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) = (2s + 15)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (2s + 15)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 11y′ + 30y = 0,初始条件 y(0) = 1,y′(0) = −14,并求 y(0.1)。

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 1y′(0) = −14t = 0.1 s
y(0.1) =
3.方框图中等
R(s)+16s + 1G(s)C(s)0.1H−

被控对象 G(s) = 16/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.1。 在 R 处施加大小为 5 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 16/(s + 1)H = 0.1R = 5
css =
4.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+5s + 2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) = 5/(s + 2)。在 R = 0 时,大小为 5 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.25 的最小增益 K。

G(s) = 5/(s + 2)D = 5css ≤ 0.25
K =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 37/(s² + 5s + 37),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 37/(s² + 5s + 37)
σ =
6.阶跃响应困难
+−12 VR = 13 ΩL = 50 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 13 Ω,L = 50 mH,C = 100 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 = 13 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 12 V
vC,max = V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 8(s − 4)(s + 3)C(s)−

对象 G(s) = (s + 8)/((s − 4)(s + 3)) 在 s = 4 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

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

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 2)/(s(s + 8)(s + 10))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K(s + 2)/(s(s + 8)(s + 10))
σa =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5 + 1t+5s(s + 1)(s + 10)C(s)−

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

G(s) = 5/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 5 + 1t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 1C(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) = 2/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 6 rad/s 和 ζ = 1。求比例增益 Kp。

G(s) = 2/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 1
Kp =
11.伯德图与裕度中等
vin​C = 4.7 nFR = 10 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 10 kΩ, C = 4.7 nF。输入为6.8 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 kΩC = 4.7 nFf = 6.8 kHz
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) = 48/(s(s + 8))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 48/(s(s + 8))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 1.516

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

2s + 15 = 2(s + 5) + 5
F(s) = 2/(s + 5) + 5/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 2·e−5t + 5·t·e−5t
f(0.1) = (2 + 5·0.1)·e−5·0.1 = 1.516

答案

f(0.1) = 1.516
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 0.08706

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 − 1s − (−14) + 11(sY − 1) + 30Y = 0
Y(s) = (s − 3)/((s + 5)(s + 6))

部分分式

A = −8/1 = −8
B = −9/(−1) = 9

结果

y(t) = −8·e−5t + 9·e−6t
y(0.1) = 0.08706

答案

y(0.1) = 0.08706

检验:y(0) = A + B = 1。

3.方框图

答案: css = 30.77

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) = 16/(s + 1 + 1.6) = 16/(s + 2.6)

结果

css = R·T(0) = 5·16/2.6 = 30.77

答案

css = 30.77
4.方框图

答案: K = 19.6

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)) = 5·5/(2 + 5K)

解出 K

2 + 5K = 5·5/0.25 = 100
K = (100 − 2)/5 = 19.6

答案

K = 19.6
5.阶跃响应

答案: σ = −2.5

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 = 37 → ωₙ = 6.083 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6.083) = 0.411

结果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答案

σ = −2.5
6.阶跃响应

答案: vC,max = 16.62 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/√(0.05·1 × 10⁻⁴) = 447.2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (13/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.05) = 0.2907

结果

%OS = 38.5 %
vC,max = 12·(1 + 0.385) = 16.62 V

答案

vC,max = 16.62 V
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 1.5

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 − 4)(s + 3) + K(s + 8) = s² + (-1 + K)s + (8K − 12)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

-1 + K > 0 → K > 1
8K − 12 > 0 → K > 1.5
Kmin = 1.5

答案

Kmin = 1.5
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −8

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, −8, −10
0 位: −2
n − m = 3 − 1 = 2

形心

σa = (−18 − (−2))/2 = −8

答案

σa = −8

2 条渐近线从重心出发,角度为 90°, 270°。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2

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) = 0.5

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 1/0.5 = 2

答案

ess = 2
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 5.5

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 + 1)。

s² + (1 + 2Kp)s + 2Ki

目标多项式

s² + 2·1·6s + 6² = s² + 12s + 36

匹配各项系数

1 + 2Kp = 12 → Kp = 5.5

答案

Kp = 5.5

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 = 26.47 °

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/(10000·4.7 × 10⁻⁹) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 6800/3386 = 2.008

相位

φ = 90° − atan(2.008) = 26.47°

答案

φ = 26.47°
12.伯德图与裕度

答案: PM = 57.64 °

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 − 2304 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·2304))/2 = 25.69
ωc = 5.068 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(5.068/8) = −122.4°
PM = 180° + ∠L = 57.64°

答案

PM = 57.64°

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