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广东工业大学 810 自动控制原理 2023 年真题思维导图

强势双非共 7 题

难度:中等偏难 题目偏工程应用;第 4 题比较比例控制与一阶控制器两套方案,第 7 题是倒立摆建模

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1结构图化简15 分#

思路
  • 按比较点与引出点的移动规则化简,注意反馈通道的符号
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 化简含交叉比较点的系统结构图
本卷实例
  • 关键一步:把交叉比较点按移动规则合并到同一回路再化简
  • 中间结果:移动引出点与比较点时要相应变更支路增益
  • 卡点:移动方向与乘除关系容易取反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过化简含交叉比较点的系统结构图
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 本卷考过移动方向与乘除关系搞反
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 求闭环传递函数 R(s)→C(s)
本卷实例
  • 关键一步:对多回路结构用梅森公式统一求闭环传函
  • 中间结果:前向通路与回路接触关系决定余子式
  • 卡点:负反馈回路增益前要带负号
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过求闭环传递函数 R(s)→C(s)
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 本卷考过把负反馈的分母写成 1-GH
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

2控制器形式对阶跃响应的影响#

思路
  • 同一对象分别配比例控制器与 PI 控制器,要求写出输出表达式与绘制阶跃响应,本质是考察积分环节的作用
本卷考法
  • 分别求 K(s)=KP 与 K(s)=KP(1+1/(Ts)) 时的系统模型
本卷实例
  • 关键一步:把比例控制器与 PI 控制器分别代入同一被控对象
  • 中间结果:PI 比比例控制多一个积分环节,多出一阶
  • 卡点:PI 引入的是相位滞后,不能说成超前
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过分别求 K(s)=KP 与 K(s)=KP(1+1/(Ts)) 时的系统模型
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 本卷考过把 PI 的相位影响说成超前
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下的输出表达式并绘制响应曲线
本卷实例
  • 关键一步:先由阶跃响应曲线读出时间常数再写输出表达式
  • 中间结果:一阶系统输出按指数规律趋近稳态值
  • 卡点:求输出表达式要做拉氏反变换,不能只读终值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的输出表达式并绘制响应曲线
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 本卷考过增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
本卷考法
  • 由输出表达式说明 PI 控制器消除了稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由含积分环节的开环传函判断系统型别再讨论误差
  • 中间结果:积分环节使阶跃输入下稳态误差趋零
  • 卡点:用终值定理前要先判断闭环是否稳定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过由输出表达式说明 PI 控制器消除了稳态误差
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 本卷考过未判稳就用终值定理
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式

3高阶闭环系统的时域指标15 分#

思路
  • φ(s)=1/(s³+6.4s²+8s+5) 是三阶无零点系统,用主导极点法近似为二阶再套指标公式
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 对三阶系统用主导极点法降阶
本卷实例
  • 关键一步:按非主导极点与主导极点实部的比值判断可否降阶
  • 中间结果:三阶系统降为二阶后再读阻尼比与自然频率
  • 卡点:降阶近似要求主导极点远离其余极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过对三阶系统用主导极点法降阶
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 本卷考过忽略零点对超调量的放大作用
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求超调量 σ%、峰值时间 tp、调节时间 ts(2%)
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比自然频率按二阶公式算超调量与峰值时间
  • 中间结果:超调量由阻尼比按指数关系算出
  • 卡点:调节时间系数按百分之二误差带取四点四
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量只由 ξ 决定,与 ωn 无关
  • 峰值时间、上升时间、调节时间都与 ωn 成反比
  • 调节时间与 ξωn 的乘积成反比,ξωn 是衰减因子
  • 振荡次数与 ξ 直接相关
步骤
  • 由标准形式读出 ξ 与 ωn
  • 用超调量公式先求 ξ
  • 依次代入峰值时间、调节时间、上升时间公式
  • 必要时计算振荡次数
通用考法
  • 本卷考过求超调量 σ%、峰值时间 tp、调节时间 ts(2%)
  • 给定 ξ 与 ωn 求全部动态性能指标
  • 由超调量要求确定 ξ 的取值范围
  • 分析 ωn 变化时各指标如何变化
常见易错
  • 本卷考过用 5% 误差带的系数 3.5
  • 把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 峰值时间与上升时间混用
  • 超调量公式中漏乘 100%
公式
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按输入类型选静态误差系数再求稳态误差
  • 中间结果:跨类型代入误差公式会得到错误量级
  • 卡点:阶跃与斜坡误差系数不要混用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的稳态误差
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 本卷考过Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式

4比例控制与一阶控制器的根轨迹/频域对比#

思路
  • 四问:比例控制时的根轨迹与斜坡误差约束 → 一阶控制器时的根轨迹 → 两种方案的 Bode 与裕度 → 定性比较动态性能
本卷考法
  • 由根轨迹结合斜坡稳态误差要求求控制器增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹读闭环极点位置再结合误差要求定增益范围
  • 中间结果:两约束取交集得到可用增益区间
  • 卡点:估性能时要计及零点的影响
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点位置直接决定 ξ、ωn 与动态指标
  • 等阻尼线是从原点出发的射线,等 ωn 线是以原点为心的圆
  • 给定阻尼比要求时,极点落在等阻尼线上
  • 增益增大一般使系统响应加快但振荡加剧
步骤
  • 在 s 平面上画出等阻尼线或等 ωn 圆
  • 求其与根轨迹的交点
  • 由幅值条件求出交点对应的参数
  • 由极点位置估算动态性能
通用考法
  • 本卷考过由根轨迹结合斜坡稳态误差要求求控制器增益范围
  • 求满足给定阻尼比的参数值
  • 由闭环极点位置估算超调量与调节时间
  • 分析提高增益对性能的影响
常见易错
  • 本卷考过由极点位置估指标时忽略零点的作用
  • 把等阻尼线画成了垂直线
  • 由极点位置估指标时忽略零点的作用
公式
本卷考法
  • 斜坡输入下 ess<0.3% 对增益的约束
本卷实例
  • 关键一步:由斜坡误差限反解静态速度误差系数下限
  • 中间结果:误差限越小要求的速度误差系数越大
  • 卡点:求误差前要先确认系统在所取增益下稳定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过斜坡输入下 ess<0.3% 对增益的约束
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 本卷考过未判稳就用终值定理
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式
本卷考法
  • 绘制两种控制器下的伯德图
本卷实例
  • 关键一步:由各环节转折频率逐段叠改渐近线斜率
  • 中间结果:每过一个转折频率斜率累加变化量
  • 卡点:斜率是逐段累加不是逐段替换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过绘制两种控制器下的伯德图
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求两种方案下的幅值穿越频率与相位裕度
本卷实例
  • 关键一步:在两种控制器下分别求幅值穿越频率与相角裕度
  • 中间结果:比例控制的相角裕度为负说明系统不稳定
  • 卡点:幅值裕度与相角裕度的定义频率不同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相角裕度 γ 在幅值穿越频率 ωc 处定义,γ=180°+∠G(jωc)
  • 幅值裕度 Kg 在相位穿越频率 ωg 处定义,单位可为分贝
  • γ>0 且 Kg>1 时闭环稳定(最小相位系统)
  • γ 主要影响超调,ωc 主要影响响应速度
步骤
  • 由幅频特性求 |G|=1 对应的穿越频率 ωc
  • 由相频特性求 ∠G=-180° 对应的频率 ωg
  • 分别代入公式求相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度符号判断稳定性
通用考法
  • 本卷考过求两种方案下的幅值穿越频率与相位裕度
  • 求系统的相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度要求反求开环增益
  • 分析增益变化对裕度的影响
常见易错
  • 本卷考过ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 把 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 幅值裕度取倒数未取,导致结论反了
  • 非最小相位系统仍用同一判据
公式
本卷考法
  • 定性比较两种方案的稳态误差、超调量、调节时间
本卷实例
  • 关键一步:从稳态误差、超调量与调节时间三方面对比两方案
  • 中间结果:一阶控制器在剪切频率处相角裕度为负
  • 卡点:改善误差时还要检查稳定性是否被破坏
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过定性比较两种方案的稳态误差、超调量、调节时间
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 本卷考过只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

5由 Bode 图设计串联校正20 分#

思路
  • 先由伯德图反求原系统传函;再按 γ≥40°、ωc<1、ess≤25% 三项要求选滞后校正(因为要求降低穿越频率)
本卷考法
  • 由伯德图求原系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由对数幅频低频段高度与转折频率还原各环节
  • 中间结果:低频斜率负二十分贝每十倍频对应一个积分环节
  • 卡点:低频延长线交点不是增益本身,要折算型别
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由伯德图求原系统传递函数
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 本卷考过延长线交点没折算型别就当增益
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联校正装置使相角裕度不小于 40°、穿越频率小于 1 rad/s
本卷实例
  • 关键一步:按目标裕度确定新的剪切频率并配滞后网络
  • 中间结果:由新剪切频率处原幅值定分度系数
  • 卡点:滞后转折频率取高会抵消增益改善
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过设计串联校正装置使相角裕度不小于 40°、穿越频率小于 1 rad/s
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
本卷考法
  • 由稳态误差不大于 25% 反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由稳态误差限反求出所需开环增益下限
  • 中间结果:误差限与开环增益成反比
  • 卡点:开环增益要与静态误差系数分清
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过由稳态误差不大于 25% 反求开环增益
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式

6非线性系统稳定性#

思路
  • 画奈氏图与 -1/N(A);交点给出临界稳定的频率与振幅
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由 N(A) 表达式绘制负倒描述函数 -1/N(A)
本卷实例
  • 关键一步:由给定描述函数取负倒数并分析幅值走向
  • 中间结果:轨迹起点对应死区边界处的振幅
  • 卡点:负倒描述函数随振幅单调走向要标清
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过由 N(A) 表达式绘制负倒描述函数 -1/N(A)
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 本卷考过画的是 N(A) 而不是 -1/N(A)
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 分析系统稳定性
  • 求临界稳定时的频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:把线性部分与负倒描述函数画在同一复平面找交点
  • 中间结果:由交点坐标反解临界频率与振幅
  • 卡点:稳定自振点要看振幅增大的穿越方向
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过分析系统稳定性
  • 本卷考过求临界稳定时的频率与振幅
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 本卷考过未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式

7倒立摆系统建模30 分#

思路
  • 倒立摆是典型的不稳定非线性对象;先在 θ 较小处线性化,再分别对小车与摆杆列方程消元求传递函数
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 写出倒立摆系统关于 θ 的动力学线性微分方程
本卷实例
  • 关键一步:分别对小车与摆杆列牛顿第二定律并线性化
  • 中间结果:小角度下正弦取角度、余弦取一后方程线性
  • 卡点:两自由度方程必须联立消元才能得一元传函
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
  • 本卷考过写出倒立摆系统关于 θ 的动力学线性微分方程
  • 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
  • 本卷考过小角度线性化时漏掉高阶项的处理说明
  • 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
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在垂直平衡点处作小偏差线性化
本卷实例
  • 关键一步:在竖直平衡点处作小偏差线性化
  • 中间结果:线性化把三角函数替换为一次项
  • 卡点:展开前要先确定平衡点与偏差变量
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在垂直平衡点处作小偏差线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求平衡点就直接展开
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
本卷考法
  • 求力 F 到角度 θ 与到小车位移的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对线性化后的两组方程作拉氏变换再消去中间变量
  • 中间结果:消元可得力到角度与力到位移两个传函
  • 卡点:消元时阶次与重力加速度项不要丢
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过求力 F 到角度 θ 与到小车位移的传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 本卷考过两自由度系统的方程消元出错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式