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 = 1f(1) = ?

用部分分式法求 F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 3)) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 3))t = 1 s
f(1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 8y = 12·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 5(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.1)。

y″ + 6y′ + 8y = 12·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
3.方框图中等
R(s)+K(s + 1)(s + 11)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 1)(s + 11)) 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 + 1)(s + 11))单位负反馈
K =
4.方框图困难
R(s)+18s + 5G₁+10s + 7G₂C(s)2H₁−0.1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 18/(s + 5),G₂ = 10/(s + 7),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 2,外部有负反馈 H₂ = 0.1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 18/(s + 5)G₂ = 10/(s + 7)H₁ = 2H₂ = 0.1
T(0) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 40/(s² + 8s + 40),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 40/(s² + 8s + 40)
σ =
6.阶跃响应困难
+−5 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 5 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 = 18 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 5 V
vC,max = V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 5)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1

某单位负反馈回路的 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 1))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 1))
σa =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 2 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 2 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 252s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 25 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 10))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 25
%OS = %
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

求 G(s) = 90/((s + 1)(s + 5)) 在 ω = 30 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 90/((s + 1)(s + 5))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))。 求给出 20 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))GM = 20 dB
K =

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(1) = 4.731

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 + 1) + C/(s + 3)
A = 30/(1·3) = 10
B = 30/((−1)·2) = −15
C = 30/((−3)·(−2)) = 5

逆变换

f(t) = 10 − 15·e−t + 5·e−3t

求值

f(1) = 10 − 15·e−1 + 5·e−3·1 = 4.731

答案

f(1) = 4.731
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 0.2464

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

Y(s) = 60/(s(s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 60/(2·4) = 7.5
B = 60/((−2)·2) = −15
C = 60/((−4)·(−2)) = 7.5

出量

y(t) = 7.5 − 15·e−2t + 7.5·e−4t
y(0.1) = 0.2464

答案

y(0.1) = 0.2464
3.方框图

答案: K = 25

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 + 1)(s + 11)) = 0 → s² + 12s + 11 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

12² = 4(11 + K) → K = 144/4 − 11 = 25

答案

K = 25
此时两个闭环极点都在 s = −6。
4.方框图

答案: T(0) = 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)。

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 10/(s + 27)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 180/((s + 5)(s + 27) + 18)

直流增益

T(0) = 180/(5·27 + 18) = 180/153 = 1.176

答案

T(0) = 1.176
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 = 40 → ωₙ = 6.325 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325

结果

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

答案

σ = −4
6.阶跃响应

答案: vC,max = 7.676 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/√(0.1·4.7 × 10⁻⁵) = 461.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (18/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.1) = 0.1951

结果

%OS = 53.53 %
vC,max = 5·(1 + 0.5353) = 7.676 V

答案

vC,max = 7.676 V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 520

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 + 40s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 40
s²: 13, K
s¹: (13·40 − K)/13
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
13·40 − K > 0 → K < 520

答案

Kmax = 520

当 K = 520 时,闭环以 ω = √40 = 6.325 rad/s 振荡。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −1.333

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。

极点和零点

个极点: 0, −3, −1
n − m = 3 − 0 = 3

形心

σa = (−4)/3 = −1.333

答案

σa = −1.333

3 条渐近线从重心出发,角度为 60°, 180°, 300°。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 980

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) = 0.02 → Kp = 49

增益

K/20 = 49 → K = 980

答案

K = 980

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: %OS = 4.321 %

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) + 25·2 = s² + 10s + 50

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 10/(2·7.071) = 0.7071

超调量

%OS = 100·e−0.7071π/√(1 − 0.7071²) = 4.321 %

答案

%OS = 4.321 %
11.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −20.12 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(j30)| = 90/(√(30² + 1²)·√(30² + 5²)) = 90/(30.02·30.41) = 0.09858

结果

20·log₁₀(0.09858) = −20.12 dB

答案

|G(jω)| = −20.12 dB
12.伯德图与裕度

答案: K = 16.2

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。

相位穿越

(ω/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4.243 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 36)) = K/(3·6·(3 + 6)) = K/162

所需增益

162/K = 1020/20 = 10
K = 162/10 = 16.2

答案

K = 16.2

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