第一零点函数,若当前的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则根据被控对象传递函数,设计校正网络中的第二零点函数,直至校正网络满足所有任务弹道为止,并将增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数封装为参数库。本申请可以满足不同发射任务的控制需要,不随任务而改变算法。
Description
技术领域
本申请涉及火箭的控制技术领域,具体而言,涉及一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法。
背景技术
目前商业运载火箭在进行姿态控制系统校正网络设计时,当面临相同发射任务时,采用现有的一套校正网络就可以满足频域的幅值裕度和相位裕度要求。如果面对不同发射任务,采用更加灵活的发射场地、不同的轨道倾角和轨道高度方案的时候,一套校正网络无法满足所有需求,需要进行校正网络重新设计和重新验证,十分耗时耗力。
所以,本领域技术人员急需一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法来嵌合不同发射任务的控制需要,降低火箭型号的设计周期和后期的试验验证测试工作,节省发射任务的研制成本。
发明内容
本申请的实施例提供了一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法,可以满足不同发射任务的控制需要,不随任务而改变算法,达到去任务化的效果,极大降低火箭型号设计周期和后期试验验证测试工作,节省发射任务研制成本。
本申请的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然,或部分地通过本申请的实践而习得。
根据本申请的一个方面,提供了一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法,所述方法包括:S1:根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数;S2:根据被控对象设计对应的校正网络中的增益值函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S3,反之则执行S5;S3:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第一零点函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S4,反之则执行S5;S4:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第二零点函数,直至校正网络满足所有任务弹道为止,执行S5;S5:将所述增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数封装为参数库;其中,所述目标弹道为运载火箭的所有任务弹道中的任意一条,所述增益值函数的表现形式为关于运载火箭速度的函数,所述第一零点函数的表现形式为关于运载火箭高度的函数,所述第二零点函数的表现形式为关于运载火箭攻角的函数。
在本申请的一些实施例中,所述运载火箭俯仰传递函数的公式如下:
其中,b1、b2、b3、c1、c2、c3为小扰动线性化方程系数。
在本申请的一些实施例中,所述根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数,包括:
获取小扰动线性化方程系数,确定所述目标弹道对应的目标运载火箭俯仰传递函数;根据任务弹道参数,计算得到目标小扰动线性化方程系数的具体数值。
在本申请的一些实施例中,所述总体参数包括发射任务对应的弹道数据,环境数据,质量、质心、转动惯量,气动数据。
在本申请的一些实施例中,所述校正网络的形式如下:
其中,K为增益值、-1/T1第一零点和-1/T2为第二零点。
在本申请的一些实施例中,所述如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,包括:如果当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度小于预设相位裕度,则判断当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度无法满足指标要求;如果当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度小于预设幅值裕度,则判断当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度无法满足指标要求。
在本申请的一些实施例中,所述预设相位裕度为30°,所述预设幅值裕度为6dB。
在本申请的一些实施例中,所述方法还包括:获取当前发射任务的发射弹道;按照所述发射弹道的控制要求,从所述参数库中读取对应的增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数;根据当前发射任务的运载火箭速度、运载火箭高度、以及运载火箭攻角,确定所述发射弹道的校正网络对应的增益值、第一零点和第二零点。
根据本申请一个方面,提供了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中存储有至少一条程序代码,所述至少一条程序代码由处理器加载并执行以实现如所述的姿态控制系统校正网络的设计方法所执行的操作。
根据本申请一个方面,提供了一种计算机设备,其特征在于,所述计算机设备包括一个或多个处理器和一个或多个存储器,所述一个或多个存储器中存储有至少一条程序代码,所述至少一条程序代码由所述一个或多个处理器加载并执行以实现如所述的姿态控制系统校正网络的设计方法所执行的操作。
基于上述方案,本申请至少有以下优点或进步效果:
本申请通过对各条弹道进行对应的校正网络增益值、第一零点、以及第二零点的设计,以层层递进设计的原则进行校正网络设计,直至满足控制系统的要求,再将设计得到的校正网络增益值、第一零点、以及第二零点等校正网络参数封装为参数库。待接到新的发射任务后,可以根据发射任务中的发射弹道的控制需求,在所述参数库中确定各个校正网络参数,可以有效提高姿态控制系统校正网络的设计速度,从而降低火箭型号的设计周期和后期的试验验证测试工作,节省发射任务的研制成本。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
图1示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图;
图2示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图;
图3示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图;
图4示出了适于用来实现本申请实施例的姿态控制系统校正网络的设计方法的计算机系统结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外,所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。
附图中所示的流程图仅是示例性说明,不是必须包括所有的内容和操作/步骤,也不是必须按所描述的顺序执行。例如,有的操作/步骤还可以分解,而有的操作/步骤可以合并或部分合并,因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
需要注意的是,本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的对象在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参阅图1,图1示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图,所述方法可以包括步骤S1-S5:
S1:根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数;
S2:根据被控对象设计对应的校正网络中的增益值函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S3,反之则执行S5;
S3:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第一零点函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S4,反之则执行S5;
S4:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第二零点函数,直至校正网络满足所有任务弹道为止,执行S5;
S5:将所述增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数封装为参数库;
其中,所述目标弹道为运载火箭的所有任务弹道中的任意一条,所述增益值函数的表现形式为关于运载火箭速度的函数,所述第一零点函数的表现形式为关于运载火箭高度的函数,所述第二零点函数的表现形式为关于运载火箭攻角的函数。
本申请通过对各条弹道进行对应的校正网络增益值、第一零点、以及第二零点的设计,以层层递进设计的原则进行校正网络设计,直至满足控制系统的要求,再将设计得到的校正网络增益值、第一零点、以及第二零点等校正网络参数封装为参数库。其中,所述目标弹道为运载火箭的计划发射弹道中的任意一条,所述增益值函数的表现形式为关于运载火箭速度的函数,所述第一零点函数的表现形式为关于运载火箭高度的函数,所述第二零点函数的表现形式为关于运载火箭攻角的函数。
在本申请的一个实施例中,所述运载火箭俯仰传递函数的公式如下:
其中,b1、b2、b3、c1、c2、c3为小扰动线性化方程系数。
在本申请中,不同的发射任务和发射场地影响运载火箭的小扰动线性化方程的系数,而小扰动方程的系数又直接决定控制系统校正网络的设计。
请参阅图2,图2示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图,所述所述根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数可以包括步骤S201-S202:
步骤S201,获取小扰动线性化方程系数,确定所述目标弹道对应的目标运载火箭俯仰传递函数。
步骤S202,根据任务弹道参数,计算得到目标小扰动线性化方程系数的具体数值。
在本实施例中,所述总体参数可以包括发射任务对应的弹道数据,环境数据,质量质心转动惯量,气动数据。
在本申请中,S2:根据不同任务和发射场地条件下,总体专业提供的总体参数,包括弹道数据,环境数据,质量、质心、转动惯量,气动数据等相关数据,计算小扰动线性化方程系数b1、b2、b3、c1、c2、c3;通过每一条弹道数据计算出来的小扰动线性化方程系数,根据姿态控制系统的裕度要求进行每一条弹道对应的校正网络设计。
在本申请的一个实施例中,所述校正网络的形式可以如下:
其中,K为增益值、-1/T1第一零点和-1/T2为第二零点。
在本申请中,对同一型号和同一个的发射场地的发射任务一般只需要变化增益K、零点-1/T1和-1/T2就可基本保证合理的裕度,满足姿态控制系统的拉偏要求,构建校正网络时根据不同的小扰动方程系数确定多组增益值和零点,从而可以确定不同弹道对应的校正网络参数。
在本申请的一个实施例中,如果当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度小于预设相位裕度,则可以判断当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度无法满足指标要求;如果当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度小于预设幅值裕度,则可以判断当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度无法满足指标要求。在本实施例中,所述预设相位裕度可以为30°,所述预设幅值裕度可以为6dB。
在本申请中,可以先按照增益值、第一零点、以及第二零点的顺序对校正网络进行控制指标要求的判断,直至当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度和幅值裕度满足指标要求。
例如,在校正网络设计中,对于A弹道,发现仅调整增益值无法使得基于当前校正网络构建的的校正网络增益值函数的相位裕度大于30°,幅值裕度大于6dB,因此可以继续进行第一零点的计算,在引入第一零点的计算后,发现相位裕度小于30°,幅值裕度小于6dB。则继续引入第二零点的计算,直至相位裕度大于30°,幅值裕度大于6dB,此时完成校正网络的设计,以当前校正网络构建的校正网络增益值函数可以满足控制需求。
请参阅图3,图3示出了本申请的一个实施例中的姿态控制系统校正网络的设计方法的流程简图,所述方法还可以包括步骤S301-S303:
步骤S301,获取当前发射任务的发射弹道。
步骤S302,按照所述发射弹道的控制要求,从所述参数库中读取对应的增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数。
步骤S303,根据当前发射任务的运载火箭速度、运载火箭高度、以及运载火箭攻角,确定所述发射弹道的校正网络对应的增益值、第一零点和第二零点。
在本申请中,在商业火箭进行履约发射时,不同的弹道主要是根据发射场、轨道倾角和目标高度进行确定的。当发射弹道确定好之后,根据控制要求,在提前确定的校正网络参数库中,根据当前发射任务的运载火箭速度、运载火箭高度、以及运载火箭攻角,通过插值的方式进行校正网络参数的设计,便可以达到控制系统设计和性能分析的工作。在本实施例中,所述校正网络参数库具体表现形式可以为不同弹道对应的增益值函数、第一零点函数和第二零点函数。例如,表1示出了本申请的一个实施例中的增益值函数的参数库表现形式。
表1
弹道编号 | 增益值函数 |
DD1 | K<sub>1</sub>=F<sub>1</sub>(V) |
DD2 | K<sub>2</sub>=F<sub>2</sub>(V) |
DD3 | K<sub>3</sub>=F<sub>3</sub>(V) |
DD4 | K<sub>4</sub>=F<sub>4</sub>(V) |
DDN…… | …… |
其中,K为增益值,V为运载火箭速度。
表2示出了本申请的一个实施例中的第一零点函数的参数库表现形式。表2
其中,-1/T1为第一零点,H为运载火箭高度。
表3示出了本申请的一个实施例中的第一零点函数的参数库表现形式。表3
弹道编号 | 第一零点函数 |
DD1 | -1/T<sub>2</sub>=F<sub>21</sub>(α) |
DD2 | -1/T<sub>2</sub>=F<sub>22</sub>(α) |
DD3 | -1/T<sub>2</sub>=F<sub>23</sub>(α) |
DD4 | -1/T<sub>2</sub>=F<sub>24</sub>(α) |
DDN…… | …… |
其中,-1/T2为第一零点,α为运载火箭攻角。
接下来,将结合附图对本申请的计算机设备实施例进行说明。
请参阅图4,图4示出了适于用来实现本申请实施例的姿态控制系统校正网络的设计方法的计算机系统结构示意图。
需要说明的是,图4示出的汽车的计算机系统400仅是一个示例,不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示,计算机系统400包括中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)401,其可以根据存储在只读存储器(Read-Only Memory,ROM)402中的程序或者从储存部分408加载到随机访问存储器(Random Access Memory,RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理,例如执行上述实施例中所述的方法。在RAM 403中,还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(Input/Output,I/O)接口405也连接至总线404。
以下部件连接至I/O接口405:包括键盘、鼠标等的输入部分406;包括诸如阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT)、液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)等以及扬声器等的输出部分407;包括硬盘等的储存部分408;以及包括诸如LAN(Local Area Network,局域网)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411,诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等,根据需要安装在驱动器410上,以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入储存部分408。
特别地,根据本申请的实施例,上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如,本申请的实施例包括一种计算机程序产品,其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序,该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中,该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装,和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)401执行时,执行本申请的系统中限定的各种功能。
需要说明的是,本申请实施例所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)、闪存、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory,CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中,计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输,包括但不限于:无线、有线等等,或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图,图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。其中,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现,也可以通过硬件的方式来实现,所描述的单元也可以设置在处理器中。其中,这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
作为另一方面,本申请还提供了一种计算机程序产品或计算机程序,该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令,该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令,处理器执行该计算机指令,使得该计算机设备执行上述实施例中所述的姿态控制系统校正网络的设计方法。
作为另一方面,本申请还提供了一种计算机可读介质,该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序,当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时,使得该电子设备实现上述实施例中所述的姿态控制系统校正网络的设计方法。
应当注意,尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元,但是这种划分并非强制性的。实际上,根据本申请的实施方式,上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之,上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员易于理解,这里描述的示例实施方式可以通过软件实现,也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此,根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来,该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM,U盘,移动硬盘等)中或网络上,包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本申请实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实施方式后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种姿态控制系统去任务化校正网络的设计方法,其特征在于,所述方法包括:
S1:根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数;
S2:根据被控对象设计对应的校正网络中的增益值函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S3,反之则执行S5;
S3:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第一零点函数,如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,则执行S4,反之则执行S5;
S4:根据所述被控对象传递函数,设计校正网络中的第二零点函数,直至校正网络满足所有任务弹道为止,执行S5;
S5:将所述增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数封装为参数库;
其中,所述目标弹道为运载火箭的所有任务弹道中的任意一条,所述增益值函数的表现形式为关于运载火箭速度的函数,所述第一零点函数的表现形式为关于运载火箭高度的函数,所述第二零点函数的表现形式为关于运载火箭攻角的函数。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据目标弹道获取小扰动线性化方程系数,确定被控对象传递函数,包括:
获取小扰动线性化方程系数,确定所述目标弹道对应的目标运载火箭俯仰传递函数;
根据任务弹道参数,计算得到目标小扰动线性化方程系数的具体数值。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述总体参数包括发射任务对应的弹道数据,环境数据,质量质心转动惯量,气动数据。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述如果当前设计的校正网络增益值函数无法满足被控对象姿态控制回路开环传递函数频域指标要求,包括:
如果当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度小于预设相位裕度,则判断当前设计的校正网络增益值函数的相位裕度无法满足指标要求;
如果当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度小于预设幅值裕度,则判断当前设计的校正网络增益值函数的幅值裕度无法满足指标要求。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述预设相位裕度为30°,所述预设幅值裕度为6dB。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
获取当前发射任务的发射弹道;
按照所述发射弹道的控制要求,从所述参数库中读取对应的增益值函数、第一零点函数、以及第二零点函数;
根据当前发射任务的运载火箭速度、运载火箭高度、以及运载火箭攻角,确定所述发射弹道的校正网络对应的增益值、第一零点和第二零点。
9.一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中存储有至少一条程序代码,所述至少一条程序代码由处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一项所述的姿态控制系统校正网络的设计方法所执行的操作。
10.一种计算机设备,其特征在于,所述计算机设备包括一个或多个处理器和一个或多个存储器,所述一个或多个存储器中存储有至少一条程序代码,所述至少一条程序代码由所述一个或多个处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一项所述的姿态控制系统校正网络的设计方法所执行的操作。
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