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計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)綜述報(bào)告 題　　　目 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)綜述 系　　　別 機(jī)械電子工程 姓名（學(xué)號(hào)） 張夢(mèng)輝（21525074） 指導(dǎo) 老師 王宣銀 完成 時(shí)間 2015/11/4 摘要:本文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的原理，根據(jù)當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)，指出計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面，控制策略（算法）是核心，簡(jiǎn)述一些較公認(rèn)的（特別是能得到工程界的認(rèn)可）的先進(jìn)控制策略（算法）以及發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞: 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)； 原理； 現(xiàn)狀； 趨勢(shì)； 控制算法 一、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)概述 自動(dòng)控制是指通過(guò)控制裝置使過(guò)程在沒(méi)有人直接參與的情況下自動(dòng)地按照預(yù)定的要求運(yùn)行。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)[1]。用計(jì)算機(jī)來(lái)組建控制系統(tǒng)可以完成常規(guī)控制技術(shù)無(wú)法完成的任務(wù)，達(dá)到常規(guī)控制技術(shù)無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)。典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般有監(jiān)控系統(tǒng)和過(guò)程對(duì)象兩大部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，其硬件由主機(jī)、外部設(shè)備、通訊設(shè)備等組成；軟件則分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。除工業(yè)控制機(jī)外，監(jiān)控系統(tǒng)中還有過(guò)程輸人/輸出設(shè)備、參數(shù)測(cè)量變送器件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置。過(guò)程對(duì)象通常指的是被監(jiān)測(cè)的對(duì)象[2-4]。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形式與它所控制的對(duì)象的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對(duì)象和不同的被控要求，應(yīng)選擇不同的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可以分為以下幾種典型的形式:（l）操作指導(dǎo)型控制系統(tǒng)。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DireetDigitalControl，簡(jiǎn)稱(chēng)DDC）。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（S、JpervisoryComputerControl簡(jiǎn)稱(chēng)SCC）。（4）集散控制系統(tǒng)（Distributedeontrolsystem簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）。（5）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem簡(jiǎn)稱(chēng)FCSy[5]。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1。它與被控對(duì)象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系通常有兩種方式：有線(xiàn)方式、無(wú)線(xiàn)方式。控制目的可以是使被控對(duì)象的狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。 圖1 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的組成框圖 二、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的工作原理 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，需有專(zhuān)門(mén)的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換設(shè)備和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于過(guò)程控制一般都是實(shí)時(shí)控制，有時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)速度的要求不高，但要求可靠性高、響應(yīng)及時(shí)。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)過(guò)程[6]： （一）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。 　　 （二）實(shí)時(shí)決策對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過(guò)程。 　?。ㄈ?shí)時(shí)控制根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。 圖2 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作原理圖 　 　這三個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。 三、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與在生產(chǎn)中應(yīng)用的現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用的方面。而在以信息技術(shù)為代表的高科技應(yīng)用方面，要充分利用各種新興技術(shù)、新型材料、新式能源，并結(jié)合市場(chǎng)需求，以實(shí)現(xiàn)世界的又一次“工業(yè)大革命”；在工業(yè)設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)的一致性方面，要充分協(xié)調(diào)好設(shè)計(jì)的功能和形式兩個(gè)方面的關(guān)系，使兩者逐步走向融合，最終實(shí)現(xiàn)以人為核心、人機(jī)一體化的智能集成設(shè)計(jì)體系。從工業(yè)設(shè)計(jì)的本身角度看，隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程必然有更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)思維的模擬必將達(dá)到新的境界。從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)看，并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)、全生命周期設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法代表了現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的發(fā)展方向。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式在信息化的基礎(chǔ)上，必然朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展[7-8]。 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán)境污染的必由之路，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)已成為生產(chǎn)設(shè)備及過(guò)程控制等重要的組成部分，它代替人的思維成為工業(yè)設(shè)備及工藝過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制的指揮和監(jiān)督中心。 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)工藝過(guò)程控制要求的提高和生產(chǎn)管理的完善而不斷發(fā)展。目前工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)層次基本上劃分為：直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)（DCS）、遞階控制系統(tǒng)（HCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）等幾種，其中DCS是融DDC系統(tǒng)、SCC系統(tǒng)及整個(gè)工廠的生產(chǎn)管理為一體的高級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了其他控制系統(tǒng)中存在的“危險(xiǎn)集中”問(wèn)題，具有較高的可靠性和實(shí)用性。但是，為了進(jìn)一步適合現(xiàn)場(chǎng)的需要，DCS也在不斷更新?lián)Q代，近年來(lái)，集計(jì)算機(jī)、通信、控制三種技術(shù)為一體的第5代過(guò)程控制體系結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)，成為國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文對(duì)各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和特點(diǎn)以及發(fā)展方向作為分析研究。 當(dāng)前以單片機(jī)為主體的DDC控制儀用量最大，如控制溫度、流量，控制風(fēng)機(jī)、水、油泵及爐門(mén)升降機(jī)構(gòu)等。這種微機(jī)控制儀表的功能已大大超過(guò)以模擬電子元件為基礎(chǔ)的測(cè)量?jī)x表，而且有了處理工藝參數(shù)的功能，但它們需要與中間繼電器、交流接觸器、晶閘管、電磁閥、比例閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成完善的控制系統(tǒng)。多數(shù)DDC控制儀采用PID和模糊控制算法，但自身自調(diào)整和在線(xiàn)優(yōu)化能力仍較弱。最新推出的DDC控制系統(tǒng)均配有通信接口，可方便地進(jìn)行聯(lián)機(jī)[9]。 這類(lèi)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、輕便靈活、便于維護(hù)，有較高的抗干擾能力和控制精度，操作方便。主要問(wèn)題是受運(yùn)行速度和內(nèi)存容量的限制，一般只能按預(yù)定工藝參數(shù)進(jìn)行工藝過(guò)程控制，難于動(dòng)態(tài)控制熱處理工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)，因此還是初級(jí)微機(jī)控制系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的這類(lèi)控制儀種類(lèi)多，但目前仍存在著抗干擾自復(fù)位能力較差，可靠性差等問(wèn)題[10]。 四、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) （一） 推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù) 普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）是一種專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微機(jī)系統(tǒng)。它用可編程序的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)的指令，通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等功能。 　　近年來(lái)PLC幾乎都采用微處理器作為主控制器，且采用大規(guī)模集成電路作為存儲(chǔ)器及I/O接口，因而其可靠性、功能、價(jià)格、體積等都比較成熟和完美。由于智能的I/O模塊的成功開(kāi)發(fā)，使PLC除了具有邏輯運(yùn)算、邏輯判斷等功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)算及網(wǎng)絡(luò)等功能，從而大大地?cái)U(kuò)大了PLC的應(yīng)用范圍。 　　（二）采用集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，把微機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入.. /輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它為生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。若采用先進(jìn)的控制策略，會(huì)使自動(dòng)化系統(tǒng)向低成本、綜合化、高可靠性的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。 　　（三）研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 智能控制是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，是用機(jī)器模擬人類(lèi)智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。智能控制包括學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、分級(jí)階梯智能控制系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。應(yīng)用智能控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將有力地推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，并提高工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展加快了智能控制方法的研究。 　　智能控制方法較深淺層次上模擬人類(lèi)大腦的思維判斷過(guò)程，通過(guò)模擬人類(lèi)思維判斷的各種算法實(shí)現(xiàn)控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用特色及發(fā)展前景將隨著智能控制系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。 　?。ㄋ模┭芯亢桶l(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，正引發(fā)著控制技術(shù)的深刻變革，以及與之相應(yīng)的新的控制理論的產(chǎn)生。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化、控制系統(tǒng)體系的開(kāi)放性、控制技術(shù)與控制方式的智能化，是當(dāng)前控制技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的方向與主要潮流。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅是實(shí)現(xiàn)管理層的數(shù)據(jù)通訊與共享，它應(yīng)用于控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備層，并將控制與管理綜合化、一體化。Internet不僅用于傳統(tǒng)的信息瀏覽、查詢(xún)、發(fā)布，還可通過(guò)Internet跨國(guó)跨地區(qū)直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。因而現(xiàn)代的自動(dòng)化系統(tǒng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息與控制綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。四級(jí)網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成現(xiàn)代自動(dòng)化領(lǐng)域控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，網(wǎng)上控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制[11-13]。 五、控制策略/算法的發(fā)展趨勢(shì) （1）改進(jìn)成復(fù)合PID控制算法 大量的事實(shí)證明。傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過(guò)程的被控對(duì)象（可高達(dá)90％）可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量[14]。 （2）預(yù)測(cè)控制 預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過(guò)程控制中產(chǎn)生的一類(lèi)基于模型的新型控制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。因而很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。它的機(jī)理表明它是一種開(kāi)放式的控制策略。體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性問(wèn)題時(shí)的一種通用的思想方法[15]。 根據(jù)預(yù)測(cè)模型的不同的形式。硬件控制分別稱(chēng)之為Model Predictive Control（MPC），Generalized Predictive Control（GPC）和Receding Horizon Predictive Control（RHPC）。此外，頂測(cè)控制還可以采取其他形式的模型。如非線(xiàn)性模型、模糊模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。 （3）自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不步的過(guò)程是時(shí)變的，如反應(yīng)器中催化劑活性的變化。換熱器中結(jié)垢的產(chǎn)生與發(fā)展等均會(huì)使過(guò)程的特性發(fā)生變化。如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器。則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化。這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò)程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自控制分三類(lèi)： ·自整定調(diào)節(jié)器及其他的簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器。其中，自整定PID調(diào)節(jié)器已有成熟產(chǎn)品，并在工程中獲得了較廣泛的應(yīng)用。 ·磨墨參考自適應(yīng)控翻，它能自動(dòng)調(diào)整控制規(guī)律。使控制系統(tǒng)的輸出與參考模型的輸出相近。在這些系統(tǒng)中，自適應(yīng)回路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。 ·自校正調(diào)解節(jié)與控制。瑞典的Astrom與英國(guó)的Clarke教授在這方面進(jìn)行了許多開(kāi)拓性的研究工作。目?jī)?nèi)外許多學(xué)者在他們的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)、提高、完善及應(yīng)用工作，使其更加完善與可靠。 （4）智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過(guò)程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜，過(guò)程嚴(yán)重的非線(xiàn)性和不確定性，使許多系統(tǒng)無(wú)法用數(shù)學(xué)模型精確描述。這樣建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，也給智能控制方法的發(fā)展創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。傳統(tǒng)的控制方法在很大的程度上依賴(lài)于過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，但是，至今獲取過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型仍然是一件十分困難的工作。沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計(jì)卻不依賴(lài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程往往可以取得很好的控制效果。 常見(jiàn)的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級(jí)階梯智能控制、專(zhuān)家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。因此，最近的研究又表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果。智能控制已在家電行業(yè)及工業(yè)過(guò)程中取得了許多成功的應(yīng)甩。特別是模糊控制方法已在日本的家電行業(yè)中廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外，模糊控制與人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也已在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應(yīng)用。今后，需要進(jìn)一步對(duì)智能控制的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。以此建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[16]。 六、總結(jié) 隨著生產(chǎn)發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)速度加快，使生產(chǎn)過(guò)程作為受控對(duì)象從簡(jiǎn)單、孤立的系統(tǒng)變成復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，有些甚至是工業(yè)大系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論與大系統(tǒng)理論正是在這種客觀環(huán)境下產(chǎn)生及發(fā)展起來(lái)的。它們?yōu)榻鉀Q復(fù)雜對(duì)象、龐大對(duì)象的控制提供了許多控制方案與策略。一般這些方案與策略都比較復(fù)雜，用常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)。如改用計(jì)算機(jī)編程，就變得不那么困難了。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用軟件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法這一優(yōu)點(diǎn)表明，計(jì)算機(jī)控制具有廣闊的發(fā)展前途，計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展及相互結(jié)合，出現(xiàn)了更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更先進(jìn)更可靠的控制方案。 七、參考文獻(xiàn) [1] 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