《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書-雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及恒負(fù)載擾動(dòng)電流環(huán)突然斷線matlab仿真_第1頁
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1、目錄摘要11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介及調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法21.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖21.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖21.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖31.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用31.5 電流調(diào)節(jié)器作用31.6 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法32 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)52.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算52.2 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)52.2.1 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.2.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)62.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)82.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)103 Matlab仿真123.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)電流的仿真123.2 直流電壓Ud仿真133.3 ASR輸出電壓仿真143.4 ACR輸出電壓仿真

2、144 小結(jié)和心得體會15參考文獻(xiàn)16摘要本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖,對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì),選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解,弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用,弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理,合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是性能很好,應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng),采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ),所以掌握雙閉環(huán)調(diào)速

3、系統(tǒng)對于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊,稱作外環(huán),這樣形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。而合理地選擇電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)則是為了使系統(tǒng)更好的滿足生產(chǎn)工藝所要求的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞:雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及恒負(fù)載擾動(dòng)電流環(huán)突然斷線matlab仿真1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介及調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)

4、構(gòu)圖1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速n很快德跟隨給定電壓Un*變化,穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差,如果采用PI調(diào)節(jié)器,則可實(shí)現(xiàn)無靜差。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。(3)其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。1.5 電流調(diào)節(jié)器作用(1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中,它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。(2)對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。(3)對轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中,保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流,從而加快動(dòng)態(tài)過程。(4)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),限制

5、電樞電流的最大值,起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。1.6 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),除電動(dòng)機(jī)外,都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理,整個(gè)系統(tǒng)可以近似為低階系統(tǒng),而用運(yùn)算放大器或微機(jī)數(shù)字控制可以精確地實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律,于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)做比較深入的研究,把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性,弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表,則在設(shè)計(jì)時(shí),只要把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化

6、成典型系統(tǒng),就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,設(shè)計(jì)過程就要簡便得多,這就是工程設(shè)計(jì)方法。調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是:(1)概念清楚、易懂;(2)計(jì)算公式簡明、好記;(3)不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式,而且指明參數(shù)調(diào)整的方向;(4)能考慮飽和非線性控制的情況,同樣給出簡單的計(jì)算公式;(5)適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果要求更精確的動(dòng)態(tài)性能,在典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用MATLAB或SIMULINK進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì),也可設(shè)計(jì)出實(shí)用有效的控制系統(tǒng)。作為工程設(shè)計(jì)方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是,把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步:第一步,先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)

7、果,以確保系統(tǒng)穩(wěn)定,同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步,再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù),以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。以上兩步就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決,第一步先解決主要矛盾,即動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)性的穩(wěn)態(tài)精度,然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)??刂葡到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成 (1-1)分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點(diǎn),或者說,系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié),稱作r型系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差,不能使用0型系統(tǒng)(r=0),至少是型系統(tǒng)(r=1);當(dāng)給定是斜坡輸入時(shí),則要求是型系統(tǒng)(r=2)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于型(r=3)

8、和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定,而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)2.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 2.2 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)2.2.1 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。對電流環(huán)來說,反電動(dòng)勢是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng),在電流的瞬變過程中,可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變,即。這樣,在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí),可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)影響。也就是說,可以暫且把反電動(dòng)勢的作用去掉,得到忽略電動(dòng)勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖,如圖2-1(a)所示??梢宰C明,忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)作用的近似條件是: (2-1)式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給

9、定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi),同時(shí)把給定信號改為,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng),如圖2-1(b)所示,從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。由于和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),其時(shí)間常數(shù)為 (2-2)則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖2-1(c)所示。簡化的近似條件為 (2-3)圖2-1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(a)忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響 (b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) (c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.2.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù):整流裝置滯后時(shí)間常數(shù),查表得三相半波電路的平均失控時(shí)間=0.0033s。電流濾波時(shí)間常數(shù),三相半波電路每個(gè)

10、波頭時(shí)間為6.67ms,為了基本濾平波頭,應(yīng)有(1-2)=6.67ms,因此取=2.7ms=0.0027s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和:按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取=+=0.006s。(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu):根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并保證電流無靜差,可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為: (2-4)檢查抗擾性能:,查表2-2可得各項(xiàng)指標(biāo)均可接受。(3)計(jì)算ACR參數(shù):電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):。電流環(huán)開環(huán)增益:ACR比例系數(shù):(4)電流環(huán)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率為: 1檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件: 滿足2檢驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的

11、條件: 滿足3校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 滿足(5)計(jì)算電容電阻圖2-2電流調(diào)節(jié)器ACR電路圖按所選放大器取,各電阻和電容計(jì)算如下:2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后,整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3(a)。和電流環(huán)中一樣,把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上,并將給定信號改成,再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié),其中 (2-5)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖2-3(b)a)b)c)圖2-3轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) (b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的

12、近似處理 (c)校正后成為典型型系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)無靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié),由于擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)中就有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),應(yīng)該設(shè)計(jì)為典型型系統(tǒng),ASR也采用PI調(diào)節(jié)器,傳遞函數(shù)為 (2-6)式子中為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù),為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: (2-7)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為: (2-8)按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系,有 (2-9) (2-10)所以 (2-11)一般取h=5。2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù):1電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取 2轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)3轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求,選用PI

13、調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)見公式(2-6)。(3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為開環(huán)增益ASR比例系數(shù)(4)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截至頻率1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件: 滿足 2轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 滿足3計(jì)算電阻電容 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2-4所示。圖2-4含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取,則 (5)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí),查表得,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上,突加階躍給定時(shí),ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算。查表得,=81.2%,=2()()=2*81.2%*1.5*=12.63%

14、15%滿足空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量要求。3 Matlab仿真采用MATLAB對雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,繪制直流調(diào)速系統(tǒng)()穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流環(huán)突然斷線仿真框圖如下圖3-1所示。圖3-1 仿真模型圖3.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)電流的仿真 下圖的02秒時(shí)間段為空載啟動(dòng),第2秒進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速,在第4秒時(shí)電流環(huán)斷開。波形如下圖所示。圖3-2 起動(dòng)轉(zhuǎn)速和起動(dòng)電流波形圖1 02s:空載啟動(dòng),電流上升階段電流很快達(dá)到最大值,ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)。恒流升速階段ASR始終是飽和的,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),電流基本恒定,轉(zhuǎn)速則呈線性增長。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí),ASR輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后,ASR輸入偏差為負(fù),開始退

15、飽和,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流逐漸穩(wěn)定下來。 2 24s:進(jìn)入第2秒時(shí),突加恒定負(fù)載,電流迅速上升,此時(shí)轉(zhuǎn)速下降,后又趨于額定轉(zhuǎn)速1000r/min保持不變,而此時(shí)電流也下降為額定電流308A保持不變。3 4s后:進(jìn)入第4秒時(shí),電流環(huán)斷線,ACR沒有電流反饋環(huán)節(jié),電流很快增加,轉(zhuǎn)速反饋增大,ASR輸出減小,使ACR輸入增大,轉(zhuǎn)速反饋減小,與給定偏差增大,ASR輸出增大,ACR輸入增大,轉(zhuǎn)速反饋增大,依次這樣震蕩。轉(zhuǎn)速和電流超調(diào)量計(jì)算:轉(zhuǎn)速超調(diào)量,滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)。電流超調(diào)量,滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.2 直流電壓Ud仿真圖3-3 直流電壓Ud波形 計(jì)算得ACR飽和輸出的臨界值為Ucm=7.184,為了看到4s后的振

16、蕩波形,所以設(shè)定 ACR調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓設(shè)為Ucm=7.3V(略大于臨界值),所以電力電子器件整流后的直流電壓Ud還有最大值Udm,所以在波形圖中Ud波形不能超出Udm。 根據(jù)給出數(shù)據(jù),求得Ud=Cen+IdR=0.196*1000+308*0.18=251.44V,與仿真結(jié)果一致。3.3 ASR輸出電壓仿真圖3-4 ASR輸出電壓波形在起動(dòng)時(shí)的電流上升階段和恒流升速階段ASR都處于飽和狀態(tài);進(jìn)入第2秒時(shí),突加恒定負(fù)載,轉(zhuǎn)速迅速下降,使得轉(zhuǎn)速偏差電壓增大,ASR輸出電壓也增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定為額定轉(zhuǎn)速時(shí)ASR輸出電壓也保持不變。3.4 ACR輸出電壓仿真圖3-5 ACR輸出電壓波形4 小結(jié)和心

17、得體會通過這次的課程設(shè)計(jì)我學(xué)會了很多東西,讓我更對課堂上學(xué)到的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了鞏固和加深。我了解到理論聯(lián)系實(shí)際是多么重要,同時(shí)又是多么的困難,還有平時(shí)學(xué)習(xí)一定要認(rèn)真踏實(shí),把理論知識要弄懂要理解消化為自己的知識,同時(shí)要學(xué)會在理論學(xué)習(xí)時(shí)善于思考,多得一些自己的想法和思路,并且多讀一些課外書,開闊視野增長一些課外知識。本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖,對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì),選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解,弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用,弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理,合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。在完成了理論的參數(shù)設(shè)計(jì)以后,在Matlab軟件中進(jìn)行仿真運(yùn)行,從運(yùn)行結(jié)果圖來看,本次設(shè)計(jì)基本完成了任務(wù)要求。前面的參數(shù)設(shè)計(jì)都不難,和平時(shí)上課時(shí)做過的作業(yè)是差不多類型的。而Matlab仿真部分,因?yàn)樽鲞^了多次課程設(shè)計(jì),對Matlab基本操作也比較了解,參考了課本上的原理講解以后很容易完成了Matlab仿真任務(wù)。感謝這次課設(shè)過程中給予我?guī)椭瑢W(xué)和老師,并且感謝學(xué)校給予我

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