DE3433410A1 - Controller with PI behaviour and with a device for improving the starting-up behaviour - Google Patents

Controller with PI behaviour and with a device for improving the starting-up behaviour

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    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
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Abstract

In order to improve the starting-up behaviour of a controller with PI behaviour, in addition a D portion is connected to the I portion of the controller as long as the size of the control deviation multiplied by the amplification factor of the P portion is greater than a predetermined value. The control deviation or the control variable serves as input signal for the D portion. The counteracting control of the D portion which is connected to the I portion during starting up is dependent on the speed of change of the control variable. In this way, in the case of relatively large values, the control variable reaches the set value without unnecessary delay and without overshooting. In addition, a limiting device for the control variable of the controller is provided which, when predeterminable limit values are exceeded, feeds a correction signal to the I portion which returns the control variable to the range limited by the limit values.

Description

Regler mit Pl-Verhalten und mit einer Einrichtung zur Verbesserung des Anfahrverhaltens Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler mit PI-Verhalten und mit einer Einrichtung zur Verbesserung des Anfahrverhaltens in Form einer selbsttätigen Strukturumschaltung in Abhängigkeit von der Höhe der Regelabweichung.Controller with PI behavior and with a device for improvement the start-up behavior The invention relates to a controller with PI behavior and with a device for improving the start-up behavior in the form of an automatic Structure switching depending on the level of the control deviation.

Ein derartiger Regler ist aus der DE-OS 30 23 408 bekannt.Such a controller is known from DE-OS 30 23 408.

Im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers ist die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators angeordnet. Parallel zu dem Kondensator liegt die Schaltstrecke eines elektronischen Schalters. Ein zweiter Operationsverstärker, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters verbunden ist, vergleicht die Regelgröße mit dem Sollwert und schließt den elektronischen Schalter so lange, wie die Regelabweichung größer als ein vorgegebener Wert ist. Bei geschlossenem Schalter ist der Kondensator kurzgeschlossen, und der Regler weist nur noch P-Verhalten auf. Erst kurz bevor die Regelgröße den Sollwert erreicht, öffnet der zweite Operationsverstärker den Schalter, und der Kondensator im Gegenkopplungszweig wird wirksam. Durch diese Maßnahme kann das Überschwingen bei Störungsoptimierung nur beim Anfahren auf Stellgrade nahe 100 % - wie üblicherweise bei den in der DE-OS 30 23 408 als Beispiel genannten Röntgenröhren - verhindert werden.The series circuit is in the negative feedback branch of an operational amplifier a resistor and a capacitor arranged. In parallel with the capacitor is the switching path of an electronic switch. A second operational amplifier, whose output is connected to the control input of the electronic switch, compares the controlled variable with the setpoint and closes the electronic switch as long as the system deviation is greater than a specified value. When closed Switch, the capacitor is short-circuited, and the controller only exhibits P behavior on. The second operational amplifier only opens shortly before the controlled variable reaches the setpoint the switch, and the capacitor in the negative feedback branch becomes effective. Through this The overshoot can only be remedied in the case of fault optimization when approaching output levels close to 100% - as is usually the case with those mentioned in DE-OS 30 23 408 as an example X-ray tubes - can be prevented.

Beim Anfahren auf kleinere Stellgrade läßt sich ein tberschwingen der Regelgröße Jedoch nicht vermeiden.An overshoot can occur when approaching smaller output levels However, do not avoid the controlled variable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß nicht nur bei einem Stellgrad nahe 100 %, sondern auch bei kleinerem Stellgrad ein Uberschwingen der Regelgröße beim Anfahren vermieden wird.The invention is based on the object of a controller of the initially to improve said type so that not only with an output level close to 100%, but An overshoot of the controlled variable when starting up is avoided even with a lower output level will.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the patent claim 1 specified features solved.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die gegensteuernde Wirkung des während des Anfahrens auf den I-Anteil geschalteten D-Anteils von der Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße abhängig ist. Damit erreicht die Regelgröße bei größeren Werten ohne unnötige Verzögerung den Sollwert. Das Anfahrverhalten des Reglers läßt sich durch den zusätzlichen D-Anteil unabhängig vom Störungsverhalten des Reglers einstellen.The invention has the advantage that the counteracting effect of the D-part of the rate of change switched to the I part during start-up depends on the controlled variable. This means that the controlled variable reaches without for larger values unnecessary delay the setpoint. The start-up behavior of the controller lets itself through set the additional D component regardless of the fault behavior of the controller.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Reglers nach Anspruch 1 sind in den Ansprechen 2 bis 5 gekennzeichnet.Advantageous further developments and refinements of the controller according to Claim 1 are characterized in responses 2 to 5.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Reglers.The invention will be referred to in the following with its further details an embodiment shown in the drawing. The only The drawing shows the block diagram of a controller according to the invention.

Das PI-Verhalten des in der Zeichnung dargestellten Reglers wird durch die Parallelschaltung eines P-Gliedes 1 und eines I-Gliedes 2 erzeugt. Die Regelabweichung xw wird dem Regler über eine Klemme 3 zugeführt. Ein Summationsglied 4 verknüpft die Ausgangssignale des P-Gliedes 1 und des I-Gliedes 2 unter Berücksichtigung der den Eingängen des Summationsgliedes 4 zugeordneten Vorzeichen zu der Stellgröße y. Die Stellgröße y bildet das Ausgangssignal des Reglers und kann an einer weiteren Klemme 5 für die Weiterverarbeitung abgenommen werden. Der Eingang des I-Gliedes 2 ist mit dem Ausgang eines weiteren Summationsgliedes 6 verbunden, dessen erstem Eingang über eine Leitung 7 die Regelabweichung zw zugeführt ist. Die Vorzeichen der Eingänge des Summationsgliedes 4 und das Vorzeichen des ersten Eingangs des Summationsgliedes 6 sind so gewählt, daß bei positivem Vorzeichen der Regelabweichung zw die Stellgröße y kleiner wird, d.h., daß sich eine fallende Kennlinie ergibt.The PI behavior of the controller shown in the drawing is given by the parallel connection of a P element 1 and an I element 2 is generated. The control deviation xw is fed to the controller via terminal 3. A summation element 4 is linked the output signals of the P element 1 and the I element 2, taking into account the the signs assigned to the inputs of the summation element 4 the Manipulated variable y. The manipulated variable y forms the output signal of the controller and can be on another clamp 5 can be removed for further processing. The entrance of the I element 2 is connected to the output of a further summation element 6, the control deviation zw is supplied to the first input via a line 7. The sign of the inputs of the summation element 4 and the sign of the first Input of the summation element 6 are chosen so that with a positive sign the The control deviation between the manipulated variable y becomes smaller, i.e. there is a falling characteristic results.

Das Ausgangssignal eines BT1-Gliedes 8, also eines Differenziergliedes mit einer Zeitverzögerung erster Ordnung, ist über einen Schalter 9 dem zweiten Eingang des Summationsgliedes 6 zugeführt. Dem Eingang des DT1-Gliedes 8 ist über eine weitere Klemme 10 die Regelgröße x zugeführt. Anstelle der Regelgröße x kann der Klemme 10 auch die Regelabweichung xw zugeführt sein. Ein Vergleicher 11, dessen einem Eingang das Ausgangs signal des P-Gliedes 1 und dessen anderem Eingang über eine weitere Klemme 12 eine vorgebbare Größe E zugeführt ist, schließt den Schalter 9, wenn der Betrag des Ausgangssignals des P-Gliedes 1 größer als der vorgebbare Wert E ist, und öffnet den Schalter 9, wenn der Betrag des Ausgangssignals des P-Gliedes 1 kleiner als der vorgebbare Wert K ist. Das Ausgangssignal des P-Gliedes 1 ist dabei gleich der Regelabweichung zw multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor-Vp des P-Gliedes 1. Der Verstärkungsfaktor Vp des P-Gliedes 1 ist gleich dem Kehrwert des rroportionalbereichs X des Reglers mit PI-Verhalten. Bei einem Sollwertsprung, dessen Betrag größer KX ist, wie er z.B. beim Anfahren auftritt, schließt der Vergleicher 11 den Schalter 9, und dem Eingang des I-Gliedes 2 wird die Summe aus der Regelabweichung zw (über die Leitung 7) und der Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße x (über den Schalter 9) zugeführt. In dem gewählten Beispiel ist die Regelabweichung XW negativ. Aufgrund der Vorzeichenumkehr im Eingang des Summationsgliedes 6 ist dem Eingang des I-Gliedes 2 die Regelabweichung XW mit positivem Vorzeichen zugeführt. Während des Anfahrens vergrößert sich die Regelgröße x, d.h., die Änderungsgeschwindigkeit dx der dt dt größe x ist positiv. Aufgrund der Vorzeichenumkehr im Eingang des Summationsgliedes 6 ist dem Eingang des I-Gliedes 2 die Änderungsgeschwindigkeit dx der Regelgröße dt x mit negativem Vorzeichen zugeführt. Damit wirkt das Ausgangssignal des DT1-Gliedes 8 der Regelabweichung zw entgegen, und das wirksame Eingangssignal des I-Gliedes 2 ist bei geschlossenem Schalter 9 kleiner als bei geöffnetem Schalter 9. Durch Änderung der Vorhaltzeit TD des DT1-Gliedes 8 läßt sich der Einfluß des I)T 1 -Gliedes 8 auf das Eingangssignal des I-Gliedes 2 verändern. Eine Vergrößerung der Vorhaltzeit TD vergrößert bei gleichem Eingangssignal das Ausgangssignal des DT1-Gliedes 8.The output signal of a BT1 element 8, that is to say of a differentiating element with a time delay of the first order is the second via a switch 9 Input of the summation element 6 is supplied. The input of the DT1 element 8 is over another terminal 10 is supplied with the controlled variable x. Instead of the controlled variable x, the control deviation xw must also be fed to terminal 10. A comparator 11, whose one input, the output signal of the P element 1 and the other input via Another terminal 12 is supplied with a predeterminable variable E, closes the switch 9, if the magnitude of the output signal of the P element 1 is greater than that which can be specified Value E is, and opens the switch 9 when the amount of the output signal of the P element 1 is smaller than the predefinable value K. The output signal of the P element 1 is in this case equal to the control deviation zw multiplied by the gain factor-Vp of the P element 1. The gain factor Vp of the P element 1 is equal to the reciprocal value of the proportional range X of the controller with PI behavior. With a setpoint jump, the value of which is greater than KX, as occurs e.g. when starting up, the comparator closes 11 the switch 9, and the input of the I element 2 is the sum of the control deviation zw (via line 7) and the rate of change of the controlled variable x (via the switch 9) fed. In the example chosen, the system deviation is XW negative. Due to the sign reversal in the input of the summation element 6 is the input of the I element 2 is supplied with the system deviation XW with a positive sign. During start-up, the controlled variable x increases, i.e. the rate of change dx the dt dt variable x is positive. Due to the sign reversal in the input of the summation element 6 is the input of the I element 2, the rate of change dx of the controlled variable dt x supplied with a negative sign. The output signal of the DT1 element is thus effective 8 against the control deviation zw, and the effective input signal of the I element 2 is smaller when switch 9 is closed than when switch 9 is open Changing the lead time TD of the DT1 element 8 can reduce the influence of the I) T 1 element 8 to the input signal of the I-element 2 change. An increase in the retention time TD increases the output signal of the DT1 element 8 with the same input signal.

Durch diese Maßnahme läßt sich das wirksame Eingangssignal des I-Gliedes 2 gegenüber der Regelabweichung nicht nur verringern, sondern auch das Vorzeichen des wirksamen Eingangssignals gegenüber demjenigen der Regelabweichung umkehren. Durch die Verkleinerung des wirksamen Eingangssignals des I-Gliedes 2 in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße läßt sich die Einlaufgeschwindigkeit bei großen Änderungen der Regelabweichung - wie z.B. beim Anfahren - verringern. Hat die Regelabweichung soweit abgenommen, daß ihr Betrag multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor Vp des P-Gliedes 1 kleiner als der vorgebbare Wert E ist, so öffnet der Schalter 9, und der Regler verhält sich wie ein normaler PI-Regler.This measure allows the effective input signal of the I-element 2 not only reduce the control deviation, but also the sign of the effective input signal to reverse that of the system deviation. By reducing the effective input signal of the I-element 2 as a function The inlet speed can be derived from the rate of change of the controlled variable reduce in the event of large changes in the control deviation - e.g. when starting up. Has the system deviation decreased so much that its amount is multiplied by the The gain factor Vp of the P element 1 is smaller than the predefinable value E, see above switch 9 opens and the controller behaves like a normal PI controller.

Für die Wahl des vorgebbaren Wertes K gelten folgende Überlegungen, wobei für den Wert K - wie bei der Regelgröße x, der Regelabweichung XW und der Stellgröße y -von normierten Größen zwischen 0 und 100 % ausgegangen wird. Bei einem E von 100 ffi wäre der Schalter 9 ständig geöffnet, und bei einem K von 0 % wäre der Schalter 9 ständig geschlossen. Gute Erfahrungen wurden bei einem E von 20 % gewonnen. Bei diesem Wert ist K ausreichend groß, um normale Störungen mit PI-Verhalten auszuregeln, ohne den Schalter 9 zu schließen und damit die Stabilität des auf die Ausregelung von Störungen optimierten Regelkreises zu beeinträchtigen.The following considerations apply to the choice of the specifiable value K, where for the value K - as with the controlled variable x, the control deviation XW and the Manipulated variable y -of normalized values between 0 and 100% are assumed will. With an E of 100 ffi, switch 9 would be open all the time, and with one K of 0%, the switch 9 would be permanently closed. Good experiences were with one E gained by 20%. At this value, K is large enough to cause normal disturbances to regulate with PI behavior without closing the switch 9 and thus the stability of the control loop optimized to compensate for disturbances.

Während die Störungsoptimierung des erfindungsgemäßen Reglers über den Verstärkungsfaktor Vp des P-Gliedes 1 und über die Nachstellzeit Tn des I-Gliedes 2 erfolgt, steht mit der Vorhaltzeit TD des DT1-Gliedes 8 ein Parameter zur Verfügung, der nur das Anfahrverhalten des Reglers beeinflußt. Im Gegensatz zu einem PID-Regler, dessen Vorhaltzeit aus Stabilitätsgründen ca. ein Viertel der Nachstellzeit Tn nicht überschreiten soll, kann bei dem erfindungsgemäßen Regler die Vorhaltzeit des DT1-Gliedes 8 wesentlich größer gewählt werden, wobei mit größer werdender Vorhaltzeit die Einlaufgeschwindigkeit der Regelgröße sinkt.While the failure optimization of the controller according to the invention over the gain factor Vp of the P element 1 and the reset time Tn of the I element 2 takes place, a parameter is available with the derivative action time TD of the DT1 element 8, which only influences the start-up behavior of the controller. In contrast to a PID controller, its lead time is not about a quarter of the reset time Tn for reasons of stability should be exceeded, the derivative action time of the DT1 element in the controller according to the invention 8 can be chosen to be much larger, with the feed rate increasing as the lead time increases the controlled variable decreases.

Bei Bedarf des dem Regler nachgeschalteten Stellgliedes, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann der Aussteuerbereich der Stellgröße eingeschränkt werden. Hierzu dient eine Begrenzungseinrichtung 13, der über eine Leitung 14 die Stellgröße y zugeführt ist. Über Klemmen 15 und 16 sind der Begrenzungseinrichtung 13 vorgebbare Grenzwerte YmaX bzw. 9min zugeführt. Die Stellgröße y ist einem weiteren P-Glied 17 zugeführt, dessen Ausgangssignal über einen weiteren Schalter 18 dem dritten Eingang des Summationsgliedes 6 zugeführt ist. Die Begrenzungseinrichtung 13 weist einen Vergleicher 19 auf, dessen Eingängen die Stellgröße y und der obere Grenzwert Ymax für die Stellgröße y zugeführt sind. Der Vergleicher 19 schließt den Schalter 18, wenn die Stellgröße y größer als der obere Grenzwert Ymax ist. Die Begrenzungseinrichtung 13 weist einen weiteren Vergleicher 20 auf, dessen Eingängen die Stellgröße y und der untere Grenzwert Ymin für die Stellgröße y zugeführt sind. Der Vergleicher 20 schließt den Schalter 18, wenn die Stellgröße y kleiner als der untere Grenzwert Ymin ist. Bei geschlossenem Schalter 18 ist die durch das P-Glied 17 bewertete Stellgröße y nach einer Vorzeichenumkehr in dem Summationsglied 6 als Korrektursignal auf den Eingang des I-Gliedes 2 geschaltet. Dieses Korrektursignal führt die Stellgröße y wieder auf einen Wert zurück, der kleiner als der obere Grenzwert YmaX oder größer als der untere Grenzwert Ymin ist. Der Schalter 18 ist dann wieder geöffnet.If necessary, the actuator downstream of the controller, which is in the Drawing is not shown, the control range of the manipulated variable can be limited will. For this purpose, a limiting device 13 is used, which via a line 14 the Control variable y is supplied. The limiting device is via terminals 15 and 16 13 specifiable limit values YmaX or 9min are supplied. The manipulated variable y is another P element 17 is supplied, the output signal via a further switch 18 to the third input of the summation element 6 is supplied. The limiting device 13 has a comparator 19, the inputs of which are the manipulated variable y and the upper one Limit value Ymax for the manipulated variable y are supplied. The comparator 19 closes the switch 18 when the manipulated variable y is greater than the upper limit value Ymax. The limiting device 13 has a further comparator 20, the inputs of which the manipulated variable y and the lower limit value Ymin for the manipulated variable y are supplied. The comparator 20 closes the switch 18 when the manipulated variable y is less than lower limit value is Ymin. When the switch 18 is closed, it is through the P element 17 evaluated manipulated variable y after a sign reversal in the summation element 6 as Correction signal switched to the input of I element 2. This correction signal returns the manipulated variable y to a value that is smaller than the upper limit value YmaX or greater than the lower limit value Ymin. The switch 18 is then again opened.

Claims (5)

Patentansprüche (f)1. Regler mit PI-Verhalten und mit einer Einrichtung zur Verbesserung des Anfahrverhaltens in Form einer selbsttätigen Strukturumschaltung in Abhängigkeit von der Höhe der Regelabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß auf den I-Anteil des Reglers zusätzlich ein D-Anteil geschaltet ist, solange der Betrag der mit dem Verstärkungsfaktor (Vp) des P-Anteils multiplizierten Regelabweichung (bzw) größer als ein vorgebbarer Wert (K) ist. Claims (f) 1. Controller with PI behavior and with a device to improve the start-up behavior in the form of an automatic structure switchover depending on the level of the control deviation, characterized in that on the I component of the controller is also connected to a D component, as long as the amount the control deviation multiplied by the gain factor (Vp) of the P component (or) is greater than a specifiable value (K). 2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß der Regler ein erstes P-Glied (1) und ein dazu parallel geschaltetes I-Glied (2) aufweist und - daß dem Eingang des I-Gliedes (2) während des Anfahrens ( Ixw Vpl E) zusätzlich zu der Regelabweichung (xw) das Ausgangssignal eines DT1-Gliedes (8) zugeführt ist, dessen Eingang die Regelgröße (x) oder die Regelabweichung (xw) zugeführt ist. 2. Regulator according to claim 1, characterized in that - that the regulator has a first P element (1) and an I element (2) connected in parallel therewith, and - That the input of the I element (2) during start-up (Ixw Vpl E) in addition the output signal of a DT1 element (8) is fed to the control deviation (xw), whose input is the controlled variable (x) or the control deviation (xw). 3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungseinrichtung (13) fur das Ausgangssignal (y) des Reglers vorgesehen ist, die beim Überschreiten von vorgebbaren Grenzwerten ;Ymax ' ymin) dem Eingang des I-Gliedes (2) ein Korrektursignal zuführt, das das Ausgangssignal (y) des Reglers in den durch die Grenzwerte (ymax' ymin) vorgegebenen Bereich zurUckführt. 3. Regulator according to claim 2, characterized in that a limiting device (13) is provided for the output signal (y) of the controller, which when exceeded of predeterminable limit values; Ymax 'ymin) the input of the I element (2) a correction signal that the output signal (y) of the controller in the limit values (ymax ' ymin) returns the specified range. 4. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - daß die Regelabweichung (xw) dem ersten P-Glied (1) und dem ersten Eingang eines ersten Summationsgliedes (6) zugeführt ist, - daß das Ausgangssignal (xw Vp) des ersten P-Gliedes (1) dem ersten Eingang eines zweiten Summationsgliedes (4) und dem ersten Eingang eines Vergleichers (11) zugeführt ist, - daß das Ausgangssignal des ersten Summationsgliedes (6) dem Eingang des I-Gliedes (2) zugeführt ist, - daß das Ausgangssignal des I-Gliedes (2) dem zweiten Eingang des zweiten Summationsgliedes (4) zugeführt ist, wobei das Ausgangssignal des zweiten Summationsgliedes (4) die Stellgröße (y) des Reglers ist, - daß dem zweiten Eingang des Vergleichers (11) die vorgebbare Größe (K) zugeführt ist, - daß das Ausgangssignal des Vergleichers (11) dem Steuereingang eines ersten Schalters (9) zugeführt ist und diesen schließt, wenn der Betrag des Ausgangssignals des ersten P-Gliedes (1) größer als die vorgebbare Größe (K) ist, und - daß das Ausgangssignal des DT1-Gliedes (8) über den ersten Schalter (9) dem zweiten Eingang des ersten Summationsgliedes (6) zugeführt ist. 4. Controller according to claim 2, characterized in - that the control deviation (xw) the first P element (1) and the first input of a first summation element (6) is fed, - that the output signal (xw Vp) of the first P element (1) dem first input of a second summation element (4) and the first input of a Comparator (11) is supplied, - that the output of the first Summation element (6) is fed to the input of the I element (2), - that the output signal of the I element (2) is fed to the second input of the second summation element (4) where the output signal of the second summation element (4) is the manipulated variable (y) of the controller is - that the second input of the comparator (11) is the specifiable Size (K) is supplied, - that the output signal of the comparator (11) is the control input a first switch (9) is supplied and closes when the amount of the The output signal of the first P element (1) is greater than the specifiable variable (K), - That the output signal of the DT1 element (8) via the first switch (9) to the second input of the first summation element (6) is supplied. 5. Regler nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - daß das Ausgangs signal des zweiten Summationsgliedes (4) über ein zweites P-Glied (17) und einen zweiten Schalter (18) dem dritten Eingang des ersten Summationsgliedes (6) zugeführt ist, und - daß der zweite Schalter (18) geschlossen ist, wenn das Ausgangssignal (y) des zweiten Summationsgliedes (4) die vorgebbaren Grenzwerte (;Ymax' Ymin) überschreitet,5. Regulator according to claim 3 and claim 4, characterized in that - That the output signal of the second summation element (4) via a second P element (17) and a second switch (18) to the third input of the first summation element (6) is supplied, and - that the second switch (18) is closed when the Output signal (y) of the second summation element (4) the predeterminable limit values (; Ymax 'Ymin) exceeds,
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