1一、机电耦合系统的传递函数#
思路
- 电磁场中的滑杆受电磁力驱动、又受弹簧与阻尼约束,求输入电压到位置输出的传递函数
直流电机等机电系统
建模与机电系统
本卷考法
- 由机电耦合系统列写运动方程求传递函数
本卷实例
- 关键一步:电学方程与力学方程要分别列:电学是电压平衡,力学是牛顿第二定律
- 关键一步:电路中同时存在运动产生的反电动势,它正比于速度;
- 关键一步:把电流用电学方程表示后代入力学方程,得到只含位置与电压的二阶微分方程
- 关键一步:力学中同时存在电流产生的电磁力,它正比于电流
- 中间结果:反电动势与电磁力互为共轭,这一对耦合项正是机电系统建模的关键
- 中间结果:消去电流后,阻尼系数上会多出一项由电磁力引起的等效阻尼,
- 中间结果:它正比于磁感应强度与导轨间距的平方再除以电阻
- 卡点:忘记反电动势或电磁力其中一项;或把电磁力写成与速度成正比,实际上它正比于电流
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
- 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
- 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
- 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
- 写出电枢回路电压平衡方程
- 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
- 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
- 本卷考过由机电耦合系统列写运动方程求传递函数
- 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
- 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
- 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
- 把电气时间常数与机电时间常数混淆
公式
机械系统建模
建模与机电系统
本卷考法
- 由机械系统的受力分析写出运动方程
本卷实例
- 关键一步:滑杆受到的外力有电磁力、弹簧恢复力和阻尼力三个,把所有力按方向写进牛顿第二定律
- 关键一步:弹簧力与位移成正比、阻尼力与速度成正比,符号都与运动方向相反
- 关键一步:整理成含质量、阻尼、刚度三个系数的二阶微分方程后取零初始条件的拉氏变换
- 中间结果:传递函数的分母是二阶特征多项式,分子是常数,
- 中间结果:系统属于无零点的二阶过阻尼或欠阻尼环节,取决于参数取值
- 卡点:力的正负号写错;或漏掉弹簧或阻尼器中的一项,导致分辨率与固有频率都算错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
- 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
- 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
- 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
- 选定正方向并作受力分析
- 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
- 按 F=ma 列写运动方程
- 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
- 本卷考过由机械系统的受力分析写出运动方程
- 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
- 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
- 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
- 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式

