一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法与流程

2021-02-15 07:02:35|

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本发明涉及一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，属于航天器控制领域。

背景技术：

近年来，以甚高分辨率对地观测、远距离激光通信、天基天文观测、高轨sar为代表的航天器对卫星控制系统的精度、稳定度与敏捷性能提出了极高的要求。基于我国现有航天器平台及相关控制技术难以实现这类光学载荷超高精度指向控制需求。而主动指向超静平台具备指向精度高、结构刚度大等优势，将成为未来航天器光学载荷超高精度控制的必备技术。主动指向超静平台的控制精度最终取决于其内部安装的作动器的控制精度，因此提高作动器驱动电路的带宽、降低噪声是提高主动指向超静平台性能指标的关键技术。传统的主动指向超静平台驱动方法存在如下不足：

1)电流驱动能力与精度不能兼顾，无法同时保证高带宽驱动能力与低水平噪声，无法满足高精度高带宽驱动控制要求。

2)驱动电路存在时延特性，无法实现载荷高精度高稳定度指向调节。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，能够实现对输入电流的有效滤波、对输出电流实现高精度反馈、对驱动电路的时延环节进行精确补偿，实现高带宽低噪声驱动控制。

本发明的技术解决方案是：一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，包括如下步骤：

(1)在航天器本体与载荷之间，安装有主动指向超静平台；主动指向超静平台由n个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、音圈电机以及涡流敏感器三部分；音圈电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，涡流敏感器能够测量音圈电机的平动位移；音圈电机包含控制器和驱动电路；控制器产生控制信号，发送给驱动电路；驱动电路将控制信号转换为电压信号，再将电压信号转换为电流信号，驱动音圈电机；

(2)根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型；载荷控制的频域模型中包含驱动电路的理论模型和驱动电路时间常数；

(3)通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；根据步骤(2)载荷控制的频域模型中的驱动电路的理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线，通过不断调整驱动电路时间常数，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致，得到此时对应的驱动电路时间常数，作为时间常数的设计值；

(4)根据步骤(3)的时间常数的设计值，在作动器的音圈电机的控制器中设计超前校正函数，对驱动电路时延特性进行补偿：实现对音圈电机的高带宽低噪声控制，从而实现对主动指向超静平台高带宽低噪声控制。

优选的，弹簧-阻尼被动环节，连接音圈电机的动子和定子，提供被动输出力。

优选的，控制信号为差分信号，控制信号由控制器产生。

优选的，驱动电路，包括：输入信号转换模块、输入信号滤波模块、高精度输出采样模块、差分放大电路模块、误差放大模块、功率放大电路模块和采样电阻；

输入信号转换模块，将控制器产生的控制信号，先转换为电流模拟信号，再进行电流到电压的转换，将电流模拟信号转换为电压模拟信号，作为输入信号转换模块的输出；通过输入信号滤波模块将电压模拟信号进行滤波后，得到低噪声的电压模拟信号，送至差分放大电路模块；差分放大电路模块对低噪声的电压模拟信号进行差分放大后送至误差放大模块；误差放大模块，根据高精度输出采样模块反馈的采样电压信号与差分放大后的低噪声的电压模拟信号，生成电压驱动信号，送至功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流作为功率放大电路模块的输出，同时作为驱动电路的输出，送至音圈电机；

低噪声的驱动电流经过采样电阻进行电压采样后，得到采样电压信号，送至高精度输出采样模块；高精度输出采样模块，对采样电压信号进行输出。

优选的，电流模拟信号是由输入信号转换模块根据控制信号产生的弱电流信号。

优选的，电压模拟信号是输入信号转换模块将电流模拟信号转换为电压后输出的弱电压信号

优选的，低噪声的电压模拟信号输入信号滤波模块对电压模拟信号进行滤波后得到强电压信号。

优选的，误差放大模块，根据高精度输出采样模块反馈的采样电压信号与差分放大后的低噪声的电压模拟信号，生成电压驱动信号。

优选的，在高精度输出采样模块没有反馈时，输入到误差放大模块的电压信号为零。

优选的，步骤(2)建立的载荷控制的频域模型优选为：

kp、kd为作动器控制器参数，s为拉普拉斯算子；t表示驱动电路的时间常数；ip为载荷惯量；gp为传递函数；k为比例系数。

优选的，输入信号转换模块，包括电阻ra和电阻rb；输入信号滤波模块，包括电容c1、电容c2和电容ca；采样电阻为rs；

电阻ra的一端作为驱动电路的输入正端，能够输入控制信号的正端ia，同时连接电容ca的一端和电容c1的一端和差分放大电路的正输入端，电阻ra的另一端接地；电容c1的另一端接地；

电阻rb的一端作为驱动电路的输入负端，能够输入控制信号的负端ib；同时连接电容ca的另一端和c2的一端和差分放大电路的负输入端，电阻rb的另一端接地；电容c2的另一端接地；

功率放大电路模块的输出通过采样电阻rs接地，并且连接高精度输出采样模块的输入。

优选的，(2)根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型，具体为：

设输入信号滤波模块输出的低噪声的电压模拟信号的正负端电压差ui为

其中，等效电阻r＝ra＝rb，

经过差分放大电路模块进行差分放大后信号电压为：

kui，

其中k为差分放大电路模块的差分放大系数。

功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流，即音圈电机的驱动电流is为

因此驱动电路输入到输出的传递函数为：

其中，t＝(c1+c2+ca)r，s为拉普拉斯算子；

单个作动器控制力的表达式为

u＝gud

其中，u为单个作动器控制力，ud为驱动电路输入，即控制信号。

建立载荷动力学线性化模型，为：

其中，ip为载荷惯量，为载荷角加速度，j为从雅克比矩阵，矩阵的元素为每个作动器作用到载荷上的力矩分配系数，优选为

j＝[0.6974-0.06710.7136-0.3129-0.13670.2929；-0.6974-0.06710.7136-0.31290.1367-0.2929；-0.29050.63750.71360.2748-0.20260.2929；0.4068-0.57040.71360.0381-0.3393-0.2929；-0.4068-0.57040.71360.03810.33930.2929；0.29050.63750.71360.27480.2026-0.2929]

控制信号的表达式为：

ud＝(j^t)^-1(kp+kds)θep

其中，θep为载荷姿态误差,kp、kd为作动器控制器参数，kp取值范围优选为100000至150000，kd取值范围优选为35000值45000。

可得载荷控制的频域模型为：

优选的，(3)通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；根据步骤(2)载荷控制的频域模型中的驱动电路的理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线，通过不断调整驱动电路时间常数，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致，得到此时对应的驱动电路时间常数，作为时间常数的设计值，具体为：

通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；具体为：向输入信号转换模块输入10^-2～10²hz之间的正弦电流，通过测量功率放大电路模块输出的低噪声的驱动电流的幅值和相位，得到一系列的不同频率输入下的驱动电路频域响应，包括：幅频响应和相频响应；

将各个频率输入下的驱动电路幅频响应和相频响应分别描点连线，绘制驱动电路的实测频率特性曲线；

将作为理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线，通过不断调整t，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致；则得到调整后的t，记为时间常数的设计值t0；

优选的，超前校正函数，记为g2，优选为：

其中，t2为超前校正参数(取值范围优选为0.0001至0.0005)，且t2<t，即可实现对驱动电路的时延特性进行补偿。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够同时实现高带宽与低噪声驱动控制，通过分别设计滤波电路和频率特性调节模块，实现了作动器驱动电路的高带宽和低噪声同时实现。通过设计滤波电路，使得输入电压的噪声下降一个数量级，通过配置频率特性调节模块，使得驱动电路带宽得到有效提高。

(2)本发明能够对驱动电路中的时延环节实现精确补偿，通过建立驱动电路简化模型，得到驱动电路的时间常数表达式，通过实测的方法对时间常数进行辨识，得到驱动电路时间常数的数值。接着通过设计超前校正网络，实现对驱动电路中的时延进行补偿，进一步提高了整个系统的相位裕度。

(3)本发明实现了对主动指向超静平台模型存在不确定性条件下的高精度控制，通过将载荷动力学模型建立在载荷控制的频域模型中，使得主动指向超静平台模型的不确定环节在每个作动器的控制中得到补偿，进一步提高了控制的精度。

附图说明

图1为作动器驱动电路结构图；

图2为载荷控制回路频率特性示意图；

图3为设计的超前校正网络的频率特性示意图；

图4为补偿后的载荷控制回路频率特性示意图。

图5为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型；载荷控制的频域模型中包含驱动电路的理论模型和驱动电路时间常数；通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；根据载荷控制的频域模型中的驱动电路的理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线，通过不断调整驱动电路时间常数，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致，得到此时对应的驱动电路时间常数，作为时间常数的设计值，在作动器的音圈电机的控制器中设计超前校正函数g2，对驱动电路时延特性进行补偿：实现对音圈电机的高带宽低噪声控制，从而实现对主动指向超静平台高带宽低噪声控制，为航天器载荷的高精度控制提供保障。

本发明方法一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，适用于高分辨率对地观测、天基天文观测等航天器姿态控制领域。航天器对卫星控制系统的精度、稳定度与敏捷性能提出了极高的要求。基于我国现有航天器平台及相关控制技术难以实现这类光学载荷超高精度指向控制需求。而主动指向超静平台具备指向精度高、结构刚度大等优势，将成为未来航天器光学载荷超高精度控制的必备技术。主动指向超静平台的控制精度最终取决于其内部安装的作动器的控制精度，本发明将解决高带宽驱动能力与低水平噪声不能兼顾的问题，补偿驱动电路存在的时延特性，满足高精度高带宽驱动控制要求。

航天器主动指向超静平台控制系统的控制对象，包括：航天器本体、载荷和主动指向超静平台；主动指向超静平台用于抑制航天器本体的扰动并实现载荷超高精度指向与超高稳定度控制。载荷用于对目标进行高质量成像观测。

航天器主动指向超静平台控制系统，包括：测量敏感器；所述测量敏感器，包括：载荷测微敏感器、星敏感器；载荷测微敏感器能够测量载荷的角速度、星敏感器能够测量载荷的惯性姿态。

在航天器本体与载荷之间，安装主动指向超静平台；安装主动指向超静平台由n个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、音圈电机以及位移传感器三部分：音圈电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，位移传感器能够测量直线电机的平动位移；音圈电机为主动环节，包含控制器和驱动电路；控制器产生控制信号，发送给驱动电路；驱动电路将控制信号转换为电压信号，再将电压信号转换为电流信号，驱动音圈电机，从而控制载荷姿态；弹簧-阻尼被动环节直接连接航天器本体与载荷，提供辅助隔振与支撑。

如图5所示，本发明一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，步骤依次如下：

(1)在航天器本体与载荷之间，安装有主动指向超静平台；主动指向超静平台由n个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、音圈电机以及涡流敏感器三部分；音圈电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，涡流敏感器能够测量音圈电机的平动位移；音圈电机包含控制器和驱动电路；控制器将产生控制信号(控制信号优选由主动指向超静平台预存的控制算法产生)发送给驱动电路；驱动电路将控制信号转换为电压信号，再将电压信号转换为电流信号，驱动音圈电机，优选方案具体如下：

如图1所示，驱动电路，包括：输入信号转换模块、输入信号滤波模块、高精度输出采样模块、差分放大电路模块、误差放大模块、功率放大电路模块和采样电阻；

输入信号转换模块，将控制器产生的控制信号，先转换为电流模拟信号，电流模拟信号为弱电流信号，再进行电流到电压的转换，将电流模拟信号转换为电压模拟信号，电压模拟信号为弱电压信号，作为输入信号转换模块的输出；通过输入信号滤波模块将电压模拟信号进行滤波，滤波公式优选为

滤波后，得到低噪声的电压模拟信号，低噪声的电压模拟信号为噪声平滑的弱电压信号，送至差分放大电路模块；差分放大电路模块对低噪声的电压模拟信号进行差分放大后送至误差放大模块；误差放大模块，根据高精度输出采样模块反馈的采样电压信号(高精度输出采样模块反馈无反馈时，该采样电压信号为0)与差分放大后的低噪声的电压模拟信号，生成电压驱动信号，为

kui；

其中k为差分放大电路模块的差分放大系数。

电压驱动信号送至功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流作为功率放大电路模块的输出，同时作为驱动电路的输出，送至音圈电机驱动音圈电机，同时通知采样电阻；低噪声的驱动电流经过采样电阻进行电压采样后，得到采样电压信号，送至高精度输出采样模块(精度优选为1毫伏)；高精度输出采样模块，对采样电压信号进行输出。

(2)根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型；载荷控制的频域模型中包含驱动电路的理论模型和驱动电路时间常数；优选方案具体如下：

输入信号转换模块，包括电阻ra和电阻rb；输入信号滤波模块，包括电容c1、电容c2和电容ca；采样电阻为rs；

功率放大电路模块的输出通过采样电阻rs接地，并且连接高精度输出采样模块的输入；

根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型，优选方案具体为：

设输入信号滤波模块输出的低噪声的电压模拟信号的正负端电压差ui为

其中，等效电阻r＝ra＝rb，

经过差分放大电路模块进行差分放大后信号电压为：

kui，

其中k为差分放大电路模块的差分放大系数。

功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流，即音圈电机的驱动电流is为

因此驱动电路输入到输出的传递函数为：

其中，t＝(c1+c2+ca)r，s为拉普拉斯算子；

单个作动器控制力的表达式为

u＝gud

其中，u为单个作动器控制力，ud为驱动电路输入，即控制信号。

建立载荷动力学线性化模型，优选为：

其中，ip为载荷惯量，为载荷角加速度，j为从雅克比矩阵，矩阵的元素为每个作动器作用到载荷上的力矩分配系数具体为

j＝[0.6974-0.06710.7136-0.3129-0.13670.2929；-0.6974-0.06710.7136-0.31290.1367-0.2929；-0.29050.63750.71360.2748-0.20260.2929；0.4082-0.57040.71360.0381-0.3393-0.2929；-0.4082-0.57040.71360.03810.33930.2929；0.29050.63750.71360.27480.2026-0.2929]。

控制信号的表达式优选为：

ud＝(j^t)^-1(kp+kds)θep

其中，θep为载荷姿态误差,kp、kd为作动器控制器参数，kp取值范围优选为100000至150000，kd取值范围为35000值45000。

可得载荷控制的频域模型优选为：

(3)通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；根据步骤(2)载荷控制的频域模型中的驱动电路的理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线，通过不断调整驱动电路时间常数，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致，得到此时对应的驱动电路时间常数，作为时间常数的设计值，优选方案具体为：

将各个频率输入下的驱动电路幅频响应和相频响应分别描点连线，绘制驱动电路的实测频率特性曲线(频率为横坐标，幅值为纵坐标)。

将作为理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线(频率为横坐标，幅值为纵坐标)，通过不断调整t，使得理论模型的频率特性曲线与驱动电路的实测频率特性曲线一致；(一致优选是指转角频率相差小于0.01hz，转角频率处的幅值相差小于1db)，则得到调整后的t，记为时间常数的设计值t0；

(4)根据步骤(3)的时间常数的设计值，在作动器的音圈电机的控制器中设计超前校正函数g2，通过校正时延引起的相位滞后，对驱动电路时延特性进行补偿：实现对音圈电机的高带宽低噪声控制，从而实现对主动指向超静平台高带宽低噪声控制，优选方案具体如下

超前校正函数g2，具体为：

其中，t2为超前校正参数(取值范围优选为0.0001至0.0005)，且t2<t。超前校正函数能够使系统的相位减小，从而抵消时延引起的相位滞后，实现对驱动电路的时延特性进行补偿，驱动电路滤波会降低噪声，但同时引入时延相位滞后。高带宽控制时，相位滞后会引起系统不稳定，因此音圈电机存在较大时延特性时，为保证相位稳定性，无法实现高带宽控制。以上方法通过对时延特性进行补偿，减小了相位滞后，音圈电机的控制带宽受相位稳定性的约束减小，可以采用高带宽控制，因此实现了高带宽低噪声控制。

音圈电机为主动指向超静平台的执行装置，音圈电机实现高带宽低噪声控制后，主动指向超静平台控制系统的执行带宽提高，指向噪声减小，因此实现了主动指向超静平台高带宽低噪声控制。

本发明方法一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法，优选方案具体如下：

(1)在航天器本体与载荷之间，安装有主动指向超静平台；主动指向超静平台由6个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、音圈电机以及涡流敏感器三部分；音圈电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，涡流敏感器能够测量音圈电机的平动位移；音圈电机包含控制器和驱动电路；控制器将产生控制信号(控制信号由主动指向超静平台控制算法产生)发送给驱动电路；驱动电路将控制信号转换为电压信号，再将电压信号转换为电流信号，驱动音圈电机，优选方案具体如下：

驱动电路，包括：输入信号转换模块、输入信号滤波模块、高精度输出采样模块、差分放大电路模块、误差放大模块、功率放大电路模块和采样电阻；

kui，

其中k为差分放大电路模块的差分放大系数。

电压驱动信号送至功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流作为功率放大电路模块的输出，同时作为驱动电路的输出，送至音圈电机驱动音圈电机，同时通知采样电阻；低噪声的驱动电流经过采样电阻进行电压采样后，得到采样电压信号，送至高精度输出采样模块(精度为1毫伏)；高精度输出采样模块，对采样电压信号进行输出。

输入信号转换模块，优选包括电阻ra＝1ω和电阻rb＝1ω；输入信号滤波模块，优选包括电容c1＝0.05f、电容c2＝0.05f和电容ca＝0.01f；采样电阻为rs＝100ω；

根据控制器、驱动电路和载荷，建立载荷控制的频域模型，优选方案具体为：

设输入信号滤波模块输出的低噪声的电压模拟信号的正负端电压差ui为

其中，等效电阻r＝ra＝rb，

经过差分放大电路模块进行差分放大后信号电压为：

kui，

其中k＝100为差分放大电路模块的差分放大系数。

功率放大电路模块进行功率放大、再进行电压到电流的转换，得到低噪声的驱动电流，即音圈电机的驱动电流is为

因此驱动电路输入到输出的传递函数优选为：

其中，t＝(c1+c2+ca)r＝0.02，s为拉普拉斯算子；

单个作动器控制力的表达式优选为

u＝gud

其中，u为单个作动器控制力，ud为驱动电路输入，即控制信号。

建立载荷动力学线性化模型，优选为：

其中，ip为载荷惯量，滚动轴惯量优选为800kgm²，为载荷角加速度，j为从雅克比矩阵，矩阵的元素为每个作动器作用到载荷上的力矩分配系数具体为：

其中，以5号作动器为例，5号作动器作用到载荷滚动轴上的力矩分配系数-0.4082。其它作动器同理可得。

控制信号的表达式优选为：

ud＝(j^t)^-1(kp+kds)θep

其中，θep为载荷姿态误差,载荷控制器参数为kp＝126330，kd＝40212。

可得载荷控制的频域模型优选为：

(3)通过对驱动电路进行扫频测试，获得驱动电路的实测频率特性曲线；具体为：向输入信号转换模块输入10^-2～10²hz之间的正弦电流，通过测量功率放大电路模块输出的低噪声的驱动电流的幅值和相位，得到一系列的不同频率输入下的驱动电路频域响应，包括：幅频响应和相频响应；

将各个频率输入下的驱动电路幅频响应和相频响应分别描点连线，绘制驱动电路的实测频率特性曲线(频率为横坐标，幅值为纵坐标)。

将作为理论模型，绘制理论模型的频率特性曲线(频率为横坐标，幅值为纵坐标)，通过不断调整时间常数t，通过绘制频率特性曲线发现t＝0.02时理论模型的频率特性与实测频率特性一致(一致优选是指转角频率相差小于0.01hz，转角频率处的幅值相差小于1db)，则得到调整后的t，记为时间常数的优选设计值t0＝0.02；

(4)在作动器控制器中设计超前校正网络，对驱动电路时延特性进行补偿：在作动器控制器中设计如下校正网络：

优选t2＝0.0003，为超前校正参数。

(5)驱动电路频率特性验证：图2为通过辨识得到的载荷控制回路频率特性曲线，在幅值为0db处，相位为-120.4db，因此相位裕度为180-120.4db＝59.6deg；根据驱动电路的传递函数表达式设计超前校正网络，超前校正网络的频率特性曲线如图3所示。校正后的载荷控制回路传递函数优选为

其频率特性曲线如图4所示，通过分析可得，校正后的驱动电路的相位裕度为81deg，相位裕度提高了21.4deg。

应用本发明提出控制方法后，通过驱动电路滤波会降低噪声，主动指向超静平台的输出力噪声由0.05n降低为0.01n；通过对时延特性进行补偿，减小了相位滞后，带宽受相位稳定性的约束减小，音圈电机执行带宽由500hz提高到1khz，主动指向超静平台的带宽由1hz提高到了5hz，实现了主动指向超静平台高带宽低噪声控制。表明本发明提出的一种主动指向超静平台高带宽低噪声驱动控制方法对提高主动指向超静平台的带宽、抑制输出力噪声具有明显效果。

本发明能够同时实现高带宽与低噪声驱动控制，通过分别设计滤波电路和频率特性调节模块，实现了作动器驱动电路的高带宽和低噪声同时实现。通过设计滤波电路，使得输入电压的噪声下降一个数量级，通过配置频率特性调节模块，使得驱动电路带宽得到有效提高，且本发明能够对驱动电路中的时延环节实现精确补偿，通过建立驱动电路简化模型，得到驱动电路的时间常数表达式，通过实测的方法对时间常数进行辨识，得到驱动电路时间常数的数值。接着通过设计超前校正网络，实现对驱动电路中的时延进行补偿，进一步提高了整个系统的相位裕度。

本发明实现了对主动指向超静平台模型存在不确定性条件下的高精度控制，通过将载荷动力学模型建立在载荷控制的频域模型中，使得主动指向超静平台模型的不确定环节在每个作动器的控制中得到补偿，进一步提高了控制的精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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