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  • PID闭环控制系统的Simulink仿真

    千次阅读 多人点赞 2021-01-18 19:16:37
    目录1. 简单控制系统介绍2....  简单控制系统又称单回路负反馈控制系统,是指由1个控制(调节)器、1个测量元件及变送器、1个执行器(调节阀)、1个调节对象(被控过程)组成的单回路闭环负反馈控制系统。控制

    0. 前言

    注意:本篇文章与上一篇 Matlab动态PID仿真及PID知识梳理 最后一个simulink仿真紧密相连,有必要的话大家可以去看看。

    1. 简单控制系统介绍

      简单控制系统又称单回路负反馈控制系统,是指由1个控制(调节)器、1个测量元件及变送器、1个执行器(调节阀)、1个调节对象(被控过程)组成的单回路闭环负反馈控制系统。控制系统框图如图所示
    在这里插入图片描述

    2. 实验模型设计

    控制器 G c ( s ) = K p + K i s + K d s {G_c}\left( s \right) = {K_p} + \frac{{{K_i}}}{s} + {K_d}s Gc(s)=Kp+sKi+Kds

    执行器 G v ( s ) = 30 {G_v}\left( s \right) = 30 Gv(s)=30

    被控对象 G 0 ( s ) = 1 250 s + 1 e − 20 s {G_0}\left( s \right) = \frac{1}{{2{\rm{50}}s{\rm{ + 1}}}}{e^{ - 20s}} G0(s)=250s+11e20s

    测量变送器 G m ( s ) = 1 {G_m}\left( s \right) = 1 Gm(s)=1

    系统开环传递函数为 G ( s ) = G c ( s ) 30 250 s + 1 e − 20 s G\left( s \right) = {G_c}\left( s \right)\frac{{30}}{{2{\rm{50}}s{\rm{ + 1}}}}{e^{ - 20s}} G(s)=Gc(s)250s+130e20s

    2.1 Simulink 仿真模型

    1. 闭环时被控对象阶跃响应
        简单系统仿真simulink仿真模型如下图所示
      在这里插入图片描述
    2. 测试对比仿真模型搭建
        为了更直观的观察 P , P I , P D , P I D P,PI,PD,PID P,PI,PD,PID 四种控制效果,构建对比仿真simulink模型如下图所示
      在这里插入图片描述

    2.2 比例控制(P)仿真分析

    1. 上述模型中输入值为100,这里先使用比例调节(P)设定 K p = 0.4    ,    0.1 ,    0.8    ;    K i = K d = 0 {K_p} = 0.4\;,\;0.1,\;0.8\;;\;{K_i} = {K_d} = 0 Kp=0.4,0.1,0.8;Ki=Kd=0 ,可以看到结果如图所示,kp=0.1时无超调量但存在静差,随着kp的增大静差减小,超调量增大,若kp过大会出现振荡。
      在这里插入图片描述
    2. 总结比例控制特点
      有差调节、连续调节,控制及时、适当。控制系统必然存在静差,随比例度的增大而增大。减小比例度可以减小静差,但会使系统稳定性下降。

    2.3 比例积分控制(PI)仿真分析

    1. 在实际的定高的情况下是需要精确定高的,需要消除静差,也就需要增加积分控制I,也就这里需要采取PI控制,加不加微分(D)控制看需求。这里在上述 K P = 0.2 {K_P} = 0.2 KP=0.2 参数调节的情况下选择 ,取如下三种 K i = 0.001 , 0.005 , 0.01 {K_i} = 0.001,0.005,0.01 Ki=0.001,0.005,0.01 如图所示可以看到当 K i {K_i} Ki 过大时出现了等幅振荡,当选取到合适的 时,可以看到静差消除。
      在这里插入图片描述
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    2. 总结比例积分(PI)特点
      从时域上看,只要存在偏差,积分就会不停对偏差积累,因此稳态时误差一定为零;比例与积分动作都是对过去控制误差进行操作, 不对未来控制误差进行预测,限制了控制性能。

    2.4 比例微分控制(PD)仿真分析

    1. 单独对比一下 P D PD PD 控制效果,看其对未来控制误差进行预测。这里还是利用 K p = 0.2 {K_p} = 0.2 Kp=0.2 ,而这里的微分方程改为实际式子加入惯性环节, D N s s + N D\frac{{Ns}}{{s + N}} Ds+NNs 这里 N N N 1 1 1 K d = 0.5 , 1 , 1.5 {K_d} = 0.5,1,1.5 Kd=0.5,1,1.5 ,如图所示。可以看到 越大响应速度越快具有超前预测,当选取合适的 Kd可以看到达到平稳时响应时间短,系统平稳
      在这里插入图片描述
    2. 总结PD控制特点
      比例控制对于惯性较大对象,控制过程缓慢,控制品质不佳。比例微分控制可提高控制速度,对惯性较大对象,可改善控制质量,减小偏差,缩短控制时间。PD调节具有提高系统稳定性、抑制过渡过程最大动态偏差的作用。

    2.5比例积分微分控制(PID)仿真分析

    1. 看到上述 P I PI PI 控制系统响应,观察到其虽然消除了系统响应误差,但是系统响应速度非常慢,为了提高系统稳定情况下还能提高系统响应速度,在 P I PI PI 的基础上引入微分控制形成常见 P I D PID PID 控制,在上述 K p = 0.2 , K i = 0.0008 K_p=0.2,K_i=0.0008 Kp=0.2,Ki=0.0008情况下 N N N 1 1 1 K d = 1.8 , 3 , 0 K_d=1.8,3,0 Kd=1.8,3,0 。可以看到当取到合适的 K d K_d Kd 时可以使系统响应速度加快,系统更稳定。
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    2. PID控制特点总结
      将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起, 只要三项作用的强度配合适当,既能快速调节,又能消除余差,可得到满意的控制效果。

    3 开环系统实验

    3.1 一节惯性环节

      一阶惯性环节微分方程 T d c ( t ) d t + c ( t ) = r ( t ) T\frac{{dc\left( t \right)}}{{dt}} + c\left( t \right) = r\left( t \right) Tdtdc(t)+c(t)=r(t)
      传递函数: T s c ( s ) − T c ( 0 ) + c ( s ) = r ( s ) ⇒ c ( s ) = 1 T s + 1 r ( s ) + T c ( 0 ) T s + 1 Tsc\left( s \right) - Tc\left( 0 \right) + c\left( s \right) = r\left( s \right) \Rightarrow c\left( s \right) = \frac{1}{{Ts + 1}}r\left( s \right) + \frac{{Tc\left( 0 \right)}}{{Ts + 1}} Tsc(s)Tc(0)+c(s)=r(s)c(s)=Ts+11r(s)+Ts+1Tc(0)
      这里 r ( t ) r(t) r(t) 为阶跃响应 r ( s ) = 250 s r\left( s \right) = \frac{{250}}{s} r(s)=s250 ,假设系统初始值为c(0)=160,T=25,由终值定理可以得出为250,即系统传递函数为 c ( s ) = 160 s + 10 s ( s + 1 25 ) = 250 − 90 e − t T c\left( s \right) = \frac{{160s + 10}}{{s\left( {s + \frac{{\rm{1}}}{{{\rm{25}}}}} \right)}} = 250 - 90{e^{ - \frac{t}{T}}} c(s)=s(s+251)160s+10=25090eTt
      一阶惯性环节simulink仿真模块及仿真结果如图所示,可以看到仿真值在不断靠近终值但就是不等于。
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    3.2 二节惯性环节

      传递函数: W ( s ) = K ( T 1 s + 1 ) ( T 2 s + 1 ) W\left( s \right) = \frac{K}{{\left( {{T_1}s + 1} \right)\left( {{T_2}s + 1} \right)}} W(s)=(T1s+1)(T2s+1)K
      这里设置 T 1 = 25 , T 2 = 2 , K = 30 T_1=25,T_2=2,K=30 T1=25T2=2K=30 , r ( s ) = 30 s r(s) = \frac{{30}}{s} r(s)=s30
      即二阶惯性环节为: W ( s ) = 30 ( 25 s + 1 ) ( 30 s + 1 ) W\left( s \right) = \frac{{30}}{{\left( {25s + 1} \right)\left( {30s + 1} \right)}} W(s)=(25s+1)(30s+1)30
      Simulink仿真模块,仿真结果图如图所示
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    3.3 二节惯性环节与纯延迟系统

      在上述的二阶惯性环节上加一个纯延迟环节即可
      这里纯延迟为 e − 100 s {e^{ - 100s}} e100s,系统传递函数为 W ( s ) = 30 ( 25 s + 1 ) ( 30 s + 1 ) e − 100 s W\left( s \right) = \frac{{30}}{{\left( {25s + 1} \right)\left( {30s + 1} \right)}}{e^{ - 100s}} W(s)=(25s+1)(30s+1)30e100s
      Simulink仿真模块,仿真结果如图所示,延迟100s后开始响应,并且响应曲线也成s形增长
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  • 当房间的温度不能保持目标温度时,这个系统中的某个部件肯定出现问题了,也许是过滤器太脏引起压强差过大,冷风不能进入房间,也许是管道不够密封了,也许是风扇出现问题了,很多种情况,需要通过诊断判断出到底问题...

            当房间的温度不能保持目标温度时,这个系统中的某个部件肯定出现问题了,也许是过滤器太脏引起压强差过大,冷风不能进入房间,也许是管道不够密封了,也许是风扇出现问题了,很多种情况,需要通过诊断判断出到底问题出在哪里。

            还有对于fuzzylogic的运用,比如过滤器两断的压强差可以分三个阶段,依次说明过滤器损坏能力越来越差,最后需要更换。

            这个题目之前还有一些对系统的分析,我分析完了觉得风机是最容易出现问题的,所以就对风机做了诊断。能不能在系统上并联一个风机只是示意提高了系统的安全性,如果坏了可以转换另一个。

    外的温度保持恒温 18ºc, 室内运行计算机,有散热,需要室内温度保持:

    在 23ºc,当室内温度大于 23 ºc 小于 28 ºc 电风扇开一档;

    当室内温度大于 28 ºc 小于 33 ºc 电风扇开二档;

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  • 基于stm32的智能家居语音控制系统

    千次阅读 2021-02-25 13:42:13
    智能家居语音控制系统 摘要: 随着计算机技术和电子信息技术的高速发展,特别是近年来在物联网建设的推动下,智能家居越来越受到人们的关注。本设计基于STM32单片机和ICRoute公司生产的非特定语音识别芯LD3320,采用软...

    智能家居语音控制系统
    摘要: 随着计算机技术和电子信息技术的高速发展,特别是近年来在物联网建设的推动下,智能家居越来越受到人们的关注。本设计基于STM32单片机和ICRoute公司生产的非特定语音识别芯LD3320,采用软硬件结合实现语音控制家居。
    关键词:智能家居 语音识别 ASR LD3320
    一、设计方案论证分析
    1.1语音识别系统的结构与功能设计
    1.1.1人机交互系统的结构
    语音识别系统,其实就是实现语音识别为交互手段来实现人机交互的系统;如下图1-2所示的是最为经典的交互模型-Norman模型的结构图。人机交互系统主要由系统、用户、输入、和输出四个部分组成。
    在这里插入图片描述

    用户设定目标,通过进行语音输入进行表达意愿,输入的语音信号通过处理传送给系统,系统再根据具体的描述来完成相应的任务;完成循环部分的执行阶段;系统与用户建立通信,并且将结果反馈给用户,并且对照目标进行评估,整个过程完成了、表达、执行、表现、和观察四种形态的转变;

    图1-2人机交互模型
    1.1.2语音交互系统的结构
    语音交互系统是基于人机交互系统下的以语音作为交互通道的系统,其关键技术主要是语音识别技术和硬件处理模块。本文以嵌入式平台为基础,构思了如下图1-3所示的一个基于语音识别环境下的人机交互系统模型。

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  • 电赛-风力摆控制系统

    千次阅读 2021-02-28 19:13:12
    关注v-x-公-众-号:【嵌入式基地】 后-台-回-复:【电赛】 即可获资料 回复【编程】即可获取 包括有:C、C++、C#、JAVA... 原文链接 ...电子设计大赛资料分享: ...提取码:jdxj 更多资料请关注vx公众号 风力摆控制系统摘要1

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    摘要

    本设计由MC9S12XS128MAL单片机控制模块、角度检测模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。由BTN7971驱动12V、1.2A的直流风机作为风力摆的动力源,MMA7361采集风力状态角,单片机处理状态角数据后通过PID调节直流风机控制风力摆,实现在直流风机作为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止,画圆的功能。为了使测控系统控制更为精确,在采集数据的过程中采用了非线性误差校正以及卡尔曼滤波等数据处理方法。同时设计中考虑到可能存在的各种干扰因素,采用软硬件结合的抗干扰方法提高系统控制的稳定性。经过反复的测验,该方案完全能够实现题目要求!

    关键字:单片机 闭环 风力摆控制系统 卡尔曼滤波

    1. 方案论证与比较

    1.1. 系统主控芯片选择

    方案一:采用AT89C51系列单片机作为控制的核心。51单片机价格便宜,应用广泛,I/O口的设置和使用操作简单。但是51单片机的运行速度过慢,抗静电抗干扰能力弱,内部资源和存储器功能较少,而且无ADC,还需要用外接电路实现AD转换,使硬件电路变得复杂。另外,51单片机完成系统功能较为困难。

    方案二:采用MC9S12XS128MAL作为控制核心。MC9S12XS128MAL是Freescale公司生产的16位单片机,储存功能强大,具有丰富的输入/输出端口资源,具有多种寄存器功能,而且端口引脚大多为复用口,具有多功能,所有端口都具有通用I/O口功能。内部本身自带PWM、A/D转换功能,可以直接用,省去了单独做PWM模块和A/D转换模块,节省大量时间。完全能够实现本系统的所有功能。

    综合考虑,本系统选择方案二

    1.2. 风力摆动力系统方案选择

    根据题目要求,用2~4只直流风机,共有一下三种方案选择:

    方案一:采用两只风机作为系统动力系统。两只风机并排同向而立,分别固定摆杆两侧,通过控制两个风机转速产生不同风力控装置摆动是激光笔划线画圆。此方案遂犯负载亲,但是在很难控制风力摆的状态修正和制动。

    方案二:采用三只风机作为动力系统。三只风机成等边三角形相背而立,互成120度夹角(外角)。此方案相对于方案一在控制风力摆转动过程中状态修正方面有提升,而且对于画圆有一定优势,但是不好掌握相邻风机的推力,在控制系统运动方向难度很大。
    方案三:采用四只直流风机作为动力系统。四只风机两两背靠背而立,中间用碳纤维棒将四只风机固定成十字架形状。

    综合上述比较分析,考虑到系统的快速工作以及精确控制,本系统采用方案三。

    1.3. 角度检测方案的选择与论证

    方案一:角位移电位器。角位移电位器属于二位平面内角位移传感器测量摆动时关于静止状态时的偏转角,通过该偏转角控制流风机的状态。但是角位移电位器只能检测出二维平面内的角度变化,不利于检测风力摆的空间位置。

    方案二:选用三轴加速度传感器。三周加速度传感器具有体积小和重量轻的特点,可以测得空间加速度,能够全面准确反映物体的运动的空间位置。此方案课精确测量风力摆的当前状态,实现对风力摆的精确控制。

    综合考虑,本系统选择方案二。

    1.4. 电机驱动模块的选择与论证

    方案一:使用L298芯片实现电机驱动。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,及内部含两个H桥的双全桥驱动器,接受TTL逻辑电平信号通过PWM实现直流风机调速。但是L298驱动大功率电机时发热严重易烧毁芯片。

    方案二:使用英飞凌的BTN7971驱动芯片。BTN7971是大功率集成半桥驱动芯片,在单一封装中集成了PMOS和NMOS高低侧功率开关以及门驱动器,还集成了逻辑控制电路和一些保护检测功能,能够防止过热、过压、欠压、过流和短路。

    综合考虑,本系统选择方案二。

    1.5. 算法选择

    算法有很多种,它的选择很重要,它决定处理系统的性能质量和可行性。

    方案一:自适应算法。自适应过程是一个不断逼近目标的过程。单片机读取传感器采集来的风力摆空间位置来控制风力摆的运动,但是由于该系统变化太快,自适应算法调节方式难以达到系统要求。

    方案二:PID算法。在过程控制中,按比例、积分和微分的函数关系,对系统模型进行运算分析,将其运算结果用以输出控制。控制精度高,且算法简单明了。

    2. 系统设计

    2.1. 系统总体设计

    根据上述方案论证,我们最终确定了以MC9S12XS128MAL单片机作为中央处理器,采用型号为MMA7361的模拟加速度陀螺仪检测风力摆的空间位置,使用BTN7971芯片驱动4个大功率直流风机。总体框图如下图2.1所示。

    在这里插入图片描述

    2.2. 模块电路设计

    1、 角度传感器

    角度传感器选用蓝宙电子生产的3轴陀螺仪+3轴模拟加速度传感器MMA7361模块。该模块具有ENC-03M(全新包装)三轴陀螺仪传感器、MMA7361三轴模拟量输出。

    2、 电机驱动模块

    BTN7971驱动芯片电路图如图2.2所示,BTN7971属于半桥驱动芯片,所以用两个芯片组成一个完整的全桥驱动芯片,如图2(b)所示。由于直流风机无法反转,将风机地端连载一起,将电源端接入驱动电路中的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4,将驱动电路的输入口接单片机PWM1、3、5、7口,通过个给驱动输入PWM值台阶风机速度达到对风机控制目的。

    在这里插入图片描述

    3、 拨码开关

    在单片机的PB口接一个拨码开关,实现人机交互功能。当拨动一个值后,系统会切换一个系统模式,完成本系统的全部功能操作。该模块方便选择各种模式。

    3. 系统理论分析与计算

    3.1. 风力摆的运动控制分析

    风力摆采用4只功率为12V、1.2A的大功率直流风机为动力驱动系统。模拟加速度陀螺仪采集风力摆的当前的角度,单片机处理角度信息输出PWM占空比,控制4只风机的工作状态,从而实现对风力摆的控制。

    在这里插入图片描述

    3.2. 系统算法的分析

    本系统采用PID算法来控制流风机的转动速度,流风机开始工作后,姿态采集模块不断采集当前风力摆的空间位置角度,并与之前的状态比较,是的风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法由风力摆转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。

    其输入e(t)与输出U(t)的关系为:U(t)=P*[e(t)+1/I∫e(t)dt+D*de(t)/dt]
    它的传递函数为:G(s) = U(S) / E(S) = P * [ 1 + 1 / ( I * s ) + D * s ]

    风力摆转动角度比例P:对风力摆角速度进行比例调节,即对风机转动速度调整。比例越大,调节速度越快,但不能过大,过大可能造成四风机因工作状态的突变而使摆杆不稳定。

    角度误差积分I:使系统消除稳态误差。计入微分调节使系统稳定系数下降,动态相应变慢。根据本系统要更快更稳完成风力摆的控制,本系统对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。

    角度微分D:微分反映风力摆角度的变化率,具有可预见性,能预见偏差变化的趋势因此产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分作用调节消除。因此,可以改善系统的动态性能。在为分时间选择合适情况下,减少调节时间。

    4. 软件设计

    4.1. 程序功能描述与设计思路

    系统软件实现的功能如下:
    1、读取陀螺仪数据,将数据反馈给单片机;
    2、单片机将读取数据的模拟量AD转换为数字量后,将相对应的PWM波发送给轴流风机;
    3、控制平衡板;
    4、拨码开关控制;
    5、数据汇总做出判断。

    4.2. 程序流程图

    在这里插入图片描述

    系统主程序流程图如下图所示,进入主程序并初始化后,等待拨码开关的状态执行相应程序,每个程序能完成一项要求,各子模块是独立模块,结构清楚。

    5. 电路原理图

    在这里插入图片描述

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  • 基于51单片机的智能灯光控制系统

    千次阅读 2021-08-10 22:37:44
    智能灯光控制系统由单片机最小系统、人体感应模块、关照强度模块、灯光控制模块、电源模块和灯泡组成。本文以STC89C52单片机为核心,通过利用光照度和红外人体感应相结合主动与被动的探测方法,现了室内无人或者关照...
  • 第二节 控制系统的数学模型——传递函数

    千次阅读 多人点赞 2021-05-10 19:57:28
    第二节 控制系统的数学模型——传递函数 了解数学模型的概念,自动控制原理都包含哪些数学模型,怎样将系统转换为数学模型 什么是控制系统的数学模型?控制系统的模型有哪些种? 数学模型是用来描述系统因果关系的...
  • 控制系统时域分析实验报告.doc

    千次阅读 2021-04-19 01:55:40
    实验报告课程名称: 控制理论 指导老师: 包哲静 成绩:实验名称: 控制系统时域分析 实验类型: 同组学生姓名:一、实验目的和要求(必填)二、实验内容和原理(必填)三、主要仪器设备(必填)四、操作方法和实验步骤五...
  • 自动控制理论根轨迹的学习过程中,经常会遇到几个问题: 1. 为什么要用根轨迹法? 2. 为什么根轨迹法最终转化为调整增益K来反应系统的稳定性和动态性能? 3. 为什么根轨迹法用开环传递函数求解的却是闭环极点? 盲目...
  • 27-基于51单片机的空调温度控制系统

    千次阅读 2021-03-07 00:16:50
    系统由STC89C51单片机+LCD1602液晶显示屏+L298N控制模块+直流电机+DS18B20温度传感器构成。 具体功能: (1)实现L298N对电机的控制,利用LCD1602直接、清晰明了的显示温度; (2) 基于测得的温度实现对电机转速...
  • MATLAB判别控制系统的稳定性

    千次阅读 2021-10-08 14:27:56
    MATLAB判别控制系统的稳定性 需要用到的函数: 1.直接判定:eig函数 使用方法: >> eig(A) eig函数用于求取特征值和特征向量,此 MATLAB 函数 返回一个列向量,其中包含方阵 A 的特征值。 不论系统的模型A是...
  • 在MATLAB中实现水箱液位控制系统的设计【摘要】本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用计算机技术,自动控制技术,以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析,并采用实验...
  • 29-基于51单片机的步进电机控制系统

    千次阅读 2021-03-09 18:52:25
    系统由STC89C52单片机+单体数码管+LED指示灯+ULN2003驱动芯片+DC-5V步进电机构成。 具体功能: (1)实现按键控制步进电机正转、反转、加速、减速、停止; (2)2个发光二极管显示正反转,1位7段LED数码管显示...
  • 电力拖动控制系统作业答案1

    万次阅读 2021-08-28 15:30:02
    电力拖动控制系统作业答案1 转速单闭环调速系统有那些特点? 改变给定电压能否改变电动机的转速?为什么? 如果给定电压不变,调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速?为什么? 如果测速发电机的励磁发生了变化,系统...
  • 1 控制系统设计 1.1 控制策略 高质量的逆变电路要求输出波形稳态精度高、动态响应快。开环控制的逆变器难以达到这两方面的要求,而闭环控制的逆变器精度高、输出电压电流可控、受系统参数变化影响小,因此闭环控制是...
  • 文章目录系列文章目录前言一、运动控制系统架构(参考一)1.控制框图2.控制原理(1)前向通道的控制原理(2)反馈通道的控制原理二、运动控制系统架构(参考二)1.控制框图2.控制流程原理 前言 认知有限,望大家...

空空如也

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