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−1−2−3−4−5−61

F(s) = (3s + 10)/(s² + 9s + 18)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−3t + B·e−6t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (3s + 10)/(s² + 9s + 18)
A =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + u 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 = 0.4 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.4)。

y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + ut = 0.4 s
g(0.4) =
3.方框图中等
R(s)+1(s + 2)(s + 5)(s + 8)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 1(s + 2)/((s + 5)(s + 8))。在参考输入处施加大小为 2 的阶跃。求稳态误差 ess。

G(s) = 1(s + 2)/((s + 5)(s + 8))R = 2
ess =
4.方框图困难
R(s)+Ks(s + 3)(s + 9)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 3)(s + 9)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))单位负反馈
Kmax =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 213/(s² + 9s + 71),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 213/(s² + 9s + 71)
ts = s
6.阶跃响应困难
+−24 VR = 253 ΩL = 100 mHC = 1 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 253 Ω,L = 100 mH,C = 1 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。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。

R = 253 ΩL = 100 mHC = 1 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 3)(s + 6)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))。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 + 3)(s + 6))
ω = rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4j1j2

对于 L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 13)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 13))
θd = °
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1920.5s + 1C(s)−

过程 G(s) = 2/(0.5s + 1) 由比例增益 K = 19 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/(0.5s + 1)K = 19
ess = %
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 401s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 4))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 1/(s(s + 4))K = 40
ts = s
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 30

求 G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 5)) 在 ω = 30 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 5))ω = 30 rad/s
∠G(jω) = °
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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 + 5)(s + 10))。 求给出 10 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))GM = 10 dB
K =

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: A = 0.3333

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 + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

遮盖法

乘以 (s + 3) 并令 s = −3:B 项消失。

A = (3s + 10)/(s + 6) |s = −3 = 1/3 = 0.3333

答案

A = 0.3333
(B = 2.667,所以 f(t) = 0.3333·e−3t + 2.667·e−6t)
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.4) = 0.1385

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 + 1)/(s² + 6s + 5)

部分分式

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = −0.5, B = 3.5

冲激响应

g(t) = −0.5·e−t + 3.5·e−5t
g(0.4) = 0.1385

答案

g(0.4) = 0.1385
3.方框图

答案: ess = 1.905

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)。

位置误差系数

Kₚ = G(0) = 1·2/(5·8) = 0.05

稳态误差

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0.05) = 1.905

答案

ess = 1.905
4.方框图

答案: Kmax = 324

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

s³ + 12s² + 27s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 27
s² | 12 K
s¹ | (12·27 − K)/12
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 12·27 = 324

答案

Kmax = 324
5.阶跃响应

答案: ts = 0.8889 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 = 71 → ωₙ = 8.426 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8.426) = 0.5341

结果

ζωₙ = 4.5 → ts ≈ 4/4.5 = 0.8889 s

答案

ts = 0.8889 s
6.阶跃响应

答案: ωn = 3162 rad/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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (253/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.1) = 0.4

结果

ωₙ = 3162 rad/s

答案

ωn = 3162 rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 4.243 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 + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

临界增益

K = 9·18 = 162

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

9s² + 162 = 0 → s = ±j√18
ω = 4.243 rad/s

答案

ω = 4.243 rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = −26.57 °

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。

极点位置

s² + 6s + 13 = 0 → s = −3 ± j2
s = −2

来自其他极点的角度

∠(−3 + j2 + 2) = atan2(2, -1) = 116.6°
∠(−3 + j2 − (−3 − j2)) = ∠(j4) = 90°

出射角

θd = 180° − 116.6° − 90° = −26.57°

答案

θd = −26.57°
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2.564 %

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 = 19·2 = 38

阶跃误差

ess = 100/(1 + 38) = 2.564 %

答案

ess = 2.564 %
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 2 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 + 4) + 40·1 = s² + 4s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 4/(2·6.325) = 0.3162

调节时间

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

答案

ts = 2 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) = −88.13 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(30/4) − 90° − atan(30/5) = 82.41° − 90° − 80.54°

结果

∠G(j30) = −88.13°

答案

∠G(jω) = −88.13°
12.伯德图与裕度

答案: K = 237.2

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/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7.071 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

所需增益

750/K = 1010/20 = 3.162
K = 750/3.162 = 237.2

答案

K = 237.2

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