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
ReIm−1−2−3−4−5−612

用配方法求 F(s) = (3s + 16)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.2)。

F(s) = (3s + 16)/(s² + 2s + 5)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

某系统由微分方程 y″ + 8y′ + 12y = 2u′ + 16u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.5 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.5)。

y″ + 8y′ + 12y = 2u′ + 16ut = 0.5 s
g(0.5) =
3.方框图中等
R(s)+17K+7s + 4G(s)C(s)3H₁−−

被控对象 G(s) = 7/(s + 4) 带有一个增益为 H₁ = 3 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 17 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 7/(s + 4)H₁ = 3K = 17
p =
4.方框图困难
R(s)+5控制器+D(s)+2s + 9被控对象C(s)−

比例控制器 K = 5 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 2/(s + 9)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 令 R = 0,施加大小为 1 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 5G(s) = 2/(s + 9)D = 1R = 0
css =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 21/(s² + 4s + 21),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 21/(s² + 4s + 21)
tp = s
6.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5))。求使阶跃响应有 15 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+4801s(s + 2)(s + 10)C(s)−

图中的回路采用负反馈,L(s) = 480/(s(s + 2)(s + 10))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 480/(s(s + 2)(s + 10))
N =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4j2

对于 L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 18)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 18))
θd = °
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2 + 3t+5s(s + 4)(s + 5)C(s)−

输入 r(t) = 2 + 3t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 5/(s(s + 4)(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 5/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2 + 3t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 5C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s + 5)。闭环必须满足 ωₙ = 5 rad/s 和 ζ = 1。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 5)ωₙ = 5 rad/sζ = 1
Kp =
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 10 ΩL = 47 mHvout​

图中所示的RL 高通滤波器有R = 10 Ω, L = 47 mH。输入为140 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 ΩL = 47 mHf = 140 Hz
φ = °
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 46/(s(s + 4))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 46/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.2) = 4.335

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)。

配方

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

匹配分子

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (13/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(3·cos 2t + 6.5·sin 2t)
f(0.2) = e−0.2·(3·cos(2·0.2) + 6.5·sin(2·0.2)) = 4.335

答案

f(0.2) = 4.335
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.5) = 1.054

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 16)/(s² + 8s + 12)

部分分式

s² + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
A = 3, B = −1

冲激响应

g(t) = 3·e−2t − e−6t
g(0.5) = 1.054

答案

g(0.5) = 1.054
3.方框图

答案: p = −144

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 = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 4 + 7·3) = 7/(s + 25)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 119/(s + 25 + 119) = 119/(s + 144)

结果

p = −144

答案

p = −144
4.方框图

答案: css = 0.1053

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 2/(s + 9 + 10)

稳态

css = 1·2/19 = 0.1053

答案

css = 0.1053

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

5.阶跃响应

答案: tp = 0.7619 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 = 21 → ωₙ = 4.583 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4.583) = 0.4364

结果

ωd = 4.583·√(1 − 0.4364²) = 4.123 rad/s → tp = π/ωd = 0.7619 s

答案

tp = 0.7619 s
6.阶跃响应

答案: K = 23.39

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) = K/(s² + 5s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

增益

ωₙ = 5/(2ζ) = 4.836 rad/s
K = ωₙ² = 23.39

答案

K = 23.39
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 2

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。

特征多项式

s³ + 12s² + 20s + 480 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 20
s²: 12, 480
s¹: −20
s⁰: 480

第一列中的符号变化

1 → 12 → −20 → 480
N = 2

答案

N = 2

增益超过了极限 K = 240,所以一对复极点已经越过虚轴进入右半平面。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 18.43 °

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。

极点位置

s² + 6s + 18 = 0 → s = −3 ± j3
s = −4

来自其他极点的角度

∠(−3 + j3 + 4) = atan2(3, 1) = 71.57°
∠(−3 + j3 − (−3 − j3)) = ∠(j6) = 90°

出射角

θd = 180° − 71.57° − 90° = 18.43°

答案

θd = 18.43°
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 12

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) = 0.25

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 3/0.25 = 12

答案

ess = 12
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 0.5

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 5)。

s² + (5 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·1·5s + 5² = s² + 10s + 25

匹配各项系数

5 + 10Kp = 10 → Kp = 0.5

答案

Kp = 0.5

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

11.伯德图与裕度

答案: φ = 13.6 °

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 = R/L = 10/0.047 = 212.8 rad/s
fc = 33.86 Hz → f/fc = 140/33.86 = 4.134

相位

φ = 90° − atan(4.134) = 13.6°

答案

φ = 13.6°
12.伯德图与裕度

答案: ωc = 6.22 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 + 16ω² − 2116 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·2116))/2 = 38.69
ωc = 6.22 rad/s

答案

ωc = 6.22 rad/s

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