(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力状態を含む操作量と出力状態を含む制御量とを含むプラント・プロセスを制御するためのシステムであって、
少なくとも前記制御量の測度を与えるセンサ手段と、
少なくとも一つの制御量のための上下限と補正時間定数を格納するためのメモリ手段とを備え、その上下限は、一群の値の範囲内に前記少なくとも一つの制御量が受入れ可能であると考えられる一群の値の範囲によって隔てられており、
前記システムは更に、
前記センサ手段及び前記メモリ手段に連結されて、前記プラント・プロセスのモデルを説明するデータを含むプロセッサ手段を備え、前記モデルは、操作量のコストを制御量に関連付けており、且つ、解においては、前記少なくとも一つの前記制御量の予測値を更に提供しており、
前記プロセッサ手段は、前記一群の値の範囲の外側にある前記少なくとも一つの制御量の関数である測定値に応答し、その最小コストの達成のために前記操作量を変えるための制御信号を発生する論理手段を含み、前記操作量は、前記少なくとも一つの制御量の予測値が、前記一群の値の範囲内になるように変えられるように設けられており、
前記システムは更に、
前記プラント中の計器を操作し、前記操作量を制御するための、前記制御信号に応答する制御信号手段を備えると共に、
前記論理手段は、前記少なくとも一つの制御量の前記一群の値の範囲内への移動を達成するための、最小化されたコスト操作量を決定するために、最小化関係に解を提供するよう動作し、前記最小化関係は、次式、
最小和（Ｗｈ*Ｖｈｐk＋Ｗｌ*Ｖｌｎk）＋Ｃ（ｘ，ｕ）
で表され、ここで、Ｗｈ，Ｗｌ＝損失重量、Ｖｈｐk，Ｖｌｎk＝妨害量、Ｃ（ｘ，ｕ）＝コスト損失関数であるシステム。
【請求項２】
請求項１のプラント・プロセスを制御するためのシステムにおいて、
前記メモリ手段は、前記上限が前記制御量によって破られているときに、前記一つの制御量を受入れ可能であると考えられる前記一群の値の範囲内への復帰速度を定める前記モデルの軌道応答関数と、前記下限が前記少なくとも一つの制御量によって破られているとき、前記一つの制御量の受入れ可能であると考えられる前記一群の値の範囲内への復帰速度を定める前記モデルの軌道応答関数とを説明するデータを更に格納し、両軌道応答関数は、補正時間定数を含み、且つ前記少なくとも一つの制御量の変化の測定された速度と所望速度との間の関係を表し、
前記論理手段は、前記最小化されたコスト入力状態を決定するために前記データを使用するシステム。
【請求項３】
請求項２のプラント・プロセスを制御するためのシステムであって、
前記少なくとも一つの制御量のための前記軌道応答関数は、次式、
ｄｙk／ｄｔ＝（ＳＰＨk−（ｙk＋ｂ））／Ｔ＋Ｖｈｐk−Ｖｈｎk ｄｙk／ｄｔ＝（ＳＰＬk−（ｙk＋ｂ））／Ｔ＋Ｖｌｐk−Ｖｌｎk ｋ＝１〜Ｋ Ｖｌｐ＞＝０．０ Ｖｌｎ＞＝０．０ Ｖｈｐ＞＝０．０ Ｖｈｎ＞＝０．０
に従い、ここで、
ＳＰＨ＝制御量又は制約の上限、
ＳＰＬ＝制御量又は制約の下限、
ｙ＝予測された制御量、
ｂ＝予測と測定との誤差に関係するバイアス、
Ｖｈｐ＝測定された量のＳＰＨからの正の差分、
Ｖｈｎ＝測定された量のＳＰＨからの負の差分、
Ｖｌｎ＝測定された量のＳＰＬからの正の差分、
Ｖｌｎ＝測定された量のＳＰＬからの負の差分、
ｋ＝将来に向けての時間ステップ、
Ｋ＝制御装置によって使用される時間における将来に向けての時間ステップ数、
Ｔ＝所望の被制御量の応答の閉ループ速度のための時間定数であるシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、プロセス制御システム、より詳細には、プラント操作量とプラント制御量との間に非線形の関係が存在する、モデルに基づくフィードバック制御システムに関する。
技術背景
プレット（Prett）等の「動的マトリックス制御法」と題する米国特許第４，３４９，８６９号は、プラント環境において、一連の相互依存プロセスの操作を制御し最適化するための方法と装置について記載している。制御動作を成し遂げるために、プラントへの入力変数は、測定された摂動にさらされ、出力における動的効果が記録され、オンライン動作の間、プロセスの将来の応答の予測を可能にする。制御法を実行するために、プレット等は、初期試験段階の間に見出される値の一覧表を構築する。種々の入力及びその結果得られる出力が、その表に組み込まれ、その表は、その後、それに続くプラント操作の間、主たる基準点としての役割を果たす。
プレット等の手続きは、特に、線形システム操作又は線形と擬制され得る操作の制御に適合する。しかしながら、非線形プラント操作に直面すると、プレット等の手続きは、特に、多くの制御量と操作量とがある場合には、適切に機能しない。制御量は、１以上の操作量、例えばプラントへの入力、の変化の影響を受けるプラント出力である。
動的マトリックス制御法の重合方法への適用は、ピーターソン（Peterson）等により、「非線形ＤＭＣアルゴリズム及び半バッチ式重合反応器へのその応用」、化学工学（Chem. Eng. Science）、第４７巻、第４号、７３７−７５３頁（１９９２年）中に記載されている。ピーターソン等は、解を導くために、非線形制御装置及び数値アルゴリズムを使用するが、彼らの手続きは、制御解を得るにあたり、入力状態コストの最小化を試みていない。ブラウン（Brown）等は、「制約された非線形多変数制御アルゴリズム」、トランス・アイ・ケムイー（Trans I ChemE）、第６８巻（Ａ）、１９９０年９月、４６４−４７６頁に、好ましい出力値の具体的なレベル（その範囲内では、制御動作が阻害される）を含む非線形制御装置を記載している。しかしながら、ブラウン等は、出力制御を達成するだけではなく、入力値が最小コストを達成するための試験をしていない。
特許の先行技術には、制御量と操作量とを関連付けるために線形及び非線形の両者の式を用いる、モデルに基づく制御システムの使用に関する多くの教示がある。アクセルビー（Axelby）等の米国特許第４，６６３，７０３号は、将来の出力をシミュレートし且つ予測するためにサブシステムのインパルス・モデルを用いる、基準予測モデル制御装置を記載している。そのシステムは、動的システムを、その動特性が変化している時でさえも、一定不変の特性を有しているように見えるようにするよう調整されている、調整可能なゲイン・フィードバックと制御のループとを含む。
ビューフォード（Beauford）等の米国特許第５，２６０，８６５号は、プロセス蒸気／蒸留物流速を計算するために非線形モデルを用いる、蒸留法のための非線形のモデルに基づく制御システムを記載している。サンチェズ（Sanchez）（４，３５８，８２２）は、プロセス出力を将来の一定時間に所望の値にするために、モデルがプロセスに適用される制御ベクトルを決定する、適応−予測制御システムを記載している。モデルのパラメータは、出力ベクトルを実際のプロセス・ベクトルに近づけるために、リアル・タイム基準で最新のものとされている。サンナー（Sanner）等の米国特許第５，２６８，８３４号では、制御用プラント・モデルを構成するために、ニューラル・ネットワークを用いている。
モデルに基づく制御システムのプラント操作への拡張は、プラント操作が動的非線形プロセスを含み、且つ、多くの操作量及び制御量を含む場合には、簡単な問題ではない。最近まで、程よい大きさで且つ程よい値段のプロセス制御コンピュータは、そのような動的プラント・プロセスのモデル化の結果として生じる多くの連立方程式の解法を扱う処理能力を欠いていた。
基準合成技術は、非線形の制御の問題（例えば、ｐＨ制御の問題）への適用のために開発された。基準システム合成技術においては、非線形プラント・システムを、基準軌道に追従させ、一旦プラント遅延が終了したら、一次又は二次軌道に従って、設定値に到達させるのが望ましい。バーツシアク（Bartusiak）等は、「基準システム合成によって設計された非線形フィード・フォワード／フィードバック制御構造」、化学工学（Chem. Eng. Science）、第４４巻、第９号、１８３７−１８５１頁（１９８９年）に、高度に非線形のプラント操作に適用され得る制御プロセスを記載している。基本的に、バーツシアク等は、一組の微分方程式によって制御されるプラントを説明している。閉ループ制御システムの所望の動作は、設計によって非線形となり得る一組の積分／微分方程式として表される。所望の動作は、基準システムと呼称される。
バーツシアク等は、システムが可能な限りほぼ基準システムのように動作するように、操作量を調節することにより、所望の閉ループ動作結果に到達する。操作量動作は、開ループ・システムと所望の閉ループ・システムとを同一にする、あるいは一般的にはその間の相違を最小化することによって、決定される。プラントの所望の動作は、その後、定められる。制御量は、制御量が設定値に到達する際の速度を制御する同調パラメータと共に、規定される。より詳細には、所望のプラント出力パラメータが設定され、制御システムが制御段階において所望の出力パラメータに到達する際の速度が、同調パラメータによって指示される。つまり、制御機能は、操作量コスト関数に関係なく、出力が特定のパラメータ値に到達するように運転される。その結果は、操作量コストにおける変化量を考慮していないので、効果的なプラント操作制御のみならず、コストの最小化をも可能にする。
従って、本発明の目的は、非線形プロセスを制御するための改良された方法であって、同調パラメータの制御量への適用を可能にする方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、非線形プロセスを制御するための改良された方法であって、その制御方法が、操作量入力コストの最小化を可能にし、同時に所望の制御量を達成する方法を提供することにある。
発明の概要
システムは、操作量（例えば入力状態）及び制御量（例えば出力状態）を含むプラント・プロセスを制御する。当該システムは、制御量の測度を提供するためのセンサ回路と、少なくとも一つの制御量の補正時間定数及び上下限を格納するためのメモリを含む。上下限は、一群の値であって、その中にはその一つの制御量が受入れ可能であると考えられる一群の値の範囲によって、隔てられている。プロセッサは、操作量のコストを制御量に関係付け、且つ、解においては、その一つの制御量の予測値を更に提供するプロセス・モデルを示す、データを含む。プロセッサ内での論理は、一群の値の範囲の外側にあるその一つの制御量の測定値関数に応答し、その一つの制御量の予測値を受入れ可能な一群の値の範囲内に復帰させるための最小コスト操作量を決定する。プラント内での制御手段は、操作量（及び入力状態）をプロセッサからの信号に従って変えるように作用する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を含むシステムのブロック図である。
図２は、本発明で用いられる制御機能の概要である。
図３及び４は、発明の動作を理解するのに有用なフロー図である。
発明の詳細な説明
以後、本発明の説明において、次の用語を使用する。
プロセス・モデル：プロセス・モデルは、プラント・システム操作を定め、且つ、代数及び微分方程式の形式において、連続時間領域内において公式化される。
操作量の離散化：操作移動は、離散時間変数である。プロセス・モデル内での使用のための離散操作移動量を提供するために、零次保持関数を使用する。
基準軌道：基準軌道は、制御量の応答速度としての、制御装置性能の基準を与える。
目標関数：目標関数は、最適制御性能を定める。目標関数は、制御設定値の妨害に対する損失補償と経済的コスト（利益）関数とを包含する。
操作量限界：操作量限界は、範囲限界、設定値限界、非ワインド・アップ条件等の第二の制御装置限界又は状態を反映するように設定される。
フィードバック：フィードバックは、プロセス測定とモデル予測との間の誤差を示すバイアス値として、基準軌道中に組み込まれる。
状態推定：プロセス・モデル状態及び出力の予測は、操作量とフィード・フォワード量からの最新の値と、前回の制御装置の走査時間を通じて導かれた予測に基づき、動的モデルの積分により、各制御装置の走査の際に提供される。
初期化：制御装置出力の初期化は、各走査の際の最新の操作量の値の読取りと、その値に対する増分としての制御装置移動を与えることによって提供される。制御装置プログラムが（閉ループ又は開ループで）実行されているとき、モデル状態及び出力は、前回の制御装置の走査の間に予測された値において、初期化される。プログラムが初めてターン・オンされるときは、モデル状態及び出力は、最新の操作値とフィード・フォワード値のための定常状態モデルを解くことによって初期化される。
図１を参照すると、デジタル型コンピューターに基づく制御システムは、プラント１２内で生じているプロセスを監視している。プロセス値は、デジタル型制御システム１０内に存在する非線形制御装置機能１４に供給される。プロセス・モデル１６は、デジタル型制御システム１０内に内蔵されており、非線形制御装置１４のための基準システムを提供する一連の非線形方程式を表す。複数の制御パラメータ１８は、非線形制御装置１４によって得られた制御値の制約を提供する。プロセス値測定を、（制御パラメータ１８を用いて）解モデル１６を通して得られた予測値と比較することにより、補正値が導かれ、且つ、それは、プラント１２への制御入力として使用される。
図２においては、非線形制御装置１４は、システム操作量、独立変数及びバイアス値における変化のプロセス状態の速度変化を定める、動的プロセス・モデル１６を含む。非線形制御装置１４は、更に、閉ループ・プロセス応答特性を定める、１以上の同調値を含む。より詳細には、各プロセス応答特性は、操作量の変化に応じて、制御量によって追従される軌道を定める。最適化機能１９は、測定値とプロセス・モデル１６から与えられた予測値との間に生じた差が与えられて、所望の応答同調軌道を達成する最小化操作量コストを決定する。
以降において、非線形制御装置１４が、プラント１２からの１以上の制御量（例えば出力）のための限界境界を設定することが理解されるであろう。一旦、一つの制御量の上下限が設定されると、非線形制御装置１４は、制御量と、その制御量の限界の少なくとも一つに関係しての所望の移動速度との間の、変化の測定された速度を比較する制御手続きを行う。仮に制御量が上下限内であるならば、制御動作は何も行われない。仮に制御変数が範囲外であるならば、変化の測定された動的速度と変化のモデル動的速度とを比較すると、変化値の誤差速度が誘導され得る。変化値のその誤差速度は、その後、目標関数によって使用され、それは、一組の操作量（それは、制御量を上下限範囲内へ復帰させるための最小コストを表す）の決定を可能とする。制御量の値の受入れ可能な範囲を定めるために上下限を利用することにより、いずれの組み合わせが制御量を限度内へ復帰させ、同時に操作量コストを最小化するかを決定するために、種々の操作量コストが試験され得る。
図３及び４を参照して、非線形制御装置１４の動作の説明を行う。非線形制御装置１４は、プラント１２に結合された汎用コンピュータにおいて実行される。非線形制御装置１４は、特定の頻度又は走査速度、例えば１分当たり１回、で作動し、それにより、制御量が監視され、操作量は、制御動作を実行するため、各々の移動量を得るように計算される。
デジタル型制御システム１０中にプラント・データを読み込む（ボックス３０）ことにより、手続きが始まる。それらのデータは、制御量、操作量、及び付加的又はフィード・フォワード変数の最新の値を含む。プラント測定値は、その現場の計器によって、又はオフライン研究室分析を通じて、供給される。次に、各制御量の最新の測定値が、対応するモデル予測値と比較される。ブラント−モデル間の食い違いを示すバイアス値は、測定値と予測値との間の差として計算される（ボックス３２）。
ボックス３４に示されているように、次に、入力データが妥当であることが確認される（例えば、利用できない測定値や範囲外の値等の正常ではない条件は、棄てられる）。データ調整も行われ、それは、オペレータが特定した限界及びプラント制御システム状態値に基づく、フィルタリングや操作量の境界の設定を含む。
非線形制御装置１４の動作の開始の際、コールド・スタート初期化が行われる（決定ボックス３６参照）。独立変数のための値（操作又はフィード・フォワード）は、デジタル型制御システム１０内に格納されているデータベースから読取られる（ボックス３８）。初期化動作は、モデル状態と、温度、組成物及び生成物特性等のプラント状態を示すプラント出力とを計算する。モデルは、何らかの数理的形態であってよい。
これ以降においては、手続きの説明の目的で、状態−空間モデルを使用する。各状態は、“Ｘ”ベクター値によって定められ、プラント出力は、“ｙ”ベクター値によって表される。独立変数は、次のように、値“ｕ”によって表される：
Ｏ＝Ｆ（ｘ，ｕ）                    （１）
ｙ＝Ｈ（ｘ）                        （２）
プラント状態の値は、その後、非線形制御装置１４の初期値として使用される（ボックス４０及び４２参照）。状態値は、その後、推定され、メモリに書き込まれる（ボックス４４）。この時点で、非線形制御装置１４は、プロセス制御アルゴリズムの動作を開始する（ボックス４６）。
図４に示されているように、制御プロセスは、プラント制御システム・ハードウェアからプロセス・データを読取り（ボックス４８）、プロセスの現在の状態を決定する。そのデータは、次の事項を含む：
各モデル状態の初期値、
予測されたプラント出力の初期値、
プラント−モデル間の誤差を示すバイアス値、
モデル・パラメータ、
独立変数の最新の測定値、
制御量のための設定値又は目標値、及び制約、
操作量の境界、
入力状態条件。
モデル状態及び予測されたプラント出力の値は、前回の制御装置の実行から得られた値であるか、あるいは、コールド・スタート初期化値からのものである。制御量（例えば、制御される出力）及び制約設定値は、オペレータによって入力される。設定値は、上限値及び下限値として入力される。これらの値の使用により、上下限値の範囲内の制御量値に到達するに際して、最小化コストを達成するための操作量（入力）の調節が可能となる。モデル・パラメータ値は、前もって決められている。独立変数の最新の測定値は、プラントの現場の計器又は研究室分析から導かれる。操作量の境界は、上記の如く、オペレータが特定した限界及びプラント制御システム状態値に基づく。
その後、制御装置動作モードが設定される（ボックス５０）。一つの制御装置モードにより、モデル予測の計算が可能となり、制御信号が得られるようになり、その制御信号を別個にプラントに用いることが不要となる。これ以降において、デジタル型制御システムは、完全に動作モード（そのモードでは、操作量が、モデル計算及び測定されたシステム状態に従って、積極的に制御されることになっている）で設定されているとみなす。
入力データは、モデル−制御システムを用いた使用のための形態に変換され（ボックス５２）、状態推定手続きが開始される（ボックス５４）。各状態は、プラントの動的モデルを用いて推定される。下記方程式３及び４中に示された状態−空間モデルにおいて、状態は“ｘ”値で表され、プラント出力は“ｙ”変数で表され、独立変数は“ｕ”で表される。
ｄｘ／ｄｔ＝Ｆ（ｘ，ｕ）              （３）
ｙ＝Ｈ（ｘ）                          （４）
方程式３は、モデル状態の変化速度が、モデル状態それ自体及び独立変数の関数であることを示す。方程式４は、出力がモデル状態の関数であることを示す。モデル推定は、非線形制御装置１４の前回の実行から現在までの方程式３及び４の積分によって得られる。好ましい計算方法は、方程式３及び４が時間部分に分割される直交の配置を包含し、そのために、微分方程式は、同じ時間部分において同時に解かれ得る。
非線形制御装置１４によって行われる制御計算は、順次二次プログラミング技術を用いることによって行われる（ボックス５６）。制御計算は、操作量の将来の移動（それは、将来に向けての時間にわたって、制御性能の仕様に最もよく釣り合う）を決定する。非線形制御装置１４は、プラントのモデル、特定の制御装置性能を定める基準軌道、目標関数（下記する）及び操作量境界を利用する。操作量移動は、将来に向けての時間にわたって離散化される。
方程式３及び４中に示されたモデルが利用される。上記の如く、“ｕ”変数は独立変数を表し、その部分集合は、操作量（即ち入力）である。全独立変数のための値は、各時間ステップｋにおける離散操作量Ｕkの“零次保持関数”によって得られる。零次保持関数は、操作量の値がプログラム実行の間一定のままであると推定する。
基準軌道は、適用された制約に従って制御量を変えている際の、制御装置性能を特定する。下記基準軌道方程式５及び６は、制御量の変化速度間の関係と、制御量設定値と測定された制御量との間の誤差（又は差）を表す。
ｄｙk／ｄｔ＝（ＳＰＨk−（ｙk＋ｂ））／Ｔ＋Ｖｈｐk−Ｖｈｎk  （５）
ｄｙk／ｄｔ＝（ＳＰＬk−（ｙk＋ｂ））／Ｔ＋Ｖｌｐk−Ｖｌｎk  （６）
ｋ＝１〜Ｋ
Ｖｌｐ＞＝０．０
Ｖｌｎ＞＝０．０
Ｖｈｐ＞＝０．０
Ｖｈｎ＞＝０．０
ここで：
ＳＰＨ＝制御量又は制約の上限；
ＳＰＬ＝制御量又は制約の下限；
ｙ＝予測された制御量；
ｂ＝予測と測定との誤差に関係するバイアス；
Ｖｈｐ＝測定された量のＳＰＨからの正の差分；
Ｖｈｎ＝測定された量のＳＰＨからの負の差分；
Ｖｌｎk＝測定された量のＳＰＬからの正の差分；
Ｖｌｎ＝測定された量のＳＰＬからの負の差分；
ｋ＝将来に向けての時間ステップ；
Ｋ＝制御装置によって使用される時間における、将来に向けての時間ステップ数；
Ｔ＝所望の被制御量の応答の閉ループ速度のための時間定数。
変数Ｖｌｐ、Ｖｈｐ、Ｖｌｎ及びＶｈｎの各々を、これ以降において、“妨害”量と呼称する。各妨害量は、不等式を等式関係に変換させ、目標関数における重み関数の適用を通して、制約を優先させる。目標関数（即ち、制御動作によって満足させられる関係）は、次の式によって与えられる。
最小和（Ｗｈ*Ｖｈｐk＋Ｗｌ*Ｖｌｎk）＋Ｃ（ｘ，ｕ）      （７）
ここで：
Ｗｈ，Ｗｌ＝損失重量；
Ｖｈｐk，Ｖｌｎk＝上記妨害量；
Ｃ（ｘ，ｕ）＝コスト損失関数。
方程式７は、制御量の上限又は制御量の下限の妨害が生じた際に使用される、合計最小化関数を表す。方程式７は、事情に応じて、正の妨害値又は負の妨害値の強調（又は重点が置かれなくなる）を可能にする、重み係数を用いる。方程式７は、また、操作量ｕとモデル状態ｘの両者に依存するコスト関数である、一つの項（即ちＣ（ｘ，ｕ））をも包含する。
制御システムは、方程式７を解き、操作量に複数の変化が試みられるときに、各々の解に由来する合計の数値を出す。目的は、上限（ＳＰＨ）及び下限（ＳＰＬ）で定められた範囲内への、制御量ｙの復帰を達成することである。ＳＰＨとＳＰＬは、制御量の受入れ可能な範囲を定める、ある範囲の値によって隔てられているから、操作量における多くの生じ得る変化は、いずれの組合せが、制御量の受入れ可能な範囲への復帰を達成しながら操作量の最小のコストをもたらすかを決定するために、計算され得る。（何らかの制御動作において、）操作量が、ＳＰＨとＳＰＬとの間の範囲内にプラント出力を復帰させることができるとき、方程式７における初めの二つの記号のそれぞれは０とされ、関数の解は、操作量によって表されたコストに完全に関係付けられる。
方程式７の最適化された解は、下記方程式８及び９で表されるように、更なる操作量の境界に従属している。
ｕｌｂ＜ｕk＜ｕｈｂ                        （８）
ＡＢＳ（ｕk−ｕ（k−１）＜ｄｕｂ          （９）
ここで：
ｕｈｂ＝操作量の上の境界；
ｕｌｂ＝操作量の下の境界；
ｄｕｂ＝時間ステップ間のｕの変化における限界。
一旦、受入れ可能な解が得られると、出力（将来における各時間ステップのための操作量の値からなる）は、システム制約と照合される（ボックス５８）。出力データが妥当であると想定して、その後、データがメモリに書き込まれ（ボックス６０）、計算された操作値がプラントに送られ（ボックス６２）、現場制御要素（例えばバルブ）を操作する。
前述の説明は、本発明の一実例にすぎないことが理解されるべきである。種々の代替例及び修飾態様が、本発明から外れることなく、当業者によって工夫され得る。従って、本発明は、付随する請求項の範囲内にある、すべての代替例、修飾態様及び変化態様を包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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