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−1−2−312

用配方法求 F(s) = (5s + 17)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = (5s + 17)/(s² + 2s + 5)t = 0.3 s
f(0.3) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−61

某系统由微分方程 y″ + 9y′ + 18y = 3u′ + 17u 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 = 0.2 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.2)。

y″ + 9y′ + 18y = 3u′ + 17ut = 0.2 s
g(0.2) =
3.方框图中等
R(s)+26s + 2G(s)C(s)0.25H−

被控对象 G(s) = 26/(s + 2) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.25。 在 R 处施加大小为 2 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 26/(s + 2)H = 0.25R = 2
css =
4.方框图困难
R(s)+60s(s + 11)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 60/(s(s + 11)) 放在传感器增益为 H = 2 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的实部 σ。

G(s) = 60/(s(s + 11))H = 2
σ =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1?

某系统的传递函数为 G(s) = 49/(s² + 9s + 49),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 49/(s² + 9s + 49)
%OS = %
6.阶跃响应困难
R(s)+90s(s + 2)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 90/(s(s + 2))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 90/(s(s + 2))
ts = s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 4)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))。把增益提高到闭环处于稳定边缘。求持续振荡的频率 ω。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))
ω = rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.707−2−4−6−8−10j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 8)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.707 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0.707
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 52.50.5s + 1C(s)−

过程 G(s) = 2.5/(0.5s + 1) 由比例增益 K = 5 在单位负反馈回路中控制。求阶跃输入的稳态误差 ess,以阶跃大小的百分数表示。

G(s) = 2.5/(0.5s + 1)K = 5
ess = %
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+25 + Kd​s10s(s + 3)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 25 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 3))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.5 的微分增益 Kd。

G(s) = 10/(s(s + 3))Kp = 25ζ = 0.5
Kd = s
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 10 kΩC = 1 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 10 kΩ, C = 1 nF。输入为80 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 10 kΩC = 1 nFf = 80 kHz
|H| = dB
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) = 20/(s(s + 5))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 20/(s(s + 5))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 5.567

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) = 5·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (12/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(5·cos 2t + 6·sin 2t)
f(0.3) = e−0.3·(5·cos(2·0.3) + 6·sin(2·0.3)) = 5.567

答案

f(0.3) = 5.567
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.2) = 1.564

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) = (3s + 17)/(s² + 9s + 18)

部分分式

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 2.667, B = 0.3333

冲激响应

g(t) = 2.667·e−3t + 0.3333·e−6t
g(0.2) = 1.564

答案

g(0.2) = 1.564
3.方框图

答案: css = 6.118

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) = 26/(s + 2 + 6.5) = 26/(s + 8.5)

结果

css = R·T(0) = 2·26/8.5 = 6.118

答案

css = 6.118
4.方框图

答案: σ = −5.5

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)。

特征方程

s(s + 11) + 60·2 = 0 → s² + 11s + 120 = 0

根

s = −5.5 ± j·√(120 − 30.25) = −5.5 ± j9.474
σ = −5.5

答案

σ = −5.5
5.阶跃响应

答案: %OS = 7.16 %

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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7) = 0.6429

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.637 = 7.16 %

答案

%OS = 7.16 %
6.阶跃响应

答案: ts = 4 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)。

闭环传递函数

T(s) = 90/(s² + 2s + 90): ωₙ = 9.487 rad/s, ζ = 0.1054

调节时间

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

答案

ts = 4 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 5.657 rad/s

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。

劳斯阵列

s³ + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

临界增益

K = 12·32 = 384

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

12s² + 384 = 0 → s = ±j√32
ω = 5.657 rad/s

答案

ω = 5.657 rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 32.01

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。

与标准形式比较

s² + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.707·ωₙ = 8 → ωₙ = 5.658 rad/s

增益

K = ωₙ² = 5.658² = 32.01

答案

K = 32.01

闭环极点位于 ζ 线与 s = −4 处垂直分支的交点。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 7.407 %

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。

位置误差常数

Kp = 5·2.5 = 12.5

阶跃误差

ess = 100/(1 + 12.5) = 7.407 %

答案

ess = 7.407 %
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kd = 1.281 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 + 3) + 10(25 + Kds) = s² + (3 + 10Kd)s + 250

固有频率

ωₙ = √250 = 15.81 rad/s

微分增益

3 + 10Kd = 2·0.5·15.81 = 15.81
Kd = 1.281 s

答案

Kd = 1.281 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

11.伯德图与裕度

答案: |H| = −14.19 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。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 80000/15915 = 5.027

增益

|H| = 1/√(1 + 5.027²) = 0.1951
20·log₁₀(0.1951) = −14.19 dB

答案

|H| = −14.19 dB
12.伯德图与裕度

答案: PM = 56.34 °

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 + 25ω² − 400 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·400))/2 = 11.08
ωc = 3.329 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(3.329/5) = −123.7°
PM = 180° + ∠L = 56.34°

答案

PM = 56.34°

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