CN1505590A - 在操纵者指令下的起重机抗摇摆控制 - Google Patents

Abstract

一种系统(10)，用于消除受操纵者指令支配的起重机或类似起重机的系统中的载荷(30)摇摆。该载荷由绳索(40)从水平可移动的滑车(20)上悬挂下来，并可以垂直地提升。该系统利用抵消原理来消除摇摆，即使在起重机具有同时滑车运动和提升运动情况下。该系统在计算抵消信号中考虑到全动态效果。用于计算抵消控制的常微分方程组的使用是本发明的关键因素。在计算这些控制参数时，微分方程利用绳索长度的传感器测量值及其时间导数来实时求解。抵消控制处理由操纵者指令所造成的摇摆。摇摆也可能由外界扰动造成。这个系统还包括反馈机构，用于消除由于这种因素造成的摇摆。为了该系统正常工作，该系统确保了饱和极限，该饱和极限对应于滑车驱动系统不可超过的速度和加速度极限。

Description

在操纵者指令下的起重机抗摇摆控制

技术领域

本发明涉及一种用于控制绳索悬挂的、有效载荷传送系统的系统和方法，更具体的说，涉及一种针对经历水平滑车和垂直提升运动的有效载荷的抗摇摆控制系统和方法。

背景技术

龙门起重机在港口作业中广泛用于集装箱的传送。典型的是，起重机具有两个速度指令形式的输入。这两个速度指令独立地控制有效载荷的水平滑车和垂直提升运动。在完成传送运动中，在运送结束时有效载荷的不期望的摇摆是一个难点。当有效载荷摇摆时，不能实现装载或卸载操作。目前，只有有经验的操纵者可以有效地使集装箱成为无摇摆停止状态。其他操纵者必须等待摇摆停下来。通常，等待摇摆停下来所耗费的时间或者进行各种动作来精确定位载荷所耗费的时间会达到占有整个传送时间的三分之一。

各种现有技术专利教导了摇摆减弱系统。这些专利涉及以减弱的摇摆来传送有效载荷的各个方面。例如，多个专利描述了在自主模式下的操作，在该模式下，系统利用有效载荷的起始和终止位置来产生所需的控制信号，从而实现有效载荷的传送。其他非自主系统试图在遵循操纵者的用于水平滑车和垂直提升运动的指令的同时使有效载荷的摆动量最小。

自主系统适于有效载荷的位置得以良好识别的建筑环境。在典型的港口环境下，集装箱的位置取决于船只相对于起重机的相对位置。因此，集装箱的位置几乎不能精确地获知。在这种环境下，操作地非自主模式是优选的。本发明涉及这种非自主模式。

多个参考文献公开了操作的非自主模式。这些参考文献中的很多都利用固定长度的钟摆模型作为它们的摇摆减弱方法和/或系统的基础。于是，这些策略在水平运动过程中绳索长度变化时不能够消除摇摆。若干其他参考文献通过利用近似来处理绳索垂直长度的变化。本发明利用起重机系统的全动态方程，而未近似，以便避免误差并消除摇摆。尤其是，本发明将利用抵消加速度(cancellation acceleration)用于摇摆控制。抵消信号的计算由于它基于起重机模型的全动态方程而是精确的。在同时滑车和提升运动过程中，这尤其重要。为了讨论方便，载荷的摇摆角和载荷的摇摆速度分别表示为θ和

并且滑车的加速度称作 所有控制系统利用滑车的水平加速度作为用于摇摆的控制参数。由此，水平加速度也称为控制参数。

对于使摇摆最小化，存在两种通常的方法。在第一种方法中，滑车加速度以 $\stackrel{..}{x}=r{+k}_1\mathrm{\θ}+k_2\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}$ 或其他类似的形式给出。在此，数值r是取决于理想滑车运动的时间的函数。使用这种方法可以将附加的阻尼引入系统中，从而控制摇摆。所形成的系统可以利用k₁和k₂的适当值而形成为具有任何所需的阻尼比和固有频率。

若干参考文献采用这个第一种方法。这些参考文献在运动相关的时间函数的分布图、r和由此确定阻尼比k₁和k₂的数值的特定程序上有所不同。在授予Rushmer的美国专利5443566中，利用起重机的固定长度绳索模型估算摇摆角和摇摆角速度。摇摆角θ和摇摆角速度 的估算与来自操纵者指令的输入速度 一同使用，以计算控制信号 $\stackrel{..}{x}=k_1({\stackrel{.}{x}}_d-\stackrel{.}{x})+k_2\mathrm{\θ}+k_3\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}.$ 在授予Heissat等人的美国专利5490601中，控制信号是 $\stackrel{..}{x}=k_1\mathrm{\θ}+k_2\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}+k_3(x_d-x).$ 各组k₁、k₂和k₃在不同绳索长度下凭经验确定。对于特定绳索长度的k₁、k₂和k₃的精确值从这些经验组中利用增益安排、或模糊或神经网络控制的一些形式来内插值得到。在授予Eudier等人的美国专利5878896中，传送到滑车的速度指令为 ${\stackrel{.}{x}}_d=k_1\mathrm{\θ}+k_2\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}+k_3(x_d-x)$ 的形式，其中x_d是滑车的理想位置。k₁、k₂和k₃的值凭经验确定。

这个第一种方法可以有效地衰减摇摆。这个方法基于反馈的标准机制，并因具有鲁棒性而可以克服模型的不精确。这个方法的主要缺点是缺少操纵者的直觉控制。由于滑车加速度取决于θ、 以及操纵者的所需速度，滑车的运动可能是不可预测的，并与操纵者的直觉相反。结果，需要进行若干动作来使系统正确停止。由此，这个第一种方法适用于在有效荷载位置得以良好识别的建筑环境下的无人操纵起重机。

第二种方法基于摇摆抵消原理。这是大多数人类操纵者为衰减摇摆所采取的机制。针对固定长度钟摆的这个方法的基本思想在O.J.Smith撰写的1958年纽约McGraw-Hill出版的“反馈控制系统中”加以描述。在固定长度钟摆中，摇摆运动几乎是频率为ω的正弦时间函数，其中ω由 $\mathrm{\ω}=\sqrt{g/l}$ 来限定。假设水平加速度的短脉冲在时间t＝0时施加，这个脉冲将导致频率ω的摇摆振荡。有可能利用在时间t＝π/ω施加的相同振幅和持续时间的第二短脉冲抵消这个振荡。在施加第二脉冲之后，系统在此后的时间内将没有摇摆。这个方法，公知为双脉冲控制或抵消控制，给出了对于恒定长度绳索的最短可能稳定时间。虽然这个方法可以轻易应用到固定长度钟摆上，但是扩展到绳索长度变化的钟摆上就不容易。

多个参考文献教导了抵消控制的通常方法。在授予Kawashima等人的美国专利4756432中，描述了双脉冲控制应用于滑车运动的加速和减速阶段。对于特定的滑车最终位置，这些脉冲的定时和振幅基于固定长度钟摆来计算。一个双脉冲用于加速和减速每个阶段。在这两个脉冲之间，滑车以恒定速度运行，并且不摇摆。为了使这个方法起作用，操纵者必须提供滑车的最终位置，以便精确确定脉冲的定时和振幅。当绳索长度在水平运动过程中恒定时，这个系统工作得非常好。

在授予Kiiski等人的美国专利中，其描述了测量摇摆角，并且由摇摆运动来构成最佳拟合正弦时间函数。利用这个估算的正弦函数，产生抵消脉冲来消除摇摆。这个方法假设只存在一个正弦频率。由此，这个方法对于在滑车水平运动过程中绳索长度变化的系统来说是无效的。

在授予Habisohn的美国专利5960969中，数字滤波器用于阻尼振荡。其中输入信号接近起重机摇摆频率的分量被滤掉。尤其是，经滤波的输出是输入信号和延迟载荷钟摆运动半个周期的输入信号的简单平均。使用基于不同延迟的输入信号的线性结合得到的多个其他滤波器方案。这些输入信号利用起重机方程的恒定长度版本加以计算。

在上述参考文献中的方法依赖于恒定长度钟摆系统，以用来进行所述抵消。下面的参考文献回顾了将抵消控制扩展到变长度绳索系统中的其他尝试。

在授予Feddema等人的美国专利中，公开了脉冲响应滤波器和比例-积分控制器，用于在操纵者的输入下控制起重机。基于反动态思路(inversedynamics idea)的数字实现的脉冲滤波器通常用于控制系统的研究中。在这种情况下，前馈控制器用于抵消起重机系统的动力，并引用用户限定的动力。

在授予Virrkkumen的美国专利5127533中，公开了将针对固定长度绳索的起重机的控制构思改造成针对可变程度绳索的起重机的控制构思的一种尝试。公知的是，钟摆振荡的周期正比于钟摆长度的平方根。这个参考文献表明了可用于具有固定绳索长度(称为L₁)的起重机的控制信号通过适当的延迟可以用于具有其他绳索长度(称为L₂)的起重机。例如，假设控制信号基于用于固定长度L₁的起重机结构，且控制信号在第一时间t₁施加。Virrkkumen教导了当控制信号在如下时间施加时，在具有另一固定长度L₂的起重机上可以实现相同的效果：

$t_2=t_1*\frac{\sqrt{L_2}}{\sqrt{L_1}}$

虽然Virrkkumen的方法对于两个固定长度的钟摆是合理的，但对于绳索长度经历变化的单个钟摆或单个起重机来说是不精确的。例如，绳索的提升速率影响摇摆角，而在Virrkkumen的方法中没有考虑这个因素。另外，由于在典型的水平运动中长度可能连续变化，因此在确定第二绳索长度L₂中存在不确定性。

在授予Overton的美国专利5526946中，基本的摇摆控制教导为Kawashima和Virrkkumen方法的扩展。取代在加速和减速阶段的固定双脉冲，Overton教导了无论何时速度输入变化就使用双脉冲。对于一个序列连续变化的速度输入，产生两个序列的脉冲。第一序列与输入速度变化同步。第二序列产生并被存储。第二序列对应于双脉冲控制方法的第二脉冲。在第二序列中的每个信号在第一序列的信号之后大约半个钟摆周期时施加到滑车的水平加速度上。Overton在计算这些信号的定时中采用Virrkkumen方法。这个第二序列以正比于绳索目前长度的可变速率处理(或作为滑车加速度发送)。绳索长度越短，则序列项(entries of thesequence)越快地被送出。由于Overton是Virrkumen的变型，因此，它存在类似的缺陷。

本发明利用双脉冲控制来抵消摇摆。然而，本发明与上述参考文献在多个重要方面存在不同。本发明利用起重机系统的全动态方程计算第二脉冲的精确定时和振幅。即使在绳索长度变化过程中，这个第二脉冲的施加也可以消除摇摆。这种精确抵消脉冲计算对于正确消除摇摆是至关重要的。本发明还确保了决不会超过滑车加速度和速度极限形式的物理约束。本发明还包括消除由于外力造成的摇摆的反馈机制，该外力诸如是风力载荷或其他外界干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算机控制系统，用于控制起重机内的摇摆。本发明利用抵消脉冲来进行摇摆控制。在由先前使滑车加速的指令导致摇摆之后，该摇摆被递增地抵消。这些抵消脉冲的定时和振幅对于此抗摇摆方法的有效性来说是至关重要的。本发明还在计算这些抵消信号中考虑了变绳索长度的全动态效果。

本发明的另一目的是确定精确的抵消加速度脉冲。通过利用常微分方程组，可以确定精确的抵消加速度脉冲。

本发明的再一目的是抗摇摆系统和方法在滑车驱动系统的加速度和速度极限内的操作。在滑车驱动系统出现加速度饱和或速度饱和时，摇摆控制会收到不利的影响。本发明包括确保抗摇摆机构在这些极限内正确工作的系统和方法。

本发明的又一目的是提供一种结合到现存起重机系统中的抗摇摆控制器单元或装备。抗摇摆控制器单元连接在操纵者速度指令和现存的变速控制器之间。这个抗摇摆控制器遵从操纵者针对水平滑车运行和垂直有效载荷提升的输入指令。如果需要的话，控制器单元可以关闭，以便恢复到起重机手动的操纵者控制。

本发明的另一目的是残余摇摆消除。利用摇摆的传感器测量，本发明还通过反馈机构予以加强。这个反馈机构辅助抗摇摆控制器，并消除由于外界因素造成的残余摇摆。

本发明的其他目的将从下面详细描述中变得对本领域技术人员显而易见，其中，本发明优选实施例借助于被认为是实现本发明的最佳模式的例子加以示出并描述。如将要认识到的，本发明能够在各种显而易见的方面中加以修改，所有修改都没有脱离本发明。于是，附图和描述被认为本质上是示例性的，而不作为限制。

附图说明

参照结合附图的详细描述，本发明将变得更清楚明了：

图1是带有从滑车上悬挂的有效载荷的起重机的视图；

图2是作为分段恒定加速度信号的操纵者输入信号的曲线表示；

图3是示出抗摇摆系统的互联功能模块的方块图；

图4是示出抗摇摆系统的互联功能模块的方块图。

具体实施方式

参照图1，示出了起重机系统10的模型。起重机系统10包括一个滑车20，该滑车具有卷扬机(未示出)，以便由绳索40可调节地悬挂有效载荷30。摇摆角θ产生于绳索40静止时的位置与绳索40在摇摆振荡过程中的位置之间。描绘有效载荷30的摇摆角θ随时间发展的微分方程为：

$l\left(t\right)\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+2\stackrel{.}{l}\left(t\right)\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+g\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)=\stackrel{..}{x}\left(t\right)\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)--\left(1\right)$

在方程(1)中，l(t)和 分别表示绳索40与时间相关的长度及其导数，而

表示滑车加速度。在起重机工作首先起动的时刻，该系统处于静止，即， $\mathrm{\θ}\left(0\right)=\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(0\right)=0,x\left(0\right)=x_0,$ $\stackrel{.}{x}\left(0\right)=0,l\left(0\right)=l_0,$ $\stackrel{.}{l}\left(0\right)=0.$ 为了表示容易，选择这些初始条件。也可以对于更通常的一组初始条件来扩展这个推导。

由于摇摆角θ(t)的振幅在整个随后的运动中非常小，可以进行近似。遵循标准的工程实践，假设 $\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)\≅\mathrm{\θ}\left(t\right)$ 且 $\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)\≅1,$ 进行近似。从而，运动方程近似为下面的方程：

$l\left(t\right)\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+2\stackrel{.}{l}\left(t\right)\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+\mathrm{g\θ}\left(t\right)=\stackrel{..}{x}\left(t\right)--\left(2\right)$

且 $\mathrm{\θ}\left(0\right)=\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(0\right)=0$

现在参照图2，补偿方案取决于在给定时刻将滑车20的加速度表示为如下形式的窄脉冲之和：

$\stackrel{..}{x}\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{..}{x}\left(\mathrm{iT}\right)p(t-\mathrm{iT})--\left(3\right)$

其中，函数p(·)如下限定：

p(t)＝0，t＜0       (4a)

p(t)＝1，t≤0＜T    (4b)

p(t)＝0，t≥T       (4c)

在本发明一个优选实施例中，只存在第一脉冲 当加速度脉冲T的持续时间较小时，摇摆角响应脉冲，以符号表示为δθ₀(t)，并由以下微分方程的解来确定：

$l\left(t\right)\mathrm{\δ}{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_0\left(t\right)+2\stackrel{.}{l}\left(t\right)\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_0\left(t\right)+g{\mathrm{\δ\θ}}_0\left(t\right)=0$

δθ₀(0)＝0                   (5)

如果存在所有加速度脉冲，在方程(3)中，在给定时刻，对滑车20的任意加速度 的响应为：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ\θ}\left(t\right)\·1(t-\mathrm{iT})--\left(6\right)$

在此，当t＞iT时，函数1(t-iT)＝1，否则，函数1(t-iT)＝0。每个摇摆角响应δθ_i(t)限定为：

$l\left(t\right)\mathrm{\δ}{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_i\left(t\right)+2\stackrel{.}{l}\left(t\right)\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_i\left(t\right)+\mathrm{g\δ}{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)=0$

δθ_i(iT)＝0                 (7)

$\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_i\left(t\right)=\frac{T\·\stackrel{..}{x}\left(\mathrm{iT}\right)}{l\left(\mathrm{iT}\right)}$

应指出的是：如在方程(6)中计算的，摇摆角θ(t)取决于微分方程(2)的线性。由sinθ(t)和cosθ(t)分别近似为 $\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)\≅\mathrm{\θ}\left(t\right)$ 以及 $\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)\≅1$ 而引入的建模误差可以利用如下所示的变换予以校正。

现在，考虑一个用于产生抵消信号以克服第一脉冲 的影响的表达式。在求解线性时变微分方程(7)的过程中，对于i＝0，让

为摇摆角响应δθ₀(t)为零(即

)时的t＝0之后的第一时刻，在时刻

存在一个相应的速度

假设一个校正脉冲x_c(t) ^c在时刻

施加T持续时间：

$x_0^c=-\frac{\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_0\left(\widetilde{t_0}\right)\·l_0\left(\widetilde{t_0}\right)}{T}\·p\left(t\right)--\left(8\right)$

可以看出，在施加这个校正脉冲x₀ ^c(t)之后，摇摆角 以及摇摆角速度

接近为零。可以通过将T选择为足够小，而将近似的误差减小到基本为零。从而，当出现校正脉冲时，对于

δθ₀(t)基本为零。

和

的确定是通过用于方程(7)的常微分方程(ODE)求解器来完成的。由于方程(7)是时变系统，这个求解器分别利用绳索40的与时间相关的长度及其导数，l(t)和

的传感器信息实时作用。根据所用求解器的选择，可能需要在比T更小的时间间隔下，例如在t＝iT和在iT+T/2时，分别测量绳索40的与时间相关的长度及其导数，l(t)和

上述讨论是针对在时刻t＝0时刻的第一脉冲。

现在参见图3，抗摇摆系统50的总响应是如方程(6)所示在整个时间间隔i上的摇摆角响应δθ_i(t)的总和。在每个离散的时间周期t＝iT开始时产生一个新的ODE求解器。这个ODE求解器在抗摇摆系统50中存在所需要的那么长时间，即，直到摇摆角响应为零为止，即在

时δθ_i(t)＝0为止。当确定了

和 时，在下一个可用的采样时间，即在t＝iT时施加校正脉冲，其中j是使得 的最小j。在t＝jT之后，第i个ODE求解器的使用终结。整个ODE求解器组随着实时进展而保持工作。微分方程的多重实时解允许系统50以高精度方式控制由操纵者发出的用于随时间改变的水平滑车位置和垂直绳索程度的指令而产生的摆动的影响。

仍参照图3，图3示出了抗摇摆系统50方块图的优选实施例。抗摇摆控制器60利用如上所述的系统实现多个ODE系统。抗摇摆控制器60具有两个输入和三个输出。主要输入是经调节的操纵者指令加速度a_adj。分别提供绳索40的长度的测量信号和绳索40的长度的时间导数，l(t)和 的另一输入从传感器70按ODE求解器的需要来接收。主要输出是抵消加速度信号a_c，方程(8)中校正脉冲的等价量 来自抗摇摆控制器60的两个其他输出分别连接到预测模块80和反馈模块90。预测模块80和反馈模块90的功能将在下面描述。

一对饱和和滤波部件100、105各自分别过滤操纵者指令水平滑车和垂直提升速度输入信号V_ox(见图3)和V_oL(见图4)中的高频分量。输入信号由一对操纵杆(未示出)获得。饱和和滤波部件100、105也分别设定水平滑车和垂直提升运动的最大可允许速度。

现在参照图4，饱和和滤波器105也将垂直速度输入V_oL转化为绳索速度指令信号

然后，绳索速度指令信号

被传送到现有起重机系统的速度控制器107中，用于绳索的提升驱动系统。

再次参见图3，图3示出滤波部件110。滤波部件110将速度指令信号(表示为v_ref)减半，以考虑抵消信号a_c的延迟效果。滤波器110还将速度指令v_ref通过微分转变为相应的加速度指令信号a_ref。速度指令信号v_ref具有两个分量，一个是经滤波的操纵者指令速度，表示为v_x，而一个是补偿信号，表示为v_comp。需要补偿信号分量v_comp来补偿操纵者指令速度的理想速度v_x与表示为v_o的速度输出信号之间的差异。这个差异是由抗摇摆控制器60的作用而产生的。

总的抗摇摆系统50的输出是速度输出信号v_o，并传送到现有的用于滑车20驱动系统的速度控制器112。输出信号v_o是三个信号的积分和，示为115，其中三个信号为：经调节的操纵者指令加速度a_adj、抵消加速度信号a_c、以及外界因素减弱加速度a_e。加速度信号a_adj来自于操纵者的指令。抵消加速度信号a_c抵消由先前的经调节的操纵者指令加速度a_adj导致的摇摆。外界因素减弱加速度信号a_e减小由于诸如风力载荷的外界因素带来的摇摆。

如果对系统的输入指令v_ref超过滑车20的速度或加速度极限，则抗摇摆系统50不能正常工作。饱和控制器120功能为速度和加速度极限，以处理这种情况。控制器120分别实施滑车20的速度和加速度极限v_max和a_max，这些极限是公知的，或者他们可以轻易确定。由此，需要确保在所有时候｜ν₀(t)|≤ν_max以及 $\left|{\stackrel{.}{v}}_0\left(t\right)\right|\≤a_{\max }.$ 由于用于经调节的操纵者指令加速度、抵消加速度和外界因素减弱加速度的信号a_adj、a_c和a_e分别是分段常数，并且仅在采样时刻kT变化，因此，它遵循速度输出v_o(t)分段线性且连续。这对于设计饱和控制器120是有益的。

继续参照图3，饱和控制器120接收以下输入信号：

加速度指令基准信号a_ref、抵消加速度信号a_c、以及外界因素减弱加速度反馈信号a_e。饱和控制器120产生经调节的指令加速度a_adj，作为输出信号。基本思想为使

a_adj＝λa_ref                 (9)

并且将表示为λ的约束因数的数值在隶属于加速度和速度约束极限下尽可能接近1。加速度和速度约束可以表示为：

|a_c+a_e+λa_ref|≤a_max。 $|v_0^{-}+T(a_c+a_e+\mathrm{\λ}{a}_{\mathrm{ref}})|\≤v_{\max }--\left(10\right)$

输出速度变量ν₀ ^-表示为先前时刻的输出速度ν₀，诸如ν₀(kT-T)，而剩余的变量都是在当前时刻kT的信号。这两个约束可以等价地表示为：

$\max \{-a_{\max },(-v_0^{-}-v_{\max })/T\}\≤a_c+a_e+\mathrm{\λ}{a}_{\mathrm{ref}}\≤\min \{a_{\max },(-v_0^{-}+v_{\max })/T\}--\left(11\right)$

目的是找到最佳的约束因数，表示为λ_m，它是针对以下优化问题的最佳λ：

Min|λ-1|

隶属于方程(11)的约束。由于优化问题是针对隶属于两个约束的单个变量，因此，可以容易算出最佳约束因数λ_m。对于经调节的操纵者指令加速度a_adj的精确表示可以如下：

其中： $a_m=\min \{a_{\max },\frac{-v_0+v_{\max }}{T}\}$ 且 $a_l=\max \{-a_{\max },\frac{{-v}_0-v_{\max }}{T}\}.$

再次参照图3，预测模型80和预测模型速度变化分量信号v_pm，速度输出信号的估算速度v_p以及速度补偿信号v_comp的连接被设置成产生一个输出速度信号v_o的稳态值，该稳态值等于过滤的操纵者速度指令v_x的稳态值。即系统速度输出v_o响应于经过滤的操纵者速度指令v_x。预测模块80的输入在当前时刻是驻留于抗摇摆控制器60中的ODE的整个集合。从抗摇摆控制器60到预测模块80的粗箭头示出这个关系。预测模块80的输出是预测模型速度变化分量信号v_pm。当已经发出抗摇摆控制器60的ODE中的所有补偿信号时，预测模型速度变化分量v_pm的值是在速度输出信号v_o中预测的变化。下面描述预测模型速度变化分量v_pm的计算。假设在当前时刻t＝kT抗摇摆控制器60内存在M个ODE，并且它们表示为状态向量[δθ_i(kT)

]，i＝1，...，M的集合。预测模块80假设绳索40的长度在当前时刻t＝kT之后保持不变。然后，计算预测模型校正加速度信号 例如，让我们考虑i＝1的情况。可以利用ODE求解器，以初始条件[δθ₁(kT) ]求从当前时刻t＝kT直到响应时刻

为止的积分。然后可以利用方程(8)计算出对应的预测模型校正加速度信号 预测模块80计算M个ODE中的每一个，并然后计算补偿加速度的和。预测模型速度变化分量v_pm的输出为：

$v_{\mathrm{pm}}\left(t\right)=T\·\underset{1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{..}{x}}_i^{\mathrm{pm}}\left(\widetilde{t_i}\right)--\left(13\right)$

代表由抗摇摆控制器60导致的附加的将来速度指令。

另外，当操纵者的提升速度指令为零时，绳索长度在此后保持不变。从而，在传送运动的最终阶段，满足在预测模块80中采用的恒定绳索长度假设。这就是消除最终摇摆所需要的。

在上面的计算中，预测模块校正加速度信号

利用ODE求解器算出。假设绳索40的长度恒定，能量法对于计算预测模块校正加速度信号在计算上更有效。当绳索40的长度保持不变时，起重机10是在守恒系中的具有恒定总能量的钟摆。再次，假设初始条件在时刻t＝kT时为[δθ₁(kT)

]，总能量为：

$\frac{1}{2}\mathrm{ml\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_1{\left(\mathrm{kT}\right)}^2+\mathrm{mgl}(1-\cos \left({\mathrm{\δ\θ}}_1\left(\mathrm{kT}\right)\right)).$ 由此，摇摆角响应速度

可以表示为：

$\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_1\left(\widetilde{t_1}\right)={(\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_1{\left(\mathrm{kT}\right)}^2+2g(1-\cos \mathrm{\δ}{\mathrm{\θ}}_1\left(\mathrm{kT}\right)))}^{0.5}--\left(14\right)$

利用方程(14)，相应的预测模块校正加速度信号 可以从方程(8)用 $l\left(\tilde{t}\right)=l\left(\mathrm{kT}\right)$ 算出。

在抗摇摆控制器60中的所有项被发出时，估算的速度信号v_p为估算的速度输出v_o。速度输出估算速度信号v_p与操纵者的指令滑车速度信号v_x相比较，以确定补偿速度v_comp。补偿速度v_comp代表理想速度信号v_x和速度输出信号v_o的终值之间的差异。补偿速度v_comp添加到经过滤的操纵者指令速度指令v_x中，以计算速度指令v_ref，以便v_ref＝v_x+v_comp。

使用上述各个部件的抗摇摆系统50的结构足以抵消分别由操纵者在水平和垂直速度输入信号v_ox和v_oL中的指令所导致的摇摆。摇摆也可能由外界因素导致，如风力载荷、或在装载和卸载过程中对有效载荷的横向冲击力导致。然而，利用抵消方法和上述系统的抗摇摆控制器60不会消除由外界因素造成的摇摆。提供了反馈模块90，来消除由外界因素造成的摇摆以及源于模型参数和实际物理系统之间的不一致的摇摆。

反馈模块90利用分别表示为θ_e和

的摇摆角误差信号和摇摆角误差速度作为输入。摇摆角和摇摆角速度误差信号θ_e和 从表达式 ${\mathrm{\θ}}_e\left(t\right)={\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}\left(t\right)$ 以及 ${\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_e\left(t\right)={\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_m\left(t\right)-\stackrel{\stackrel{.}{^}}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)$ 中算出，其中θ_m和 分别表示由适当的传感器测量到的实际起重机的摇摆角和摇摆速度。测量摇摆角和摇摆角速度的传感器的示例是由法国Toulouse的GIAT公司提供的红外信标系统SIRRAH。 和

分别表示基于抗摇摆控制器60中的起重机10的模型的起重机10的摇摆角和摇摆速度。模型摇摆角

由抗摇摆控制器60中的ODE组算出。更精确的说，假设在当前时刻t＝kT，在抗摇摆控制器60中存在M个ODE，且每个ODE具有[δθ_i(kT) ]的状态向量。基于模型的摇摆角

和摇摆速度

分别由下式给出：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{kT}\right)=\underset{1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ\θ}}_i\left(\mathrm{kT}\right)--\left(15a\right)$

$\stackrel{\stackrel{.}{^}}{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{kT}\right)=\underset{1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_i\left(\mathrm{kT}\right)--\left(15b\right)$

由此，由操纵者指令之外的因素造成的有效载荷30的摇摆角和摇摆速度(由θ_e和

表示)通过反馈模块90得以消除。

反馈模块90产生反馈外界因素减弱加速度信号a_e。反馈控制法则分别将外界因素摇摆角和外界因素摇摆角速度θ_e和

转换为扩展因素减弱加速度，表示为a_e。这个转换可以以多种方式实现。在优选实施例中，使用简单的控制法则。控制领域或相关学科内的技术人员可以利用各种技术轻易修改或替换这个控制法则。这种法则中的一种选择为：

$a_e=k_e{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_e--\left(16\right)$

合适地选择k_e，这个控制法则将阻尼掉由外界因素造成的摇摆。如果外界因素的影响较大，加速度信号a_e会导致滑车振荡。因此，限制加速度信号a_e的振幅是可取的。

在优选实施例的另一改进中，可以考虑从方程(1)代表的原始系统到方程(2)代表的近似中已经采用的三角近似法。如果如下的变换代入方程(1)中，这些近似可以消除。

$\stackrel{..}{x}\left(t\right)=\frac{\tilde{u}\left(t\right)+g(\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)-\mathrm{\θ}\left(t\right))}{\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)}--\left(17\right)$

那么

$l\left(t\right)\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+2\stackrel{.}{l}\left(t\right)\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+\mathrm{g\θ}\left(t\right)=\tilde{u}\left(t\right)--\left(18\right)$

并且，不存在三角近似。明显地是，方程(18)具有与方程(2)相同的结构，且 作为输入。从而，校正脉冲的上述展开直接通过将方程(2)中的

由新的输入

取代来施加。对新的输入

的限制具有 $\left|u\left(t\right)\right|\≤{\tilde{a}}_{\max }$ 的形式，其中转换加速度极限 由方程(17)通过对所有摇摆角θ的预测值要求抵消加速度不超过加速度极限，即 $\left|\stackrel{..}{x}\left(t\right)\right|\≤a_{\max }$ 来加以确定。对于摇摆角θ的合理变化，转换加速度极限

仅稍小于加速度极限a_max。

也可以实现对其他建模误差的校正。假设方程(1)的左侧包括 $c\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+f\left(\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)\right)$ 形式的附加非线性阻尼项。这个阻尼项可以通过被动阻尼装置或作为控制法则的一部分引入。然后该项

添加到方程(2)的右侧，并且

加入到方程(17)的分子中。然后，这个实施例类似于上述的优选实施例，例外之处在于非线性阻尼项cδθ_i(t)加入到方程(7)的右侧。

如上所述的实施例被轻易修改成控制具有多根固定到有效载荷上的提升绳索的起重机。它可以通过多种方式实现。一种方式为改变微分方程的形式，以符合多根绳索系统的动力学。另一种方式是利用适当的绳索长度以等价的单根绳索系统的动力学来表示多根绳索系统的动力学。要用于多根绳索系统的等价长度取决于绳索的布置方式。它可以通过分析或是通过对实际起重机的标定过程来获得。

上述优选实施例包括反馈模块90来处理由外界扰动导致的摇摆。如果起重机的工作环境为外界扰动可以忽略不计或高度可预测，则本发明可以在没有反馈模块90以及相关的摇摆传感器125的情况下实现。

Claims (43)

1.一种用于消除由绳索从一滑车上悬挂的有效载荷的摇摆的系统，该绳索附连到卷扬机上，所述有效载荷的位置可被垂直和水平调节，所述系统包括用于接收或用于产生操纵者的提升速度输入信号的装置，该输入信号用于所述有效载荷的垂直调节，并且包括用于产生操纵者的滑车速度输入信号的装置，该输入信号用于由所述绳索悬挂的所述有效载荷的水平移动，所述系统包括：

用于由所述操纵者的滑车速度输入信号产生经调节的操纵者指令加速度信号的装置；

用于利用所述绳索的长度、所述绳索长度的时间导数、以及所述经调节的操纵者指令加速度信号产生抵消加速度信号的装置；

用于利用测得的所述有效载荷的摇摆角、测得的所述有效载荷的摇摆速度、所述有效载荷的模型摇摆角、以及所述有效载荷的模型摇摆速度产生外界因素减弱加速度信号的装置；

用于基于所述经调节的操纵者指令信号、所述抵消加速度信号和所述外界因素减弱加速度信号产生速度输出信号的装置；

用于将所述速度输出信号发送到用于控制所述滑车的速度的装置的装置；以及

用于预测速度变化的装置，预测速度变化是通过基于来自抗摇摆控制器的预测模型校正加速度信号集合产生速度变化信号、将所述速度变化信号于所述速度输出信号相比较、从所述比较产生速度补偿信号、以及把所述速度补偿信号包括在所述操纵者的滑车速度输入信号中来实现的。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述用于产生抵消加速度信号的装置还包括用于确定所述绳索的长度的装置。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述用于产生抵消加速度信号的装置还包括用于从所述绳索长度的所述确定中产生绳索长度信号的装置。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述用于产生抵消加速度信号的装置还包括用于确定所述绳索长度的时间导数的装置。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述用于产生抵消加速度信号的装置还包括用于从所述绳索长度的时间导数的所述确定中产生绳索速度信号的装置。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述用于产生抵消加速度信号的装置还包括用于接收所述绳索长度信号、所述绳索速度信号和在抗摇摆控制器中所述经调节的操纵者指令加速度信号的装置，以便产生所述抵消加速度信号。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于测量所述有效载荷的摇摆角的装置。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括从所述测得的摇摆角中产生测得的摇摆角信号的装置。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于测量所述有效载荷的摇摆速度的装置。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于从所述测得的摇摆速度产生测得的摇摆速度信号的装置。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆信号的装置。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆速度信号的装置。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆角信号接收到用于外界摇摆控制的装置中的装置。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆速度信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于将所述测得的摇摆角信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于将所述测得的摇摆速度信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述用于产生外界因素减弱加速度信号的装置还包括用于基于所述模型摇摆角信号、所述模型摇摆速度信号、测得的摇摆角信号和所述测得的摇摆速度信号产生所述外界因素减弱加速度信号的装置。

18.如权利要求1所述的系统，其中，所述用于产生速度输出信号的装置还包括用于接收所述经调节的操纵者指令信号、抵消加速度信号和所述外界因素减弱加速度信号的装置。

19.如权利要求1所述的系统，还包括用于过滤所述操纵者的滑车速度输入信号以设定所述滑车的最大允许速度的装置，以及产生速度指令信号的所述最大允许速度滤波装置。

20.如权利要求1所述的系统，还包括用于过滤所述操纵者的提升速度输入信号以设定所述提升的最大允许速度的装置，产生绳索速度指令信号的所述提升速度输入信号滤波装置，并且所述绳索速度指令信号被发送到提升控制器中。

21.如权利要求1所述的系统，还包括用于过滤所述操纵者的滑车速度输入信号的装置，所述过滤是通过相对于时间微分所述操纵者的滑车速度输入信号以计算基准加速度信号，并通过将所述基准加速度信号的振幅减半以考虑抵消加速度信号的延迟效果来实现的。

22.如权利要求19所述的系统，还包括用于过滤所述速度指令信号的装置，所述过滤是通过相对于时间微分所述速度指令信号以计算基准加速度信号，并进一步通过将所述基准加速度信号的振幅减半以考虑抵消加速度信号的延迟效果来实现的。

23.如权利要求1所述的系统，还包括用于所述经调节的操纵者指令加速度信号的饱和控制的装置。

24.如权利要求22所述的系统，还包括用于所述经调节的操纵者指令加速度的饱和控制的装置，其中，所述饱和控制装置接收所述速度指令信号、所述外界因素减弱加速度信号和所述抵消加速度信号，以产生所述经调节的操纵者指令加速度。

25.如权利要求2所述的系统，其中，所述绳索长度确定装置是传感器。

26.如权利要求4所述的系统，其中，所述绳索长度时间导数装置是传感器。

27.如权利要求7所述的系统，其中，所述摇摆角测量装置是传感器。

28.如权利要求27所述的系统，其中，所述传感器是红外信标系统SIRRAH。

29.如权利要求9所述的系统，其中，所述摇摆速度测量装置为传感器。

30.如权利要求29所述的系统，其中，所述传感器是红外信标系统SIRRAH。

31.如权利要求1所述的系统，其中，所述抵消加速度信号是基于常微分方程组产生的。

32.如权利要求21所述的系统，其中，所述模型摇摆角信号是基于常微分方程组产生的。

33.如权利要求21所述的系统，其中，所述模型摇摆速度信号是基于常微分方程组产生的。

34.如权利要求21所述的系统，其中，预测模型校正加速度信号的集合是基于常微分方程组产生的。

35.一种用于消除由附连到卷扬机上的绳索从滑车上悬挂的有效载荷的摇摆的系统，所述有效载荷的位置可被垂直和水平调节，所述系统包括用于产生操纵者的提升速度输入信号的装置，该输入信号用于所述有效载荷的垂直调节，并且包括用于产生操纵者的滑车速度输入信号的装置，该输入信号用于由所述绳索悬挂的所述有效载荷的水平移动，所述系统包括：

用于从所述操纵者的滑车速度输入信号产生经调节的操纵者指令加速度信号的装置；

用于在抗摇摆控制器中产生抵消加速度信号的装置，其中所述抵消加速度信号产生装置包括：

    用于确定所述绳索的长度的装置；

    用于由所述绳索的长度的所述确定产生绳索长度信号的装置；

    用于确定所述绳索长度的时间导数的装置；

    用于从所述绳索长度的时间导数的所述确定产生绳索速度信号的装置；以及

    用于在所述抗摇摆控制器内接收所述绳索长度信号、所述绳索速度信号和所述经调节的操纵者指令加速度信号以基于常微分方程组产生所述抵消加速度信号的装置；

用于在用于控制外界摇摆的装置中产生外界因素减弱加速度信号的装置，所述外界因素减弱加速度信号产生装置包括：

    用于测量所述有效载荷的摇摆角的装置；

    用于由所述测得的摇摆角产生测得的摇摆角信号的装置；

    用于测量所述有效载荷的摇摆速度的装置；

    用于由所述测得的摇摆速度产生测得的摇摆速度信号的装置；

    用于在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆信号的装置；

    用于在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆速度信号的装置；

    用于将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆角信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置；

    用于将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆速度信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置；

    用于将所述测得的摇摆角信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置；

    用于将所述测得的摇摆速度信号接收到所述外界摇摆控制装置中的装置；以及

    用于基于所述模型摇摆角信号、所述模型摇摆速度信号、测得的摇摆角信号和所述测得的摇摆速度信号产生所述外界因素减弱加速度信号的装置；

用于在产生速度输出的装置中产生速度输出信号的装置，所述速度输出信号产生装置包括：

    用于接收所述经调节的操纵者指令加速度信号的装置；

    用于接收抵消加速度信号的装置；

    用于接收所述外界因素减弱加速度信号的装置；以及

    用于在用于产生速度输出的所述装置中基于所述经调节的操纵者指令加速度信号、所述抵消加速度信号和所述外界因素减弱加速度信号产生速度输出信号的装置；

用于将来自用于产生速度输出的所述装置的所述速度输出信号传送到用于控制所述滑车的速度的装置；以及

用于在用来预测速度变化的装置中预测速度变化的装置，所述速度变化预测装置包括：

    用于在所述抗摇摆控制器中产生预测模型校正加速度信号的集合的装置；

    用于利用所述抗摇摆控制器的预测模型校正加速度信号的所述集合产生速度变化信号的装置；

    用于将所述速度变化信号与所述速度输出信号相比较的装置；

    用于由所述比较产生速度补偿信号的装置；以及

    用于将所述速度补偿信号包括到所述操纵者的滑车速度输入信号中的装置。

36.一种用于消除由附连到卷扬机上的绳索从滑车上悬挂的有效载荷的摇摆的方法，所述有效载荷的位置可以被垂直和水平调节，所述方法包括用于产生操纵者的提升速度输入信号的措施，该输入信号用于所述有效载荷的垂直调节，并且包括用于产生操纵者的滑车速度输入信号的措施，该输入信号用于由所述绳索悬挂的所述有效载荷的水平移动，所述方法包括：

从所述操纵者的滑车速度输入信号产生经调节的操纵者指令加速度信号；

利用所述绳索的长度、所述绳索长度的时间导数、以及所述经调节的操纵者的指令加速度信号产生抵消加速度信号；

利用测得的所述有效载荷的摇摆角、测得的所述有效载荷的摇摆速度、所述有效载荷的模型摇摆角以及所述有效载荷的模型摇摆速度产生外界因素减弱加速度信号；

基于所述经调节的操纵者指令加速度信号、所述抵消加速度信号和所述外界因素减弱加速度信号产生速度输出信号；

将所述速度输出信号传送到用于控制所述滑车的速度的装置；以及

通过基于来自所述控制器的预测模型校正加速度信号产生速度变化信号、将所述速度变化信号与所述速度输出信号相比较、由所述比较产生速度补偿信号、以及将所述速度补偿信号包括到所述滑车速度输入信号中来预测速度变化。

37.如权利要求36所述的方法，其中，基于常微分方程组产生所述抵消加速度。

38.如权利要求36所述的方法，其中，基于常微分方程组产生所述模型摇摆角信号。

39.如权利要求36所述的方法，其中，基于常微分方程组产生所述模型摇摆速度信号。

40.如权利要求36所述的方法，其中，基于常微分方程组产生所述补偿信号。

41.如权利要求36所述的方法，还包括过滤所述操纵者的滑车速度输入信号和过滤所述速度补偿信号。

42.如权利要求41所述的方法，还包括由所述经过滤的操纵者滑车速度输入信号及由所述速度补偿信号产生经调节的操纵者指令加速度信号。

43.一种用于消除由附连到卷扬机上的绳索从滑车上悬挂的有效载荷的摇摆的方法，所述有效载荷的位置可以被垂直和水平调节，所述方法包括用于产生操纵者的提升速度输入信号的措施，该输入信号用于所述有效载荷的垂直调节，并且包括用于产生操纵者的滑车速度输入信号的措施，该输入信号用于由所述绳索悬挂的所述有效载荷的水平移动，所述方法包括：

由所述操纵者的滑车速度输入信号产生经调节的操纵者指令加速度信号；

在抗摇摆控制器中产生抵消加速度信号，其中所述抵消加速度信号的所述产生包括：

    确定所述绳索的长度；

    由所述绳索长度的所述确定中产生绳索长度信号；

    确定所述绳索长度的时间导数；

    由所述绳索长度的时间导数的所述确定中产生绳索速度信号；以及

    在所述抗摇摆控制器中接收所述绳索长度信号、所述绳索速度信号和所述经调节的操纵者指令加速度信号，以便基于常微分方程组产生所述抵消加速度信号；

在用于控制外界因素造成的摇摆的装置中产生外界因素减弱加速度信号，其中所述外界因素减弱加速度信号的产生包括：

    测量所述有效载荷的摇摆角；

    由所述测得的摇摆角产生测得的摇摆角信号；

    测量所述有效载荷的摇摆速度；

    由所述测得的摇摆速度产生测得的摇摆速度信号；

    在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆角信号；

    在所述抗摇摆控制器中产生模型摇摆速度信号；

    将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆角信号接收到所述外界摇摆控制装置中；

    将来自所述抗摇摆控制器的所述模型摇摆速度信号接收到所述外界摇摆控制装置中；

    将所述测得的摇摆角信号接收到所述外界控制装置中；

    将所述测得的摇摆速度信号接收到所述外界控制装置中；以及

    基于所述模型摇摆角信号、所述模型摇摆速度信号、测得的摇摆角信号和所述测得的摇摆速度信号产生所述外界因素减弱加速度信号；

在用于产生速度输出的装置中产生速度输出信号，所述速度输出信号的产生包括：

    接收所述经调节的操纵者指令加速度信号；

    接收所述抵消加速度信号；

    接收所述外界因素减弱加速度信号；以及

    在所述用于产生速度输出的装置中，基于所述经调节的操纵者指令加速度信号、所述抵消加速度信号和所述外界因素减弱加速度信号产生速度输出信号；

将来自于用于产生速度输出的装置的所述速度输出信号发送到用于控制所述滑车的速度的装置；以及

在用于预测速度变化的装置中预测速度变化，所述速度变化预测包括：

    在所述抗摇摆控制器中产生补偿信号；

    利用所述抗摇摆控制器的所述补偿信号产生速度变化信号；

    将所述速度变化信号与所述速度输出信号相比较；

    由所述比较产生速度补偿信号；以及

    将所述速度补偿信号包含到所述操纵者的滑车速度输入信号中。

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