DE3232725A1 - Regeleinrichtung fuer ein stellwerk bei einer brennkraftmaschine mit selbstzuendung - Google Patents
Regeleinrichtung fuer ein stellwerk bei einer brennkraftmaschine mit selbstzuendungInfo
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Description
19.b.198c Mu/Pi
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
Regeleinrichtung für ein Stellwerk bei einer
Brennkraftmaschine mit Selbstzündung
Stand der Technik
Ein Kraftfahrzeug stellt aufgrund der elastischen Aufhängung
von Motor und Fahrwerk ein schwingungsfähiges Gebilde
dar, das bei Störeinflüssen, z.B. infolge eines Kraftstoff
mengensprunges bei der Kraftstoffzumessung der Brennkraftmaschine
oder aufgrund eines von außen verursachten Momentensprungs (Schlagloch in der Fahrbahn) zu mehr oder
weniger gedämpften Schwingungen angeregt werden kann. Diese Schwingungen liegen in der Regel zwischen ein und 8
Hertz und werden als Ruckein empfunden. Das Ruckein drückt sich in Drehzahländerungen oder Relativbewegungen zwischen
Motor und Karosserie aus.
Bei elektronischen Diesel-Einspritzsystemen werden die für die Kraftstoffzumessung notwendigen Informationen,
z.B. Fahrpedalstellung, Drehzahl, usw., vom Steuergerät
-·ί 8 O ü
erfaßt. Der vom Steuergerät errechnete Regelweg-Sollwert Uöc soll wird von der Stellwerksregelung mit Hilfe
des Mengenstellwerks an der Kraftstoffpumpe eingestellt.
Das elektronische Abtastsystem bringt durch die Signalerfassung,
Signalverarbeitung und das Stellsystem Verzögerungen in den Regelkreis. Sie machen diesen Regelkreis
instabiler oder εchvingfähiger, was wiederum zu
Ruckein führt.
In der DE-OS 29 06 782 ist eine Einrichtung zum Dämpfen von Ruckelschwingungen bei einer Brennkraftmaschine
offenbart. Dies geschieht in der Weise, daß Regelschwingungen über eine Differenzierstufe aus dem Drehzahlsignal
der Brennkraftmaschine abgeleitet werden und bei bestimmten Betriebskenngrößen eine der Ruckelschwingung
gegensteuernde Beeinflussung der Steuergrößen der Brennkraftmaschine
erfolgt. Diese Gegensteuerung wirkt in der Frequenz der Ruckelschwingung und sie ist abhängig
von der Systemlaufzeit. Die bekannte Einrichtung ermöglicht
zwar eine relativ gute Dämpfung der Ruckelschwingungen, doch erfordert sie einen äußerst hohen Aufwand
an Schaltungselementen und/oder an Signalverarbeitung.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, mit relativ
einfachen Mitteln eine effektive Ruckeldämpfung zu erreichen .
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung mit den Merkmalen
des Hauptanspruchs hat gegenüber dem genannten Stand der
18020
Technik den Vorteil, daß durch die schnelle Verarbeitung von Drehzahlsignalen Verzögerungen des Abtastsystems
nicht zusätzlich kompensiert werden müssen. Durch die geringere Phasenverschiebung ergeben sich auch ruhigere
Signale und ein störunanfäi„xgeres Verhalten. Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung eine getrennte Optimierung
der einzelnen Regelungskomponenten bezüglich stationärem und dynamischem Verhalten möglich ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Leichnung
angegeben und werden im folgenden näher beschrieben und erläutert. Es zeigen Figur 1 und 2 zwei Beispiele
einer Mengenstellwerksregelung bei einer Diesel-Brennkraftmaschine
und Figur 3 den Teilbareich eines Blockschaltbildes unter Verwendung einer Drehzahlsimulation.
In Figur k ist ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Mengenstellwerksregelung dargestellt und Figur 5 veranschaulicht den theoretischen Hintergrund.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Ausführungsbeispiele betreffen Mengenstellwerksregelungen
mit Drehzahlrückführung bei Brennkraftmaschinen
mit Selbstzündung.
-x-
180
In Figur 1 ist mit 10 e.in elektronisches Steuergerät
bezeichnet, das neben einem Signal von einem Fahrpedaistellungsgeber
11 ein Drehzahlsignal von einem nicht näher dargestellten Drehzahlsensor bearbeitet.
Ausgangsseitig ist das elektronische Steuergerät 10 über ein Filter 12 mit einem Subtraktionspunkt 13
verknüpft, dem wiederum ein PI-Regler \h folgt. Während das Ausgangssignal des Filters 12 ein analoges
Spannungssignal bezüglich des Lagesollwertes des Mengenstellwerkes darstellt, entspricht das Ausgangssignal
des PI-Reglers 11» einem Drehzahlsollwert. Dem PI-Regler
11t schließt sich eine Reihenschaltung von Summationspunkt
15» P-Regler 16, Subtraktionspunkt 17, PD-Regler
18, Mengestellwerk 19 der Einspritzpumpe und schließlich die Brennkraftmaschine 20 selbst an, an
deren Ausgang das Drehzahl-Istsignal η ist abgenommen werden kann. Zwischen Mengenstellwerk 19 und Brennkraftmaschine
20 befindet sich eine Abnahmestelle für ein Mengenstellwerks-Positionssignal U ist, das jeweils
den Minus-Eingängen der Subtraktionspunkte 13 und 17 zugeführt wird.
Dem Minus-Eingang des Subtraktionspunktes 15 ist ein
Wechselschalter 21 vorangestellt, der die Wahlmöglichkeit verdeutlicht, den Drehzahlistwert vom Ausgang
der Brennkraftmaschine 20 entweder unmittelbar oder jedoch über einen Phasenschieber 22 in den Regelkreis
einzuspeisen.
Die Mengenstellwerksregelung nach Figur 1 besteht somit aus drei ineinander geschachtelten Regelkreisen.
I. 180
- y-
Der innerste Regelkreis mit dem Proportionai-Differenzial-Regler
18 sorgt dafür, daß der Regelweg, d.h. die Position des Mengenstellwerks möglichst
schnell auf den Sollwert Uec TT eingeregelt werden
kann. Für den DrehzahlregelL eis regelt der P-Regler 16 möglichst schnell den Sollwert η soll
ein. Damit stationär die richtige Mengenstellwerksposition U oi -, , eingestellt wird, regelt der I-Ansoll
teil des verhältnismäßig langsamen PI-Reglers 1U solange
nach, bis die Sollposition des Mengenstellwerks mit der Ist-Position übereinstimmt. Bei dieser Struktur
ist gewährleistet, daß die Einspritzpumpe möglichst schnell die notwendige Information bezüglich der jeweiligen
Drehzahl erhält.
Wesentlich ist beim Gegenstand der Erfindung, daß ein
Drehzahleingriff nach einem Regler mit I-Anteil vorgesehen
ist, d.h., daß die Drehzahlinformaiton nicht durch phasendrehende Glieder verzögert wird.
Ausgehend von diesem Grundgedanken zeigt Figur 2 eine Vereinfachung der in Figur 1 dargestellten Stellwerksregelung. Gleiche Regelungskomponenten sind dabei mit
identischen Bezugs zeichen versehen. Zwischen den Subtraktionspunkten 13 und 15 liegt beim Gegenstand von
Figur 2 ein PID-Regler 25 und dem Subtraktionspunkt 15 selbst folgt ein P-Regler 26. Erkennbar ist auch
bezüglich des Gegenstandes von Figur 2, daß nach der zweiten Einspeisung eines Drehzahlistwertes an der
Subtraktionsstelle 15 kein phasendrehendes Glied mehr wirksam wird.
Die Einführung der Drehzahlrückkopplung im Mengenstellwerksregelkreis
besitzt auch einen Vorteil für
802
die Optimierung des Systems. In der Regel ist im elektronischen Steuergerät ein Fahrpedal-Kennfeld
enthalten, aus dem eine Kraftstoffmenge abhängig
von Fahrpedalposition und Drehzahl auslesbar ist. In diesem Kennfeld ist die Kraftstoffmenge QK bei
konstanter Fahrpedalposition drehzahlabhängig. Bei bekannten Systemen wurde dieses Kennfeld u.a. so
ausgelegt, daß die Kraftstoffmenge QK bezüglich der Drehzahl eine - wenn auch schwache - Gegenkopplung
darstellt. Durch die Drehzahlrückkopplung im Mengenstellwerksregelkreis braucht das Fahrpedalkennfeld
nur für den stationären Betrieb ausgelegt werden. Die Auslegung für den Dynamikbetrieb
erfolgt über den Mengenstellwerksregelkreis. Dadurch können die Erfordernisse für stationären und
dynamischen Betrieb getrennt berücksichtigt und optimiert werden.
Das aus Figur 1 und Figur 2 ersichtliche Filter nach dem Ausgang des elektronischen Steuergerätes
10 ist deshalb vorgesehen, weil im Falle von Drehzahlschwingungen auch der Sollwert der Mengenstell-Werksposition
mitschwingt, jedoch in unterschiedlicher Phasenlage. Damit die Wirkung der schnellen
Drehzahlrückkopplung über den Regelkreis nicht durch Schwankungen im Positionssollsignal als Ausgangssignal
des elektronischen Steuergerätes 10 mit anderer
Phasenlage gestört wird, kann es notwendig sein, diesen Pos'tionssollvert zu filtern. Je nach
Anwendungsfall hat das Filter 12 jedoch den Nachteil,
daß eine Leerlaufregelung, deren Regler sich
im Steuergerät 10 befindet, instabil werden kann. In diesem Fall muß dann der Ausgang des Leerlaufreglers
nach dem Filter 12 in die Signalleitung eingespeist werden.
Ebenfalls je nach Anwendungsfall hat sich der Phasenschieber
22 als notwendig erwiesen, dann nämlich, wenn das Ruckein nicht allein aufgrund des inneren Drehzahleingriffs
befriedigend gedämpft werden kann. Dargesxellt ist diese Möglichkeit mittels des Wechselschalters
21, der den Einsatz der Gegenstände von Figur 1 und 2 einmal mit und einmal ohne Phasenschieber 22 verdeutlicht.
Dieser Phasenschieber 22 hat die Aufgabe, die Phasenlage des Drehzahlsignals vorzuschieben, damit
die Stabilität des Regelkreises erhöht wird. Beispielsweise kann er ein Proportional-Differenzial-Glied
darstellen.
Außerdem ist die Realisierung eines Phasenschiebers der Art möglich, daß einem in der Ausgangsleitung liegenden
Subtraktionspunktes das Ist-Signal der Drehzahl über den Plus-Eingang und dem Minus-Eingang dieses
Drehzahl-Istsignal über einen Tiefpaß zugeführt wird. Diese Anordnung wirkt für tiefe Frequenzen wie ein
D-Glied, für hohe jedoch wie ein P-Glied (DTA-Glied).
Auf diese Art ist eine gleichanteilfreie Drehzahlrückführung möglich. Mit dem Glied 22 kann die dynamische
Verstärkung der Drehzahlrückkopplung eingestellt werden.
Für die Erfassung des Drehzahl-Istwerts ergeben sich entsprechend dem vielfältigen Stand der Technik auf
diesem Gebiet auch vielfältige Möglichkeiten. Im Hinblick auf den Grundgedanken der Erfindung ist einer
möglichst schnellen Drehzahlerfassung der Vorrang zu
geben.
3232775
18 ü 'c Q
Möglich ist auch, die Drehzahl über ein Brennkraftmaschinenmodell
ausgehend von der jeweiligen Mengenstellwerksposition zu simulieren. Dargestellt ist dies in
Figur 3. Dort wird das Stellwerks-Istsignal U oC ist
einem Brennkraftmaschinenmodell 30 zugeführt, das seinerseits am Ausgang einen simulierten Drehzahlwert abgibt. Als einfachstes Brennkraftmaschinenmodell
30 läßt sich eine Integralglied oder ein Verzögerungsglied erster Ordnung mit tiefer Grenzfrequenz
verwenden. Welche Drehzahlsignalerzeugung gewählt
wird, ist eine Frage des Einzelfalls. Vorteilhaft ist beim Simulationsmodell nach Figur 3 zweifellos
die Tatsache, daß auf einen speziellen Drehzahlsensor verzichtet werden kann. Andererseits können
jedoch wichtige Betriebskenngrößen wie z.B. die Temperatur beim einfachsten Simulationsmodell nicht berücksichtigt
werden. Bei höherwertigeren Modellen wiederum bedarf es eines beachtlichen schaltungstechnischen
und/oder programmtechnischen Aufwandes.
Figur 4 zeigt grob schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Mengenstellwerksregelung. Dabei sind weitestgehend die gleichen Bezugsziffern verwendet
wie m Figur 1. Mit 40 ist eine als Ruckeldämpfer
bezeichnete Phasenschiebereinheit bezeichnet, die zwischen dem Drehzahlausgang der Brennkraftmaschine
20 und dem Subtraktionspunkt 13 liegt.
Diesem Subtraktionspunkt 13 folgt entsprechend der Darstellung in Figur 1 ein kompleter PID-Regler,
der in Anlehnung an die Bezeichnung in Figur 1 mit 14, 16, 1"8 bezeichnet ist. Eine Rückführung 41 beim
5. 180 2
-y-
PID-Regler H, 16, 18 ist beim Gegenstand von Figur h
ebenfalls auf den Subtraktionspunkt 13 geschaltet.
Der Ruckeldämpfer bzw. die Phasenschiebereinheit UO
umfat beim Gegenstand von Figur drei Teilblöcke, nämlich ein Verzögerungsglied M, ein D-Glied mit
Verzögerungsanteil U2 sowie ein Verstärkungsglied
h3. Zweck der Summe dieser Einheiten U1 bis 1*3 ist
es, über eine schnelle Drehzahlauswertung (Ersatzgröße für das Ruckelmoment) und mit einem über der
gangabhängigen Ruckeifrequenz günstigen. Frequenzgang
des Phasenschiebers eine optimale Ruckeldämpfung zu erreichen.
Dem Verständnis der Einheit 1*0 von Figur h dienen die
Darstellungen in Figur 5· Dort ist vereinfachend das Verstarkungs- und Verzögerungsglied it 1 , k2 zusammengefaßt,
dem das D-Glied mit Verzögerungsanteil k2
nachfolgt.
Wesentlichstes Merkmal ist nun, daß der im folgenden beschriebene Frequenzgang der Rückführung über den
Ruckeldämpfer 1*0 bzw. die Phasenschiebereinheit dabei immer die vorgeschlagene Charakteristik erhält:
Dieses frequenzabhängige PDT-Glied Uo zeichnet sich
laut Bode-Diagramm (Figur 5b, c) aus durch
- die Verstärkung steigt mit der Frequenz an
- die Phasenvoreilung nimmt mit der Frequenz ab, was jeweils im Bereich der getriebegangabhängigen
Ruckelfrequenz gilt.
3232775
18 Ü 2
Dabei liefert das D-Glied U2 mit vom ersten bis
vierten Getriebegang steigender Buckelfrequenz die zunehmende Verstärkung; und dessen Verzögerungsanteil bringt dazu die Phasennacheilung. Die Kombination
der beiden Teile ist gekennzeichnet durch die Lage ihrer Kennwerte (Eckfrequenz):
- D-Zeitkonstante T2 : T2 Jfc 1 /c*>
1 . Gang , co = 2 Γ f
liegt im Bode-Diagramm in der Nähe der Ruckelfrepenz
beim ersten Gang, (größte Untersetzung).
- Verzögerungszeitkonstante Tn
Tn ~ 1 / <*>
h. Gang
liegt im Bode-Diagramm wenig oberhalb der Ruckelfrequenz beim vierten (kleinste Untersetzung).
- Die Eckfrequenz durch den Verzögerungsanteil beim
D-Glied k2 muß ebenfalls oberhalb der Ruckelfrequenz beim vierten Gang liegen.
TD < 1 / u? h . Gang
- Die Zeitkonstante der Drehzahlauswertung (Filter) ist in Tn enthalten, was eine schnelle Drehzahlauswertung
bedeutet.
- Die Einheit ko korrigiert das Ruckein umgekehrt proportional
zur Getriebezahl, bzw. seine Verstärkung ist proportional zur Ruckelfrequenz.
Diese Dimensionierungen ergeben sich aufgrund folgender Zusammenhänge:
- Die Ruckelamplitude ist bei größerer Untersetzung größer.
- Die Ruckelfrequenz bleibt bei jedem gegebenen
Gang konstant.
- Die Ruckelfrequenz hat mit stärker untersetzendem
Gang einen niedrigeren Wert, beispielweise bei ei-
010212b
- JA -nem Fahrzeug-Getriebe ist der Bereich 2 bis 8 Hz.
Ruckelfrequenz, und Ruckelamplitude sind also Kenngrößen
für den jeweiligen Gang. Gegenüber einer gegebenen Kraftstoffmengeneinstellung ohne Ruckeldämpfer
wirkt sich das Korrektur-ignal der Einheit U0 sowohl in der Verstärkung als auch in der
Phase auf das Dämpfen des Ruckeins aus:
- die Phase muß mit größerem Gang stärker voreilen.
- Die Verstärkung muß zum kleineren Gang hin ansteigen (obwohl die Ruckelamplitude hier kleiner ist. Dies
erklärt sich mit der Getriebeübersetzung. Die maximale Verstärkung ist durch die Stabilitätsgrenze z.B,
einer Leerlaufregelung begrenzt.)
Das mit den Gängen unterschiedliche Ruckein kann entsprechend dieser Eigenschaften mit diesem frequenzabhängigen
Glied bewältigt werden, welches sich aus dem Bode-Diagramm nach Figur 5b und c ergibt, wo
für die Gänge jeweils optimal dämpfende Punkte eingezeichnet sind. Die mit höherer Ruckelfrequenz geforderte
- ansteigende Verstärkung liefert das D-Glied k2
und
- die geringere Voreilung liefert das PT1-Glied U1,
Die Kennlinie des D-Gliedes k2 und die Knickfrequenz
des PT-Gliedes müssen nach Figur 5b so gegeneinander
verschoben werden, daß der erwünschte PDT-Verlauf im Bode-Diagramm (Figur 5b) in den Bereich
der Ruckelfrequenz zu liegen kommt. Verstärkungs und Phasenkurve sollen ungefähr proportional
mit der Ruckelfrequenz verlaufen. Weil die Ruckel-
°Ϊ802(
frequenz und bei der zugrundeliegenden Optimierung auch die für die Dämpfung nötige Korrekturmenge bezogen
auf die Drehzahländerung gerade proportional zum Kehrwert der.Getriebezahl sind, kann die Korrektur
mit den beschriebenen PDT-Glied allgemeingültig angenommen werden.
Der Bereich der Ruckelfrequenz erstreckt sich über
rund eine Dekade, daher läßt sich im Bode-Diagramm die Konstruktion der Summenkurve mit guter
Näherung wie folgt vornehmen:
- die Knickfrequenz des PD-Gliedes legt man in die
Nähe der Ruckelfrequenz des kleinsten Ganges, damit der arctan-Verlauf der Phasenkurve die gewünschten
Punkte gut annähert, (mögliche weitere Verzögerungsanteile müssen oberhalb des Ruckelfreguenzbereiches
liegen)
- der D-Anteil wird so gelegt, daß die Amplitudenkurve bei der Ruckelfrequenz für den ersten Gang
die Verstärkung des PT-Gliedes schneidet. Da die wirklichen Verläufe von Asymtoten abweichen, liegt
der vierte Gang nicht mehr auf der Geraden unter 1*5 Grad, was jedoch den gewünschten Werten entgegenkommt.
Die Darstellungen der Mengestellwerksregelung in Figur 1, 2 und k legen eine analoge Signalverarbeitung
nahe. Es sei jedoch betont, daß diese Signalverarbeitung entsprechend der Blockdarstellung von Figur
1, 2 und k auch digitaler Natur sein kann, wobei bei Kenntnis der Darstellungen von Figur 1, 2 und k auch
eine Rechnerprogrammierung für einen entsprechenden Fachmann problemlos ist.
Leerseite
Claims (1)
- ■ρ "*■■ «.«ns Jf * \18098 982 M18019.8. 1982 Mü/PiROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1Ansprücher1.) Regeleinrichtung für ein Stellwerk bei einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung mit Sensoren für Betriebskenngrößen, einer Sollwertsteuerstufe (10), einem nachfolgenden Vergleichspunkt für Ist- und Sollwert (13) sowie einem elektronischen Stellwerksregler (1h, 16, 18, 25» 2β), dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Stellwerksregler ein Drehzahlsignal zuführbar ist.2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, .dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des Drehzahlsignals nach einem phasendrehenden Glied des Stellwerksreglers erfolgt.3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlsignal über einen Phasenschieber (22, ^0) dem Stellwerksregler zuführbar ist.k. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlsignal nach einem Reglerteil mit I-Verhalten eingespeist wird.1 fl A OA5. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Steuergerät (10) ausgehend von einem Drehzahl- und einem Fahrpedalstellungssignal ein Sollsignal für ein Stellwerk bildet, der Sollwert mit t. η em Istwert verglichen
wird, das Vergleichsergebnis Eingangsgröße eines PI-Reglers (1U) ist und nachfolgend auf einen Vergleichspunkt (15) das Drehzahlsignal eingespeist wird und dessen Vergleichsergebnis wiederum über einen Regler mit
wenigstens P-Verhalten die Position des Stellwerks (19) bestimmt.6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der PI-Regler (1k) zusätzlich D-Verhalten (PID-Regler 25) aufweist.7. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des elektronischen Steuergerätes (1O) einem Filter (12) zuführbar ist.8. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7> gekennzeichnet durch ihre Verwendung in Verbindung mit dem Kraftstoffmengenstellwerk und/oder mit
dem Spritzversteller einer Brennkraftmaschine mit
Selbstzündunung.9. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das zur Ruckeldämpfung erforderliche Drehzahlsignal einer Simulationseinrichtung (30) entstammt.10. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgang des Phasenschiebers (22, 1+0) so gestaltet wird, daß er die in der Ruckelfrequenz und -amplitude enthaltene Abhängigkeit vom Getriebegang verarbeitet und dadurch PD(T)-Verhalten aufweist.11. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Phasenschiebers proportional mit steigender Ruckelfrequenz zunimmt.12. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvoreilung des Phasenschiebers mit steigender Ruckelfrequenz abnimmt,13. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der D-Anteil und die Eckfrequenz des PT-Anteils nach Maßgabe des Getriebebereiches verschiebbar sind, dabei richtet sich der D-Anteil nach der niedrigsten Ruckelfrequenz, und die PT-Knickfrequenz liegt oberhalb der höchsten Ruckelfrequenz.
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