控制工程 1:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

稳定性
特征多项式的所有根都在左半平面
劳斯表,三次多项式的 s¹ 行元素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面的根
第一列中符号变化的次数
三次多项式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
当所有 a > 0 且 a₂·a₁ > a₀ 时稳定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
特征方程
1 + K·G(s) = 0
渐近线
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分离点和汇合点
dK/ds = 0
幅值条件
K = 1/|G(s)|
出射角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

方法

  1. 写出闭环特征多项式:即 1 + K·G(s) = 0 的分母,并展开。
  2. 把系数交替填入劳斯表的前两行,再建立其余各行。
  3. 数第一列中的符号变化:每一次对应右半平面内的一个极点。当表中含有 K 时,要求第一列的每个元素都保持为正。
  4. 画根轨迹时,标出极点和零点、实轴上的线段、来自重心的渐近线,以及 dK/ds = 0 处的分离点。用 K = 1/|G(s)| 求某点处的增益。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

求 F(s) = (s + 6)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (s + 6)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 7y′ + 10y = 0,初始条件 y(0) = 4,y′(0) = 4,并求 y(0.5)。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 4t = 0.5 s
y(0.5) =
3.方框图中等
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 4)) 放在单位负反馈回路中。求使闭环处于临界阻尼(两个相等的实极点)的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 4))单位负反馈
K =
4.方框图困难
R(s)+19s + 3G₁+5s + 3G₂C(s)1H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 19/(s + 3),G₂ = 5/(s + 3),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 1,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 19/(s + 3)G₂ = 5/(s + 3)H₁ = 1H₂ = 0.25
T(0) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 186/(s² + 12s + 62),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 186/(s² + 12s + 62)
tp = s
6.阶跃响应困难
R(s)+95s(s + 4)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 95/(s(s + 4))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 95/(s(s + 4))
ts = s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 6)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

已给出 L(s) = K/((s + 3)(s + 11)) 的根轨迹。求分离点 sb 处的增益 K,此时两个闭环极点在实轴上相遇。

L(s) = K/((s + 3)(s + 11))
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1 + 0.5t+10(s + 2)s(s + 5)C(s)−

输入 r(t) = 1 + 0.5t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 5))r(t) = 1 + 0.5t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+8 + Kd​s10s(s + 4)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 8 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 4))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.707 的微分增益 Kd。

G(s) = 10/(s(s + 4))Kp = 8ζ = 0.707
Kd = s
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 3.3 kΩC = 2.2 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 2.2 nF。输入为88 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 3.3 kΩC = 2.2 nFf = 88 kHz
φ = °
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 140/(s(s + 10))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 140/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 0.6672

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分解分母

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

s + 6 = 1(s + 5) + 1
F(s) = 1/(s + 5) + 1/(s + 5)²

逆变换

f(t) = e−5t + t·e−5t
f(0.1) = (1 + 1·0.1)·e−5·0.1 = 0.6672

答案

f(0.1) = 0.6672
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 2.615

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

s²Y − 4s − 4 + 7(sY − 4) + 10Y = 0
Y(s) = (4s + 32)/((s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 24/3 = 8
B = 12/(−3) = −4

结果

y(t) = 8·e−2t − 4·e−5t
y(0.5) = 2.615

答案

y(0.5) = 2.615

检验:y(0) = A + B = 4。

3.方框图

答案: K = 4

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

特征方程

1 + K/(s(s + 4)) = 0 → s² + 4s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

4² = 4K → K = 16/4 = 4

答案

K = 4
此时两个闭环极点都在 s = −2。
4.方框图

答案: T(0) = 1.99

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 5/(s + 8)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 95/((s + 3)(s + 8) + 23.75)

直流增益

T(0) = 95/(3·8 + 23.75) = 95/47.75 = 1.99

答案

T(0) = 1.99
5.阶跃响应

答案: tp = 0.6161 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 62 → ωₙ = 7.874 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7.874) = 0.762

结果

ωd = 7.874·√(1 − 0.762²) = 5.099 rad/s → tp = π/ωd = 0.6161 s

答案

tp = 0.6161 s
6.阶跃响应

答案: ts = 2 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

闭环传递函数

T(s) = 95/(s² + 4s + 95): ωₙ = 9.747 rad/s, ζ = 0.2052

调节时间

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

答案

ts = 2 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 672

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征方程

s³ + 14s² + 48s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 48
s²: 14, K
s¹: (14·48 − K)/14
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
14·48 − K > 0 → K < 672

答案

Kmax = 672

当 K = 672 时,闭环以 ω = √48 = 6.928 rad/s 振荡。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 16

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

分离点

对 K = −(s + 3)(s + 11),dK/ds = 0 给出 2s + 14 = 0。

sb = −7

幅值条件

K = |−7 + 3|·|−7 + 11| = 4·4 = 16

答案

K = 16

在这个增益下,闭环为临界阻尼(ζ = 1)。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.125

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 4

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 0.5/4 = 0.125

答案

ess = 0.125
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kd = 0.8647 s

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

s(s + 4) + 10(8 + Kds) = s² + (4 + 10Kd)s + 80

固有频率

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s

微分增益

4 + 10Kd = 2·0.707·8.944 = 12.65
Kd = 0.8647 s

答案

Kd = 0.8647 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

11.伯德图与裕度

答案: φ = −76.01 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2.2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s
fc = 21922 Hz → f/fc = 88000/21922 = 4.014

相位

φ = − atan(4.014) = −76.01°

答案

φ = −76.01°
12.伯德图与裕度

答案: ωc = 9.933 rad/s

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

增益穿越

ω⁴ + 100ω² − 19600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·19600))/2 = 98.66
ωc = 9.933 rad/s

答案

ωc = 9.933 rad/s

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