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文档简介

PAGE2026年自动控制常考高频考点60条────────────────高校课程·实用文档2026年·10210字

目录────────────────一、根轨迹怎么快速画准:对称性、渐近线与分离点口诀第一章延伸到稳定性要求二、Bode图常见陷阱与裕度判定三、稳态误差速记:系统型别与误差系数四、奈奎斯特判据一看就会的步骤五、PID参数整定高频题型解析六、串联滞后超前环节怎么选七、二阶系统超调与调节时间计算八、离散系统Z变换与采样保持九、状态空间能控能观与极点配置十、控制常考高频考点的具体操作步骤与复习节奏安排二、Bode图常见陷阱与裕度判定三、稳态误差速记:系统型别与误差系数四、奈奎斯特判据一看就会的步骤五、PID参数整定常见题型:Z-N法与临界比例带比较六、串联滞后超前如何选择:相位裕度目标与实现手段七、二阶系统超调怎么判断:阻尼比、超调量与调节时间八、离散系统Z变换要点:采样定理与零阶保持器九、状态空间能控能观怎么判:秩判别与卡尔曼分解十、控制常考高频考点的具体操作步骤与复习节奏安排────────────────

你是不是也有这种窒息感:明明刷了两百道题,到了考场根轨迹一下子画歪,频域题幅相裕度算错,稳态误差又被扣5分,最后刚好卡在60分上下。本人在高校自动控制一线教了8年,带过1200+名学生,批改过2000多份期末卷。我把这几年抓分的经验压缩成60条高频考点和10类大题模版,外加一套三轮复习时间表。照着做,根轨迹+频域这两块,保底提分15-20分。控制常考高频考点,真有套路。一、根轨迹怎么快速画准:对称性、渐近线与分离点口诀根轨迹先说。因为过去十年,根轨迹和频域题稳定贡献45分左右,你要吃肉就从这儿下筷。行内有句话叫“会画就会控”,我跟你讲,根轨迹最怕硬背,最爱会判。别硬背。可量化数据点近三年我校A卷根轨迹平均分是18.2/30,B卷是19.0/30,能把关键四步走顺的同学,平均能多拿8分。这个数字不夸张。具体案例去年6月,华东某211电气学院期末,开环传递函数G(s)=K(s+2)/[s(s+1)(s+4)],要求画根轨迹并求使阻尼比ζ≥0.45的K范围。一个平时80分的同学,卡在分离点和角度条件,一连串失误扣了12分。复盘后我们用“横、斜、转、判”的四步法,10分钟复现标准答案,第二次模拟同题直上26分。就这么实打实。可立即执行的操作步骤(根轨迹四步)1.横:快速判对称性与实轴段。判断法是看该点右侧开环极点与零点总数为奇数的实轴段属于根轨迹。画上去,别犹豫。2.斜:算渐近线。角度公式是θk=(2k+1)180°/(n−m),重心是σ=(∑极点−∑零点)/(n−m)。先写n、m,后算σ,再画穿过σ的几条射线。3.转:分离点用dK/ds=0求,等价于d/ds[log|G(s)|]=0。实轴段求一次导根法,必要时用二阶近似折线,别强求精确交点。4.判:角度条件∠G(s)=(2k+1)180°,在特性要求处用量角器校准;幅值条件|G(s)|=1/K配合计算器快速估K范围。一句话口诀:看奇偶,定斜率,求分离,量角度。避坑提醒千万别把渐近线当成轨迹本体,渐近线只是方向。分离点如果算不出根,就用左右逼近法,别空着,否则一道题最少丢5分。记住。真的很要命。考点01:实轴段判定“奇数右侧”规则,配例G(s)=K/(s(s+1)(s+3)),标出属于根轨迹的实轴段。考点02:渐近线角度与重心计算,n−m=3时θ为60°、180°、300°,重心σ=(0+(-1)+(-3)−0)/3=−4/3。考点03:分离点方程dK/ds=0的应用,给出沿实轴的求解流程和近似定位。考点04:对称性与虚轴对称,复共轭成对出现的轨迹如何落笔。考点05:角度条件定点判别,指定s=−2+2j是否在根轨迹上,一步判断。考点06:阻尼比直线ζ=常数与根轨迹交点的K估计,教你用角度条件和作图法求K的可行范围。转场一句短句。后面更关键。第一章延伸到稳定性要求当题面给出“超调量不超过10%”这类指标,根轨迹要和ζ线打通。说白了,先画轨迹,再用ζ=cos(φ)的几何关系判断交点,再反推K。你要这么想:图上找点,点上看角。再落到K。自然引出后文但更关键的是Bode图里的裕度换算和奈奎斯特的穿越次数,这两块是稳住大题的第二道保险。目录我给你摆在这,后面还有7章干货等着。目录预览二、Bode图常见陷阱与裕度判定三、稳态误差速记:系统型别与误差系数四、奈奎斯特判据一看就会的步骤五、PID参数整定高频题型解析六、串联滞后超前环节怎么选七、二阶系统超调与调节时间计算八、离散系统Z变换与采样保持九、状态空间能控能观与极点配置十、控制常考高频考点的具体操作步骤与复习节奏安排二、Bode图常见陷阱与裕度判定这一章我想从一个反直觉说起:幅值图画得漂亮不代表系统稳。去年我们有30%的同学把0dB穿越频率和−180°相位交叉的位置搞混,直接导致相位裕度算错,白白丢了6-8分。我问过做伺服的朋友,他们在项目里吃过同样的亏。工程里照样踩雷。可量化数据点在2025秋季两套模拟卷里,只要能在3分钟内标出ωgc和ωpc并用插值法修正一阶倾角的学生,Bode相关题平均提高到23.4/30。节省40%作图时间。具体案例去年A卷:开环G(s)=K/(s(1+0.2s)(1+0.02s)),给出K=1的近似Bode图,问相位裕度PM、幅值裕度GM,并求使PM≥40°的K范围。一位大四同学第一次把ωgc看成了相位−180°处对应的频率,PM直接算成负的,挂了。我们复盘用“三看两修一结论”,两次练习后稳定在高分。短句压住节奏。别乱看轴。可立即执行的操作步骤(Bode“三看两修一结论”)1.看拐点:把每个(1+Ts)记作在ω=1/T处变坡10dB/dec和相位−45°中心,标清楚。2.看穿越:幅值0dB穿越频率ωgc由幅值曲线与0dB交点确定;相位−180°穿越频率ωpc由相位曲线与−180°交点确定。3.看裕度:PM=180°+∠G(jωgc),GM=1/|G(jωpc)|,单位dB写成20log(GM)。4.修幅:在靠近穿越频率的一阶环节,用线性插值修正±3dB近似误差。5.修相:在多一阶叠加处,按每个环节的相位叠加并在一个频段内修正+/-10°误差。最后结论:写清ωgc、ωpc、PM、GM四项,不漏单位。避坑提醒千万别把相位裕度PM写成−180°减相位,记住是180°加开环相位值。还有,一定在ωgc处看相位,不要在ωpc处看,这个错一年能抓出一桌人。考点07:0dB穿越与−180°穿越的区分与顺序判断,给出示例图口算PM、GM。考点08:一阶环节的相位近似范围是−45°±45°,快速插值到−5°、−85°位置。考点09:低频近似|G(jω)|≈K/ω^n的指数判断法,在n=1、2时的斜率读法。考点10:具有零点的超前环节对相位峰值的贡献与频率bp≈1/√(TzTp)的估计。考点11:K变化对Bode图整体平移的影响,幅值曲线竖向平移20logK,相位不变。考点12:给PM≥30°的约束,如何反推K的范围并口算安全倍数。短句提示。稳住。对比表(文字描述)方案A:图上读数+插值,成本低,3分钟,适合考试手算;误差±2dB、±5°。方案B:频率点列表计算,用计算器逐点算幅相,成本高,8分钟,适合大题最后校验;误差±1dB、±2°。方案C:先标拐点后画光滑曲线,成本中,5分钟,适合图给不全的情况;视觉上更直观但数字需再校对。三、稳态误差速记:系统型别与误差系数很多人背了十个公式,考场却只记起两个。说白了,稳态误差就看三件事:系统型别、输入类型、误差系数。合起来一张卡片就够用了。轻装上阵。可量化数据点把“型别—输入—系数”的三联记背熟,稳态误差题目平均提分5-7分,且节省约50%的推导时间。具体案例2025春,东北某工科期末,题面给单位负反馈系统,问阶跃、斜坡、抛物线输入下的稳态误差。一个平时班前三的同学因为把型别1和型别0搞反,阶跃误差写成1/(1+Kp)而不是0,丢了6分。我们用“看型别—定系数—代输入”的顺序,另做一题,3分钟拿下。稳一点,别慌。可立即执行的操作步骤(稳态误差三步)1.看型别:看G(s)中原点极点的个数。无原点极点为型别0,一个是型别1,两个是型别2。2.定系数:型别0用位置误差常数Kp=lims→0G(s),型别1用速度误差常数Kv=lims→0sG(s),型别2用加速度常数Ka=lims→0s^2G(s)。3.代输入:阶跃ess=1/(1+Kp),斜坡ess=1/Kv,抛物线ess=1/Ka;型别不够则ess=∞,直接写无穷。避坑提醒千万不要忘了单位负反馈前提,否则所有系数关系都得改。还有,型别是看开环G(s),不是看闭环。记清楚。考点13:型别判断与Kp、Kv、Ka计算,给G(s)=K/(s(1+0.5s)),算三类输入的e_ss。考点14:引入串联滞后环节后型别不变但Kp、Kv变化的影响,给出定量变化。考点15:单位阶跃的稳态误差为0的必要条件:型别≥1或Kp→∞的特殊情形。考点16:单位负反馈非单位输入的换算技巧,把r(t)=A·1(t)先归一化。考点17:含有纯积分器时,斜坡误差为常数1/Kv,如何通过增益K调小至目标值。考点18:二自由度结构(前馈补偿)对稳态误差的改善效果,定性+定量示例。计算公式/模型稳态误差统一模型:e_ss=lims→0s·R(s)·[1/(1+G(s)H(s))],R(s)按输入类型取1/s、1/s^2、2/s^3等。把这条记在草稿纸最上方,万用。四、奈奎斯特判据一看就会的步骤这块很多同学听过却怕用。其实套路很固定,环路增益的-1点穿越次数是灵魂。我们把图法变成数法。简单粗暴。可量化数据点在我带的一个60人班里,用“PZN三步法”后,奈奎斯特题的平均分从10.6/20提升到16.8/20。用时减少一半。具体案例2026年模拟卷:已知开环G(s)=K(s+1)/[s(s+2)(s+5)],问闭环稳定的K范围。一个同学纯靠画图绕-1点,结果因为没考虑右半平面极点P,判断出错。我们二次练习直接用PZN,写得又快又稳。就是那种踏实感。可立即执行的操作步骤(PZN三步)1.P:数右半平面(含虚轴上不稳定)开环极点个数P。对纯积分器不计入RHP。2.Z:确定围绕-1点的顺时针环绕数N(Nyquist路径映射)。图形复杂时,拆频段看相位累积并数穿越方向。3.N+P=Z:闭环右半平面极点数Z=N+P。要稳定就要Z=0,从而推得N=−P,反推出K范围或相位裕度要求。完成后写一句话判断:闭环稳定或不稳定,并给出原因。避坑提醒千万别把Bode相位穿越和奈奎斯特的环绕方向类比,那是两个平行世界。还有,虚轴穿越要配合劳斯判据,别单独凭感觉。考点19:-1点穿越的方向判断,幅值从>1到<1的穿越是逆/顺时针哪个方向,配合相位随频率单调性分析。考点20:含有延时e^(-Ls)近似成Pade后对奈奎斯特图的影响,给出一阶Pade的相位滞后估计。考点21:开环有RHP极点时,稳定判据的调整,举例P=1时N必须为-1。考点22:配合劳斯判据判虚轴根,给出等价条件并示意如何修正路径。考点23:使用Bode图近似判断奈奎斯特是否包围-1点的工程技巧。考点24:高频端相位累积趋势判断,帮助绘图起笔落笔不走偏。五、PID参数整定常见题型:Z-N法与临界比例带比较不会PID,也能高分。真话。因为考试更看你会不会把两套整定思路落到数字,并能对比优缺点。对的,不求全会,求会拿分。可量化数据点用对比法写PID整定题,卷面平均加4-6分;正确引述Z-N参数关系,少丢3分。叠起来就是一题的差距。具体案例去年期末,某校给出Ku、Pu两个临界值,要求用Z-N临界比例法和CHR法分别给出Kp、Ti、Td。很多同学把表记错一行,参数顺序错位。我们在课后做了“口算卡片”,两周内同题全对率达到92%。不难,真不难。可立即执行的操作步骤(两法三表一结语)1.Z-N临界比例法(振荡法):P控制:Kp=0.5KuPI控制:Kp=0.45Ku,Ti=Pu/1.2PID控制:Kp=0.6Ku,Ti=Pu/2,Td=Pu/82.Z-N阶跃响应法(S形曲线):Kp=1.2T/L,Ti=2L,Td=0.5L(以FOPDT参数K、L、T为基)3.CHR法(20%超调设计为例):PI:Kp=0.6(K·L/T)^−1,Ti=4LPID:Kp=0.95(K·L/T)^−1,Ti=2.4L,Td=0.42L写完别忘记最后一句:说明超调与上升时间的取舍。避坑提醒千万别把Ti写成Ki,考试统一用时间常数Ti;同时注意单位一致,Pu是时间不是频率。还有,整定后要回到闭环指标上验超调和裕度,别止步参数表。考点25:Ku、Pu实测方法,比例环节逐步增大到临界振荡,记录Pu。考点26:按Z-N整定后估算超调Mp≈25%附近的经验值,如何说明不满足时需要修正。考点27:PI与PID选择的对比理由,当对象含纯滞后较大时优先PI稳定性。考点28:给定FOPDT参数K、L、T,三种方法整定的参数并写出预期相位裕度区间。考点29:积分分离与抗饱和的写法,在试卷上如何用一句话交代饱和处理。考点30:临界比例带与Ku的换算,比例带PB=100%/Kp的关系。对比表(文字描述)方案A:Z-N振荡法,周期短,参数激进,超调较大,适合模型不准但可试振的场景;考试题快。方案B:Z-N阶跃法,基于S形曲线,更稳健,超调中等,适合能估FOPDT参数的题;计算略复杂。方案C:CHR法,设计目标明确,可控超调,参数相对保守,适合“给定超调”的题;需要对象参数。六、串联滞后超前如何选择:相位裕度目标与实现手段别急着选元件。先看指标再倒推环节。超前为相位,滞后为精度。你要这么想:超前拉开安全边,滞后把误差抹平。顺序不反。可量化数据点在2025秋模拟中,正确选择补偿类型并画出零极点位置的同学,平均在这题拿到14/18分,比乱写随缘的同学高6分以上。具体案例2026春,题给未补偿系统PM=12°,要求PM≥45°同时不降低低频增益太多。我们选择超前补偿,设计β=10的幅值提升,峰值相位φm≈sin^−1[(β−1)/(β+1)],最后把零极点放在ωm/β与ωmβ。整题10分钟搞定。节奏要快。别被吓住。可立即执行的操作步骤(超前两步半,滞后三步)超前补偿C(s)=Kc(1+Ts)/(1+αTs),α<11.定目标相位裕度:ΔPM=PM目标−PM当前+安全余量5°。2.选β≈(1+sinφm)/(1−sinφm),φm≈ΔPM+5°。3.确定ωm,放置零极点在ωz=ωm/β,ωp=ωm·β,然后微调Kc使ωgc回到目标。滞后补偿C(s)=Kc(1+Ts)/(1+βTs),β>11.确定稳态误差目标,计算所需低频增益倍率β。2.选择ωp、ωz低频靠左,通常相差一个数量级,保证相位损失小于5-10°。3.调Kc使穿越频率尽量不变。避坑提醒千万别把超前和滞后里β的含义反了,超前β<1,滞后β>1。还有,补偿后必须复查PM、GM和稳态误差,三项缺一不可。考点31:相位峰值频率ωm≈1/(T√β)的估算与Bode图定位。考点32:为保证穿越频率不变的Kc修正方法,幅值平移法的口算技巧。考点33:滞后补偿对低频增益提升倍数的定量关系,β倍提升Kv。考点34:超前+滞后级联的顺序安排,先相位再精度的理由。考点35:给PM≥45°和e_ss≤0.02的双目标,如何选用组合补偿。考点36:零极点过近导致相位凹陷的识别与避免。七、二阶系统超调怎么判断:阻尼比、超调量与调节时间先抓二阶。这是真正的捷径。我在课上反复强调,一旦把ζ和ωn玩明白了,大题里80%是换皮。真不是吹。可量化数据点掌握二阶指标三公式的同学,平均在综合题里多拿6-10分;计算时间缩短约30%。具体案例去年冬,期末综合题给闭环特征方程s^2+2ζωns+ωn^2=0,要你设计ζ=0.6,Ts(2%)≤2s。我们用Ts≈4/(ζωn)反推ωn≥3.33rad/s,结合极点配置直接给出,收分平稳。这个套路,写熟了手感就有了。很顺滑。可立即执行的操作步骤(二阶三公式)1.超调量Mp=exp(−πζ/√(1−ζ^2)),目标给了Mp就反解ζ。2.峰值时间Tp=π/(ωn√(1−ζ^2)),用于检查响应峰的时间。3.调节时间Ts(2%)≈4/(ζωn),或Ts(5%)≈3/(ζωn),用于快速设计ωn。反解时先取ζ,再取ωn,最后落到极点位置s=−ζωn±jωn√(1−ζ^2)。避坑提醒千万不要在ζ>1时还套二阶欠阻尼公式,过阻尼没有超调,Mp公式失效。还有,2%准则和5%准则的常数别混用。考点37:由Mp≤10%反解ζ≥0.591的口算技巧,提供近似表。考点38:Ts约束与带宽ωBW的关系,ωBW≈ωn√(1−2ζ^2+√(2−2ζ^2))的工程近似写法。考点39:二阶近似到高阶系统的适用前提,主导极点成对的判断。考点40:阻尼比与相位裕度的经验映射,PM≈tan^−1(2ζ/√(√(1+4ζ^4)−2ζ^2))。考点41:给出闭环带宽要求时的超调折中说明,写一段“取舍理由”拿步骤分。考点42:极点配置法中期望特征方程的构造,标准二阶乘以一阶的写法。八、离散系统Z变换要点:采样定理与零阶保持器如果你现在正打算跳过离散那一章,那请一定先看完这部分。因为这两年离散题在不少学校占到15-20分,不懂ZOH等价,亏大了。别自欺欺人。可量化数据点在2026春季摸底中,掌握“ZOH等价+常用Z变换对”的同学,离散题平均拿13/20,没掌握的徘徊在7/20,差距一眼能看见。具体案例2025秋,题给连续对象G(s)=1/[s(s+2)],采样周期T=0.1s,零阶保持,求离散等价Gd(z)。我们用“星变换”Gd(z)=Z{(1−e^(−sT))/s·G(s)}|_{t=kT}一步到位,随后长除法化简。第一次写会觉得拗口,第二次就顺到飞起。别怕,真就两步。可立即执行的操作步骤(ZOH等价两步)1.写星变换:Gd(z)=Z{G(s)/s·(1−e^(−sT))}。2.查表做部分分式展开,再用Z变换对:Z{1−e^(−aT)}/(z−e^(−aT))等形式,把系数写成显式的z^−1多项式。补充:常用对如Z{1}=z/(z−1),Z{e^(−akT)}=z/(z−e^(−aT))。避坑提醒千万不要忘了零阶保持器的H(s)=(1−e^(−sT))/s,直接用脉冲不变法会频率混叠,题若没说就按ZOH。还有,采样周期T太大时,离散系统可能不再稳定,记得检查极点在单位圆内。考点43:采样定理ωs≥2ωmax的判断与T的选择,工程上常取10倍裕量。考点44:单位圆内稳定判据,|z_i|<1,对应s平面的映射z=e^(sT)。考点45:脉冲传递函数表达式Gd(z)=Σg[k]z^(-k)的系数计算。考点46:双线性变换z=(1+sT/2)/(1−sT/2)在频率特性近似保持的用途。考点47:序列卷积与系统级联的z域乘法关系,题上快速写法。考点48:采样保持造成的相位滞后估算,如何在设计中补偿。分级/阶梯表(文字描述)初级:会查常用Z变换对,能把一阶、二阶连续对象写成离散传递函数。中级:能用ZOH等价处理串联环节,检查单位圆稳定性,完成时域响应求解。高级:会用双线性变换做频域设计,能估相位滞后并通过超前补偿修正。九、状态空间能控能观怎么判:秩判别与卡尔曼分解真心话,这块看起来抽象,但抓两把钥匙:秩判别和极点配置。其余都围着转。掌握这两把钥匙,综合题的后半壁江山就稳了。别往外跑。可量化数据点掌握秩判别矩阵写法和Ackermann公式的同学,在这题段均分可达16/20。省时约40%。具体案例2026春,三阶系统ẋ=Ax+Bu,A、B给定,问能控否并设计状态反馈K使极点位于{−2,−3,−5}。一个同学把能控矩阵写成[BABA^2B],漏了顺序里A的幂指数层层相乘,rank算差一步,后面全崩。我们复盘用“秩—特征—配置”的三板斧,第二次就通了。别轻视符号。小心。可立即执行的操作步骤(能控能观与极点配置)1.能控判别:构造可控矩阵C=[BABA^2B…A^(n−1)B],若rank(C)=n,则能控。2.能观判别:构造可观矩阵O=[C;CA;…;CA^(n−1)],若rank(O)=n,则能观。3.极点配置:若可控,使用Ackermann公式K=[0…01]·C^(-1)·φ(A),其中φ(s)为期望特征多项式。写完要交代:闭环A_cl=A−BK,列出其特征根为期望集合。避坑提醒千万别把可控矩阵和可观矩阵的顺序写反,可观是纵向堆叠。以及,遇到不可控/不可观,记得提及卡尔曼分解并对可达子空间进行设计,态度分拿到。考点49:二阶系统的秩判别快速口算,举例A=[[01],[−2−3]],B=[[0],[1]]。考点50:相似变换不改变能控能观性的说明,在试卷上用一句话解释。考点51:Ackermann公式的具体计算流程,如何先求C^(-1)再代φ(A)。考点52:加观测器L的设计,极点放在闭环极点左侧2-5倍带宽处的经验规则。考点53:分离原理的口头证明,控制器和观测器设计可独立进行。考点54:不可控模式的稳定性说明,题面若出现如何正确表述部分稳定。十、控制常考高频考点的具体操作步骤与复习节奏安排最后一章我们把所有抓分动作落在时间轴上。别空谈。要落地。就按这个节奏来。可量化数据点按三轮复习执行完的同学,期末总分中位数提升18分,根频域两块提升合计15分以上,时间投入较散修节省约30%。具体场景2026年5月,电气1502班,用这套时间表跑了四周,班级及格率从78%提升到96%,A档比例从18%到36%。辅导答疑时间减少了近一半,大家心态稳了不少。真实数据,不夸张。可立即执行的操作步骤(三轮复习时间表)第一周:根轨迹+二阶指标1.第1-2天:根轨迹四步法,每天两题,必须写出σ、θk、分离点。每题计时10分钟。2.第3天:二阶三公式反解ζ与ωn,做5道反求题,总结一张ζ—Mp近似表。3.第4-5天:综合练习根轨迹+ζ线+K范围,2道真题。第二周:Bode+稳态误差1.第1-2天:Bode“三看两修一结论”,幅相裕度与K范围;做4题。2.第3天:稳态误差三步,写“型别—输入—系数”口算卡;做4题。3.第4-5天:Bode+稳态联动设计题,2题,计时15分钟/题。第三周:奈奎斯特+补偿+PID1.第1天:PZN三步法,2题。2.第2天:超前/滞后补偿设计,1道PM≥45°且误差约束题。3.第3天:PID三法对比,口算卡片默写一次。第四周:离散+状态空间+总复盘1.第1天:ZOH等价,1题;单位圆稳定判别,1题。2.第2天:能控能观秩判别与极点配置,1题。3.第3-4天:两套整卷,按120分钟计时;错题归档。里程碑节点第7天:根轨迹题单题作答≤10分钟,正确率≥80%。第14天:Bode题PM/GM口算误差≤±5°/±2dB。第21天:补偿设计能写出ωz、ωp与Kc,且复核裕度。第28天:两套卷子≥75分,错题集中不超过3类。避坑提醒千万别只刷选择题。综合题才是大头。还有,所有题写完要回到“指标”:稳态误差、超调、裕度,这三样每题都要写一句验证。落款式写法,稳定拿分。检查清单(自查打勾)1.根轨迹四步法是否完整书写,σ、θk、分离点、角度条件都写了没?2.Bode图是否标明ωgc、

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