JP2014216022A - 補助的な制御変数の遅延を最小化する検出方法 - Google Patents

補助的な制御変数の遅延を最小化する検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】機械的システムまたは液圧システムの制御システムと制御装置とからなるシステムのための、補助的な制御変数の遅延を最小化する方法を提供する。【解決手段】出力変数pは制御システムの末端で検出され、状態変数x1は制御システムにおいて外乱変数Qsの作用点よりも前の場所で検出され、補助的な制御変数は、定数kxで重み付けされた状態変数と推定誤差eとから算出され、推定誤差eは、検出された出力変数と積分された補助的な制御変数との比較から算出される。【選択図】図3

Description

本発明は、制御システムと制御装置とからなるシステムのための、補助的な制御変数の遅延を最小化する検出の方法に関する。ここで、出力変数は制御システムの末端で検出され、制御システムにおいて外乱変数は活性的である。
前記システムは機械的システムまたは液圧システムでありうる。機械的システムは、力を発生する構成要素からなりうる。この力は、信号および/またはエネルギーの伝達に用いられる。制御のために、実際の力が制御変数として検出される。液圧システムにおいては、実際の圧力が制御変数である。液圧システムにおいて、信号、力および/またはエネルギーが、流体によって伝達される。この目的のために、該システムにおいて、液圧および/または体積流が利用可能である必要がある。これらの変数は通常、ポンプによって生成される。圧力および/または体積流の生成のために、これらのポンプはエネルギーを消費する。しかし、システム境界をより厳密に定義することで、ポンプを、観測されるシステムの外部とすることが可能である。
規制及び非規制ポンプ駆動が技術水準から知られており、規制ポンプ駆動がより効率的である。例えば、規制ポンプシステムは、可変速度で構成することが可能であるとともに、本質的には周波数変換器および制御電子機器、液圧ポンプのみならず標準電気モーターまたは電気サーボモーターからなる駆動装置によって構成することが可能である。ここで、液圧ポンプの吐出速度は、電気モーターの入力速度に比例する。運転の間、機械制御装置は、圧力/体積流の目標値を制御装置へと伝達する。主なシステム圧力は圧力測定手段によって検出され、同様に制御装置へと伝達される。制御偏差に基づき、制御装置は必要なモーター速度を算出し、これを、適用可能なシステム要件に従って吐出速度および圧力へと調整する。
例えばラジアルピストンポンプを、前記液圧ポンプとして用いることができる。必要な駆動トルクは軸によって、連結器を介し、制御ジャーナルに取り付けられた星型シリンダーへと伝達される。星型シリンダーに放射状に配置されたピストンは、例えばスライドブロックを介してストロークリング上に支持される。ピストンとスライドブロックとは、例えば玉継手によって連結される。スライドブロックはストロークリングを通過し、運転の間、遠心力と液圧とによって、ストロークリングに対し押圧される。星型シリンダーが回転すると、ストロークリングの偏心した位置のために、ピストンはストローク移動を行う。この偏心は、パイロットバルブによって動作される可変ピストンによって変化する。偏心の変化はストロークの大きさに影響し、吐出流体体積はストロークと速度とによって定まる。
圧力制御ループの挙動に影響を与えるために、圧力変化または吐出速度に関する状態変数が、制御ループに必要である。吐出速度と圧力変化とは、液圧容量を有するシステムにおいて同等である。吐出速度は、速度制御ピストンポンプにおける所定の速度に直接的に比例するが、可変ポンプのストロークリングの回転角度または位置に直接的に比例し、またバルブ制御装置の場合はバルブ摺動の位置に直接的に比例する。吐出速度は、遅延無しで直接測定することができる。圧力変化は、圧力信号の微分によって得ることができる。フィードバックにおける吐出速度の利用によって制御ループの動的挙動が向上されるが、制御ループの外乱状況において流体が消費される場合には、制御誤差が増加する。制御ループにさらなる積分器を設けることで、その制御誤差を最小化するための手段としての価値が示されている。代案として、コモンモード部分のデカップリングを現出する極低周波ハイパスフィルターを介して、信号を加えることができる。
これらの手段はいずれも、外乱特性の動態に対し有害に影響する。この不利益は、吐出速度の代わりに圧力変化をフィードバックとして用いる場合には存在しない。しかし、この場合の問題は、圧力変化の検出である。圧力が測定され、圧力変化は該圧力の微分によって確認される。ポンプの適用においては、圧力信号にはノイズが多い。ローパスフィルタリングを用いない微分の有用性は、制御ループにおいては限られたものでしかない。制御ループの基本周波数範囲において、ローパスフィルタリングを頻繁に行う必要がある。圧力変化の検出での遅延のせいで、この状態変数の制御動態への影響力を充分に利用することができない。
本発明の目的は、制御システムと制御装置とからなるシステムのための、補助的な制御変数の遅延を最小化する検出の方法の提供であって、出力変数は制御システムの末端で検出され、制御システムにおいて外乱変数は活性的であるものとする。
本発明によってこの目的は、独立請求項1の特徴を有する方法によって達成される。該方法の有利な改良が、従属請求項2〜10から得られる。
もう1つの目的は、非遅延の圧力変化信号を介して圧力を調整する液圧システムの提供である。この目的は、請求項11に係る液圧システムによって達成される。該液圧システムの有利な実施形態が、従属請求項12〜19から得られる。
本発明に係る方法により、制御システムと制御装置とからなるシステムのための、補助的な制御変数の遅延を最小化する検出であって、出力変数は制御システムの末端で検出され、制御システムにおいて外乱変数は活性的であるとするものがなされる。状態変数は制御システムにおいて、外乱変数の作用点よりも前の場所で検出される。補助的な制御変数は、定数kで重み付けされた状態変数と、推定誤差とから算出される。推定誤差は、検出された出力変数と積分された補助的な制御変数との比較から算出される。推定圧力変化は、推定誤差と、定数kで重み付けされたストロークリング信号とからなる。内部制御ループのフィードバックは、ここでは遅延した微分ではなく非遅延の補助的な信号によって決定される。さらに、この信号はノイズが非常に少ない。さらなる処理のために、フィルターによって検出された出力変数を平均化することができる。特に、補助的な制御変数を、比例要素を介して制御装置へフィードバックすることが可能であり、定数kで重み付けされた状態変数との比較の前に、推定誤差に比例因子で重み付けすることが可能である。
有利な実施形態の1つにおいて、定数kで重み付けされた状態変数に加算する前に、推定誤差に比例因子で重み付けをする。
実施形態の1つにおいて、前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとともに、検出された出力変数は機械的変数であり、該機械的変数は液圧流体によって圧力(p)を加えることが可能な液圧シリンダーによって生成される力である。ここで、制御システムの末端に配置されるセンサーによって、実際の力を制御変数として検出することができる。
別の実施形態において、前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとともに、検出された出力変数は液圧流体の圧力である。ここで、制御システムの末端に配置されるセンサーによって、実際の力を制御変数として検出することができる。
有利な実施形態の1つにおいて、液圧システムは、液圧流体の体積流の生成に用いることが可能な構成要素からなり、これによって液圧システムにおいて圧力変化が起こる。
この場合、体積流の生成に用いることが可能な構成要素にバルブを用いることができる。液圧システムを等圧ネットワークにバルブを介して接続することが可能であり、また等圧ネットワークと液圧システムとの間の体積流がバルブによって制御される。
代案として、体積流の生成に用いることが可能な構成要素に、モーターで駆動される定量ポンプを用いることができ、モーター速度の変化によって体積流を調整することが可能である。
あるいは、体積流の生成に用いることが可能な構成要素に、モーターで駆動される可変ポンプを用いることができ、回転あたりの吐出体積の変化および/またはモーター速度の変化によって体積流を調整することが可能である。ここで、ストロークリングを有するラジアルピストンポンプを可変ポンプとして用いることができ、ポンプの吐出体積はストロークリングの位置とモーター速度とによって定まる。ここで、液圧システムは、圧力変化のための内部制御ループと圧力のための外部制御ループとを有するものとすることが可能である。可変ポンプは例えば、ラジアルピストンポンプまたはアキシャルピストンポンプとすることが可能である。ラジアルピストンポンプの場合、ポンプの体積流は、ストロークリングの位置とモーター速度とによって定まる。アキシャルピストンポンプの場合、ポンプの体積流は、回転角度とモーター速度とによって定まる。
有利な実施形態の1つにおいて、定数kは液圧システムの容量cに反比例し、モーター速度nとポンプ吐出速度とに比例する。
有利な実施形態の1つにおいて、補助的な制御変数は推定圧力変化である。
制御システムと、制御システムの末端での出力変数の検出のためのセンサーシステムと、出力変数の制御のための制御装置とからなり、作用点において外乱変数を制御システムに作用させることが可能である本発明のシステムにおいて、状態変数は制御ループにおいて外乱変数の作用点よりも前の場所で検出可能である。補助的な制御変数は、定数kで重み付けされた状態変数と推定誤差とから算出可能であり、推定誤差は検出された出力変数と積分された補助的な制御変数との差から算出される。
有利な実施形態の1つにおいて、検出された出力変数を、検出のためにフィルターで平均化することができる。
実施形態の1つにおいて、前記システムは液圧流体を含む液圧システムである。ここで検出された出力変数は機械的変数であり、該機械的変数は液圧流体によって圧力(p)を加えることが可能な液圧シリンダーによって生成される力である。
代案として、前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとし、検出可能な出力変数は液圧流体の圧力であるとすることが可能である。
この場合、液圧システムは、液圧流体の体積流の生成に用いることが可能な構成要素からなるものとすることが可能であり、これによって液圧システムにおいて圧力変化が起こる。
有利な実施形態の1つにおいて、体積流の生成に用いることが可能な構成要素はバルブである。液圧システムを等圧ネットワークにバルブを介して接続することが可能であり、また等圧ネットワークと液圧システムとの間の体積流をバルブによって制御することができる。
別の実施形態の1つにおいて、体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素は、モーターで駆動される定量ポンプであり、モーター速度の変化によって体積流が調整される。
さらに別の実施形態において、体積流の生成に用いることが可能な構成要素は、モーターで駆動される可変ポンプであり、回転あたりの吐出体積の変化および/またはモーター速度の変化によって体積流が調整される。
有利な実施形態の1つにおいて、本発明に係る方法の実行に用いることが可能な電子回路が、体積流を生成する構成要素に配置される。ここで、電子回路は体積流を生成する構成要素上に位置するものとすることができる。可変ポンプを用いる場合、制御電子機器と該ポンプとによって1つの装置を形成することができる。速度制御ポンプの場合、アルゴリズムは変換器に配置される。等圧ネットワークを用いる場合、等圧ネットワークからの体積流はバルブによって制御され、制御電子機器と該バルブとによって1つの装置を形成することができる。これらのいわゆる内蔵電子機器によって、制御装置を非常にコンパクトに構成できるとともに、制御遅延がさらに最小化される。しかも、電子部品と、制御装置、センサーシステム、ポンプおよび/またはバルブ等のその他の構成要素との間の配線が不要である。
本発明の他の利点、特徴および実際的な改良は、従属請求項および図面を参照する実施例の説明から、以下に示される。
図1に、技術水準から知られている従来の制御ループの信号フロー図の例を示す。制御装置出力yは、例えば可変ポンプによる制御ループの調整等による体積流の変化に比例する。制御ループは、圧力pのための外部制御ループ10と、圧力変化p・のための内部制御ループ20とからなる。
これは理想化された制御ループである。実際の制御システムにおいては、個々のキャパシターでの圧力蓄積は起こらないが、キャパシター、インダクターおよび液圧抵抗器からなる任意の所望の伝導ネットワークにおいては起こる。
目標圧力信号pが動作変数yとして、比例要素11と比例要素21とを介してパイロットバルブ22に適用される。パイロットバルブ22は、ストロークリングを排出する可変ピストンを動作させる。ストロークリング位置xの信号は、ストロークリング位置変化x・から、積分器23によって導出される。ポンプ体積流Qは、ポンプの速度とポンプの吐出体積とで重み付けされる比例要素24によって得られる。例えば、外乱体積流Qとしての漏れによって、実際の体積流Qが得られる。比例要素25の形態で示される前記システムのキャパシターによって、圧力変化p・が得られ、該圧力変化p・から積分によって圧力pが得られる。この圧力pは、例えば圧力変換器等のセンサーによって直接測定でき、それから平均圧力p−としてフィルター13を介して目標圧力pへフィードバックすることができる。制御精度の向上のために、平均圧力p−をさらに微分器29を介して同様にフィードバックすることが可能である。パイロットバルブ22において平滑動作信号yを得るため、そして不要な摩耗を招きやすい動作運動を最小化するために、信号をフィルタリングする必要がある。特に、圧力変化信号p・は制御ループの基本周波数範囲の付近においてフィルタリングする必要があり、その結果制御ループの動態が低減される。この状況の矯正法は、比例要素26と微分要素27とを介してのストロークリング信号xのフィードバックである。しかし、比例要素を介してのストロークリング信号xのフィードバックは、外乱変数が存在する場合は制御偏差が残るという不利益を伴う。しかし、外乱変数の加算の場所より前でのフィードバックは、制御偏差を上昇させる。ハイパスフィルター等の微分要素を介してのフィードバックは、外乱特性の動態に対し有害に影響する。それは、ハイパスフィルターの時定数は大きくなるように選択する必要があるためである。
図2に、技術水準から知られている、体積流に比例する制御装置出力yを有する従来の制御ループの信号フロー図を示す。
例えば可変速ポンプ駆動またはバルブ制御ユニットによる制御ループの調整のように、制御装置出力yによって体積流を比例的に制御する。
制御ループは、圧力pの制御ループ15と、制御装置16とからなる。これも同様に理想化された制御ループである。実際の制御システムにおいては、個々のキャパシターでの圧力蓄積は起こらないが、キャパシター、インダクターおよび液圧抵抗器からなる任意の所望の伝導ネットワークにおいては起こる。
目標圧力信号pが動作変数yとして、積分要素12と比例要素21とを介して制御システム55・24に適用され、これによってポンプ体積流Qが得られる。例えば、外乱体積流Qとしての漏れによって、実際の体積流Qが得られる。比例要素25の形態で示される前記システムのキャパシターによって、圧力変化 が得られ、該圧力変化p・から積分によって圧力pが得られる。この圧力pは、例えば圧力変換器等のセンサーによって直接測定でき、平均圧力p−としてフィルター13を介して目標圧力pへフィードバックすることができる。制御精度の向上のために、平均圧力p−をさらに微分器29を介して同様にフィードバックすることが可能である。
図3に、図1と同じ状況における、本発明に係る方法に従った信号フロー図を示す。目標圧力pが動作変数yとして、比例要素11と比例要素21とを介してパイロットバルブ22へ供給される。パイロットバルブ22は、ストロークリングを排出する可変ピストンを動作させる。ストロークリング位置xの信号は、積分器23によって、ストロークリング位置変化 から導出される。図1に示される状況と同様、ストロークリング位置xが比例要素26とハイパスフィルターとしての微分要素27とを介してフィードバックされる。制御システムにおいて、ストロークリング位置xの信号は、積分器23によって、ストロークリング位置変化x・から導出される。比例要素24を介してポンプの速度で重み付けされているストロークリング位置xから、ポンプ体積流Qが得られる。例えば、漏れによって外乱体積流Qが生じる。この外乱体積流Qを考慮して、実際の体積流Qがポンプ体積流Qから得られる。比例要素25の形態で示される前記システムのキャパシターによって、圧力変化p・が得られ、該圧力変化p・から積分によって圧力pが得られる。この圧力pは、例えば圧力変換器等のセンサーによって直接測定できる。圧力信号pは平均圧力p−として、フィルター13を介してオブザーバー50に利用可能である。オブザーバー50の入力変数はストロークリング信号xであり、それは遅延無しで引き出される。ストロークリング信号xは、比例要素51において定数kで重み付けされる。定数kは液圧システムの容量cに反比例し、モーター速度nとポンプの吐出速度とに比例する。比例要素53の比例因子で重み付けされた推定誤差eを、定数kで重み付けされたストロークリング信号xに加えることで、推定圧力変化p^・が得られる。推定圧力変化p^・は、積分要素52を経て推定圧力p^となる。測定された圧力pと推定圧力p^との差から推定誤差eが得られる。
それから推定圧力変化p^・が比例要素54を介して目標圧力の信号へ、比較のために供給される。その結果、ここでは内部制御ループのフィードバックが、遅延した微分ではなく非遅延ストロークリング信号xによって決定される。さらに、この信号はノイズが非常に少ない。制御装置はここではより強力に作動するので、外乱特性が大きく影響を受けることはない。
図4に、図2と同じ状況における、本発明に係る方法に従った信号フロー図を示す。目標圧力pが動作変数yとして、積分要素12と比例要素21とを介して作動システム55・24に適用され、これによってポンプ体積流Qが得られる。例えば、外乱体積流Qとしての漏れによって、実際の体積流Qが得られる。比例要素25の形態で示される前記システムのキャパシターによって、圧力変化p・が得られ、該圧力変化p・から積分によって圧力pが得られる。この圧力pは、例えば圧力変換器等のセンサーによって直接測定でき、平均圧力p−としてフィルター13を介して目標圧力pへフィードバックすることができる。圧力信号pは平均圧力p−として、フィルター13を介してオブザーバー50に利用可能である。オブザーバー50の入力変数は信号xであり、該信号xは可変ポンプが用いられる場合にはポンプの位置に関係し、定量ポンプが用いられる場合にはモーター速度の位置に関係し、等圧ネットワークからのバルブ制御体積流の場合はバルブの位置に関係する。それは遅延無しで引き出される。信号xは、比例要素51において定数kで重み付けされる。定数kは伝達要素24・25に依存する。制御システム内の伝達要素24・25が変化した場合、比例要素51の適用が有利である。比例要素53の比例因子で重み付けされた推定誤差eを、定数kで重み付けされたストロークリング信号xに加えることで、推定圧力変化p^・が得られる。推定圧力変化p^・は、積分要素52を経て推定圧力p^となる。測定された圧力pと推定圧力p^との差から推定誤差eが得られる。
それから推定圧力変化p^・が比例要素54を介して目標圧力の信号へ、比較のために供給される。その結果、内部制御ループのフィードバックが、ここでは遅延微分ではなく非遅延ストロークリング信号xによって決定される。さらに、この信号はノイズが非常に少ない。制御装置はここではより強力に作動するので、外乱特性が大きく影響を受けることはない。
ここに示した実施形態は、単に本発明の例を構成するのみであり、制限となるものと解釈されてはならない。当業者によって考慮される別実施形態もまた、本発明の保護範囲に含まれる。
技術水準から知られている、体積流変化に比例する制御装置出力を有する従来の制御ループの信号フロー図。 技術水準から知られている、体積流に比例する制御装置出力を有する従来の制御ループの信号フロー図。 図1と同じ状況における、本発明に係る方法に従った信号フロー図。 図2と同じ状況における、本発明に係る方法に従った信号フロー図。
10 外部制御ループ
11 比例要素
12 積分要素
13 センサーフィルター
15 制御システム
16 制御装置
20 内部制御ループ
21 比例要素
22 パイロットバルブ
23 ストロークリング信号の積分器
24 ストロークリング速度の比例要素
25 キャパシターの比例要素
26 フィードバックの比例要素
27 フィードバックの微分器
29 平均圧力のフィードバックの微分器
50 オブザーバー
51 比例要素k
52 推定圧力信号の積分要素
53 比例要素
54 安定化のための比例要素
55 作動システム
c 容量
e 推定誤差
n モーター速度
p 圧力
目標圧力
p・ 圧力変化
p− 平均圧力
p^ 推定圧力
p^・ 推定圧力変化
Q 体積流
ポンプの体積流
外乱体積流
ストロークリング位置、ストロークリング信号
x・ ストロークリング位置の変化
ポンプ、速度またはバルブに関係する信号
y 動作変数

Claims (19)

  1. 制御システムと制御装置とからなるシステムのための、補助的な制御変数の遅延を最小化する検出の方法であり、出力変数は制御システムの末端で検出され、制御システムにおいて外乱変数は活性的であるとするものがなされる方法であって、
    状態変数は制御システムにおいて、外乱変数の作用点よりも前の場所で検出され、前記補助的な制御変数は定数kで重み付けされた状態変数と推定誤差(e)とから算出され、該推定誤差(e)は検出された出力変数と積分された補助的な制御変数との比較から算出されることを特徴とする方法。
  2. 前記定数kで重み付けされた状態変数に加算する前に、前記推定誤差(e)に比例因子で重み付けをすることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとともに、前記検出された出力変数は機械的変数であり、該機械的変数は液圧流体によって圧力(p)を加えることが可能な液圧シリンダーによって生成される力であることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとともに、前記検出された出力変数は液圧流体の圧力(p)であることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  5. 前記液圧システムは、液圧流体の体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素からなり、これによって液圧システムにおいて圧力変化(p・)が起こることを特徴とする、請求項3または4に記載の方法。
  6. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素はバルブであり、前記液圧システムを等圧ネットワークに該バルブを介して接続することが可能であり、また等圧ネットワークと液圧システムとの間の体積流(Q)が該バルブによって制御されることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  7. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素はモーターで駆動される定量ポンプであり、モーター速度(n)の変化によって体積流(Q)を調整することを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  8. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素はモーターで駆動される可変ポンプであり、回転あたりの吐出体積の変化および/またはモーター速度(n)の変化によって体積流(Q)を調整することを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  9. 前記定数kは液圧システムの容量(c)に反比例し、モーター速度(n)とポンプ吐出速度とに比例することを特徴とする、請求項7または8に記載の方法。
  10. 前記補助的な制御変数は推定圧力変化(p^・)であることを特徴とする、請求項1から9のいずれかに記載の方法。
  11. 制御システムと、
    制御システムの末端での出力変数の検出のためのセンサーシステムと、
    出力変数の制御のための制御装置とからなり、
    作用点において外乱変数を制御システムに作用させることが可能であるシステムであって、
    状態変数は制御ループにおいて前記外乱変数の作用点よりも前の場所で検出可能であり、補助的な制御変数は、定数kで重み付けされた状態変数と推定誤差(e)とから算出可能であり、該推定誤差(e)は検出された出力変数と積分された補助的な制御変数との比較から算出されることを特徴とするシステム。
  12. 前記検出された出力変数を検出のためにフィルターで平均化することが可能であることを特徴とする、請求項11に記載のシステム。
  13. 前記システムは液圧流体を含む液圧システムであり、検出された出力変数は機械的変数であり、該機械的変数は液圧流体によって圧力(p)を加えることが可能な液圧シリンダーによって生成される力であることを特徴とする、請求項11または12に記載のシステム。
  14. 前記システムは液圧流体を含む液圧システムであるとし、検出可能な出力変数は液圧流体の圧力(p)であることを特徴とする、請求項11または12に記載のシステム。
  15. 前記液圧システムは、液圧流体の体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素からなり、これによって液圧システムにおいて圧力変化(p・)が起こることを特徴とする、請求項13または14に記載のシステム。
  16. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素はバルブであり、前記液圧システムを等圧ネットワークに該バルブを介して接続することが可能であり、また等圧ネットワークと液圧システムとの間の体積流(Q)を該バルブによって制御することが可能であることを特徴とする、請求項15に記載のシステム。
  17. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素は、モーターで駆動される定量ポンプであり、モーター速度(n)の変化によって体積流(Q)が調整されることを特徴とする、請求項15に記載のシステム。
  18. 前記体積流(Q)の生成に用いることが可能な構成要素は、モーターで駆動される可変ポンプであり、回転あたりの吐出体積の変化および/またはモーター速度(n)の変化によって体積流(Q)が調整されることを特徴とする、請求項15に記載のシステム。
  19. 前記体積流(Q)を生成する構成要素に電子回路が配置され、該回路は請求項1から14のいずれか一項に記載の方法の実行に用いることが可能であることを特徴とする、請求項15から18のいずれかに記載のシステム。
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