油液混合動(dòng)力車(chē)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)及其控制策略分析

徐 磊，何曉暉，王 強(qiáng)

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心， 南京 210007)

車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中，大量能量轉(zhuǎn)化為熱能而損失，發(fā)熱的同時(shí)導(dǎo)致車(chē)輛零部件的壽命縮短[1]。近年來(lái)混合動(dòng)力車(chē)輛的研發(fā)使得車(chē)輛的制動(dòng)能量得到回收再利用[2]，節(jié)約能源的同時(shí)保護(hù)了環(huán)境。油液混合動(dòng)力車(chē)輛[3]是以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源，電子單元控制的液壓驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車(chē)輛。其驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)主要由機(jī)械動(dòng)力裝置和液壓動(dòng)力裝置組成，二者布置方式的不同會(huì)影響到車(chē)輛的能量回收效率、操控性和機(jī)動(dòng)性等性能。

本文主要分析驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力裝置不同的布置方式對(duì)于整車(chē)性能的影響，闡述不同系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路，論述核心控制技術(shù)，分析在不同應(yīng)用場(chǎng)合下不同的控制策略各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處，最后介紹了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 油液混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)

在油液混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)械動(dòng)力裝置和液壓動(dòng)力裝置二者之間布置方式的不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種方式[4]，每種方式分別有不同的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)合。由于油液混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓元件組成，對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)影響很大，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)涉及整車(chē)結(jié)構(gòu)，對(duì)于整車(chē)的研發(fā)至關(guān)重要。

1.1 串聯(lián)式系統(tǒng)

采用液壓驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車(chē)輛，整車(chē)的能量在發(fā)動(dòng)機(jī)與雙向變量液壓馬達(dá)之間雙向傳遞。車(chē)輛制動(dòng)時(shí)雙向變量馬達(dá)以液壓泵的形式工作，將車(chē)輛的制動(dòng)能回收儲(chǔ)存在蓄能器中，在需要的時(shí)候釋放出來(lái)。如圖1所示。由于原先的車(chē)輛機(jī)械制動(dòng)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以被液壓系統(tǒng)所替代，使其在提高底盤(pán)離地間隙的前提下增強(qiáng)車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能，因此在復(fù)雜道路環(huán)境下其有很大的應(yīng)用前景。串聯(lián)式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，但是回收效率不高。串聯(lián)式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛速度精確的無(wú)極調(diào)節(jié)[5]，配合整車(chē)的控制策略，能使整車(chē)始終工作在最佳燃油區(qū)域，達(dá)到高效節(jié)能的目的[6]。

1.2 并聯(lián)式系統(tǒng)

如圖2所示，內(nèi)燃機(jī)作為并聯(lián)式液壓驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車(chē)輛的主要?jiǎng)恿υ碵7]，液壓制動(dòng)回收模塊作為輔助能量源[8]。與串聯(lián)式系統(tǒng)相比，采用并聯(lián)式液壓驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車(chē)輛雖然在節(jié)能和機(jī)動(dòng)性上不如串聯(lián)式的液壓驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車(chē)輛，但是，這種驅(qū)動(dòng)形式的布置可以使得車(chē)輛的能量利用率高[9]。

由于它還可以單獨(dú)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，行駛過(guò)程中平穩(wěn)安全，因此，這種系統(tǒng)更適合在城市公交類(lèi)似的經(jīng)常需要啟停的車(chē)輛中。

1.3 混聯(lián)式系統(tǒng)

如圖3所示，混聯(lián)式液壓驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)[10]由串聯(lián)式和并聯(lián)式發(fā)展而來(lái)，它兼有串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，使得內(nèi)燃機(jī)與蓄能器之間的能量和功率匹配得到優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)型和動(dòng)力性的最佳結(jié)構(gòu)[11]。但是，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[12]，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)難度較大，成本高[13]，目前國(guó)內(nèi)外的研究大多停留在計(jì)算機(jī)仿真階段，隨著技術(shù)的逐步成熟將來(lái)會(huì)有很大的應(yīng)用前景。

根據(jù)動(dòng)力元件不同的布置方式，其特點(diǎn)可以總結(jié)如表1所示。

表1 不同油液混合動(dòng)力車(chē)輛系統(tǒng)比較

2 控制策略

油液混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究是整車(chē)控制系統(tǒng)的重要組成部分，控制策略涉及到整車(chē)的方方面面。本文主要分析串聯(lián)式油液混合動(dòng)力車(chē)輛的控制策略，涉及驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)工況協(xié)調(diào)控制、液壓四輪轉(zhuǎn)向控制、防滑控制和能量控制等核心控制技術(shù)。目前串聯(lián)式的油液混合動(dòng)力車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略研究較為單一，缺乏系統(tǒng)完善研究。

2.1 驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)工況協(xié)調(diào)控制策略

驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)工況控制[14]是指對(duì)油液混合動(dòng)力車(chē)輛的液壓馬達(dá)排量進(jìn)行控制，從而應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛在驅(qū)動(dòng)制動(dòng)工況的協(xié)調(diào)控制。南京理工大學(xué)常思勤[15]對(duì)于新型油液混合動(dòng)力車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)/控制工況在常規(guī)PID基礎(chǔ)上加入了模糊控制規(guī)則，開(kāi)發(fā)了帶修正因子規(guī)則的自適應(yīng)模糊控制器，如圖4所示。針對(duì)城市客車(chē)，采用了國(guó)標(biāo)(GB/T18386—2001)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[16]，市區(qū)循環(huán)工況分別運(yùn)用修正因子的自適應(yīng)模糊控制器和模糊PID控制器進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比，結(jié)果表明，采用帶修正因子的自適應(yīng)模糊控制器的系統(tǒng)具有系統(tǒng)輸出響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性高、超調(diào)量小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有較強(qiáng)的抵抗系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化和外界擾動(dòng)的能力。車(chē)輛在實(shí)際行駛過(guò)程中，根據(jù)駕駛員踩下油門(mén)踏板或者剎車(chē)踏板的角度變化，通過(guò)一定的參數(shù)轉(zhuǎn)化，使之成為能控制液壓馬達(dá)排量的參數(shù)，從而在一定程度上滿足駕駛員的駕駛意圖[17]。但是這種單純的以踏板的角度變化作為控制輸入，很難把握駕駛員的真正意圖，同時(shí)控制精度不高。

為更好地滿足駕駛員意圖，哈爾濱工業(yè)大學(xué)伊永亮[18]提出了采用滑膜變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。分別對(duì)不同擋位、不同系統(tǒng)起始?jí)毫推鸩焦r下車(chē)輛速度的跟蹤進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化和外界環(huán)境因素的變化，采用組合趨近律的方式，對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了離散滑膜控制器。在Simulink的環(huán)境下建模并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明，基于組合趨近律的離散滑模控制器同模糊PID控制器相比，有著更強(qiáng)的抵抗系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化和外界環(huán)境因素變化的能力，這種控制器能滿足驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)所需的控制性能。目前，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)研究機(jī)構(gòu)對(duì)于油液車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)工況控制策略的研究大多將傳統(tǒng)PID控制與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，從而大幅增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和控制精度。目前，最大的困難就是解決此類(lèi)車(chē)輛的駕駛體驗(yàn)與常規(guī)車(chē)輛的差別，使其容易被消費(fèi)者所接受。

2.2 液壓四輪轉(zhuǎn)向控制策略

油液混合動(dòng)力車(chē)輛的液壓系統(tǒng)采用串聯(lián)式，在該系統(tǒng)中的液壓雙向變量馬達(dá)可以在四個(gè)象限工作，因此與傳統(tǒng)車(chē)輛傳動(dòng)形式不同的是可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的并行傳動(dòng)，從而充分提高車(chē)輪的地面附著力，而且在提高其制動(dòng)和穩(wěn)定性能的同時(shí)提高車(chē)輛的越野性能。由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以無(wú)極變速，使得車(chē)輛速度能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的調(diào)節(jié)，同時(shí)也易于操控，但是采用這種結(jié)構(gòu)的車(chē)輛在四輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制方面存在難度[19]。目前為止，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣、最成熟的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)為德?tīng)柛uadrasteer四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(Four Wheel Steering)以及全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向技術(shù)(Precision All Wheel Steer)[20]。盡管四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用在一些車(chē)輛上，但由于控制的復(fù)雜性導(dǎo)致還不能完美地應(yīng)用到串聯(lián)式的油液混合動(dòng)力車(chē)中，同時(shí)也不能很好地滿足車(chē)輛在彎道處行駛高速性和穩(wěn)定性的要求[21]。吉林大學(xué)的王慶年等[22]進(jìn)行了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛各輪的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制動(dòng)力學(xué)理論分析。并且運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)車(chē)輛各輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制研究，其控制模型如圖5所示。該控制策略基本達(dá)到了控制目的，缺點(diǎn)是控制精度有待提升。

日本Ando N等[23]提出了一種車(chē)輛縱橫向動(dòng)力學(xué)分配的方法，這種方法以車(chē)輛能夠準(zhǔn)確循跡為目標(biāo)，以最小二乘法為理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)車(chē)輛的橫向力控制以及橫擺力矩的補(bǔ)償進(jìn)行了分析，最終在整體上降低車(chē)輛的循跡錯(cuò)誤概率，使得車(chē)輛在行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性得到了一定保證。類(lèi)似的，伊朗Hakima A等[24]設(shè)計(jì)了基于車(chē)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的滑模控制器，通過(guò)仿真表明了滑膜控制策略可以平衡各輪間的轉(zhuǎn)矩，也使得車(chē)輛可以具有理想的循跡能力。

2.3 防滑控制策略

南京理工大學(xué)韓文[11]運(yùn)用模糊控制對(duì)于新型油液混合動(dòng)力車(chē)輛在驅(qū)動(dòng)工況的防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)和制動(dòng)工況的防抱死系統(tǒng)在Simulink的環(huán)境下建立了仿真模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明，采用模糊控制的防滑系統(tǒng)可以防止在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)輪胎抱死和滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。清華大學(xué)張利鵬[25]針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩運(yùn)用自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)防滑控制展開(kāi)了研究，提出一種通過(guò)利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑的控制(直接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制)法，并將其與采用最佳滑轉(zhuǎn)率的比例積分控制和動(dòng)態(tài)等轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)控制相結(jié)合，開(kāi)發(fā)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)防滑控制器(如圖6所示)，對(duì)車(chē)輛在模擬路面上的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行仿真，并且將實(shí)車(chē)在道路上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和試驗(yàn)同時(shí)表明，所開(kāi)發(fā)控制器在使低附著系數(shù)路面上驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率接近最佳值的同時(shí)，保障了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的橫向穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平滑控制，同時(shí)一定程度上降低了對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)造成的沖擊。

天津大學(xué)劉志新等[26]也是以車(chē)輛的滑轉(zhuǎn)率為調(diào)節(jié)對(duì)象，將ASR算法應(yīng)用到基于模糊 PID控制的驅(qū)動(dòng)防滑控制的控制器中。以發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的閥口大小為控制對(duì)象，開(kāi)發(fā)了模糊 PID控制器，并對(duì)于該控制器的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，最后在均一低附著路面以及分離路面的模擬環(huán)境下，運(yùn)用Simulink仿真軟件進(jìn)行了建模和動(dòng)態(tài)仿真。對(duì)比仿真結(jié)果，表明運(yùn)用了ASR算法的模糊PID控制，其性能較模糊PID控制有著更加優(yōu)越的控制性能。湖南大學(xué)余晃晶等[27]針對(duì)汽車(chē)防滑控制系統(tǒng)的可調(diào)度進(jìn)行研究，利用AADL為控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)OSATE對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)中的調(diào)度線程、計(jì)算時(shí)間和處理器性能之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

以上對(duì)于防滑策略的研究都是將現(xiàn)有控制策略與先進(jìn)的算法相結(jié)合，借鑒非混合動(dòng)力車(chē)輛的控制流程，通過(guò)建立模型在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真，達(dá)到預(yù)期目的，但是缺少實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果的驗(yàn)證。

2.4 能量管理策略

由于串聯(lián)式油液混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)[28](內(nèi)燃機(jī)、液壓泵和蓄能器)之間互相協(xié)調(diào)共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，各自的最佳效率區(qū)存在不同，因此要使得車(chē)輛時(shí)刻工作在最佳燃油區(qū)，需要對(duì)每一工況下的能量控制進(jìn)行研究。Rajagopalan[29]提出的能量管理預(yù)測(cè)控制策略采用了兩個(gè)控制器(主控制器和預(yù)測(cè)控制器)。主控制器采用瞬時(shí)能量管理控制策略，而預(yù)測(cè)控制器采用模糊能量管理控制規(guī)則，將輸出控制量傳給主控制器修正發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。通過(guò)仿真分析，在相同工況下采用該能量管理策略的車(chē)輛與未采用預(yù)測(cè)控制的車(chē)輛相比較，提高燃油經(jīng)濟(jì)性9%左右，降低氮氧化合物排放約30%。重慶大學(xué)楊陽(yáng)[30]也采用了模糊控制器對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)再生制動(dòng)壓力協(xié)調(diào)進(jìn)行了控制研究，包含模糊控制的雙控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)能量進(jìn)行了全局和瞬時(shí)的控制，有效地提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，但是模糊控制器先驗(yàn)知識(shí)規(guī)則的確定還有一定難度。

為了克服模糊邏輯以及模糊PID需要先驗(yàn)知識(shí)的固有缺陷，合肥工業(yè)大學(xué)錢(qián)立軍[31]為精確計(jì)算駕駛員請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩(駕駛員的駕駛意圖所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩)，提出利用徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合轉(zhuǎn)矩識(shí)別系數(shù)。上海交通大學(xué)林添良[32]以參數(shù)匹配方法，考慮到動(dòng)力部件的瞬態(tài)特性，建立各動(dòng)力部件及傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，制定了基于規(guī)則的控制策略并描述了各驅(qū)動(dòng)模式的成立條件及其動(dòng)力學(xué)方程[33]。為減少程序運(yùn)行時(shí)間，Zhang等人建立了串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車(chē)輛的模型[34]，提出修正動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)控制策略進(jìn)行全局優(yōu)化，并且搭建硬件試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于規(guī)則和修正動(dòng)態(tài)規(guī)劃的控制策略均能實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。引入轉(zhuǎn)矩識(shí)別后，車(chē)速誤差明顯減小，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了4.54%，達(dá)到14.04%。采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，使得車(chē)輛對(duì)于能量控制精度和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

從關(guān)于驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)的分析可以總結(jié)出油液混合動(dòng)力的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中以下幾點(diǎn)：

1) 在不改變傳統(tǒng)駕駛員操作習(xí)慣下，使之盡可能的平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到良好的控制效果。

2) 利用液壓能量易回收和存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)回收制動(dòng)能量，在需要的時(shí)候再釋放到系統(tǒng)中去，從而節(jié)約能源，目前研究在于如何提高節(jié)約能源問(wèn)題。

3) 驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用到具體車(chē)輛時(shí)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的系統(tǒng)布置方式。在城市公交、大型工程機(jī)械中大多運(yùn)用并聯(lián)的系統(tǒng)布置方式，保證系統(tǒng)壓力的同時(shí)達(dá)到一定的能量回收率，而在軍用越野型SUV中，出于對(duì)于車(chē)輛機(jī)動(dòng)性和操控性的要求，使串聯(lián)型系統(tǒng)更加適用。

當(dāng)前相關(guān)控制策略研究趨勢(shì)主要集中在以下幾點(diǎn)：

1) 在驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)工況控制中，運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)和傳統(tǒng)PID相結(jié)合的研究方法，對(duì)整車(chē)的工況進(jìn)行仿真分析，使整車(chē)能在各工況下平穩(wěn)運(yùn)行，目前研究集中在運(yùn)用優(yōu)越的控制策略使整車(chē)能在各工況下更加平穩(wěn)運(yùn)行，以及提高控制精度。

2) 對(duì)于液壓四輪轉(zhuǎn)向控制和防滑控制策略，目前，關(guān)于這方面的控制技術(shù)在很多車(chē)輛上已有應(yīng)用，并且已經(jīng)相對(duì)成熟，目前的研究集中在高度特殊車(chē)輛的系統(tǒng)中，且行駛環(huán)境較為理想，需要有更加適合串聯(lián)式油液混合動(dòng)力車(chē)輛的液壓四輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)，來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣的行駛環(huán)境。

3) 能量控制策略是整車(chē)控制技術(shù)的核心所在，優(yōu)越的能量管理策略可以使得整車(chē)的能源利用率大幅提升。目前的研究對(duì)于并聯(lián)的系統(tǒng)已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于采用串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力的車(chē)輛，完全由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛在能量回收效率上必須有更加適合的能量控制策略。

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