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−1−2−3−4−5−6−7−812

用配方法求 F(s) = (2s + 15)/(s² + 6s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (2s + 15)/(s² + 6s + 13)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

某系统由微分方程 y″ + 8y′ + 15y = 2u′ + 14u 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″ + 8y′ + 15y = 2u′ + 14ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.方框图中等
R(s)+17K+7s + 8G(s)C(s)0.5H₁−−

被控对象 G(s) = 7/(s + 8) 带有一个增益为 H₁ = 0.5 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 17 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 7/(s + 8)H₁ = 0.5K = 17
p =
4.方框图困难
R(s)+15s + 1G₁+9s + 1G₂C(s)4H₁−0.1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 15/(s + 1),G₂ = 9/(s + 1),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 0.1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 15/(s + 1)G₂ = 9/(s + 1)H₁ = 4H₂ = 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) = 27/(s² + 2s + 27),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 27/(s² + 2s + 27)
σ =
6.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 8))。求使阶跃响应有 20 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 20 %
K =
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 16.81s(s + 3)(s + 4)C(s)−

图中的回路在 K = 16.8 下运行,L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))K = 16.8
m =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −6 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))
sb =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 0.5·t²/2+4(s + 4)s²(s + 2)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 0.5·t²/2 加到 G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 2))r(t) = 0.5·t²/2
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 2t+5 + 5/s10(s + 1)(s + 2)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 5 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/((s + 1)(s + 2))。求斜坡输入 r(t) = 2t 的稳态误差 ess。

C(s) = 5 + 5/sG(s) = 10/((s + 1)(s + 2))r(t) = 2t
ess =
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 4.7 kΩC = 22 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 4.7 kΩ, C = 22 nF。输入为770 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 4.7 kΩC = 22 nFf = 770 Hz
φ = °
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 606/(s(s + 6)(s + 10))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 606/(s(s + 6)(s + 10))
GM = dB

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 2.114

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 + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

匹配分子

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (9/2)·2/((s + 3)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−3t·(2·cos 2t + 4.5·sin 2t)
f(0.1) = e−3·0.1·(2·cos(2·0.1) + 4.5·sin(2·0.1)) = 2.114

答案

f(0.1) = 2.114
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 1.18

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) = (2s + 14)/(s² + 8s + 15)

部分分式

s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
A = 4, B = −2

冲激响应

g(t) = 4·e−3t − 2·e−5t
g(0.3) = 1.18

答案

g(0.3) = 1.18
3.方框图

答案: p = −130.5

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)。

内环

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 8 + 7·0.5) = 7/(s + 11.5)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 119/(s + 11.5 + 119) = 119/(s + 130.5)

结果

p = −130.5

答案

p = −130.5
4.方框图

答案: T(0) = 2.673

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) = 9/(s + 37)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 135/((s + 1)(s + 37) + 13.5)

直流增益

T(0) = 135/(1·37 + 13.5) = 135/50.5 = 2.673

答案

T(0) = 2.673
5.阶跃响应

答案: σ = −1

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 = 27 → ωₙ = 5.196 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5.196) = 0.1925

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
6.阶跃响应

答案: K = 76.96

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) = K/(s² + 8s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 0.4559

增益

ωₙ = 8/(2ζ) = 8.773 rad/s
K = ωₙ² = 76.96

答案

K = 76.96
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 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。

劳斯阵列

s³ + 7s² + 12s + K = 0
s³: 1, 12
s²: 7, K
s¹: (7·12 − K)/7
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 7·12 = 84

倍数

m = 84/16.8 = 5

答案

m = 5

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:13.98 dB。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.263

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) = −s(s + 6)(s + 8) = −(s³ + 14s² + 48s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 28s + 48) = 0
s = (−28 ± √(784 − 576))/6 = −2.263, −7.07

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −6 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −2.263

答案

sb = −2.263
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.0625

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。

加速度误差常数

Ka = 4·4/2 = 8

抛物线误差

ess = 0.5/8 = 0.0625

答案

ess = 0.0625
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.08

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 5s + 5 → 5。

Kv = 5·10/2 = 25

斜坡误差

ess = 2/25 = 0.08

答案

ess = 0.08

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

11.伯德图与裕度

答案: φ = −26.58 °

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/(4700·2.2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 770/1539 = 0.5003

相位

φ = − atan(0.5003) = −26.58°

答案

φ = −26.58°
12.伯德图与裕度

答案: GM = 3.996 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。

相位穿越

(ω/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7.746 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

增益裕度

GM = 20·log₁₀(960/606) = 3.996 dB

答案

GM = 3.996 dB

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