CN104245391A - 速度控制器及速度控制器过渡状态的改善方法 - Google Patents
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Abstract
本发明呈现一种调速器(120)以及针对该调速器的方法。所述调速器将车辆中的发动机***朝向目标速度Vdes导向,由此所述车辆采取实际速度Vact,所述实际速度描述朝向所述目标速度Vdes的归零模式。根据本发明,基于与所述车辆前方路段有关的数据实现所述调速器(120)的提前启动,由此所述归零模式中的相对于所述目标速度Vdes的至少一个波动的大小被降低。因而实现带有较少过冲和下冲的归零模式,导致被降低的燃料消耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于调速器的方法,以及涉及一种根据权利要求17前序部分的调速器。
本发明还涉及实施根据本发明所述方法的计算机程序和计算机程序制品。
背景技术
在例如轿车、卡车和公交车的机动车中,发动机***通常借助于调整器(所谓的调速器)来控制,所述调整器可位于车辆的控制单元中但也可位于车载的其它位置处。调速器对扭矩进行调整,所述扭矩是来自发动机***的要求并且通常随时间改变,例如当车速必须改变或者车辆开始上坡或下坡时改变。
现在在诸如小汽车、卡车和公交车的机动车中常见的是巡航控制。巡航控制的一个目的是通过调节发动机扭矩以避免降速或是在车辆由于其自身重量加速的下坡行进情况下通过施加制动动作来实现均匀的预定速度。巡航控制的较普遍的目的在于为车辆驾驶者提供简易的驾驶性和较多的舒适性。
图1示意性地示出了巡航控制***100的一部分,其中带有巡航控制器110的机动车的驾驶者通常选择他/她希望车辆在平路上保持的设定速度Vset。巡航控制器110接下来将参考速度Vref(即目标速度Vdes)传送至调速器120,所述参考速度可被认为是针对车速的设定点值。参考速度Vref由调速器使用以确定来自车辆的发动机***130的对扭矩M的要求。所述被要求的扭矩M的结果是车辆从而采取的实际速度Vact。
因此,设定速度Vset可被认为是到巡航控制的输入信号,且参考速度Vref被认为是来自巡航控制的输出信号,所述输出信号被用作目标速度Vdes以便借助于调速器控制发动机。换言之,参考速度Vref在此用作针对车速的设定点值并在本文中也被称为目标速度Vdes。
本领域技术人员将认识到巡航控制器110也可由来自驾驶者的指令替代。因此目标速度Vdes也可作为驾驶者对车辆控制(例如加速控制,诸如加速踏板等)的操作的结果而被传送至调速器120。
在目前传统的巡航控制(CC)中,参考速度Vref与由***使用者(例如车辆驾驶者)选择的设定速度Vset相等。因此,所述巡航控制维持与由驾驶者选择的设定速度Vset相等的恒定参考速度Vref。参考速度Vref的值在此仅当用户在旅途期间调节时变化。
目前已知作为经济型巡航控制(例如Ecocruise等)的巡航控制,所述巡航控制试图估算当前行车阻力、还具有与历史行车阻力有关的数据以及允许参考速度Vref与由驾驶者选择的设定速度Vset有差异。允许所述差异的巡航控制在此称作为参考速度调整型巡航控制。
发明内容
调整器的总体问题是,所述调整器经常在用作设定点值信号的调整信号中以阶跃形(即以相对迅速的改变)产生波动,也就是产生当前值信号所谓的过冲(overshoot)和下冲(undershoot)。这些波动尤其由于受调整器管理的***中的惯性来产生。图2以实施例的方式示意性地示出了这样的下冲204和过冲205,所述下冲和过冲示出了当调整器信号从第一等级201向第二等级202发生阶跃203时虚拟***的惯性的结果的实施例。
在机动车中调速器的情况下,发动机***的扭矩积聚中的惯性可促进实际速度Vact关于目标速度Vdes的波动,即关于针对车辆速度Vact的设定点值Vdes的波动。车辆中发动机***中的扭矩积聚经常受到规则和/或法定要求的限制,所述规则和/或法定要求例如对车辆允许排放的尾气量施加的限制。因此,发动机***的扭矩积聚变得迟缓以使得经常发生关于调速器目标速度的波动。
这意味着控制发动机***130的调速器120次优地起作用,以及与每能量单位的行车时间有关的燃料消耗增加,这是因为燃料必须被消耗以将实际速度Vact(即车速的实际值)从下冲速度增加至目标速度Vdes(即针对车速的设定点值)。
因此,车辆的发动机***中的惯性导致如下形式的波动,所述形式为针对实际速度Vact的归零模式(zeroing pattern)中的至少一个下冲和/或过冲,所述实际速度由调速器朝向目标速度Vdes调整,导致增加的燃料消耗。
本发明的目的是针对实际速度Vact朝向目标速度Vdes的归零模式进行改进,并藉此也减少燃料消耗。
所述目的通过根据权利要求1特征部分的用于调速器的上述方法实现。所述目的还借助于根据权利要求17特征部分的前述调速器实现。
车辆基于与前方路段有关的数据而采取将调速器提前启动(priming)。所述提前启动使得调整器基于与前方路段有关的数据与所述调整器不具有这样的数据或忽视所述数据的情况相比更早地执行导向措施。所述提前启动也可看作是预见来自发动机***的对扭矩的要求。
本发明实现带有较少过冲和下冲的归零模式,因此实现较少的燃料消耗。调速器利用预见车辆实际速度Vact在朝向目标速度Vdes归零时的扭矩要求来提前启动的事实减少或消除归零模式中的一个或多个过冲和下冲。
根据本发明的调整使得车辆的实际速度Vact平滑地且大体不带有波动地朝向目标速度Vdes归零,导致各种优点。一个优点是这种平滑的归零模式是节约燃料的。另一优点是较平滑的归零模式通过使得速度变化最小化导致为车辆驾驶者带来较好的舒适性。所述较平滑的归零模式还为驾驶者提供对调整器功能的较好理解,这是因为所述较平滑归零模式与驾驶者在他/她不利用巡航控制或调整器协助来调整车辆实际速度Vact的情况下直观上试图遵循的模式相对应。
附图说明
以下参照所附附图更详尽地解释本发明,其中相同的附图标记用于类似的物体,以及:
图1是巡航控制器、调速器以及发动机***的示意图,
图2示出了调整曲线的过冲和下冲的实施例,
图3示出了归零模式的实施例,
图4示出了地形、发动机扭矩和针对车速的归零模式的实施例,
图5示出了根据本发明的控制单元。
具体实施方式
本发明的一个方面提出一种用于调速器120的方法,并且更详细地,提出一种用于使调速器针对车辆实际速度Vact朝向目标速度Vdes的归零模式进行导向的方法。本发明使用与车辆前方路段有关的数据以实现调速器的提前启动。所述数据可以是各种不同类型,例如有关道路坡度或道路弯道的数据。提前启动在此意指调速器与忽视所述前方路段有关的所述数据的情况相比更早地执行至少一个导向措施。因此,调速器在此基于所述数据提前执行至少一个措施。
调速器的提前启动使得其可以减少针对实际速度Vact相对于目标速度Vdes的归零模式的至少一个波动的大小。
这在图3中示意性地图示出,其中在不应用本发明时车辆的实际速度由曲线Vact_1表示。所述曲线具有多个过冲和下冲(即在所述曲线朝向目标速度Vdes的归零模式中的波动),所述过冲和下冲由车辆发动机***中缓慢的扭矩积累与前方路段的构型结合所引起。曲线Vact_1可例如存在于前方路段包括上坡的这种构型中。可指出的是,波动速度(例如波动的归零模式)并非根据燃料消耗角度来优化,这是因为显著大量的制动能量在波动速度的过冲期间由制动消耗掉。如果例如驾驶者不希望超过90km/h,则如果过冲达到90km/h以上,他/她就必须将能量制动消耗,但是如果过冲仅达到89km/h,则能够避免制动。而且,呈下冲和/或过冲形式的波动的归零模式从燃料角度而言被次优化,因为与车辆平均速度的偏差导致损耗项(例如针对空气阻力)的平方(squaring)。
曲线Vact_2示出在应用本发明时的相应归零模式。因此,在这种情况下,调速器被提前启动以使得基于与前方路段有关的数据提前执行至少一个导向措施。调速器可例如引起发动机***中扭矩积累与不考虑有关前方路段数据的情况相比更早地开始。因此,在此预想到对于发动机扭矩的要求,以及因此更早要求的扭矩大小将抵消实际速度Vact_1曲线的一个或多个波动。如图3中所示,在应用本发明时,更早的扭矩积累在此例如使得可以将曲线Vact_1的第一大的下冲完全消除。根据本发明的调速器的提前启动可被认为是智能型PID调整器,如以下将更详尽地描述的。
在由本发明所得到的模式Vact_2中还避免Vact_1归零模式中的其它过冲和下冲。如示意图3所示,曲线Vact_2不带有过冲或下冲地接近目标速度Vdes,这意味着所述模式与在不采用本发明时的曲线Vact_1的波动模式相比减少燃料消耗。由本发明的对发动机***要求的扭矩的提前启动(预知)所得到的较平滑模式还为车辆的驾驶者提供较多的舒适性以及对调整器功能的较好的理解。
图4更详细地示出地形、车速和扭矩如何互相关联的非限制的示意性实施例。图表的顶部描绘车辆在其上行驶的道路地形的实施例。所述部分下方描绘的是目标速度Vset、参考速度调整型巡航控制为该地形提供的参考速度Vref、最低允许速度Vmin、最高允许速度Vmax和恒速制动速度Vkfb。还描绘的是在未应用本发明情况下车辆的实际速度Vact_1(虚线),以及在应用本发明情况下车辆的实际速度Vact_2(实线)。
图4的底部示出未在应用本发明情况下发动机***要求的扭矩M1(虚线),以及示出在应用本发明情况下发动机***要求的扭矩M2(实线)。所述附图清楚地显示在车辆首先下坡然后上坡地行驶时根据本发明的扭矩M2在拖曳扭矩与最大扭矩(M=100%)之间变化。当未应用本发明时扭矩M1在车辆在同一铺设道路行进时在制动扭矩与最大扭矩(M=100%)之间变化。这是因为在未应用本发明时车辆的实际速度Vact_1达到恒速制动速度Vkfb。因此,当应用本发明时没有能量将被制动消耗,而当未采用本发明时将发生从燃料角度而言不合理的能量的制动消耗。
如之前所述,图4为示出在可以有利地利用本发明情况下各种实施例的示意性图表。如关于图2所讨论的,当使用之前已知***时,例如图4中示出的情形不仅包含在此提出的问题而且还包含车辆实际速度Vact_1的过冲和下冲的问题。这些过冲和下冲在图4中没有详细示出,因为其意欲阐明能量制动消耗的问题。然而在此应指出的是例如在实际速度Vact_1达到恒速制动速度Vkfb时将呈现波动归零模式,因为实际速度Vact接下来必须大幅减少。因此,针对实际速度Vact_1的过冲在此将超过恒速制动速度Vkfb并且必须被制动消耗。如之前所述,本发明并不具有这个问题。
因此当采用本发明时能量的制动消耗可被避免,不仅因为发动机***要求的扭矩M2并不下降至车辆的制动扭矩,而且因为能在速度改变时避免归零模式中的过冲和/或下冲。
因此,本发明使用与前方路段有关的数据以实现调速器的提前启动。所述数据可以是与来自地形、道路弯道、交通状况、道路施工、交通密度和道路表面状态中的一种或多种有关。
与前方路段有关的所述数据还被用在已知为经济性巡航控制的特定巡航控制中。经济性巡航控制的所述进一步改进的实施例为“前瞻型”巡航控制(LACC),即使用与前方路段有关的数据(即与前方道路特性有关的数据)以确定参考速度Vref构型的策略式巡航控制。因此,参考速度Vref在此被允许在特定范围内与由驾驶者选择的设定速度Vset有差异,以便实现较高的燃料经济性。
在LACC中使用的有关前方路段的数据可例如包括占主导的地形、道路弯道、交通状况、道路施工、交通密度和道路表面状态。所述数据还可包括对前方路段的速度限制以及道路旁的交通标志。本发明的一个实施例在对调整器提前启动时使用这些种类数据中的至少一种。这是非常有利且计算效率高的,因为这些类型的数据易于在车载***上获得。因此,所述数据可在此用于各种目的,既用于巡航控制又用于调速器的提前启动。因此,根据本发明的提前启动可在几乎没有额外计算或复杂度的情况下实施。
这些类型的数据可例如借助于方位信息,例如GPS(全球定位***)信息、地图信息和/或地形图信息、天气预报、车辆之间沟通的信息以及通过无线电广播沟通的信息来获得。
如果未应用本发明,则实际速度Vact中大体上所有相对大的改变都可导致实际速度朝向目标速度Vdes的归零模式中的波动。有关前方路段的数据被使用以能够识别这些相对大的改变。
例如,如图4中示出的,与前方路段地形有关的信息可被用于识别在其上经常发生速度上相对大改变的上坡和/或下坡。因为车辆的实际速度Vact改变,所以过冲和下冲通常在接近上坡起始段处发生。因为实际速度改变,所以过冲和下冲类似地在接近下坡起始段处发生。
如果参考速度调整型巡航控制在车辆中被使用,则实际速度Vact的改变可以是因为接下来等于目标速度Vdes的参考速度Vref相对于设定速度Vset改变。
以类似的方式,与前方路段弯道有关的信息可被用于在转弯后增速之前识别由实际速度Vact经常在转弯处(尤其是急弯处)下降的事实所导致的即将到来的速度改变。
类似地,与前方路段交通状况有关的信息可被用于识别即将到来的速度改变。在此,例如与前方红灯有关的数据可预想地用于识别接近红灯处的至少一种可能的速度改变。
与前方道路施工有关的数据也可被用于识别即将到来的速度改变,这是因为接近道路施工处经常存在速度限制。
与前方路段上交通密度有关的信息也可被用于识别即将到来的速度改变,这是因为例如交通队列将使得必须降低速度,以及排队的结束将使得可以增加速度。
道路表面状态也影响车速,这是因为与表面状态好的情况相比,在表面状态差(例如存在冰)情况下需要维持较低的速度。因此,与前方路段的表面状态有关的信息也可用于识别即将到来的速度改变。
如上所述,目前传统巡航控制中的参考速度Vref与由***用户选定的设定速度Vset相等。在本发明的一个实施例中,目标速度Vdes用作所述设定速度Vset。
在参考速度调整型巡航控制(例如LACC)中,允许参考速度Vref与设定速度Vset不同。在本发明的一个实施例中,目标速度Vdes用作所述参考速度Vref。
如上所述,对调速器的提前启动(所述提前启动根据本发明基于与前方路段有关的数据)使得调速器与忽视或无法获得所述数据的情况相比更早地执行一种或多种导向措施。根据本发明的提前启动抵消针对实际速度Vact的归零模式中的波动。
在本发明的一个实施例中,所述提前启动通过改变所述调速器的特性来实现。调速器将总体上具有多种可用的调整替代例。切换至不同的替代例将改变调速器的特性。
存在各种类型的调整器。我们在此描述PID调整器的功能和算法,但是本领域技术人员将认识到根据本发明的对调整器的提前启动的原理可在大体上任意种类的调整器中实施。
特性变化可通过改变用于调速器调整算法的一个或多个放大参数的大小来实现。
存在各种类型的调整器。我们在此描述PID调整器的工作和算法,但是本领域技术人员将认识到其它类型/改型的调整器以类似方式工作。本发明可被实施用于所有这样其它类型/改型的调整器。
PID调整器是基于期望输出信号r(t)与实际输出信号y(t)间的差值e(t)将输入信号u(t)发送至***(例如发动机***130)的调整器,所述期望输出信号在本说明书中等于目标速度Vdes,所述实际输出信号在本说明书中等于实际速度Vact。在参照以下的情况中,根据
得出e(t)=r(t)-y(t),其中
-Kp为放大常数,
-KI为积分常数,以及
-KD为微分常数。
PID调整器以三种方式调整,即通过成比例放大(P;Kp)、积分(I;Ki)和微分(D;Kd)调整。
常数Kp、Ki和Kd按如下影响所述***。
放大常数Kp的增加的值引起PID调整器中的以下变化:
-增加的迅速性,
-减少的稳定裕度,
-改善的过程干扰补偿,以及
-增加的控制信号活动。
积分常数Ki的增加的值引起PID调整器中的以下变化:
-对低频过程干扰较好的补偿(消除由于阶跃干扰所得到的残差)
-增加的迅速性,以及
-减少的稳定裕度。
微分常数Kd的增加的值引起PID调整器中的以下变化:
-增加的迅速性,
-增加的稳定裕度,以及
-增加的控制信号活动。
用于PID调整器的调整算法为本领域技术人员所周知,如上所述,本领域技术人员也熟知其它类型/改型的调整器/调整算法并且熟知所述其它类型/改型的调整器/调整算法与PID调整器的相似点/区别。
如上所述,根据本发明对调整器的提前启动可被认为是智能型PID调整器,在此意指基于预计车辆在相对近未来时间行为的方式来为分别针对P、I和D要素调节放大率Kp、KI、KD的调整器。对车辆即将到来行为的预测在此可基于前述在预测时间可获得的数据。
例如,在本发明的一个实施例中,如果预测到实际速度Vact即将降低,那么针对D要素的放大率Kp可被增加以抵消所述降低。类似地,针对相应P和I要素的放大率Kp、KI可被降低以抵消所述降低。针对这些相应P、I和D的放大率调节的组合可被采用以抵消所述降低,因此针对D要素的放大率KD被维持或增加,同时针对相应P和I要素的放大率Kp、KI减少。这些放大率调节的结果将会是与之前已知的方案相比更早地提供高扭矩M,藉此抵消实际速度Vact的降低。因此,例如通过参考速度调整型巡航控制可以在例如实际速度Vact可被预测减少的下坡时减少或防止归零模式中的过冲。
类似地,针对D要素的放大率KD可被维持或增加和/或针对相应P和I的放大率Kp、KI可被降低以抵消被预测的实际速度Vact增加,这是因为与之前已知的方案相比更早地提供低扭矩M。因此,例如通过参考速度调整型巡航控制可以在例如实际速度Vact可被预测增加的上坡上减少或防止归零模式中的下冲。
在一个实施例中,针对相应P和I要素的放大率Kp、KI可被赋予一值,所述值大致为在过冲或下冲被预测发生的情况下的平路上的这些放大率的相应值的大小的一半。
因此,针对相应P、I和D要素的放大率Kp、KI、KD的调节通过对调整器放大参数Kp、KI、KD的操纵来影响扭矩M,藉此在实践中也实现对等于参考速度调整型巡航控制的参考速度Vref的实际速度Vact的影响。
本领域技术人员将认识到也可在计算机程序中实施针对根据本发明的调速器的归零模式进行改善的方法,当在计算机中执行时,所述计算机程序使得计算机执行所述方法。所述计算机程序通常采用被存储在数字存储媒介中的计算机程序制品503的形式,并且容纳在所述计算机程序制品的计算机可读媒介中。所述计算机可读媒介包括适合的存储器,例如ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦写PROM)、闪存、EEPROM(电可擦写PROM)、硬盘单元等。
图5示意性地示出与根据本发明的调速器120相对应的或是该调速器一部分的控制单元500。控制单元500包括计算单元501,所述计算单元可采用大体上任何适合种类的处理器或微处理器的形式,例如用于数字信号处理的电路(数字信号处理器,DSP)或者带有预定专用功能的电路(专用集成电路,ASIC)。计算单元501与存储器单元502连接,所述存储器单元位于控制单元500中并且例如为计算单元提供被存储的程序代码和/或被存储的数据,所述计算单元需要所述被存储的程序代码和/或被存储的数据以使得所述计算单元能够进行计算。计算单元也适于将计算的部分或最终结果存储在存储器单元502中。
控制单元500还设有用于接收和发送输入和输出信号的相应装置511、512、513、514。这些输入和输出信号可包括波形、脉冲或其它属性,所述波形、脉冲或其它属性能被输入信号接收装置511、513检测为信息并且能被转化为计算单元501能处理的信号。这些信号接下来被传送至计算单元。输出信号发送装置512、514设置成依序转化从计算单元接收的信号(例如通过对所述信号进行调制)而转化,以便创建能被传送至车载其它***、例如发动机***130的输出信号。
与用于接收和发送输入和输出信号的相应装置中的每个连接可采用以下中一种或多种的形式:电缆;数据总线,例如CAN(控制器区域网络)总线、MOST(面向媒介的***传输)总线或一些其它的总线构造;或无线连接。
本领域技术人员将认识到前述计算机可采用计算单元501的形式并且前述存储器可采用存储器单元502的形式。
本发明的一个方面是建议一种调速器,其适于针对实际速度Vact朝向目标速度Vdes的归零模式进行改善。根据本发明的调速器120适于基于车辆前方路段的数据而被提前启动,从而所述归零模式相对于目标速度Vdes的至少一个波动的大小被减小。
基于有关前方路段的数据,所述提前启动带来了调速器的导向措施的至少其中之一在时间上的超前,从而所述导向措施与忽视或无法获得所述数据的情况相比会更早地发生。
本领域技术人员还将认识到以上***可基于根据本发明方法的各种实施例进行修改。本发明还涉及一种设有至少一个调速器的机动车、例如卡车或公交车,所述调速器适于针对实际速度Vact朝向目标速度Vdes的归零模式进行改善。
本发明并不受限于以上所描述的本发明的实施例,而是涉及并包括处于所附独立权利要求的保护范围内的所有实施例。
Claims (18)
1.一种用于调速器(120)的方法,所述调速器将车辆中的发动机***(130)朝向目标速度Vdes进行导向,所述车辆采取实际速度Vact,所述实际速度规定朝向所述目标速度Vdes的归零模式,其特征在于,基于与所述车辆的前方路段有关的数据来对所述调速器(120)进行提前启动,由此所述归零模式中的相对于所述目标速度Vdes的至少一个波动的大小被减小。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述提前启动意指所述调速器(120)使用与所述前方路段有关的所述数据作为基础与忽视所述前方路段有关的所述数据的情况相比更早地执行至少一种导向措施。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述前方路段包括上坡。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述至少一个波动包括与所述上坡的起始段接近的下冲。
5.根据权利要求3所述的方法,其中所述至少一个波动包括与所述上坡的起始段接近的过冲。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述前方路段包括下坡。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述至少一个波动包括与所述下坡的起始段接近的下冲。
8.根据权利要求6所述的方法,其中所述至少一个波动包括与所述下坡的起始段接近的过冲。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法,其中与所述车辆的前方路段有关的所述数据是基于涉及以下其中至少一项的信息:
地形,
道路弯道,
交通状况,
道路施工,
交通密度,以及
道路表面状态。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法,其中所述目标速度Vdes是巡航控制器(110)的设定速度Vset。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法,其中所述目标速度Vdes是参考速度调整型巡航控制器(110)的参考速度Vref。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法,其中所述提前启动通过变动所述调速器(120)的特性来实现。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述特性的所述变动通过改变用于所述调速器(120)的调整算法的至少一个放大参数来实现。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法,其中所述提前启动导致更早要求抵消所述至少一个波动的大小的发动机扭矩。
15.一种计算机程序,所述计算机程序包括程序代码,并且当所述代码在计算机中执行时,所述计算机程序使得所述计算机执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
16.一种计算机程序制品,其包括计算机可读媒介以及容纳在所述媒介中的根据权利要求15所述的计算机程序。
17.一种调速器(120),其适于将车辆中的发动机***(130)朝向目标速度Vdes导向,所述车辆采取实际速度Vact,所述实际速度规定朝向所述目标速度Vdes的归零模式,
其特征在于,所述调速器(120)适于基于与所述车辆的前方路段有关的数据来进行提前启动,由此所述归零模式中的相对于所述目标速度Vdes的至少一个波动的大小被降低。
18.根据权利要求17所述的调速器,其适于基于与所述前方路段有关的所述数据来进行提前启动,由此至少一种导向措施与忽视所述数据的情况相比更早地执行。
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