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1、內(nèi)蒙工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院電力拖動(dòng)大作業(yè)前言雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備,具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng),在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ),本人就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),再進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究,用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì),并用所學(xué)的MATLAB進(jìn)行仿真,分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中由于忽略和簡(jiǎn)化造成的誤差。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)需從動(dòng)態(tài)校正的需要來(lái)解決,設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器是,都必須先求

2、該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性,再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性,對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng),盡量縮短啟、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此,在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下,應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力,最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為允許的最大值,是電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),立即讓電流降下來(lái),使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡,從而裝入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛,經(jīng)濟(jì),適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性,它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和P

3、I調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高,例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中,只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后,強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯脹_擊,并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下,充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力,最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流、轉(zhuǎn)矩為允許最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降下來(lái),使轉(zhuǎn)矩

4、馬上與負(fù)載相平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí),啟動(dòng)電流成方波形,而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上,由于主電路電感的作用,電流不能突跳,為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng),關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過(guò)程,按照反饋控制規(guī)律,電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋,而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端,到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,電流負(fù)反饋不發(fā)揮主作用,因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔貌煌碾A段。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種

5、負(fù)反饋分別起作用,需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)連接,即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,叫內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器圖中,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊,稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、

6、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),則可以近似在電機(jī)最大電流、轉(zhuǎn)矩受限的條件下,充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,又可以讓電流迅速降低下來(lái),使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波,而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的,這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接,這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋,而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端,到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,不靠

7、電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用,這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器,這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖1-2。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性,它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的,并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE1.2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的選擇:圖1-2表明

8、,電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的,要校正成典型 I 型系統(tǒng),顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消,選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖1-3所示的典型形式,其中 圖1-2 小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖1-3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié),它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中,現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見(jiàn),ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為第二章 整體電路

9、分析2.1電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)參數(shù)的計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s2)電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差,可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的,因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。(1)確定常數(shù)時(shí)間整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0016s,電流濾波時(shí)間Toi=0.005s,電樞回路電磁時(shí)間Tl=0.028s,常數(shù)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti=Ts+Toi=0.00667s(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求:i%=5 ,且T

10、lTi=0.028s0.00667s=4.197ci,滿足近似條件。(b)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件31TmTl=310.383s0.028s=28.97s-1ci,滿足近似條件。2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2Ti=0.01334,轉(zhuǎn)速濾波常數(shù):Ton=0.005s,轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理:Tn=2Ti+ Ton=0.01864s(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能都較好的原則,取h=5,則ASR的超前的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=50.01834=0.0917s轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)換成增益KN=h+12h2Tn2 =62520.018342s-2=356.77s-

11、2于是,可得ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+1)CeTm2hRTn=60.0280.2280,383250.00410.8630.01834=22.61(3) 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為:cn=Knn=22.16*0.0197=0.44s-1(4) 電流環(huán)傳遞幻術(shù)簡(jiǎn)化條件:13KITi=1374.960.00667s-1=35.34s-1cn,滿足簡(jiǎn)化條件。(5) 小時(shí)間常數(shù)近似條件:13KITon=1374.960.005s-1=40.81s-1cn,滿足簡(jiǎn)化條件。(6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí),ASR不飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由下表可得Cm

12、ax/Cb=81.2%,理想空載時(shí)z=0,則n=(CmaxCb)nbn*=2(CmaxCb)(-z) nbn*TnTm=281.2%1.21360.8630.22815000.013840.383=2.42%10%能滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 典型I型系統(tǒng)介紹典型I型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1其傳遞函數(shù)為其中,時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的,能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開(kāi)環(huán)增益K,也就是說(shuō)K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí),需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 線,只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度

13、,系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的,且有足夠的穩(wěn)定裕量。典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-1。典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-2表2-1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.4 典型型系統(tǒng)介紹典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖 2-3 典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其傳遞函數(shù)為 在典型II型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型 I 型系統(tǒng)相仿,時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所不同的是,待定的參數(shù)有兩個(gè):K和 ,這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見(jiàn),引入一個(gè)新的變量 ,令 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如

14、表2-3 表2-3 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖2-4圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.6 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖圖2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí),ASR不飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由表2-3可得Cmax/Cb=81.2%,理想空載時(shí)z=0,則n=(CmaxCb)nbn*=2(CmaxCb)(-z) nbn*TnTm=281.2%1.21360.8630.22815000.013840.383=2.42%

15、10%第三章 參數(shù)計(jì)算3.1 相關(guān)參數(shù)知參數(shù):直流電動(dòng)機(jī):, , ;V-M系統(tǒng)主電路總電阻: ;電樞回路電磁時(shí)間常數(shù): ;系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù):;系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù);系統(tǒng)電流反饋系數(shù);觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù):;三項(xiàng)橋式平均時(shí)空時(shí)間:;電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù):;轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù):。 設(shè)計(jì)要求:穩(wěn)態(tài)指標(biāo)無(wú)靜差;動(dòng)態(tài)指標(biāo)電流超調(diào)量;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量。3.2 主要參數(shù)計(jì)算3.2.1 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算1 確定時(shí)間常數(shù):1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s2)電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2.選擇

16、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差,可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的,因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為:檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能: 參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能,各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):i=Tl=0.028s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益:要求i%=5時(shí),按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系,應(yīng)取KiTi=0.5,因此:于是,ACR的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:ci=KI=74.96 1/S(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。(2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響

17、條件滿足近似條件。(3)電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i%=4.3%5,按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系,滿足設(shè)計(jì)條件。3.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算1.定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)時(shí)間常數(shù)1/KI。已取KITi=0.5則(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù):Ton=0.005s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù):2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求,選用PI調(diào)節(jié)器,器傳遞函數(shù)為3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5,則ASR得超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為:ASR的比例系數(shù)為:4. 檢驗(yàn)近似條件:轉(zhuǎn)

18、速截止頻率為:(1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為:滿足簡(jiǎn)化條件。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:滿足簡(jiǎn)化條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和電容取R0=40K,則6.轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí),ASR不飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性與參數(shù)的關(guān)系可得,理想空載時(shí)z=0,則能滿足設(shè)計(jì)要求???結(jié)通過(guò)本次大作業(yè)的訓(xùn)練與學(xué)習(xí),讓我對(duì)雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速、直流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)有了更為深刻的了解,也理解了多學(xué)科間的聯(lián)系與滲透。譬如,電力電子技術(shù)、自控原理等課程都在電力拖動(dòng)中有非常之多的運(yùn)用。著手開(kāi)始完成作業(yè)的時(shí)候,可以說(shuō)是困難重重,不扎實(shí)的理論、繁瑣的計(jì)算以及匱乏的工程實(shí)訓(xùn),都是限制自我的瓶頸。最

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