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) = ?

用部分分式法求 F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6)) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6))t = 0.1 s
f(0.1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = 6,y′(0) = −14,并求 y(0.6)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 6y′(0) = −14t = 0.6 s
y(0.6) =
3.方框图中等
R(s)+5s + 6G(s)C(s)0.5H−

被控对象 G(s) = 5/(s + 6) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.5。 在 R 处施加大小为 2 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 5/(s + 6)H = 0.5R = 2
css =
4.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+10s + 5被控对象C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 10/(s + 5)。在 R = 0 时,大小为 10 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.2 的最小增益 K。

G(s) = 10/(s + 5)D = 10css ≤ 0.2
K =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 156/(s² + 8s + 52),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 156/(s² + 8s + 52)
σ =
6.阶跃响应困难
+−24 VR = 18 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 18 Ω,L = 100 mH,C = 47 µF,在 t = 0 时接到 24 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 18 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 24 V
tp = ms
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 12s(s + 3)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 12)/(s(s + 3)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 3)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −3 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求汇合点 si。

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 3))
si =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 4))。求使阶跃输入的稳态误差为 20 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 20 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 402s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 10))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 40
tp = s
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 2.2 kΩC = 47 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 2.2 kΩ, C = 47 nF。输入为770 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 2.2 kΩC = 47 nFf = 770 Hz
φ = °
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 32/(s(s + 8))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 32/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 0.1306

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 35/(3·6) = 1.944
B = 35/((−3)·3) = −3.889
C = 35/((−6)·(−3)) = 1.944

逆变换

f(t) = 1.944 − 3.889·e−3t + 1.944·e−6t

求值

f(0.1) = 1.944 − 3.889·e−3·0.1 + 1.944·e−6·0.1 = 0.1306

答案

f(0.1) = 0.1306
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 2.071

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 − 6s − (−14) + 5(sY − 6) + 4Y = 0
Y(s) = (6s + 16)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 10/3 = 3.333
B = −8/(−3) = 2.667

结果

y(t) = 3.333·e−t + 2.667·e−4t
y(0.6) = 2.071

答案

y(0.6) = 2.071

检验:y(0) = A + B = 6。

3.方框图

答案: css = 1.176

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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 5/(s + 6 + 2.5) = 5/(s + 8.5)

结果

css = R·T(0) = 2·5/8.5 = 1.176

答案

css = 1.176
4.方框图

答案: K = 49.5

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)。

扰动响应

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·10/(5 + 10K)

解出 K

5 + 10K = 10·10/0.2 = 500
K = (500 − 5)/10 = 49.5

答案

K = 49.5
5.阶跃响应

答案: σ = −4

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 = 52 → ωₙ = 7.211 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7.211) = 0.5547

结果

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

答案

σ = −4
6.阶跃响应

答案: tp = 6.944 ms

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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7 × 10⁻⁵) = 461.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (18/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.1) = 0.1951

结果

ωd = 452.4 rad/s
tp = π/ωd = 6.944 ms

答案

tp = 6.944 ms
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 16.8

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

s(s + 3)(s + 4) + K(s + 12) = s³ + 7s² + (12 + K)s + 12K

劳斯阵列

s³: 1, 12 + K
s²: 7, 12K
s¹: (7·(12 + K) − 12K)/7
s⁰: 12K

条件

84 − 5K > 0
K < 84/5 = 16.8

答案

Kmax = 16.8

如果零点位于 s = −7 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: si = −8.162

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。

实轴上的增益

K(s) = −(s² + 3s)/(s + 5)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 3)(s + 5) − (s² + 3s) = s² + 10s + 15 = 0
s = −5 ± √10 = −1.838, −8.162

汇合点

si = −8.162

答案

si = −8.162

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √10 = 3.162。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 32

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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.2 → Kp = 4

增益

K/8 = 4 → K = 32

答案

K = 32

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

10.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.4236 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 + 10) + 40·2 = s² + 10s + 80

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 10/(2·8.944) = 0.559

峰值时间

ωd = 8.944·√(1 − 0.559²) = 7.416 rad/s
tp = π/7.416 = 0.4236 s

答案

tp = 0.4236 s
11.伯德图与裕度

答案: φ = −26.58 °

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/(2200·4.7 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 770/1539 = 0.5003

相位

φ = − atan(0.5003) = −26.58°

答案

φ = −26.58°
12.伯德图与裕度

答案: ωc = 3.641 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 + 64ω² − 1024 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·1024))/2 = 13.25
ωc = 3.641 rad/s

答案

ωc = 3.641 rad/s

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