蒸馏塔多变量解耦PID控系统设计.docx
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蒸馏塔多变量解耦PID控系统设计
2021届毕业生
毕业设计说明书
题目:
蒸馏塔多变量解耦PID控系统设计
院系名称：
太原科技大学
专业班级：
机自082215H
学生姓名：
侯健学号：
0251
指导教师：
胡增荣教师职称：
2021年5月28日
摘要
本文是围绕蒸馏塔的测控问题展开的，蒸馏塔是生产的核心，具有非线性、强耦合、多变量等特点，它的操纵直接阻碍到产品的质量、产量和能耗。
本文研究的目的是对蒸馏塔进行操纵，使产品质量符合要求。
本文的研究方式是：
（1）通过蒸馏塔模型做它的动态性能分析，
（2）利用RGA算法对操纵量和被控量进行有效的配对,（3）PID调剂器参数的设计（4）对所采纳的方案进行MATLAB仿真。
关键词：
操纵RGAPID参数设计MATLAB仿真
Abstract
Thisisaroundthedistillationtowercontrolissue,distillationtoweristheproductionofcore,nonlinear,strongcoupling,withmultiplevariablesandothercharacteristics,itisrelatedtothecontrolofproductquality,yieldandenergyconsumption.Thepurposeofthisstudyistodistillcolumncontrol,sothatproductqualitytomeettherequirements.
Theresearchmethodsofthispaperare:
（1）throughadistillationcolumnmodelofitsdynamicperformanceanalysis,
（2）usingtheRGAalgorithmtothecontrolvolumeandthevolumechargedforeffectivepairing,（3）thePIDregulatorparameterdesign（4）ontheMATLABsimulationprogram.
Keywords:
controlofRGAPIDparameterdesignMATLABsimulation
第一章绪论
蒸馏塔的现状
精馏是化工、石油化工、炼油生产进程中应用极为普遍的传质传热进程。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。
精馏进程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。
精馏进程是一个复杂的传质传热进程。
表现为：
进程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；进程动态和机理复杂。
因此，熟悉工艺进程和内在特性，对操纵系统的设计十分重要。
蒸馏是今世应用最广的一项工业分离技术,目前已具有相当做熟的体会与研究基础,尔后较长时期仍将是工业分离的要紧手腕。
在我国,随着化学工业专门是石油工业的进展,蒸馏技术取得十分普遍的应用。
蒸馏是高能耗的分离进程,其应用量大面广,不管是在提高产量或质量方面,仍是在减少能耗方面的改良都可能取得可观的经济效益。
它一直受到国家的重视与支持,曾被列为重大项目,并成立了蒸馏国家重点实验室（化学工程联合国家重点实验室的一部份）和有关的新技术推行中心。
蒸馏技术的显现虽有较长历史,蒸馏学科的进展也具相当的基础,但从整体看仍处于半体会时期。
由于阻碍因素十分复杂,理论预测的误差一样仍然专门大,故平安系数也比较大,造成了设备和能源的专门大浪费,专门是大型工业蒸馏塔。
因此,蒸馏技术存在专门大的改良余地,蒸馏学科应该而且必将继续进展,同时蒸馏技术的进展也面临许多难题与挑战.
蒸馏塔的工作原理
在发酵成熟醪中，不单是含有酒精，还含有其它几十种成份的物质，假设加上水，这些物质的含量远远超过酒精的含量，成熟醒中酒精含量仅为7—11％（容量）左右，而包括水、醇类、醛类、酸类、脂类的杂质几乎占90％，要取得纯净的酒精，就必需采纳必然的方式，把酒精从成熟醪中分离出来。
生产中是采纳加热蒸馏的方法，把各类不同沸点、比重、挥发性的物质从不同的设备中分离出来，从而取得较高纯度的酒精。
粗馏塔的工作原理为发酵成熟醪通过预热后，进入粗馏塔中的上部，塔底不断均匀地通入加热蒸气，这时由于加热的作用就可将成熟醪中液态酒精转变成酒精气体，同时其它低沸点和挥发性的杂质，都成为气态，和酒精一同进入排醛塔中（也可直接进入精馏塔），塔底将蒸馏后的废糟排出塔外。
粗馏塔运行正常时，塔顶温度不得低于93℃，但也不能太高，太高的顶温对分离无利，且耗蒸汽量大。
一样操纵在95—96℃。
温度太低，醒中的酒精没有完全蒸发出来，逃酒率明显增大。
纯酒精的沸点是℃，但混有水等成份的混合液体的沸点远远不止℃，因此，粗馏塔底温操纵不该低于105℃，一样在105℃—109℃之间。
成熟醪进入粗馏塔前必需进行预热，减小温差，有利于蒸馏塔稳固运行。
一样应将醪预热温度操纵在60—70℃之间，有些生产单位由于设备性能的阻碍，一样偏低5—10℃。
除醛塔的工作原理是成熟醪中的酒精通过粗馏后，由气态从粗馏塔顶进入除醛塔中，通过除醛塔内再适量的加热、冷凝、回流，使粗酒精中所含的醛、酯等低沸点、易挥发的杂质从排醛管中排出，脱醛酒精从醛塔底部进入液相精馏塔，部份酒头从酒头管中进入后发酵罐的醪中或成熟醪中。
正常情形下，除醛塔底部温度为86—89℃，塔顶温度操纵在79℃，除醛塔上的1*冷凝器水温不该低于60℃，最后一个冷凝器的温度不得低于25℃。
精馏塔的工作原理是酒精通过以上两塔蒸馏后，酒精浓度还需要进一步提高，杂质还需进一步排除，精馏塔的蒸馏目的确实是通过加热蒸发、冷凝、回流，上除头级杂质，中提杂醇油，下排尾级杂质，取得符合质量标准的成品——酒精。
精馏塔的塔顶温度一样应操纵在79℃，塔底温度应操纵在105—107℃，塔中温度在取酒正常的情形下，在88—92℃之间。
精馏塔上的1*冷凝器水温应在60—65℃，2*冷凝器应在35—40℃，最后一个冷凝器温度最好不低于25℃。
精馏塔的操纵要求
精馏塔的操纵目标是：
在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即便总收益最大，本钱最小。
精馏进程是在必然约束条件下进行的。
因此，精馏塔的操纵要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。
质量指标
精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。
通常，知足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。
所谓产品的纯度，就二元精馏来讲，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。
关于多元精馏而言，那么以关键组分的含量来表示。
关键组分是指对产品质量阻碍较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。
产品组分含量并非越纯越好，缘故是，纯度越高，对操纵系统的偏离度要求就越高，操作本钱的提高和产品的价钱并非成比例增加，因此纯度要求应与利用要求适应。
图精馏塔示用意
物料平稳操纵
进出物料平稳，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平稳，维持塔的正常平稳操作，和上下工序的和谐工作。
物料平稳的操纵是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位必然（介于规定的上、下限之间）为目标的。
能量平稳和经济平稳性指标
要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平稳，实现较好的经济性。
约束条件
精馏进程是复杂传质传热进程。
为了知足稳固和平安操作的要求，对精馏塔操作参数有必然的约束条件。
气相速度限：
精馏塔上升蒸汽速度的最大限。
当上升速度太高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，基层塔板的气相组分倒流到上层塔板，显现液泛现象。
最小气相速度限：
指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。
当上升蒸汽速度太低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。
操作压力限：
每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。
临界温度限：
保证精馏塔的正常传热需要、保证适合的回流温度，使精馏塔能够正常操作。
蒸馏塔的测控问题
为保证蒸馏产物的质量须使蒸馏塔回流，而盲目回流又可能使产物的纯度太高，这是造成浪费能源的要紧因素。
另一方面，蒸馏塔的动态特性复杂，且具有非线性，对输出组分又难以实现精准快速测量。
因此对蒸馏塔组分的测控问题一直是自动操纵领域中的重要研究课题。
70年代以来，随着能源的不断紧张，人们加倍重视这方面的研究，已经将适应操纵系统应用于蒸馏塔的输出组分操纵。
干扰 蒸馏塔运行中最要紧的干扰是由输入馈流引发的，包括馈流的组分、流速等参数转变所引发的干扰。
在多级操纵中还要考虑加热蒸气的压力和冷却水流引发的干扰。
假设馈流速度取决于馈送设备、而且是不可控的，那么可将它的测量值用于前馈操纵，以操纵输出流量和塔内流量，使它们与输入馈流成比例。
由于塔身竖立于地面，还需要考虑气候转变的阻碍。
测量 对产物组分的直接测量通常采纳气体色谱仪，也可采纳质谱仪等其他分析仪表。
这种仪表需要一段处置时刻才能得出测量值，结果给操纵回路带来显著的死区时刻，同时本钱也较高。
因此，还需要利用对其他参数的测量来间接推断产物组分。
经常使用间接测量方式包括测量温度、红外吸收、折射率和电导率等参数。
通常采纳直接测量和间接测量相结合的方式。
直接测量仪表装在输出管道上，用于精准测量流速较慢的产物流的组分。
间接测量用于检测馈流干扰引发的快速扰动，装在塔的中部，因为塔端温度对组分的转变不灵敏。
适应操纵 PID调剂器在工业操纵中普遍应用,它需要针对系统的动态特性调整比例、积分和微分项的系数后才能取得良好的成效。
把PID调剂器用于蒸馏塔产物组分操纵，往往需要频繁地调整以补偿操作条件改变引发的动态特性转变。
采纳适应操纵方案可较理想地解决那个问题。
例如采纳自校正调剂器可达到或优于PID调剂器的操纵成效，而且省去了调整的工作。
第二章动态性能测试模型
MATLAB是由美国mathworks公司发布的要紧面对科学计算、可视化和交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化和非线性动态系统的建模和仿真等诸多壮大功能集成在一个易于利用的视窗环境中，为科学研究、工程设计和必需进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在专门大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了现今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和、并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在方面数一数二。
MATLAB能够进行运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连
matlab开发工作界面
接其他编程语言的程序等，要紧应用于工程计算、操纵设计、信号处置与通信、、、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的大体数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中经常使用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的情形简捷得多，而且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优势,使MATLAB成为一个壮大的数学软件。
在刚开始做的时候，我先做了系统的动态性能测试，通过最原始的
响应曲线
波特响应图
impulseresponseplot
内奎斯特
Nicholsplot
零极点图
第三章蒸馏塔的操纵系统设计
相对增益矩阵：
在多变量进程操纵系统中，尽管变量间彼此关联，但是总有一个操纵量对某一被操纵量的阻碍是最大体的，对其他被控量的阻碍是次要的，这确实是操纵变量于被控变量之间搭配的关系，也确实是常说的变量配对。
一个系统中能够有不同的变量配对关系。
适当的选择变量间的配对关系，有可能减弱各通道间的关联（耦合）程度，以致没必要在进行解耦。
在多变量系统中，如何合理的选择输出变量（被控量）于输入变量（操纵量）间的配对关系，并却定各系统之间的耦合程度，是确信多变量系统是不是需要解耦设计的关键问题。
相对增益的概念正是为解决上述问题而提出的。
相对增益是用来衡量一个选定的操纵量与其配对的被控量间彼此阻碍大小的尺度。
因为它是相关于系统中其他操纵量对该被控量的阻碍来讲的，故称其为相对增益。
Bristol（1996）提出了一种分析多变量进程操纵问题的系统方式，该方式仅需稳态信息（进程增益矩阵）和以下两个重要信息：
进程耦合度的测量。
被控量和操作量之间的最有效配对方式的推荐。
Bristol的方式基于相对增益。
关于一个n个被控量和n个操作量的进程。
被控量和操作量之间的相对增益能够概念
（1）
其中，i=1，2，…，n,j=1,2,…,n,
为了方即能够把相对增益排成相对增益矩阵（relativegainarray，简称RGA）用
来表示：
（2）
RGA相关于稳态进程模型有几个重要的性质：
1.它是标准化的，因为矩阵的每行或每列上元素总和都是1.
2.相对增益是无量纲的，故与所选变量的单位或尺度无关。
是对增益矩阵K中元素不确信性灵敏度的一种气宇。
相对增益矩阵的计算：
相对增益能够很容易的由稳态数据或进程模型取得。
关于一个已知稳态模型的2×2进程，能够用如下变量增量来表达：
（3）,（4）
其中，是和之间的稳态增益。
此模型也可用更简练的矩阵形式来表达：
（5）
关于一个稳态进程，（5）式中的稳态增益模型可如此求出：
（6）
由
（1）和（3）式可知：
由式（4）可求出：
（7）
再将其带入式（3）
（8）
然后有：
（9）
把势（8）和（9）代入式
（1），即可取得一个相对增益：
（10）
又因为
（2）式中的每行每列的总和均为1，因此在2×2系统里，其他相对增益
很容易从
取得：
（11）
因此，2×2的RGA能够表示为：
（12）
在那个地址需要值得注意的是2×2进程的RGA老是对称的。
蒸馏塔模型的RGA矩阵计算：
这次所操纵的蒸馏塔模型是一个二元蒸馏塔，操纵量为回流量和再沸的蒸汽量（R和S）,B被控量是蒸馏塔塔顶成份和塔底成份（XD和XB）
蒸馏塔模型：
使
求得模型的稳态矩阵K为：
因此，他的相对增益
由上式可得模型的RGA（相对增益矩阵）：
在那个地址要注意的是被控量和操作量的配对若是相应的相对增益是正的，而且尽可能的为1.依照以上可知蒸馏塔模型的配对方式为
。
前馈—反馈复合系统：
逆解耦操纵（InvertedDecouplingControl，IDC），也称作前馈解耦操纵所谓前馈，它是与反馈操纵相对而言的。
反馈操纵是在系统受到扰动，被控量发生误差再进行操纵，而前馈操纵的思想确实是依照进入进程的扰动量（包括外界扰动和设定值转变），产生适合的操纵作用，使被控量不发生误差。
下面两图给出了简化的前馈操纵和反馈操纵方框图：
前馈操纵回路
反馈操纵回路
逆解耦相较矩阵求逆，幸免了矩阵复杂的求逆运算，所需的解耦网络更少，而且解耦网络支路的数学模型阶次更低，在对高维多变量解耦操纵中具有庞大优越性；但逆解耦也存在实现问题和稳固问题。
实现问题虽可通过设计补偿矩阵进行补偿，但对复杂的操纵对象，补偿矩阵的设计很困难，没有一个设计准那么；稳固性是系统的一个重要特性，是操纵系统能够正常运行的前提，对逆解耦稳固性分析文献比较少。
逆解耦操纵有一些不足的地方，如下面所示的3点：
干扰变量必需能够在线测量，有很多情形下这是不可能的。
为了有效利用前馈操纵，至少需要有一个近似的进程模型，专门是需要明白干扰变量和操作变量如何阻碍被控变量。
前馈操纵的成效取决于进程模型的准确度。
理想的额前馈操纵器在理论上能够实现理想操纵，但可能是难以物理实现的。
幸运的是这些理想的操纵器的近似实现常常能够提供有效的操纵。
逆解耦操纵在20世纪60年代以后才取得普遍的应用。
从那时起，它便被普遍的应用于各类进程中，包括锅炉、蒸发器、固体干燥器、直燃炉和废品处置厂。
可是其大体概念的产生更早一些。
逆解耦操纵属于开环操纵，因此单纯的逆解耦操纵方案一样不宜采纳。
在实际的生产进程中，往往同时存在着假设干扰动。
假设全数采纳逆解耦操纵，那么需对每一个扰动都要利用一套测量变松仪表和一个逆解耦操纵器，这将使得系统变得庞大而复杂，更不用说有一些扰动还无法在线测量，这些因素均限制了逆解耦操纵的应用范围。
为了解决逆解耦操纵的上述局限性，工程上将前馈和反馈结合起来。
如此，既发挥了前馈作用可及时克服要紧扰动对被控量阻碍的优势，又维持了反馈操纵能克服多个扰动阻碍的优势，同时也减低了系统对逆解耦补偿器的要求，使其在工程上更易于实现，这种前馈-反馈符合操纵系统在进程操纵中已被普遍的利用，相应系统的方框图如以下图所示：
PID算法研究及参数整定：
比例—积分—微分PID是一种应用普遍的经典操纵理论。
在生产进程自动操纵的进展历史中，PID操纵是历史最久、生命力最强的大体操纵方式。
随后，随着科学技术的进展，专门是电子运算机的诞生和进展，涌现出许多先进的操纵策略，但是直到此刻，但是直到此刻，PID操纵仍然取得普遍应用。
总结起来,该算法具有如下优势：
（1）结构简单，利用方便。
PID操纵是由P、I、D三个环节组合而成，其大体组成理比较简单，很容易明白得它，参数的物理意义也比较明确。
（2）适应性强。
能够普遍应用于化工、热工、冶金、炼油、造纸、建材等各类生产场合。
按PID操纵进行工作的自动调剂器早已商品化，在具体实现上经历了机械式、液动式、气动式、电子式等进展时期，但始终没有离开PID操纵的范围。
即便目前最先进的进程操纵系统，其大体操纵算法也仍是PID操纵。
（3）鲁棒性强，即其操纵品质对被控对象特性的转变不大灵敏。
由于具有这些优势，在进程操纵中，人们第一想到的老是PID操纵。
大型现代化生产装置的操纵回路可能达到一二百路乃至更多，其中绝大数都采纳PID操纵。
例外的有两种：
一种是被控对象易于操纵而操纵要求又不高时，能够采纳更简单的开关操纵方式；另一种是被控对象专门难操纵而操纵要求又专门高时，若是用PID操纵难以达到生产要求，就要考虑采纳更先进的操纵策略。
PID调剂器分为模拟式和数字式。
前者采纳运算放大器、阻容元器件等模拟电路组成，初期利用普遍，如DDZ—III型PID调剂器。
随着微处置器的进展，采纳单片微型运算机的数字式PID调剂器应用愈来愈普遍。
PID的调剂原理：
PID操纵确实是依照系统误差，利用比例、积分、微分计算出操纵量进行操纵的。
积分（I）型操纵
在积分操纵中，操纵系统的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
关于一个操纵系统，若是在进入稳态后存在稳态误差，那么称那个操纵系统是有稳态误差的或简称有差系统（systemwithsteady—stateerror）。
为了排除稳态误差。
在压力、速度、温度操纵中必需引入“积分项”。
积分项对误差取决于时刻的积分，随着时刻的增加，积分项会不断的增大。
如此，即便误差很小，积分项也会随着时刻的增加而增大，它会推动输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）制，能够使操纵系统在进入稳态后无稳态误差。
比例（P）操纵
比例操纵是一种最简单的操纵方式。
其操纵的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例操纵时，系统输出存在稳态误差。
微分（D）操纵
在积分操纵中，压力、速度、温度的信号输出与输入误差信号的微分（及误差的转变率）成正比关系。
操纵系统在客服误差的调剂进程中可能会显现振荡乃至失稳。
其缘故是由于存在较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其转变老是掉队于误差的转变。
解决的方法确实是使抑制误差的作用的转变“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这确实是说，在操纵器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能够预测误差转变的趋势，如此，具有比例+微分的操纵系统，就能够够提早使抑制误差的操纵作用等于零，乃至为负值，从而幸免了被控量的严峻超调。
因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）操纵器能够改善系统在调剂进程中的动态特性。
PID的参数整定是操纵系统设计的核心内容。
它是依照操纵进程的特性确信压力，速度，温度PID操纵的比例系数、积分时刻和微分时刻的大小。
PID操纵参数整定的方式是很多的，归纳起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主若是依据被控对象动作系统的数学模型，通过理论计算确信操纵参数。
这种方式所取得的计算数据未必能够直接用，还必需通过被控对象实际动作进行调整和修改。
二是被控对象动作进程整定方式，它要紧依托被控对象动作操纵体会，直接在被控对象动作操纵时进行压力，速度及温度调整，且方式简单、易于把握。
PID操纵参数的工程整定方式，要紧有临界比例阀、反映曲线法和衰减发。
三种方式各有其特点，其一起点都是通过实验，然后依照被控对象调试体会对PID进行参数整定。
但不管采纳那一种方式所取得的PID参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
在找到最正确整定参数之前，要对PV值曲线进行走势分析，判定扰动存在的转变大小，再慢慢的进行凑试。
若是通过量次仍找不到最正确整定参数或参数无法达到理想状态，而系统操纵有要求较为准确，那就得考虑单回路PID操纵的有效性，是不是应该选用更复杂的PID操纵。
把比例、微分、积分这三种模式混合在一路，组成PID操纵器，事实上PID操纵有多种形式。
下面介绍的是本次设计中所用的PID操纵的并行形式。
、
微分作用能够通过并行形式与比例、积分作用一路利用。
并行形式（parallelform）的PID操纵算法（没有微分滤波器）如下：
其操纵形式框图如以下图所示：
PID调剂器的参数设置
参数整定原那么
1.操纵系统稳固运行准那么，操纵系统开环总增益（KCK0）来讲，当系统运行正常后，若是增大了K0，那么应将KC相应的减少相同倍数；反之亦然。
例如，变送器量程变小时，KC应减小相应倍数；当执行器口径增大时，KC相应的减小等。
T0是广义对象的动态参数，该值越大，操纵系统越不易稳固，这时，应减小KC,以保证系统的稳固性。
同时，Ti/t0和Td/t0应适合，通常取Ti=2t0,Td=.
、I、D三者中，P作用是最大体的操纵作用。
一样先按纯比例进行闭环测试，然后适当引入Ti和Td。
也能够依照广义对象的时滞t0，设置好Ti和Td，然后调整比例增益KC。
4.应尽可能发挥积分作用排除误差。
一样取Ti=2t0，或Ti=（~1）Tp,Tp是振荡周期。
引入积分作用后，所引入的相位滞后不该超过40°，幅值比增加不超过20%。
为此，KC应比纯P是减小约10%。
5.微分作用的引入是为了解决高阶对象的国度滞后对操纵品质的不利阻碍，关于纯滞后，微分作用无能为力。
多数情形下，引入微分后，KC应比纯P是增加约10%。
6.对含有高频噪声的进程，不宜引入微分，不然，高频分量将被放大的很厉害，对操纵不利。
7.稳固性是操纵系统品质指标的前提条件。
通常，可取衰减比作为稳固性指标。
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