CN87107341A - 动力传动装置 - Google Patents

Abstract

动力伺服系统包括与负荷耦合且接收代表负荷所需运动输入指令信号的执行机构。采样数据控制系统对代表液压执行机构和负荷所需及实际运动的输入信号予以接收和采样，并为执行机构提供所需运动的驱动信号，该系统含带有串联和反馈补偿的数字处理电路，其补偿与液压系统传递函数协调。所述电路中不同方程常数要周期地重新计算。本发明实施方案中，这些常数作为系统特性的函数予以重算；或系统常数是根据单独由操作员可变的(或遥控系统)输入重算的。

Description

本发明是关于动力传动装置，特别是关于电动、电-气动和/或电-液伺服控制系统一类的动力伺服控制系统。

在电-液伺服控制系统中，一般的作法是提供代表受控机构上所要求的位置、速度和加速度的指令信号，并用相应的传感器装置测定受控机构上的实际位置、速度和加速度，再以指令信号与测定的运动参数之间用误差信号表示的差异来驱动液压执行机构。在受控机构上装设三个传感器或使其响应受控机构，不仅大大增加了伺服系统的总费用，且同时降低了系统的可靠性。上述缺点对日益要求降低成本、简化结构和高可靠性的工业自动装置技术领域来说更显突出。

一九八二年九月十四日申请，已转让给本申请人，申请号为418，086的美国专利申请书，即现在的美国专利4，502，109，公开了一种具有三个动态状态变量（即位置、速度和加速度）的电-液伺服控制系统。控制系统包括耦合到测定负荷位置用的液压执行机构和根据所测定的位置估算速度和加速度用的数字观测器。表示所测定和/或所估计的状态变量的信号与输入状态指令信号加以比较以获取驱动执行机构的差异或误差信号。观测装置的电子器件包括经适当编程以估算作为相应线性方程的解的状态变量的数字微处理器。若干方程常数（这些常数系执行机构和驱动质量特性的函数）系通过操作人员调节的大量电阻器输入的。一九八五年二月七日申请，作为418，086号美国专利申请的部分延续申请同样也转让给本申请人的699，039号美国专利申请;公开了对原公开内容的改进，其中将若干方程常数从遥控系统加到观测装置的存储寄存器中。

虽然上述提及的专利申请中公开的技术在本领域中大有改进，但在许多方面还有待于完善。例如，在各输入采样间隔为解相应数量的方程而需要对若干状态变量进行的计算相当费时，限制了操作速度和可完成的工作量。此外，要求将系统参数加到监测装置上，这种做法限制了诸如改变磨损或液压流体压力等条件的系统适应能力。

因此，本发明总的目的是提供一个能自行适应操作条件的伺服控制系统，即能周期性地更新系统的一些或全部常数以适应变化着的各种条件并能提高计算速度。

本发明的另一目的是提供既能达到上述目的又能经济可靠地实现上述目的的伺服控制系统。

本发明的再一目的是提供一种具有上述特性，其速度特性和/或静态增益特性有所改进的伺服控制系统。在上述目的的基础上本发明的另外一个目的是提供一种具有上述特性，其静态增益和/或速度常数的选择与其它系统变量无关的系统。

本申请公开的各采样数据反馈控制系统，其控制是在定期不连续的时间间隔内对各种控制信号和误差信号进行采样而实现的。具有这种特性的采样数据控制系统应和连续模拟控制系统区别开来。为了公开和说明起见，应把本发明的采样数据反馈控制系统，在结构和操作上看成是属于所谓采样数据或Z变换的区域。这种类型的系统可以用线性差分方程表示，其常数在取样间隔内变化不大，且从系统传递函数的Z变换能得出变量Z的有理多项式系数。这个变量是复变量，它与周知的拉普拉斯变换的变量S的关系可用下列方程表示

Z＝e^TS（1）

其中T为取样间隔。在Z变换理论中，传递函数、变换原理、组合原则和转换等概念都和数据采样系统有关，这种关系在许多方面可与拉普拉斯变换对连续系统的关系相比较。拉奇尼（Ragazzini）和富兰克林（Franklin）著的《采样数据控制系统》一书（麦克劳希尔“Mc-Graw-Hill”一九五八年版）中全面论述了采样数据控制系统和Z变换理论。

根据本发明公开的实施例，采样数据控制系统接收表示液压执行机构和负荷上所要求的和实际运动的输入信号并对其采样，还为执行机构提供获得要求的运动所需的控制信号。这种采样数据控制系统包括有串联和反馈补偿的数字处理回路，且其与液压系统的特性函数相协调，以形成在采样数据或Z变换区域内完整的闭路控制系统操作。串联和反馈补偿回路中的各差分方程常数是在各采样间隔重新计算的。在本发明的实施例中，这些常数是作为系统性能的函数重新计算的，以使系统控制随操作条件或负荷自动变化。在本发明的另一实施例中，系统常数是根据一单运算变量（或遥控系统）输入进行计算的，这个输入能适应系统性能由操作人员实现的快速跟踪操作，同时节省计算时间。

本发明另一些实施例的特点在于串联和反馈补偿回路中使静态增益和/或速度常数的选择与其它系统变量无关的另一些采样数据区域阶。

从以下面的说明，所附的权利要求和附图可更好地了解本发明及其目的、特点和优越性，其中：

图1是根据先有技术，基本的电-液伺服控制系统的功能方框图;

图2是根据本发明的基本电-液控制系统的功能方框图;

图3是根据本发明的实施例，针对图2的采样数据数字控制器更详细的功能方框图;

图4是根据本发明的第二实施例，对应图2的采样数据数字控制器详细的功能方框图;

图5是解释本发明另一实施例的部分方框图;

图6是说明本发明另一实施例工作的曲线图;

图7是根据本发明目前较佳实施例的电子控制器的电气原理图。

图8-9是本发明另一些实施例的功能方框图。

图1说明了常规的位置指令电-液伺服控制系统10，它包括阀执行机构系统或装置12，该装置有由执行机构耦合到负荷上的电动液压阀。包括负荷在内的执行机构，其特征是具有惯性质量和弹簧伸缩性。位置传感器或转换器14通过适当的机械方法耦合到执行机构和负荷上以提供作为实际执行机构和负荷位置函数的电气输出信号Y。来自操作人员控制杆15的位置指令或参考信号R馈入加法器16中，加法器16发出作为指令信号R和实际位置信号Y二者之差函数的误差信号E。此误差信号E经具有增益的放大器18控制执行机构12的动作。值得指出的是，加法器16和放大器18一般是组合在一个放大装置中。系统12和传感器14可以是任何适当的类型，而且可以装在一个组合件中。

图2是配备根据本发明的采样数据数字控制器22的电-液伺服控制系统20。在控制器22中，第一采样和维持电路24接收并采样来自控制杆15的指令信号R，同时在采样数据区域内提供相应的经Z变换的输出信号R（Z）。第二采样和维持电路26从传感器14接收并取样位置信号Y，同时在采样数据区域内提供相应的Z变换输出信号Y（Z）。反馈补偿器28接收电路26的输出Y（Z）并给加法器30的一个输入端提供补偿信号Q（Z）。加法器30从电路24接收第二个输入R（Z），并给串联补偿器32提供差分或误差信号E（Z）。补偿器32通过零阶维持电路33给装置12提供指令信号U（Z）。

对装有液压阀、执行机构和弹簧的电动液压装置12来说，可以看出装置12在采样数据区域的传递函数为：

(B₁Z²+B₂Z+B₁)/(Z³+α₁Z²-α₂Z+α₃) （2）

其中B₁、B₂、B₃、α₁、α₂和α₃为装置参数和采样时间的常值函数。假设阻尼为零，则表达式（2）可简化为：

(B₁Z²+B₂Z+B₁)/(Z³-αZ²-αZ-1) （3）

B₁B₂和α可用下式表示：

α＝2cosωT+1    （4）

B₁＝K₅（T- (sinωT)/(ω) ） （5）

B₂＝2K₅（ (sinωT)/(ω) -TcosωT） （6）

其中K₅为增益常数，T为采样周期，W为装置12的中心稳定谐振频率。所有这些常数都可以根据本发明将论述的最佳方法测出或估算出。系统或装置12的传递函数就此作为装置特性的函数预先确定下来。

选择补偿器28、32的Z域传递函数的阶是为了求出所要求的阶跃响应和计算时间。在本发明的较佳实施例中，补偿器28的传递函数为：

Q(z)= ((G₁Z²+G₂Z+G₃))/(P_(Z)) Y(Z) (7)

补偿器32的函数为：

U(Z)=［ (P(Z))/(Z³+G₁Z²+C₂Z+C₃) ］E(Z) (8)

其中G₁、G₂、G₃、C₁、C₂和C₃都是常数，P（Z）为Z的多项式，在其后讨论的本发明较佳实施例中它设定为整数。此外还应考虑补偿器32的传递函数所用的一阶和二阶多项式。因此，一般说来，若装置12的传递函数在Z域中为N阶，而且N为大于1的整数，则补偿器28的传递函数为N-1阶，补偿器32的传递函数为N阶或小于N阶（即不大于N）。

要使包括装置12和控制器22在内的整个系统稳定，所有极点必须在Z面单位圆内（见拉卡奇尼和富兰克林上述文章第四章）。实现（3）、（7）和（8）式各函数的整个闭环传递函数为以Z表达的六阶函数。因此需要有六个极点。在Z平面单位圆-α的位置选择所有六个极点，则：

（Z-e^-aT）⁶＝Z⁶-6e^-aTZ⁵+15e^-2aTZ⁴-20e^-3aTZ³（9）

+15e^-4aTZ²-6e^-5aTZ+e^-6aT

合并表达式（2）、（6）和（7）并使各系统与方程（8）中的相应系数等同起来，则得出：

C₁＝α-6e^-aT

通过极点位置-a的一给定值和方程（4）-（6）的各常数值B₁B₂和α，可以解方程（10）求出常数G₁、G₂、G₃、C₁、C₂和C₃。

图3是改进后的控制器34，其中常数α′、B₁和B₂是根据系统特性连续测算和更新的，而内部传递函数的常数C₁、C₂、C₃和G₁G₂、G₃也是用同样的方法进行更新以得到所要求的特性。图3中辨识器36接收电路26的Z变换位置输出Y（Z）（见图2）和来自补偿器32的Z域指令信号U（Z）。常数B₁和B₂由辨识器32估算出来（后面将谈到）并馈入电路38，其中常数C₁、C₂、C₃和G₁、G₂、G₃由方程（10）计算出来。然后把G₁、G₂、G₃三个常数馈给有关的补偿器32和28。

简而言之，辨识器36周期性地测算常数α、B₁和B₂，以对应该系统的阶在若干处理间隔期间作为指令信号μ（Z）和系统响应Y（Z）的函数。更具体地说，在采样时间（KT-2T）内，装置12的离散方程为：

Y_k-2-αY_k-3+αY_k-4-Y_k-5＝B₁U_k-3+B₂U_k-4+B₁U_k-5（11）

在时间（KT-T）内，此方程为：

Y_k-1-αY_k-2+αY_k-3-Y_k-4＝B₁U_k-2+B₂U_k-3+B₁U_k-4（12）

在时间（KT），此方程为：

Y_k-αY_k-1+αY_k-2-Y_k-3＝B₁U_k-1+B₂U_k-2+B₁U_k-3（13）

方程（11）-（13）可以合并整理如下：

Y（Z）和μ（Z）的值实质上是在所要求若干时间间隔内（即，对三阶装置来说为六个），被采样和储存起来的，由此再由方程（14）估算常数α、B₁和B₂。

在实际控制的应用中，已经发现由方程（14）估算常数α、B₁和B₂比所要求的更费时间。从方程（4）-（6）可以看出，B₁和B₂可以根据公因数ω确定。按照将讨论的改进方案辨识器36（图3）先测算α，再以α测算B₁和B₂。但根据方程（4）-（6）进行计算的这种方法要用三角函数从而费时。因此可按下述方法先用泰勒级数展开式并忽略高次项重写方程（4）-（6）：α=3-(ωT)²［1- ((ωT)²)/12 ］（15）

B₁= (ω2T3)/(G) ［1- ((ωT)2)/20 ］（16）

B₂= (2ω²T³)/3 ［1- ((ωT)²)/10 ］（17）

取Y＝（ωT）²，解方程（15）求Y，于是得出：

Y＝6±2（3α）^1/2（18）

正号对题解并不重要可以忽略不计，于是得出下列结果：

B₁＝ (TY)/6 （1- (Y)/20 ） （19）

B₂＝ (2TY)/3 （1- (Y)/10 ） （20）

因此，由方程（14）可以求出常数α，由方程（18）-（20）求出常数B₁和B₂。已经发现应用图7的实施例（下文将予介绍），按方程（18）-（20）估算B₁和B₂不仅比解方程（14）求α、B₁和B₂快而且更准确。

图4是对图3的改进方案，其中，经改进的辨识器40从可变电阻器42接收表示常数α的单输入值。常数B₁、B₂按方程（18）-（20）计算。因此这一改进是半自动化的，其中所有系统常数均可由一单独的、操作员可调的输入值导出。应该指出的是，加到辨识器40表示输入的α也可从位于远地的控制系统或类似系统馈入。图4的改进方案的优点是不用进行解矩阵方程（14）这项费时的工作。

通过图5的改进方案可以使图4的实施例具有半自适应性，而图5中改进的辨识器44还从补偿器32接收输入μ（Z）。图6的曲线46表示最佳调谐系统中位置Y与补偿指令信号μ（在时域中）的关系曲线。应该指出的是，作为误差E的函数的指令信号μ实质上是不振荡的。图6的曲线48表示系统调谐不当时的响应情况，即以电阻器42（图5）的调定不当时。改进的辨识器44调谐来自电阻器42的输入，为计算器38提供修正后的常数α′以及常数B和B。在本发明的一个实施例中即在调定过程中经计算μ输入信号中的峰值来实现上述目的并修正α输入值来减小此峰值。在另一实施例中，μ信号曲线的长度是在调定过程中由时间积分测定出来的，而α输入值则以内部修正来减少该长度。在所有这些实施例中，改进的辨识器44在调定和连续操作过程中都具有自适应性。

图7是目前较佳实施例中应用微处理机的电子控制器的电气原理图。R（Z）、μ（Z）和α输入通过多路转接器回路50接到微处理机52的串联输入口。具有内程序存储器的微处理机52通过寄存器54和译码器56接到一对4k存储器组件58和60。微处理机52的输出口通过放大器62接到装置12的阀门执行机构线圈64。值得指出的是，程序微处理机52和有关存储器中都备有辨识器40（图4）或44（图5），补偿器28、32、常数计算器38和图4及图5中功能性示出的零阶保持电路33。

图8举例说明了对图2实施例的一个改进方案，其中在串联和反馈补偿器32a、28a以及增益等于G₁+G₂+G₃+G₄的输入放大器33的采样数据区域中的附加阶使静态增益的选择与其它变量无关。图8实施例的静态增益G_s可用下式给出：

G_S= (G₁+G₂+G₃+G₄)/(1+G₁+G₂+G₃) （21）

再次在-a处选择极点位置，则常数G₁-G₄和C₁-C₃可用以下矩阵方程给出：

图9举例说明了对于图8实施例的一个改进22b，其中通过在时域内在33a加入输入指令补偿，可以使速度常数V_c与静态增益G_s相等。这在控制斜坡输入R时有助于减少后面的误差。方程（21）和（22）在G_s和V_c方面适用于图9。因此，通常速度常数由串联放大器/补偿器32a，33a和装置12的传递函数（方程（2））确定，静态增益则由反馈补偿器28a确定。

Claims (18)

1、一种动力伺服系统，它包括适宜可调节地驱动负荷的执行机构装置，所述执行机构装置具有在采样数据域的预定第一多项式传递函数，该采样数据域具有多个与在所述执行机构装置的动态性能特性有关的第一常数，采样数据伺服控制装置则包括指令信号接收装置、根据所述执行机构装置提供作为在所述执行机构装置的驱动函数的传感信号的传感器装置，和用以作为所述指令信号和所述传感器信号的联合函数控制所述执行机构装置，以便在所述机构装置获取预选好的响应特性的装置，所述动力伺服系统的特征在于，所述提供误差信号的装置包括：

采样装置，用以定期对所述传感信号进行采样，以提供采样传感信号；

反馈补偿装置，用以接收所述采样传感信号并具有一预选择的第二传递函数与所述第一传递函数配合以获取所述预选择的响应特性，在采样数据域的所述第二传递函数是一个具有若干作为所述第一常数的函数而变化的第二常数的多项式；

第一装置，用以估算所述第一常数；

第二装置，响应所述第一装置，且耦合到所述反馈补偿装置，用以计算作为估算出来的第一常数的函数的所述第二常数，和

根据所述反馈补偿装置和所述指令信号提供的所述误差信号的装置；

所述执行机构装置是个电-液执行机构，其中在采样数据域的第一传递函数的表达式为：

(B₁Z²+B₂Z+B₁)/(Z³-αZ²-αZ-1)

其中B₁、B₂是装置参数的函数，其方程如下：

α=2cosωT+1

B₁=K₅(T- (sinωT)/(ω) )

B₂=2K₅( (sinωT)/(ω) -TcosωT)

其中K₅为增益常数，T为采样周期，ω所述执行机构装置的中性稳定谐振频率，Z为采样数据域的变换变量。

该系统还包括信号接收装置用以接收表示所述常数α的输入信号，估算装置则用以根据下式从所述输入信号估算所述常数B₁、B₂：

B₁= (TY)/6 (1- (Y)/20 )

B₂= (2TY)/3 (1- (Y)/10 )

其中， ${\mathrm{Y=6+2(6+2)3\alpha )}}^{\frac{1}{2}}$ 。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二传递函数可用下式表示：

G₁Z³+G₂Z²+G₃Z+G₄

所述第三传递函数用下式表示：

1/(Z³+C1Z²+C₂Z+C₃)

且所述用以接收所述指令信号的装置包括放大装置，该放大装置具有随作为G₁、G₂、G₃和G₄的和的函数而变化的传递函数，其中G₁、G₂、G₃、G₄、C₁、C₂和C₃为与所述常数a、B₁和B₂有关表达式如下的常数：

其中G_S是预选的静态增益常数，其表达式如下：

G_S= (G₁+G₂+G₃+G₄)/(1+C₁+C₂+C₃)

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括根据所述误差信号给所述执行机构装置提供驱动信号的串联补偿装置，所述串联补偿装置具有第三传递函数，该第三传递函数在采样数据域是一个具有若干随所述第一常数的函数而变化的第三常数的多项式，以及

与所述第一装置耦合，用以计算作为所述估算出来的第一常数的函数的第三常数的第三计算装置。

4、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一传递函数是在采数据域的一个N阶多项式，其中所述第二传递函数是在采样数据域的一个N-1阶的多项式，所述第三传递函数是在采样数据域的一个适当阶的多项式，其中N为大于1的整数。

5、如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二传递函数的表达式如下：

G₁Z²+G₂Z+G₃

且其中所述第三传递函数的表达式如下：

1/(Z³+C₁Z²+C₂Z+C₃)

其中G₁、G₂、G₃、C₁、C₂、C₃都是与所述常数α、B₁和B₂有关的常数，其表达式如下：

C₁＝α-6e^-aT

6、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述放大装置在采样数据领域中具有传递函数，其表达式如下：

G₁Z³+G₂Z²+G₃Z+G₄

所述系统的速度增益常数V_c等于所述静态增益常数G_s。

7、一种动力伺服系统包括适应于不断变化的驱动负荷的执行机构装置，该执行机构装置具有预定的第一多项式传递函数，它具有在采样数据域内与该执行机构装置动态特性有关的多个第一常数;

采样数据伺服控制装置具有用以接收公共信号的装置;

传感器装置响应所述执行机构装置用以提供传感器信号作为所述执行机构装置的执行情况函数;

装置用以提供误差信号来控制该执行机构装置，它作为该指令信号和该传感器信号的组合函数，以便在该执行机构装置上获得预选的响应特性;

其特征在于所述的用于提供所述误差信号的装置包括：

用以对该传感器信号进行周期性采样以提供采样传感器信号的装置;

接收该采样传感器信号并具有预选的第二传递函数的反馈补偿装置，所述的第二传递函数配合上述第一传递函数以获取所述预选响应特性，处在采样数据域内的此第二传递函数是一个具有若干第二常数的多项式，第二常数作为第一常数的函数而变;

用以根据所述反馈补偿装置和所述指令信号提供所述误差信号的装置;

用以提供表示所述执行机构装置执行情况的信号的装置;和

耦合到所述反馈补偿装置上用以在一系列采样时间间隔内根据所述执行信号提供作为所述执行聚硅装置执行情况的连续函数的第二常数的装置。

8、如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述耦合到所述反馈补偿装置的装置包括用以根据所述执行信号估算所述第一常数的第一装置和第二个耦合到所述第一装置的装置，用以计算作为所估算出的第一常数的函数的所述第二常数。

9、如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一装置包括接收所述误差信号和所述采样传感信号用的装置，和用以估算作为所述误差信号和采样传感器信号的组合函数的第一常数的装置。

10、如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一装置包括接收表示其中一个所述第一常数的输入信号的装置，和用以估算作为所述执行机构信号和所述其中一个所述第一常数的组合函数的其余所述第一常数的装置。

11、如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述执行机构信号包括所述误差信号。

12、如权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统还包括，用以根据所述误差信号给所述执行机构装置提供驱动信号的串联补偿装置，所述串联补偿装置具有第三传递函数，该传递函数在采样数据域内是一个具有若干作为所述第一常数的函数而变化的第三常数的多项式，以及

耦合到所述第一装置上，用以计算所述作为所述估算出来的第一常数的函数的第二常数的第三装置。

13、如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一传递函数是在采样数据域中的N阶多项式，所述第二传递函数是在采样数据域中的N-1阶多项式，所述第三传递函数则为在采样数据域中不大于N阶的多项式，其中N为大于1的整数。

14、一种动力伺服系统，包括：

执行机构装置，适宜可调节地驱动负荷，且具有在采样数据域中的预定第一多项式的传递函数;

采样数据伺服控制装置，具有：

执行机构指令信号接收装置;

传感器装置，用以根据所述执行机构装置提供作为所述执行机构执行情况的函数的传感信号;和

误差信号提供装置，用以作为所述指令信号和所述传感信号的组合函数控制所述执行机构装置，以在所述执行机构装置获取预选的响应特性;

其特征在于，所述误差信号提供装置包括：

采样装置，用以定期对所述传感信号采样，以提供采样传感信号;

反馈补偿装置，接收所述采样传感器信号且具有预选的第二传递函数，该第二函数配合所述第一传递函数以获取所述预选的响应特性，所述第二传递函数是一个在采样数据域多项式，具有多个随所述第一常数的函数而变化的第二常数;

根据所述反馈补偿装置和所述指令信号提供所述误差信号的装置;

第一装置，用以接收表示其中一个所述第一常数的输入信号;

第二装置，用以根据所述输入信号估算其余的所述第一常数;和

第三装置，耦合到所述反馈补偿装置和所述第一和第二装置上，用以根据所述第一常数计算第二常数。

15、如权利要求14所述的系统，其特征在于，该系统还包括提供表示所述执行机构装置的执行情况的信号的装置，以及

所述第二装置具有估算作为所述执行机构信号和所述其中一个所述第一常数的组合函数的所述其余的所述第一常数的装置。

16、如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第一装置包括根据所述输入信号估算所述其中之一所述第一常数的装置，和根据所述执行机构信号修整所述估算出来的作为执行机构装置执行情况的函数的其中一个所述第一常数的装置。

17、如权利要求14所述的系统，其特征在于，该系统还包括根据所述误差信号给所述执行机构装置提供驱动信号的串联补偿装置，所述串联补偿装置具有在采样数据域内为多项式的预选第三传递函数，该函数配合所述第一和第二传递函数获取所述预选响应特性，且具有随所述第一常数的函数而变化的若干第三常数，以及

耦合到所述第一装置上，以计算作为所述第一常数的函数所述第二常数的第三装置。

18、如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第一传递函数是在采样数据域内的N阶多项式，所述第二传递函数是采样数据域内的N-1阶多项式，所述第三传递函数则是采样数据域内的适当阶的多项式，其中N为大于1的整数。

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