CN117872776B - 一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统及其方法 - Google Patents

一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统及其方法,属于运转架车控制技术领域。包括编码器、读卡装置、信号采集装置和PLC;所述编码器、所述读卡装置和所述信号采集装置输出端分别与PLC连接;所述编码器用于定位运转架车行驶位置;所述读卡装置包括读取电路和解码电路;所述读取电路的输出端与解码电路的输入端连接;所述读取电路用于读取所述信号采集装置发出的采集信号;所述解码电路用于对读取电路接收的采集信号进行解码处理;所述信号采集装置用于读取运转架车行驶站点;所述PLC用于控制运转架车的运行轨迹。解决现有技术中存在的控制效率低稳定性不足的技术问题。

Description

一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及运转架车智能控制系统,尤其涉及一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统及其方法,属于运转架车控制技术领域。
背景技术
风洞运转架车是风洞试验中的一个重要组成部分,它用于支撑风洞试验中的模型或设备,并使其在风洞中稳定地运行。风洞喷管插件运转架车的自动装配效果好坏直接关系到风洞实验系统的性能表现,喷管插件运转架车能否正常运行、工作效率的高低都与其控制系统密不可分。当前,控制系统的稳定性不高。而且控制效率差,能会导致控制系统的响应速度较慢,影响运转架车的运行效率。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述,以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解,这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分,也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念,以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此,为解决现有技术中存在的控制效率低稳定性不足的技术问题,本发明提供一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法。
方案一、一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统,包括编码器、读卡装置、信号采集装置和PLC;
所述编码器、所述读卡装置和所述信号采集装置输出端分别与PLC连接;
所述编码器用于定位运转架车行驶位置;
所述读卡装置包括读取电路和解码电路;所述读取电路的输出端与解码电路的输入端连接;
所述读取电路用于读取所述信号采集装置发出的采集信号;
所述解码电路用于对读取电路接收的采集信号进行解码处理;
所述信号采集装置用于读取运转架车行驶站点;
所述PLC用于控制运转架车的运行轨迹,方法为:
将喷管、插架对应地标传感器地址输入PLC,由PLC对每一站地址进行分配,分别设定站号为1—8;
运转架车运行至某一站时,地表传感器接通,对应PLC内部地址显示为运转架车当前地址;
当操作人员点击目标喷管或插架对应按钮时,PLC接收按钮反馈目标地址,当目标地址号大于站号时,运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号。
优选的,还包括行程开关,所述行程开关的输出端连接所述PLC输入端,用于消除编码器运行积累的误差。
方案二、一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法,用于实现方案一所述一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统,包括以下步骤:
S1.区域内每一站设置有RFID标签传感器,设定为1-N站号,每个站号对应一站;
S2.获取运转架车行驶位置;
S3.计算不同站点的脉冲个数标定不同站点,结合运转架车行驶位置,标定运转架车当前位置;
S4.设定PLC控制运转架车的运行轨迹规则:当目标地址号大于站号时,控制运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,控制运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号。
优选的,PLC控制运转架车的运行轨迹时的控制逻辑为:
控制运转架车的运行轨迹包括运转架车定位控制和运转架车行驶控制;
运转架车定位控制:
其中,为存贮函数,为系统变量,为系统的初始值,T为周期,在任意T>0时成立,为干扰抑制常数,为考虑系统叠加的未知干扰,为调节输出,为时间的积分表达式,为对应量的范数;
运转架车行驶控制:
(1);
其中,的导数,为电机转矩相对于平衡点的偏差,为镇定函数对角速度的误差,为状态变量,>0,为一设计常数;
设一个存贮函数:
(2);
其中
对式(2)求导:
(3);
对式(3)进行扩充,形成第一存贮函数:
(4);
其中,为原始存贮函数,为第一存贮函数;
则:
(5);
其中,的导数;
定义函数:
(6);
其中,为定义函数;为调节输出,为定义函数叠加的未知干扰;
将式(5)带入,则有:
(7);
其中,为大于0的常数,分别为之间的加权比重,为已知常数,分别为状态变量对应系统阻尼估计值,为状态变量,为系统导纳的稳态值,为运转架车运行角的初始值;
令:
(8);
其中,分别为简化书写定义的参数,关系式如(8)式所示;
化简:
(9);
为满足式(1),则,得到新的整定函数:
(10);
其中,为参数估计值的误差值,令为参数估计值的误差值,令为估计误差,则:
(11);
增广(4)式形成第二存贮函数:
(12);
其中,为自适应增益系数,大于0;
(13);
其中,为镇定函数对系统导纳值的镇定误差;
定义函数:
(14);
令:,又,所以:
(15);
为系统的惯性时间常数;
则:
(16);
为了满足式(1),则,所以令:
(17);
(18);
(19);
其中,关系式为参数替换律;
通过选取使,则:
(20);
如果函数:
(21);
则:
(22);
得不等式,即找到了所需要的控制律;
由式(17),(18)和(19)得参数替换律式(23)、(24)和反馈控制律式(25):
(23);
(24);
(25);
时,得闭环误差系统:
(26);
(27);
(28);
(29);
(30);
时,在参数修正律式(23)和(24),及反馈控制律的闭环误差系统式(25)-(30)是逐渐稳定的,将收敛于零且有界,从干扰到输出具有增益。
方案三、一种电子设备,包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案二所述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法的步骤。
方案四、一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现方案二所述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法。
本发明的有益效果如下:
1、通过RFID射频感应信号进行工位定位,智能调节控制电机的转速和方向,从而驱动喷管段运转架车的自动往返运动,实现风洞智能一键到位的自动化装配功能,实现对喷管运转架车的高精度定位;
2、本发明设计了基于反步设计法的电机运动控制模型,该模型有效的降低由负载变化造成运动系统随机扰动,实现了运转架车自动化装配风洞插件和喷管的精确定位,大大提升系统运行精度、降低生产节拍,对风洞系统的实验效能提升和实验质量提升发挥了重要作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法的流程图;
图2为运行原理示意图;
图3为定位设备安装示意图;
图4为控制规则示意图;
图5为控制系统原理示意图;
图6为当,闭环误差系统的运行结果示意图,其中,a为X轴误差曲线;b为Y轴误差曲线;c为z轴误差曲线;d为估计误差曲线;
图7为当,闭环误差系统的运行结果示意图,其中,a为X轴误差曲线;b为Y轴误差曲线;c为z轴误差曲线;d为估计误差曲线。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是所有实施例的穷举。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1:参照图2-图7说明本实施方式,一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统,通过RFID射频感应信号进行工位定位,智能调节控制电机的转速和方向,从而驱动运转架车的自动往返运动,实现风洞的智能一键到位的自动化装配;该系统使用EMR10E基于射频识别技术的低频RFID标签传感器,传感器工作频率为125KHZ,同时支持对EMID及兼容标签的读取,传感器内部集成了RFID射频收发器和逻辑初拉力电路,不占用串行口,系统可以方便的通过PLC、单片机等并行接口设备读取标签内数据,该系列传感器可应用于:物流仓库管理、自动化设备控制、AGV小车站点控制,服务机器人等领域。传感器上电后工作于自动读取模式,当RFID标签进入传感器感应区域时,传感器对标签进行解码后自动发送标签编码数据。如果标签一直停留在感应区域,传感器将持续发送读取数据,直到标签退出读卡的有效范围。
RFID读卡装置需要安装在需要更换的喷管、插件标定位置侧用以对转运转架车的定位如图3所示;不同卡片之间的位置至少保持1米以上的距离,以防误读;RFID卡片2贴在车轮碾压不到的地方,读卡面1朝卡片安装,读卡面1与卡片尽量保持水平位置,避免倾斜;读卡面1与卡片之间的感应距离h为最大感应距离的10%到70%即2-14cm,用以保证读卡的可靠性;读卡装置侧面距离金属结构应该大于35cm;读卡装置应该尽量远离电机、电源模块等容易产生电磁干扰的设备,该装置内部由RFID读取电路和逻辑解码电路组成,当读取合规的DRFDI卡时,逻辑电路对读取电路采集到的ID编码进行解码处理,以8位并行方式直接由8路NPN晶体管电路输出,可以直接连接单片机或PLC输入端。
系统采用增量式旋转编码器与行程开关共同定位运转架车当前位置,将旋转编码器脉冲反馈给PLC,PLC通过计算运转架车行驶到不同站点的脉冲个数来标定不同站点与原点位置的距离,从而实现运转架车当前位置的标定,站点的识别可以通过RFID地标传感器确定。由于旋转编码器往复运行会积累误差,因此,在站点导轨对接处设置定位行程开关,当小车运行至行程开关处,PLC根据行程开关和地标传感器反馈地址对旋转编码器脉冲个数进行校验并按地标的绝对地址重新传送旋转编码器的当前脉冲数用以实现误差消除。具体的,该系统包括编码器、读卡装置、信号采集装置和PLC;
所述编码器、所述读卡装置和所述信号采集装置输出端分别与PLC连接;
所述编码器用于定位运转架车行驶位置;所述编码器为增量式旋转编码器;
所述读卡装置包括读取电路和解码电路;所述读取电路的输出端与解码电路的输入端连接;
所述读取电路用于读取所述信号采集装置发出的采集信号;
所述解码电路用于对读取电路接收的采集信号进行解码处理;
所述信号采集装置用于读取运转架车行驶站点;
所述PLC用于控制运转架车的运行轨迹。
还包括行程开关,所述行程开关的输出端连接所述PLC输入端,用于消除编码器运行积累的误差;
编码器和行程开关实现定位运转架车当前位置,旋转编码器脉冲反馈给PLC,PLC通过计算运转架车行驶到不同站点的脉冲个数来标定不同站点与原点位置的距离,从而实现运转架车当前位置的标定,站点的识别通过RFID地标传感器或视觉二维码传感器确定;
由于旋转编码器往复运行会积累误差,因此在站点导轨对接处设置定位行程开关,当小车运行至行程开关处,PLC根据行程开关和地标传感器反馈地址对旋转编码器脉冲个数进行校验并按地标的绝对地址重新传送旋转编码器的当前脉冲数用以实现误差消除。
PLC控制运转架车的运行轨迹的方法为:将喷管、插架对应地标传感器地址输入PLC,由PLC对每一站地址进行分配,分别设定站号为1—8;
运转架车运行至某一站时,地表传感器接通,对应PLC内部地址显示为运转架车当前地址;
将喷管、插架对应地标传感器地址输入PLC系统,由PLC对每一站地址进行分配,分别设定其站号为1—8,运转架车运行至某一站时,地表传感器接通,对应PLC内部地址显示为运转架车当前地址;系统控制由触摸屏实现运转架车一键到位功能,对应按钮设定为运转架车目标地址,目标地址设定地址号为1—8。当操作人员点击目标喷管或插架对应按钮时,PLC接收按钮反馈目标地址,当目标地址号大于站号时,运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号。
实施例2:参照图1-图7说明本实施方式,一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法,包括以下步骤:
S1.区域内每一站设置有RFID标签传感器,设定为1-N站号,每个站号对应一站;
S2.获取运转架车行驶位置;
S3.计算不同站点的脉冲个数标定不同站点,结合运转架车行驶位置,标定运转架车当前位置;
S4.设定PLC控制运转架车的运行轨迹规则:当目标地址号大于站号时,控制运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,控制运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号。
PLC控制运转架车的运行轨迹时的控制逻辑为:
控制运转架车的运行轨迹包括运转架车定位控制和运转架车行驶控制;
运转架车定位控制:
其中,为存贮函数,为系统变量,为系统的初始值,T为周期,在任意T>0 时成立,为干扰抑制常数,为考虑系统叠加的未知干扰,为属于L2空间的未知函数,为调节输出,为对时间的积分表达式,为对应量的范数;
运转架车行驶控制:
(1);
其中,的导数,为电机转矩相对于平衡点的偏差,为其被要求的值即镇定函数对角速度的误差,为状态变量,>0,为一设计常数。
设一个存贮函数:
(2);
其中
对式(2)求导:
(3);
对式(3)进行扩充,形成第一存贮函数:
(4);
其中,为原始存贮函数,为第一存贮函数;
则:
(5);
其中,的导数;
定义函数:
(6);
其中,为定义函数;为调节输出, 为干扰抑制常数,为定义函数叠加的未知干扰。
将式(5)带入,则有:
(7);
其中,为大于0的常数,为非负权重系数,它们为之间的加权比重,由设计者选择,为已知常数,为状态变量对应系统阻尼估计值,为状态变量,为系统导纳的稳态值,为运转架车运行角的初始值;
令:
(8);
其中,为简化书写定义的参数,关系式如(8)式所示;
化简:
(9);
为满足式(1),则,得到新的整定函数:
(10);
其中,为参数估计值的误差值,令为参数估计值的误差值,令为估计误差,则:
(11);
增广(4)式形成第二存贮函数:
(12);
其中,为自适应增益系数,大于0;
(13);
其中,为镇定函数对系统导纳值的镇定误差;
定义函数:
(14);
令:,又,所以:
(15);
为系统的惯性时间常数;
则:
(16);
为了满足式(1),则,所以令:
(17);
(18);
(19);
其中,关系式为参数替换律;
通过选取使,则:
(20);
如果函数:
(21);
则:
(22);
得不等式,即找到了所需要的控制律;
由式(17),(18)和(19)得参数替换律式(23)、(24)和反馈控制律式(25):
(23);
(24);
(25);
时,得闭环误差系统:
(26);
(27);
(28);
(29);
(30);
时,在参数修正律式(23)和(24),及反馈控制律的闭环误差系统式(25)-(30)是逐渐稳定的,将收敛于零且有界,从干扰到输出具有增益,增益表示抗干扰指标。
相对闭环误差系统式(16)-(30)进行运行,运行参数选取为;当,闭环误差系统的运行结果如图6所示。当,闭环误差系统的运行结果如图7所示;
从系统的状态响应曲线图6到图7对比分析可以看出的值越小,进入稳定的时间就越短,而代表的是干扰到调节输出的增益,即说明了随的减小控制器对外部或内部的干扰抑制效果就越好。同时系统参数估计误差值更趋近于零,也即系统的自适应能力更强。值过小将会引起系统的发生振荡。故本方法取为0.5。本发明反步设计方法设计了运转架车非线性自适应鲁棒控制,在设计过程中并没有对其做任何线性化处理,故能适应系统的多点运行。并且结合增益干扰抑制理论,来抑制不可避免的内外干扰,其中内部干扰主要考虑了系统阻尼的不确定性。在运转架车受到负载变换干扰的时候会导致转矩阻尼系数发生变化,而在阻尼系数发生扰动的情况下,该控制依然具有很好的控制品质,即控制对系统参数的变化不敏感,具有很强的鲁棒性。通过对参数的优化,找到了一组最优参数,仿真结果也说明该控制的控制性能优良。
实施例3:本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置,例如包含中央处理器的单片机等。并且,处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array,FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等;存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如硬盘、内存、插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card, SMC),安全数字(Secure Digital, SD)卡,闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例4:计算机可读存储介质实施例。
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质,包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等,计算机可读存储介质上存储有计算机程序,当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时,可以实现上述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是,所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减,例如在某些司法管辖区,根据立法和专利实践,计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明,但是受益于上面的描述,本技术领域内的技术人员明白,在由此描述的本发明的范围内,可以设想其它实施例。此外,应当注意,本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的,而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此,在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围,对本发明所做的公开是说明性的,而非限制性的,本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法,其特征在于,依托一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制系统实现,系统包括编码器、读卡装置、信号采集装置和PLC;
所述编码器、所述读卡装置和所述信号采集装置输出端分别与PLC连接;
所述编码器用于定位运转架车行驶位置;
所述读卡装置包括读取电路和解码电路;所述读取电路的输出端与解码电路的输入端连接;
所述读取电路用于读取所述信号采集装置发出的采集信号;
所述解码电路用于对读取电路接收的采集信号进行解码处理;
所述信号采集装置用于读取运转架车行驶站点;
所述PLC用于控制运转架车的运行轨迹,方法为:将喷管、插件对应地标传感器地址输入PLC,由PLC对每一站地址进行分配,分别设定站号为1—8;
运转架车运行至某一站时,地表传感器接通,对应PLC内部地址显示为运转架车当前地址;
当操作人员点击目标喷管或插件对应按钮时,PLC接收按钮反馈目标地址,当目标地址号大于站号时,运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号;方法包括以下步骤:
S1.区域内每一站设置有RFID标签传感器,设定为1-N站号,每个站号对应一站;
S2.获取运转架车行驶位置;
S3.计算不同站点的脉冲个数标定不同站点,结合运转架车行驶位置,标定运转架车当前位置;
S4.设定PLC控制运转架车的运行轨迹规则:当目标地址号大于站号时,控制运转架车前进运行,当目标地址号小于站号时,控制运转架车反向运行,当运转架车运行到目标设定点时,运转架车地址号等于站号;
PLC控制运转架车的运行轨迹时的控制逻辑为:
控制运转架车的运行轨迹包括运转架车定位控制和运转架车行驶控制;
运转架车定位控制:
其中,V(·)为存贮函数,x(t)为系统变量,x(0)为系统的初始值,T为周期,在任意T>0时成立,γ为干扰抑制常数,ε为考虑系统叠加的未知干扰,z为调节输出,dt为时间的积分表达式,|| ||为对应量的范数;
运转架车行驶控制:
其中,为e1的导数,e1为电机转矩δ相对于平衡点的偏差,e2为镇定函数对角速度ω的误差,x1为状态变量,c1>0,为一设计常数;
设一个存贮函数:
其中σ>0;
对式(2)求导:
对式(3)进行扩充,形成第一存贮函数:
其中,V1为原始存贮函数,V2为第一存贮函数;
则:
其中,为V2的导数;
定义函数:
其中,H1为定义函数;z为调节输出,ε1为定义函数H1叠加的未知干扰;
将式(5)带入,则有:
其中,σ为大于0的常数,q1、q2分别为x1和x2之间的加权比重,a0=k1Pm为已知常数,θ1和θ2分别为状态变量x2和x3对应系统阻尼估计值,x3为状态变量,ytcss0为系统导纳的稳态值,δ0为运转架车运行角的初始值;
令:
其中,α、m1、m2分别为简化书写定义的参数,关系式如(8)式所示;
则H1化简:
为满足式(1),则H1≤0,得到新的整定函数:
其中,为参数θ1估计值的误差值,令 为参数θ2估计值的误差值,令 为估计误差,则:
增广(4)式形成第二存贮函数:
其中,ρi为自适应增益系数,大于0;
e3=x3-x3 * (13)
其中,e3为镇定函数对系统导纳值的镇定误差;
定义函数:
令:n1=sin(δ0+x1),n2=cos(δ0+x1),又所以:
Ttcsc为系统的惯性时间常数;
则:
为了满足式(1),则H2≤0,所以令:
其中,关系式为参数替换律;
通过选取σ使α≥0,则:
如果函数:
则:
得不等式,即找到了所需要的控制律;
由式(17),(18)和(19)得参数替换律式(23)、(24)和反馈控制律式(25):
当ε1=0,ε2=0时,得闭环误差系统:
当ε1=0,ε2=0时,在参数修正律式(23)和(24),及反馈控制律的闭环误差系统式(25)-(30)是逐渐稳定的,x1,x2将收敛于零且x3有界,从干扰到输出具有L2增益。
2.根据权利要求1所述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法,其特征在于,还包括行程开关,所述行程开关的输出端连接所述PLC输入端,用于消除编码器运行积累的误差。
3.一种电子设备,其特征在于,包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质,其特征在于,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的一种基于反步设计的风洞运转架车智能控制方法。
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