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自动控制原理胡寿松第四版课后答案解析.doc

上传人:快乐****生活 文档编号:2562548 上传时间:2024-06-01 格式:DOC 页数:41 大小:978.55KB
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资源描述
完美WORD格式 1-3 解:系统的工作原理为:当流出增加时,液位降低,浮球降落,控制器通过移动气动阀门的 开度,流入量增加,液位开始上。当流入量和流出量相等时达到平衡。当流出量减小时,系 统的变化过程则相反。 专业整理 知识分享 希望液位 流出量 高度 液位高度 控制器 气动阀 水箱 + 流入量 - 浮球 图一 1-4 (1) 非线性系统 (2) 非线性时变系统 (3) 线性定常系统 (4) 线性定常系统 (5) 线性时变系统 (6) 线性定常系统 2-1 解: 显然,弹簧力为 kx(t ) ,根据牛顿第二运动定律有: F (t ) − kx(t) = m 移项整理,得机械系统的微分方程为: d 2 x(t ) dt 2 2 m d x(t ) + kx(t ) = F (t ) dt 2 对上述方程中各项求拉氏变换得: ms 2 X (s) + kX (s) = F (s) 所以,机械系统的传递函数为: G(s) =  X (s) = F (s)  1 ms 2 + k 2-2 解一: 由图易得:  i1 (t )R1 = u1 (t ) − u2 (t ) uc (t ) + i1 (t )R2 = u2 (t ) duc (t ) i1 (t ) = C dt 由上述方程组可得无源网络的运动方程为: C ( R + R ) du2 (t )  u (t ) = CR du1 (t )  u (t ) 1 2 dt + 2 2 + 1 dt 对上述方程中各项求拉氏变换得: C (R1 + R2 )sU 2 (s) + U 2 (s) = CR2 sU1 (s) + U1 (s) 所以,无源网络的传递函数为: G(s) = U 2 (s) = U1 (s) 1 + sCR2 1 + sC(R1 + R2 ) 解二(运算阻抗法或复阻抗法): U (s) 1 + R2  1 + R Cs 2 = Cs = 2 U (s) R + 1 + R 1 + ( R + R )Cs 1 1 2 1 Cs 2 2-5 解:按照上述方程的顺序,从输出量开始绘制系统的结构图,其绘制结果如下图所示: 依次消掉上述方程中的中间变量 X 1 , X 2 , X 3 , 可得系统传递函数为: C(s) = R(s) G1 (s)G2 (s)G3 (s)G4 (s) 1 + G2 (s)G3 (s)G6 (s) + G3 (s)G4 (s)G5 (s) + G1 (s)G2 (s)G3 (s)G4 (s)[G7 (s) − G8 (s)] 2-6 解: ① 将 G1 (s) 与 G1 (s) 组成的并联环节和 G1 (s) 与 G1 (s) 组成的并联环节简化,它们的 等效传递函数和简化结构图为: G12 (s) = G1 (s) + G2 (s) G34 (s) = G3 (s) − G4 (s) ② 将 G12 (s), G34 (s) 组成的反馈回路简化便求得系统的闭环传递函数为: 2-7 解: C(s) = R(s) G12 (s) 1 + G12 (s)G34 (s) = G1 (s) + G2 (s) 1 + [G1 (s) + G2 (s)][G3 (s) − G4 (s)] 由上图可列方程组:  [E (s)G1 (s) − C (s)H 2 (s)]G2 (s) = C (s) R(s) − H1 (s) C (s) G2 (s)  = E (s) 联列上述两个方程,消掉 E (s) ,得传递函数为: C(s) = R(s) G1 (s)G2 (s) 1 + H1 (s)G1 (s) + H 2 (s)G2 (s) 联列上述两个方程,消掉 C (s) ,得传递函数为: E(s) = R(s) 1 + H 2 (s)G2 (s) 1 + H1 (s)G1 (s) + H 2 (s)G2 (s) 2-8 解: 将①反馈回路简化,其等效传递函数和简化图为: 0.4 1 G (s) = 2s + 1 = 1 + 0.4 * 0.5 2s + 1  1 5s + 3 将②反馈回路简化,其等效传递函数和简化图为: 1 2 2 G (s) = s + 0.3s + 1 = 5s + 3 2 2 3 1 + 0.4 5s + 4.5s + 5.9s + 3.4 (s + 0.3s + 1)(5s + 3) 将③反馈回路简化便求得系统的闭环传递函数为: 0.7 * (5s + 3) Θ o (s) = 5s 3 + 4.5s 2 + 5.9s + 3.4 =  3.5s + 2.1 Θi (s) 1 + 0.7 * Ks(5s + 3) 5s 3 + (4.5 + 3.5K )s 2 + (5.9 + 2.1K )s + 3.4 5s 3-3 解:该二阶系统的最大超调量: σ p = e −ζπ / 1−ζ 2  *100% 当σ p = 5% 时,可解上述方程得: ζ = 0.69 当σ p = 5% 时,该二阶系统的过渡时间为: t s ≈ 3 ζwn 所以,该二阶系统的无阻尼自振角频率 wn 3-4 解: ≈ 3 ζt s = 3 0.69 * 2 = 2.17 由上图可得系统的传递函数: 10 * (1 + Ks) C (s) = R(s) s(s + 2) 1 + 10 * (1 + Ks) s(s + 2) == 10 * (Ks + 1) 2 s + 2 * (1 + 5K )s + 10 所以 wn = 10 ,ζwn = 1 + 5K ⑴ 若ζ = 0.5 时, K ≈ 0.116 所以 K ≈ 0.116 时,ζ = 0.5 ⑵ 系统单位阶跃响应的超调量和过渡过程时间分别为: σ p = e −ζπ / 1−ζ 2 *100% = e  −0.5*3.14 /  1−0.52 *100% ≈ 16.3% ts =  3 ζwn  = 3 0.5 *  ≈ 1.9 10 ⑶ 加入 (1 + Ks ) 相当于加入了一个比例微分环节,将使系统的阻尼比增大,可以有效 地减小原系统的阶跃响应的超调量;同时由于微分的作用,使系统阶跃响应的速度(即变 化率)提高了,从而缩短了过渡时间:总之,加入 (1 + Ks ) 后,系统响应性能得到改善。 3-5 解: 由上图可得该控制系统的传递函数: C(s) =  1 10K1 R(s) 二阶系统的标准形式为: C (s) R(s) s 2 + (10τ + 1)s + 10K w 2 = n s 2 + 2ζw s + w2 n n 所以 w 2 n = 10K1 2ζwn = 10τ + 1 由 p σ = e−ζπ / π 1−ζ 2  *100% t p = wn 1 − ζ 2 σ p = 9.5% t p = 0.5 可得 ζ = 0.6 2 wn = 10K1  ζ = 0.6 wn = 7.85 由 和 2ζwn = 10τ + 1 wn = 7.85 可得: K1 = 6.16 τ = 0.84 t s ≈ 3 ζwn  = 0.64 3-6 解:⑴ 列出劳斯表为: 因为劳斯表首列系数符号变号 2 次,所以系统不稳定。 ⑵ 列出劳斯表为: 因为劳斯表首列系数全大于零,所以系统稳定。 ⑶ 列出劳斯表为: 因为劳斯表首列系数符号变号 2 次,所以系统不稳定。 3-7 解:系统的闭环系统传递函数: K (s +1) C (s) = R(s) = s(2s +1)(Ts +1) = 1 + K (s +1) s(2s +1)(Ts +1) K (s +1) K (s +1) s(2s +1)(Ts +1) + K (s +1) 2Ts3 + (T + 2)s 2 + (K +1)s + K 列出劳斯表为: s3 2T K +1 s2 T + 2 K s1 (K +1)(T + 2) − 2KT T + 2 s0 K T > 0 ,T + 2 > 0 , (K + 1)(T + 2) − 2KT T + 2 > 0 , K > 0 T > 0 K > 0 , (K + 1)(T + 2) − 2KT > 0 (K +1)(T + 2) − 2KT = (T + 2) + KT + 2K − 2KT = (T + 2) − KT + 2K = (T + 2) − K (T − 2) > 0 K (T − 2) < (T + 2) 3-9 解: 由上图可得闭环系统传递函数: C (s) =  KK2 K3 2 3 2 3 2 3 R(s) (1 + KK K a)s2 − KK K bs − KK K 代入已知数据,得二阶系统特征方程: (1 + 0.1K )s2 − 0.1Ks − K = 0 列出劳斯表为:  s2 1 + 0.1K − K s1 − 0.1K s0 − K 可见,只要放大器 −10 < K < 0 ,系统就是稳定的。 3-12 解:系统的稳态误差为: ess = lim e(t ) = lim sE (s) = lim s  R(s) t →∞ s→0 s →0 1 + G0 (s) ⑴ G0 (s) = 10 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 系统的静态位置误差系数: K = lim G (s) = lim 10 = ∞ p s →0 0 s →0 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 系统的静态速度误差系数: K = lim sG (s) = lim 10s = 10 v s →0 0 s →0 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 系统的静态加速度误差系数: K = lim s 2 G (s) = lim 10s 2 = 0 a s→0 0 s→0 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 当 r (t ) = 1(t ) 时, R(s) = 1 s ess  = lim s  * 1 = 0 当 r (t ) = 4t 时, R(s) = s→0 10 s 1 + s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 4 s 2 e = lim s  * 4 = 0.4 ss s →0 s 2 当 r (t ) = t 2 时, R(s) = 1 + 10 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 2 s 3 ess  = lim s →0 1 +  s * 2 = ∞ 10 s 3 s(0.1s + 1)(0.5s + 1) 当 r(t) = 1(t) + 4t + t 2 时, R(s) = 1 + 4 + 2 s s 2 s 3 3-14 解: ess = 0 + 0.4 + ∞ = ∞ 由于单位斜坡输入下系统稳态误差为常值=2,所以系统为 I 型系统 设开环传递函数 G(s) = K s(s2 + as + b)  ⇒ K = 0.5 b 闭环传递函数 φ(s) = G(s) = K 1 + G(s) s3 + as2 + bs + K Q s = −1 ± j 是系统闭环极点,因此 s3 + as2 + bs + K = (s + c)(s2 + 2s + 2) = s3 + (2 + c)s2 + (2c + 2)s + 2c ⎧K = 0.5b ⎪ ⎪K = 2c ⎪ ⎨b = 2c + 2 ⇒ ⎪⎩a = 2 + c ⎧K = 2 ⎪ ⎪a = 3 ⎪ ⎨b = 4 ⎪⎩c = 1 所以 G(s) = 2 。 s(s2 + 3s + 4) 4-1  jω [s]  jω [s] k →∞ k = 0 ×  k →∞ k = 0 0× σ k = 0 × k →∞  k →∞ k = 0 σ 0× (a) (b) jω [ s ] jω [s]  σ × × 0 × σ × 0× (c) (d) 4-2 j ω [ s ] × p 3 = − 1  0 ×× p 1 = 0 σ p 2 = 0 p1 = 0, p2 = 0, p3 = −1 1. 实轴上的根轨迹 (−∞, −1) (0, 0) 1 2. n − m = 3 3 条根轨迹趋向无穷远处的渐近线相角为 =± ϕ 180°(2q + 1) = ±60°,180° a 3 (q = 0,1) 渐近线与实轴的交点为 n m ∑ pi − ∑ zi i =1 j =1 0 − 0 −1 1 σ a = 3. 系统的特征方程为 n − m = = − 3 3 1+G(s) = 1 + K = 0 s2 (s +1) 即 K = − s2 (s +1) = −s3 − s2 dK = − 3s2 − 2s = 0 ds s(3s + 2) = 0 根 s1 = 0  (舍去) s2 = −0.667 4. 令 s = jω  代入特征方程 1+G(s) = 1 + K = 0 s2 (s +1) s2 (s +1) + K =0 ( jω )2 ( jω +1) + K =0 −ω 2 ( jω +1) + K =0 K − ω 2 − jω =0 ⎧K − ω 2 =0 ⎨ ⎩ω = 0 ω=0 (舍去) 与虚轴没有交点,即只有根轨迹上的起点,也即开环极点 p1,2 = 0  在虚轴上。 2 5-1 G(s) = 5 0.25s +1 G( jω ) = 5 0.25 jω +1 A(ω ) = 5 (0.25ω )2 +1 ϕ(ω) = − arctan(0.25ω) 输入 r(t) = 5 cos(4t − 30°) = 5 sin(4t + 60°) ω=4 A(4) = 5 (0.25 * 4)2 +1 = 2.5 2 ϕ(4) = − arctan(0.25 * 4) = −45° 系统的稳态输出为 c(t ) = A(4) * 5 cos[4t − 30° + ϕ(4)] = 2.5 2 * 5 cos(4t − 30° − 45°) = 17.68 cos(4t − 75°) = 17.68 sin(4t +15°) sin α = cos(90° −α ) = cos(α − 90°) = cos(α + 270°) 5-3  或者, c(t ) = A(4) * 5 sin[4t + 60° + ϕ(4)] = 2.5 2 * 5 sin(4t + 60° − 45°) = 17.68 sin(4t +15°) 1 1 (2) G(s) = (1 + s)(1 + 2s) G( jω ) = (1 + jω )(1 + j 2ω ) A(ω ) = 1 (1 + ω 2 )(1 + 4ω 2 ) ϕ(ω) = − arctan ω − arctan 2ω ϕ(ω) = − arctan ω − arctan 2ω = −90° arctan ω + arctan 2ω = 90° ω = 1/(2ω) ω 2 = 1/ 2 A(ω ) = 1 = (1 +1 / 2)(1 + 4 *1/ 2) 2 = 0.47 3 与虚轴的交点为(0,-j0.47) jY(ω) 0 ω =∞ -j0.47  ω = 0  1 X (ω) ω 1 (3) G(s) = 1 s(1 + s)(1 + 2s) G( jω ) = 1 jω (1 + jω )(1 + j2ω ) A(ω ) = ω 1 (1 + ω 2 )(1 + 4ω 2 ) ϕ(ω) = −90° − arctan ω − arctan 2ω ϕ(ω) = −90° − arctan ω − arctan 2ω = −180° arctan ω + arctan 2ω = 90° ω = 1/(2ω) ω 2 = 1/ 2 A(ω ) = 1 1/2 (1 +1/ 2)(1 + 4 *1/ 2) = 2 = 0.67 3 与实轴的交点为(-0.67,-j0) -0.67 0 ω = 0.707 ω ω = 0 jY (ω) ω =∞ X (ω) (4) G(s) = 1 s2 (1 + s)(1 + 2s) G( jω ) = 1 ( jω )2 (1 + jω )(1 + j 2ω ) A(ω ) = ω 2 1 (1 + ω 2 )(1 + 4ω 2 ) ϕ(ω ) = −180° − arctan ω − arctan 2ω ϕ(ω) = −180° − arctan ω − arctan 2ω = −270° arctan ω + arctan 2ω = 90° ω = 1/(2ω) ω 2 = 1/ 2 A(ω ) =  1 = 2 (1/ 2) (1 +1/ 2)(1 + 4 *1/ 2) 3 2 = 0.94 与虚轴的交点为(0,j0.94) ω = 0.707 ω = 0 ω  0.94 0  jY(ω) ω = ∞ X (ω) 2 5-4 (2)ω1 = 0.5 ,ω2 = 1 , k = 1 ,υ = 0 L (ω ) ( d B ) 0 0.01 -20dB  0.1  0.5 -20dB /dec ω 1 10 -40dB /dec -40dB (3)ω1 = 0.5 ,ω2 = 1 , k = 1 ,υ = 1 L (ω ) ( d B )  -20dB /dec 20dB -40dB /dec ω 0 0.01 0.1 0.5 1 10 -20dB -40dB  -60dB /dec (4)ω1 = 0.5 ,ω2 = 1 , k = 1 ,υ = 2 L (ω )(d B ) 60dB  -40dB /dec 40dB 20dB -60dB /dec ω 0 0.01 0.1 0.5 1 10 -20dB -40dB  -80dB /dec 5-6 G(s) =  1 s −1  是一个非最小相位系统 3 G( jω ) = 1 = 1 (−1 − jω ) = 1 e j ( −180o +arctgω ) jω −1 1 + ω 2 1 + ω 2 G(s) =  1 s +1  是一个最小相位系统 G( jω ) = 1 =  1 (1 − jω ) =  1 e− jarctgω jω +1 1 + ω 2 1 + ω 2 5-8(a) ω = 0 − ω = ∞ -1 0  X (ω ) ω = 0 + 系统开环传递函数有一极点在 s 平面的原点处,因此乃氏回线中半径为无穷小量ε 的半圆弧 对应的映射曲线是一个半径为无穷大的圆弧: ω :0− → 0+ ;θ :-90°→ 0°→ +90°; ϕ(ω) :+90°→ 0°→ -90° N=P-Z, Z=P-N=0-(-2)=2 闭环系统有 2 个极点在右半平面,所以闭环系统不稳定 (b) jY (ω ) ω = 0− ω = 0+  ω = ∞ -1 0  X (ω ) 4 系统开环传递函数有 2 个极点在 s 平面的原点处,因此乃氏回线中半径为无穷小量ε 的半圆 弧对应的映射曲线是一个半径为无穷大的圆弧: ω :0− → 0+ ;θ :-90°→ 0°→ +90°; ϕ(ω) :+180°→ 0°→ -180° N=P-Z, Z=P-N=0-0=0 闭环系统有 0 个极点在右半平面,所以闭环系统稳定 5-10  K K 2.28K (1) G(s)H (s) = = Ts +1 ϕ(ω)(°)  1 2.28  s +1 = s + 2.28 ω1 = 2.28 0° ω −90° ϕ (ω ) G s H s = K 1 = K 1 = 2.28K (2) ( ) ( ) ϕ (ω )(°) s Ts +1  s 1 2.28  s +1 s(s + 2.28) −90° ω1 = 2.28 ω −180° ϕ (ω ) K τ s +1 1 K 0.5 s +1  4K (s + 0.5) (3) G(s)H (s) = = s Ts +1 s 1 = s (s + 2) 2 2 2 s +1 2 L (ω )( d B ) -40dB /dec -20dB /dec a ω b 0 0.5 1 2 -40dB /dec 5 20 lg 1 = a −20 lg K + 20 lg 1 = 40 lg 1 −20 lg K = 20 lg 1 0.5 20 lg(K )−1 = 20 lg 2 0.5 0.5 K = 1/ 2 = 0.5 0.5 G(s)H (s) = 4K (s + 0.5) = 2(s + 0.5) s2 (s + 2) s2 (s + 2) −90° ϕ(ω)(°) ω1 = 0.5 ω2 = 2 ω −180° ϕ (ω ) 5-11  ω = 0−  jY (ω) ω = +∞ 0 ω = −∞ (-1,j0)  X (ω) ω ω = 0+ G(s)H (s) = K s(s +1)(3s +1) ⇒ G( jω )H ( jω ) = K jω ( jω +1)(3 jω +1) ϕ(ω ) = −90° − arctan ω − arctan 3ω = −180° arctan ω + arctan 3ω = 90° ω = 1/(3ω) ω 2 = 1/ 3 A(ω ) = K 1 /3 (1 +1 / 3)(1 + 9 *1/ 3) = 3 K = 1 4 Kc = 4/3 = 1.33 6 6-2 (1) 6 ω 2 G(s) = = n n n s(s2 + 4s + 6) s(s2 + 2ξω s + ω 2 ) ω 2 = 6 ω = 6 =2.45, 2ξω =4 ξ = 4 = 2 = 0.816 n n n 2ωn 6 K = 1 所以,ωc = 1 20lgK = 0 ⎛ 2ξω / ω ϕ (ω ) = −90° − arctg c n ⎞ ⎛ 2 * 0.816 *1/ 2.45 ⎞ = −90° − arctg c ⎜ 1 − ω 2 / ω 2 ⎟ ⎜ 1 −1/ 2.452 ⎟ ⎝ c n ⎠ ⎝ ⎠ = −90° − arctg ⎛ 2 * 0.816 *1 / 2.45 ⎞ = −90° − arctg ⎛ 0.666 ⎞ = −90° − arctg 0.7995 ⎜ 1 −1 / 2.452 ⎟ ⎜ 0.833 ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ = −90° − 38.64° = −128.64° γ = 180° + ϕ (ωc ) = 180° −128.64° = 51.36° L(ω )(dB) 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40  0.01  -20dB /dec 0.1  ωn 1 2.45  ω 10 -60dB /dec (2) ω1 = 1, ω2 =1/0.2=5 ⎛ 2ξω / ω ϕ (ω ) = −90° − arctg c n ⎞ ⎛ ω ⎞ ⎛ ω ⎞ + arctg c − arctg c c ⎜ 1 − ω 2 / ω 2 ⎟ ⎜ ω ⎟ ⎜ ω ⎟ ⎝ c n ⎠ ⎝ 1 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 1 5 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ = −128.64° + arctg ⎛ 1 ⎞ − arctg ⎛ 1 ⎞ = −128.64° + 45° −11.31° = −94.95° ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ γ = 180° + ϕ (ωc ) = 180° − 94.95° = 85.05° 1 课后答案网 L(ω) (dB ) 50 40 30 20 10 0 -10 -20  0.01  -20dB /dec 0.1  ωn 1 2.45  20dB /dec G c ω 5 10 -30 -40 -40dB /dec -60dB /dec -60dB /dec 6-5 (1)  G(s) =  10 s(0.5s +1)(0.1s +1) ω = 1, 20 lg K =20lg10=20dB ω1 = 1/ 0.5 = 2, ω2 = 1 / 0.1 = 10 ω1 = 2 时, L(ω1 ) = 20 − 20(lg 2 − lg1) = 20lg10 − 20 lg 2 = 20lg5 = 14dB ω2 = 10 时, L(ω2 ) = 14 − 40(lg10 − lg 2) = −13.96dB 所以,ω1 < ωc < ω2 L(ω1 ) = 40(lg ωc − lg 2) = 40(lg ωc / 2) = 14dB ωc = 4.48 ϕ (ωc ) = −90° − arctg 0.5ωc − arctg 0.1ωc = −90° − arctg 2.24 − arctg 0.448 = −90°− 65.94°− 24.13° = −180.07° γ = 180° + ϕ (ωc ) = 180° −180.07° = −0.07° L (ω )(dB) 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40  0.1  -20dB /dec 1 2  -40dB /dec ω c 10  -60dB /dec  ω 100 2 (2)  G(s)Gc (s) =  10(0.33s +1) s(0.5s +1)(0.1s +1)(0.033s +1) ω = 1, 20 lg K =20lg10=20dB ω1 = 1 / 0.5 = 2, ω2 = 1/ 0.33 = 3, ω3 = 1 / 0.1 = 10, ω4 = 1/ 0.033 = 30 ω2 = 3 时, L(ω1 ) − L(ω2 ) = 40(lg ω2 − lg ω1 ) 14 − L(ω2 ) = 40(lg 4.35 − lg 2) L(ω2 ) = 7dB L(ω3 = 10) − L(ω2 = 3) = −20(lg ω3 − lg ω2 ) = −3.37dB 所以ω2 < ωc 2 < ω3 L(ω2 ) = 20(lg ωc 2 − lg ω2 ) = 20(lg ωc 2 / 3) = 7dB ωc 2 = 6.72 ϕ (ωc ) = −90° − arctg 0.5ωc 2 − arctg 0.1ωc 2 + arctg 0.33ωc 2 − arctg 0.033ωc 2 = −90° − arctg 3.36 − arctg 0.672 + arctg 2.22 − arctg 0.222 = −90°− 73.43°− 33.90°+ 65.75°−12.52° = −144.1° γ 2 = 180° + ϕ (ωc 2 ) = 180° −144.1° = 35.9° L(ω )(dB) 50 40 30 -20dB /dec 20 10 0  -40dB /dec  ωc 2  20dB /dec G c 10 ω -10 -20 0.1 1 2 3 ωc1 30 G cG 100 -30 -40 -20dB /dec -40dB /dec -60dB /dec -60dB /dec 校正环节为相位超前校正,校正后系统的相角裕量增加,系统又不稳定变为稳定,且有一定 的稳定裕度,降低系统响应的超调量;剪切频率增加,系统快速性提高;但是高频段增益提 高,系统抑制噪声能力下降。 3
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