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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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−112

用配方法求 F(s) = 25/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = 25/(s² + 2s + 5)t = 1 s
f(1) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−2−4−6−8−10−12

某系统由微分方程 y″ + 10y′ + 24y = u′ + 12u 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 = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 10y′ + 24y = u′ + 12ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.方框图中等
R(s)+10K+4s + 1G(s)C(s)2H₁−−

被控对象 G(s) = 4/(s + 1) 带有一个增益为 H₁ = 2 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 10 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环直流增益 T(0)。

G(s) = 4/(s + 1)H₁ = 2K = 10
T(0) =
4.方框图困难
R(s)+28控制器+D(s)+9s + 3被控对象C(s)−

比例控制器 K = 28 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 9/(s + 3)。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 5 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 28G(s) = 9/(s + 3)D = 5R = 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) = 75/(s² + 7s + 75),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 75/(s² + 7s + 75)
tp = s
6.阶跃响应困难
+−12 VR = 19 ΩL = 10 mHC = 10 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 19 Ω,L = 10 mH,C = 10 µF,在 t = 0 时接到 12 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的峰值 vC,max。

R = 19 ΩL = 10 mHC = 10 µFV = 12 V
vC,max = V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 3)(s + 10)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K(s + 11)/(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 + 11)/(s(s + 3))
si =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+20(s + 3)s(s + 1)(s + 4)C(s)−

斜坡 r(t) = 5t 加到 G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 1)(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 504s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K = 50 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 5))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 50
ts = s
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)1101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

求 G(s) = 1800/((s + 18)(s + 20)) 在 ω = 10 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1800/((s + 18)(s + 20))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 56/(s(s + 4))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 56/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(1) = 4.181

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) = (25/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(12.5·sin 2t)
f(1) = e−1·(12.5·sin(2·1)) = 4.181

答案

f(1) = 4.181
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 0.7089

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) = (s + 12)/(s² + 10s + 24)

部分分式

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = 4, B = −3

冲激响应

g(t) = 4·e−4t − 3·e−6t
g(0.3) = 0.7089

答案

g(0.3) = 0.7089
3.方框图

答案: T(0) = 0.8163

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) = 4/(s + 1 + 4·2) = 4/(s + 9)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 40/(s + 9 + 40) = 40/(s + 49)

结果

T(0) = 40/49 = 0.8163

答案

T(0) = 0.8163
4.方框图

答案: css = 0.1765

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) = 9/(s + 3 + 252)

稳态

css = 5·9/255 = 0.1765

答案

css = 0.1765

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 = 0.3966 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 = 75 → ωₙ = 8.66 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8.66) = 0.4041

结果

ωd = 8.66·√(1 − 0.4041²) = 7.921 rad/s → tp = π/ωd = 0.3966 s

答案

tp = 0.3966 s
6.阶跃响应

答案: vC,max = 16.46 V

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/√(0.01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.01) = 0.3004

结果

%OS = 37.18 %
vC,max = 12·(1 + 0.3718) = 16.46 V

答案

vC,max = 16.46 V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 390

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 + 13s² + 30s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 30
s²: 13, K
s¹: (13·30 − K)/13
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
13·30 − K > 0 → K < 390

答案

Kmax = 390

当 K = 390 时,闭环以 ω = √30 = 5.477 rad/s 振荡。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: si = −20.38

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 + 11)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 3)(s + 11) − (s² + 3s) = s² + 22s + 33 = 0
s = −11 ± √88 = −1.619, −20.38

汇合点

si = −20.38

答案

si = −20.38

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √88 = 9.381。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.3333

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) = 15

斜坡误差

ess = 5/15 = 0.3333

答案

ess = 0.3333
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 1.6 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 + 5) + 50·4 = s² + 5s + 200

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √200 = 14.14 rad/s
ζ = 5/(2·14.14) = 0.1768

调节时间

ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答案

ts = 1.6 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

11.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 11.84 dB

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。

把各模相乘

|G(j10)| = 1800/(√(10² + 18²)·√(10² + 20²)) = 1800/(20.59·22.36) = 3.909

结果

20·log₁₀(3.909) = 11.84 dB

答案

|G(jω)| = 11.84 dB
12.伯德图与裕度

答案: ωc = 6.969 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 − 3136 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3136))/2 = 48.57
ωc = 6.969 rad/s

答案

ωc = 6.969 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1