JPH0795243B2 - 動力サ−ボ装置 - Google Patents

動力サ−ボ装置

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JPH0795243B2
JPH0795243B2 JP61127853A JP12785386A JPH0795243B2 JP H0795243 B2 JPH0795243 B2 JP H0795243B2 JP 61127853 A JP61127853 A JP 61127853A JP 12785386 A JP12785386 A JP 12785386A JP H0795243 B2 JPH0795243 B2 JP H0795243B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は動力伝達装置に関し、より特定的には、動力サ
ーボ制御装置、例えば電気的空気的な、及び/又は電気
的油圧的なサーボ制御装置に関するものである。
〔従来の技術〕
電気的油圧サーボ制御装置の技術において、制御される
機能において所望とされる位置、速度、加速度或いは圧
力を示すコマンド信号を供給するということは従来から
実行されている。また、各々に対応する変換器を用い
て、制御される機構の実際の位置、速度及び加速度を測
定すること、及びコマンド信号と測定された動作の変数
との間の差を示すエラー信号によって、油圧アクチュエ
ータを駆動することも、従来から実施されている事項で
ある。しかし制御される機構に対して設けられた、或い
はこれに対して何等かの形で応答するような変換器を三
つ備えるということは、サーボ装置(システム)全体の
費用をかなり増加せしめるし、また一方では同時に、全
体の信頼性を低下せしめることになる。これらの欠点
は、費用、単純さ及び信頼性についての関心が増加して
きている工業ロボットの分野において、特に著しい。
米国特許第4,502,109号は、三つの動的状態変数、即ち
位置、速度及び加速度を有する電気的油圧サーボ制御装
置を開示している。制御装置は、負荷の位置を測定する
ために油圧アクチュエータに結合されたセンサーと、測
定された位置に応答して速度及び加速度を計算するデジ
タル観察器とを含んでいる。測定された及び/又は見積
もられた状態変数を示す信号は、入力状態コマンド信号
と比較されて、アクチュエータを駆動する差即ちエラー
信号が得られる。観察器に用いられる電子機器には、線
形方程式の解として状態変数を計算するよう、適当にプ
ログラムされたデジタルマイクロプロセッサを含んでい
る。アクチュエータ及び被駆動質量の特性の関数であ
る、幾つかの方程式のパラメータが、操作者によって調
節可能な多重の抵抗器を介して入力される。米国特許第
4,581,699号は、その親出願の開示を修正したものであ
り、幾つかの方程式のパラメータが、遠隔の装置から観
察器蓄積レジスタへとロードされるようになっている。
〔発明の解決しようとする問題点〕
上記の特許に開示された技術は、この分野の技術におけ
る重要な前進を示すものではあるが、改良を行うことが
望まれるような数多くの問題が残っている。例えば、入
力サンプリング間隔毎に、幾つかの方程式に対する解で
ある幾つかの状態変数を計算することが必要となるが、
これは非常に時間を食うものであり、作動の速度及び行
うことができる数多くの仕事に対して制約を課すること
になる。さらにまた、装置の定数が観察器にロードされ
ねばならないという要求は、条件の変化に対する、例え
ば摩耗又は油圧液体の圧力変化に対する適応性を制限す
ることになる。
従って本発明の一般的な目的は、作動において自己適応
性を有する、即ち変化する条件に適応するように幾つか
の、或いは総ての装置定数を周期的に新しくするサーボ
制御装置であって、改良された計算速度が得られるよう
に構成されたものを提供することである。
本発明の他の目的は、上記の目的を達成し、且つ経済的
で信頼性をもって実施できるようなサーボ制御装置を提
供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、サンプリングされたデータ(サンプルデー
タ)の帰還制御装置を開示している。そこにおいては、
不連続の周期的な間隔をもって種々の制御及びエラー信
号をサンプリングすることによって制御が得られるよう
になっている。このような種類のサンプルデータ制御装
置は、連続的なアナログ制御装置から区別されるべきで
ある。開示並びに説明の目的からして、本発明のサンプ
ルデータ帰還制御装置の構成及び作動を、所謂サンプル
データ又はZ変換領域において考察することが便利であ
ろう。ここでの主題である種類の装置は、サンプリング
の間隔の間に大きく変化することのない定数を有する線
形差分方程式によって説明でき、装置の伝達関数のZ変
換は、変数「Z」の合理的な多項の割合を生ずる。この
変数は複素数であり、良く知られているラプラス変換の
変数「S」に対して次式のような関連を有する。
Z=eTS (1) ここでTはサンプリングの間隔である。実際のところ、
Z変換理論においては、伝達関数、写像定理、結合定理
及び反転のような概念が、連続的な装置に対するラプラ
ス変換の関係と多くの点で比較できるような様式をもっ
て、サンプルデータのシステムに関連している。サンプ
ルデータ制御システム及びZ変換理論についてのより完
全な議論は、ラガズィーニ及びフランクリンの「サンプ
ルデータ制御システム」(マグローヒル社、1958年)に
おいて提供されている。
ここに開示された本発明の実施例によれば、サンプルデ
ータ制御装置は、油圧アクチュエータ及び負荷の望まし
い動作及び実際の動作を示す入力信号を受信し、且つサ
ンプリングする。そして所望の動作を達成するために必
要な制御信号をアクチュエータへと供給する。このサン
プルデータ制御装置は、油圧装置の運転関数に対して調
整された、直列補償及び帰還補償を有するデジタル処理
回路を含んでおり、サンプルデータ或いはZ変換領域で
作動する完全な閉ループ制御装置を形成する。直列補償
及び帰還補償回路の差分方程式のパラメータは、各々の
サンプリング間隔毎に再計算される。本発明の一実施例
においては、そのようなパラメータは装置の運転の関数
として再計算され、かくして装置の制御が作動条件又は
負荷に応じて自動的に変化する。本発明の他の実施例に
おいては、装置のパラメータは、操作者が変えることの
できる(或いは遠隔装置の)単一の入力に基づいて計算
される。このことは計算時間を減少させると同時に、操
作者により装置の運転を素早く追跡することに適応す
る。
〔実施例〕
本発明は、その付加的な目的、特徴及び利点と共に、以
下の説明及び添付の図面により最も良く理解されるであ
ろう。
第1図は、弁アクチュエータ装置即ち機構12からなって
いる従来の位置コマンド電気的油圧サーボ制御装置10を
示しており、弁アクチュエータ装置12はアクチュエータ
により負荷へと結合された電極的油圧弁を含んでいる。
負荷を含めて、このアクチュエータ装置は、内部質量及
びバネ弾性により特徴付けられる。アクチュエータ及び
負荷には位置センサー即ち変換器14が適当に機械的に結
合されており、アクチュエータ及び負荷の実際の位置の
関数としての電気的出力信号たるセンサー信号Yをもた
らしている。例えば操作者の操作稈15から発せられる基
準信号即ち位置コマンド信号Rは、加算器16に供給さ
れ、該加算器はコマンド信号Rと実際の位置を示すセン
サー信号Yとの差の関数としてのエラー信号Eをもたら
す。利得18を有する適当な増幅器を解して供給されるエ
ラー信号Eは、アクチュエータ12の作動を制御する。加
算器16と利得18の増幅器とは、典型的には組み合わせら
れて単一の増幅器となることが理解されるであろう。ア
クチュエータ12及びセンサー14は適当であればどのよう
な種類のものであっても良く、実際のところ、単一の組
立体内に包含され得る。
第2図は、本発明に従うサンプルデータデジタル制御装
置22を具体化した電気的油圧サーボ制御装置20を示して
いる。制御装置22内において、第一のサンプルアンドホ
ールド回路24が操作稈15からコマンド信号Rを受信しサ
ンプリングする。そしてサンプルデータ領域に対し、こ
れに対応するZ変換出力信号R(Z)をもたらす。第二
のサンプルアンドホールド回路26は、センサー14から位
置信号たるセンサー信号Yを受信しサンプリングする。
そしてサンプルデータ領域に対し、これに対応するZ変
換出力信号Y(Z)をもたらすようになっている。帰還
補償装置28は、回路26の出力Y(Z)を受信して、加算
器30の一つの入力に対して補償信号Q(Z)を供給する
ものである。加算器30は第二の入力として回路24からR
(Z)を受信し、直列補償装置32に対し差分即ちエラー
信号E(Z)をもたらす。直列補償装置32は、ゼロ次保
持回路33を介して、アクチュエータ装置12に対してコマ
ンド信号たる駆動信号U(Z)を供給する。
油圧弁、アクチュエータ及びバネを含む電気的油圧装置
12について、この装置12のサンプルデータ領域の伝達関
数は次式: で示されることができる。ここでB1,B2,B3,α1,α2
びα3は装置のパラメータ及びサンプリング時間の一定
の関数である。ゼロ減衰であるとすると、式(2)は次
のように書ける: B1,B2及びαは以下の方程式で与えられる: α=2cosωT+1 (4) ここでK5は利得定数であり、Tはサンプリング周期であ
り、ωは前記アクチュエータ装置12の中立安定共振周波
数である。これらのパラメータは総て、以下に議論され
る本発明の好ましい側面に従って、測定可能であるか又
は計算可能である。この装置即ちアクチュエータ装置12
の伝達関数は、かくして装置の特性の関数として予め定
められる。
補償装置28及び32のZ領域伝達関数の次数は、所望とす
るステップ応答及び計算時間を得るように選択される。
本発明の好ましい実施例によれば、帰還補償装置28の伝
達関数は次式: であり、直列補償装置32の伝達関数は次式: である。ここでG1,G2,G3,C1,C2及びC3はパラメータであ
り、P(Z)はZの多項式であり、以下で議論される本
発明の好ましい実施例によれば、単位に対して等しく置
かれる。直列補償装置32の伝達関数として、一次及び二
次の多項式もまた考慮される。従って一般的に、アクチ
ュエータ装置12の伝達関数がZ領域におけるN次のもの
であり、Nが1より大きな整数である場合、帰還補償装
置28の伝達関数はN−1であり、直列補償装置32の伝達
関数はN又はこれより小さい(即ちNより大きくない)
ものとなる。
ところで、アクチュエータ装置12及び制御装置22を含む
装置の全体が安定となるためには、総ての極がZ平面の
単位円内になければならない。ラガズィーニ及びフラン
クリンの前掲文献第4章を参照のこと。式(3)、
(7)及び(8)の個々の関数を具体化した閉ループ伝
達関数の全体は、Zにおける6次の方程式である。従っ
て、6つの極が必要とされる。Z平面の単位円内の−a
の位置でこれら6つの極の総てを選択することは、次の
ことを意味する。
(Z-e-aT)6=Z6-6e-aTZ5+15e-2aTZ4-20e-3aTZ3 +15e-4aTZ2-6e-5aTZ+e-6aT (9) 式(2)、(6)及び(7)を組み合わせ、これらの係
数を方程式(8)の対応する係数と等しくすることによ
り、次の関係が明らかになる: 式(4)〜(6)について、ある所定の極位置−a、パ
ラメータB1,B2及びαの値が与えられると、方程式(1
0)はパラメータG1,G2,G3,C1,C2及びC3について解け
る。
第3図は修正された制御装置34を示しており、そこでは
パラメータα,B1及びB2は連続的に計算され、装置の動
作に基づいて新しくされる。そして、内部の伝達関数の
パラメータC1,C2,C3及びG1,G2,G3も同様に、所望の作動
を達成するために新しくされる。第3図においては識別
装置36が、回路26のZ変換位置出力Y(Z)(第2図)
と、直列補償装置32からのZ領域コマンド信号U(Z)
とを受信する。識別装置36は、以下に述べるようにして
パラメータB1及びB2を計算し、これらの計算したパラメ
ータを回路ブロック38に供給する。回路ブロック38にお
いては、方程式(10)により、パラメータC1,C2,C3及び
G1,G2,G3が計算される。これらの計算されたパラメータ
は、次いで関連する補償装置32と28へと供給される。
簡単に述べたように、識別装置36は、装置の次数に応じ
た数の先行する間隔において、コマンド信号U(Z)及
び装置からの応答信号Y(Z)の関数として、パラメー
タα,B1及びB2を周期的に計算する。より詳しく云う
と、サンプル時間(KT-2T)において、装置12の離散式
は: Yk-2-αYk-3+αYk-4-Yk-5= B1Uk-3-B2Uk-4+B1Uk-5 (11) であり、時間(KT−T)においては: Yk-1-αYk-2+αYk-3-Yk-4= B1Uk-2-B2Uk-3+B1Uk-4 (12) であり、時間(KT)においては: Yk-αYk-1+αYk-2-Yk-3= B1Uk-1-B2Uk-2+B1Uk-3 (13) である。方程式(11)から(13)は組み合わせられて次
のように再整理されるであろう: Y(Z)及びU(Z)の値は、必要とされる数の間隔、
即ち三次の装置について云えば6の間隔に渡って、物理
的にサンプリングされ蓄積される。そしてパラメータ
α,B1及びB2は、式(14)に従って計算される。
パラメータα,B1及びB2を式(14)に従って計算するこ
とは、リアルタイム制御への適用にとっては、所望とす
るよりも時間を消費するということが判明した。式
(4)〜(6)から、B1及びB2は共通の因子ωに基づい
て決定されうるということが注目されるであろう。以下
に議論される修正例によれば、識別装置36(第3図)は
まず最初にαを計算し、次いでαからB1及びB2を計算す
る。しかしながら、式(4)〜(6)に基づいたそのよ
うな計算は、三角関数を含んでおり、非常に時間を消費
する。そこで、式(4)〜(6)を、まずテイラー級数
展開を用いて書き直して、次のようにして高次の項を無
視するようにする: (ωT)2をYと定義し、式(15)をYについて解く
と、 Y=6±2(3α)1/2 (18) となる。正符号の場合に生ずる解は取るに足らないもの
であり、無視される。結局: となる。かくしてパラメータαは式(14)によって決定
され、パラメータB1及びB2は式(18)〜(20)によって
決定される。やや驚くべきことに、第7図の特定の実施
例(後述)を用いることにより、式(18)〜(20)によ
りパラメータB1及びB2を計算することが、式(14)を
α,B1及びB2について解くことよりも速いだけでなく、
より正確であることが見出された。
第4図は、第3図の修正を示している。そこにおいて
は、一部変更された識別装置40が、調節可能な抵抗器42
からパラメータαを示す単一の入力を受信する。パラメ
ータB1及びB2は、式(18)〜(20)によって計算され
る。この変更例はかくして半自動的である。すなわち総
ての装置定数が、操作者が調節可能な単一の入力から導
き出されるからである。αを示している識別装置40への
入力は、遠隔に位置する制御装置などからも供給され得
るということが認められるであろう。第4図の変更例
は、マトリックス方程式(14)から解を得るという時間
の消費を除去できるという利点を有している。
第4図の実施例は、第5図の変更例によって自己適応性
にされうる。そこにおいては、一部変更された識別装置
44が、直列補償装置32から入力U(Z)を付加的に受信
する。第6図においてはグラフ46が、最適に調整された
装置についての、補償されたコマンド信号Uに対するセ
ンサーからの位置信号Y(時間軸において)を示してい
る。エラー信号Eの関数であるコマンド信号Uは、実質
的に振動を免れていることが判る。第6図のグラフ48
は、好適には調整されていない装置、即ち抵抗器42(第
5図)による調節が適当でない装置の応答を示してい
る。一部変更された識別装置44は抵抗器42からの入力を
調整して、修正されたパラメータα′と、パラメータB1
及びB2とを計算装置たる回路ブロック38に提供する。こ
のことは、本発明の一つの実施例によれば、入力信号U
のピークを当初の作動の際に勘定し、そのようなピーク
を最小限にするように入力αを修正することによって達
成される。他の実施例においては、当初の作動の際にU
信号の曲線の長さを時間積分法によって測定し、入力α
を内部的に修正してそのような長さを最小限にするよう
にする。これらの実施例の総てにおいて、変更された識
別装置44は、当初の作動及び後の作動において、自己適
応性である。
第7図は、マイクロプロセッサを基にした電気的制御装
置の、現在のところ好ましい実施例の電気的な概略図で
ある。入力R(Z)、U(Z)及びαは、マルチプレク
サ回路50を介して、マイクロプロセッサ52の直列入力ポ
ートに結合されている。内部的なプログラムメモリを有
しているマイクロプロセッサ52は、ラッチ54及びデコー
ダ56を解して、一対の4Kメモリモジュール58及び60に接
続されている。マイクロプロセッサ52の出力ポートはア
ンプ62を介して、装置12の弁アクチュエータコイル64に
結合されている。第4図及び第5図に機能的に示された
識別装置40(第4図)又は44(第5図)、補償装置28及
び32、パラメータ計算装置たる回路ブロック38及びゼロ
次保持回路33は、総て、プログラムされたマイクロプロ
セッサ52及びこれに組み合わせられたメモリ内に含まれ
ていることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来技術による基本的な電気的油圧サーボ制御
装置の機能的ブロック図、第2図は本発明による基本的
な油圧制御装置の機能的ブロック図、第3図は本発明の
一実施例に従う第2図のサンプルデータデジタル制御装
置のより詳細な機能的ブロック図、第4図は本発明の他
の実施例に従う第2図のサンプルデータデジタル制御装
置の詳細な機能的ブロック図、第5図は本発明のさらな
る実施例を示している部分的なブロック図、第6図は本
発明のさらなる実施例の作動を示すグラフ、第7図は本
発明の現在好ましい実施例による電気的制御装置の電気
的な概略図である。 12……アクチュエータ装置 14……センサー装置、15……操作稈 16……加算器、18……利得 20……電気的油圧サーボ制御装置 22……サンプルデータサーボ制御装置 24,26……サンプルアンドホールド回路 28……帰還補償装置、30……加算器 32……直列補償装置、33……ゼロ次保持回路 34……修正された制御装置 36,40,44……識別装置、38……回路ブロック 42……抵抗器、46,48……グラフ 50……マルチプレクサ回路 52……マイクロプロセッサ、54……ラッチ 56……デコーダ、58,60……メモリモジュール 64……弁アクチュエータコイル α,B1,B2……第一パラメータ、G1,G2,G3……第二パラ
メータ C1,C2,C3……第三パラメータ、R……コマンド信号 E,E(Z)……エラー信号、U(Z)……駆動信号 Q(Z)……補償信号、Y……センサー信号 R(Z),Y(Z)……出力信号

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】負荷を可変的に作動させるアクチュエータ
    装置(12)であり、該アクチュエータ装置及び被駆動質
    量の特性の関数である複数の第一パラメータ(α,B1,B
    2)を有する、サンプルデータ領域における所定の第一
    の多項式伝達関数を有する前記アクチュエータ装置と、
    サンプルデータサーボ制御装置(22)とを含む動力サー
    ボ装置において、前記サンプルデータサーボ制御装置
    が、 コマンド信号(R)を受信する手段(24)と、 前記アクチュエータ装置に応答して前記アクチュエータ
    の作動の関数であるセンサー信号(Y)をもたらすセン
    サー装置(14)と、 前記アクチュエータ装置での所定の応答特性を得るため
    に、前記コマンド信号(R)と前記センサー信号(Y)
    を組み合わせた関数として、前記アクチュエータ装置を
    制御するためにエラー信号をもたらす装置(34)とを含
    み、前記エラー信号をもたらす装置が、 前記センサー信号を周期的にサンプリングしてサンプル
    センサー信号(Y(Z))をもたらす装置(26)と、 前記サンプルセンサー信号(Y(Z))を受信し且つ前
    記所定の応答特性を得るために前記第一の伝達関数と統
    合され、前記第一パラメータ(α,B1,B2)の関数とし
    て変化する幾つかの第二パラメータ(G1,G2,G3)を有す
    る、サンプルデータ領域における多項式である、所定の
    第二の伝達関数を有する帰還補償装置(28)と、 前記第一パラメータを計算する第一の装置(36,40又は4
    4)と、 前記第一の装置(36,40又は44)に応答し前記帰還補償
    装置(28)に結合されていて、計算された第一パラメー
    タの関数として前記第二パラメータ(G1,G2,G3)を計算
    する第二の装置(38)と、 前記帰還補償装置(28)及び前記コマンド信号(R)に
    応答して前記エラー信号(E(Z))をもたらす装置
    (30)とからなることを特徴とする、動力サーボ装置。
  2. 【請求項2】さらに前記エラー信号(E(Z))に応答
    して前記アクチュエータ装置に駆動信号(U(Z))を
    もたらす直列補償装置(32)と、該直列補償装置(32)
    は前記第一パラメータ(α,B1,B2)の関数として変化
    する幾つかの第三パラメータ(C1,C2,C3)を有する多項
    式である前記サンプルデータ領域の第三の伝達関数を有
    することと、 前記第一の装置(36,40又は44)に結合されていて、前
    記計算された第一パラメータの関数として前記第三パラ
    メータ(C1,C2,C3)を計算する第三の装置(38)とを含
    む、特許請求の範囲第1項記載の装置。
  3. 【請求項3】前記第一の伝達関数は前記サンプルデータ
    領域のN次の多項式であり、前記第二の伝達関数は前記
    サンプルデータ領域のN−1次の多項式であり、前記第
    三の伝達関数は前記サンプルデータ領域のN次より多く
    ない多項式であり、Nは1より大きい整数である、特許
    請求の範囲第2項記載の装置。
  4. 【請求項4】前記第一の装置(36,40又は44)は、前記
    アクチュエータ装置(12)に対する駆動信号(U
    (Z))及び前記サンプルセンサー信号(Y(Z))に
    対して多数のサンプル間隔をもって応答し且つ前記アク
    チュエータ装置の作動の継続関数として前記第二パラメ
    ータ(G1,G2,G3)又は前記第二及び第三パラメータ
    (G1,G2,G3,C1,C2,C3)をもたらす装置(36又は44)を
    含んでいる、特許請求の範囲第1項から第3項のいずれ
    かに記載の装置。
  5. 【請求項5】前記第一の装置(36,40又は44)は、前記
    第一パラメータの一つを示す入力信号(α)を受信する
    装置と、前記駆動信号(U(Z))と前記第一パラメー
    タの一つとの結合関数として前記第一パラメータの残り
    の部分(B1,B2)を計算する装置とを含む、特許請求の
    範囲第4項記載の装置。
  6. 【請求項6】前記第一の装置(36,40又は44)は、前記
    第一パラメータの一つを示す入力信号(α)を受信する
    装置(40又は44)と、前記第一パラメータの残りの部分
    (B1,B2)を計算するため前記入力信号(α)に応答す
    る装置とを含む、特許請求の範囲第1項から第3項のい
    ずれかに記載の装置。
  7. 【請求項7】前記装置(40又は44)は、前記アクチュエ
    ータ装置(12)への駆動信(U(Z))と前記入力信号
    (α)との結合関数として前記第一パラメータの残りの
    部分(B1,B2)を計算する装置(44)を含む、特許請求
    の範囲第6項記載の装置。
  8. 【請求項8】前記装置(44)は、前記第一パラメータの
    一つ(α′)を計算するため前記入力信号(α)に応答
    する装置と、前記駆動信号(U(Z))に応答して前記
    アクチュエータ装置(12)の作動の関数として前記計算
    された第一パラメータの一つ(α′)を修正する装置を
    含む、特許請求の範囲第7項記載の装置。
  9. 【請求項9】前記アクチュエータ装置が電気的油圧アク
    チュエータであり、前記サンプルデータ領域の前記第一
    の伝達関数が次式: で与えられ、B1,B2及びαは次の等式で与えられる装置
    のパラメータの一定の関数であり: α=2cosωT+1 K5は利得定数であり、Tはサンプリング周期であり、ω
    は前記アクチュエータ装置の中立安定共振周波数であ
    り、及びZはサンプルデータ領域の伝達変数である、特
    許請求の範囲第1項から第8項のいずれかに記載の装
    置。
  10. 【請求項10】前記第二の伝達関数は次式: G1Z2+G2Z+G3 で与えられ、前記第三の伝達関数は次式: で与えられ、G1,G2,G3,C1,C2,C3は前記パラメータα,B
    1及びB2に対して次の数式: により関連したパラメータである、特許請求の範囲第9
    項記載の装置。
  11. 【請求項11】さらに前記パラメータαを示す入力信号
    を受信する装置と、次式: により前記入力信号から前記パラメータB1及びB2を計算
    する装置とを含み、Y=6+2(3α)1/2である、特
    許請求の範囲第10項記載の装置。
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