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−224

用配方法求 F(s) = (4s + 7)/(s² + 2s + 17) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = (4s + 7)/(s² + 2s + 17)t = 1 s
f(1) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−0.5−1−1.5−20.51

某系统由微分方程 y″ + 3y′ + 2y = 7u 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 = 1.2 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(1.2)。

y″ + 3y′ + 2y = 7ut = 1.2 s
g(1.2) =
3.方框图中等
R(s)+K(s + 6)(s + 11)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 6)(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 + 6)(s + 11))单位负反馈
K =
4.方框图困难
R(s)+18s + 5G₁+10s + 6G₂C(s)1H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 18/(s + 5),G₂ = 10/(s + 6),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 1,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 18/(s + 5)G₂ = 10/(s + 6)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 68/(s² + 2s + 34),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 68/(s² + 2s + 34)
tp = s
6.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 7 N·s/mm = 5 kgF = 50 Nx(t)

质量 m = 5 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 7 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 50 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 5 kgk = 100 N/mc = 7 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 4.81s(s + 2)(s + 4)C(s)−

图中的回路在 K = 4.8 下运行,L(s) = K/(s(s + 2)(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 + 2)(s + 4))K = 4.8
m =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2−0.5

对于回路 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)),求使闭环极点位于 s = −0.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))s = −0.5
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 5))。求使阶跃输入的稳态误差为 10 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 10 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 42s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 4 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 2))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 2/(s(s + 2))K = 4
%OS = %
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 1 kΩC = 1 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 1 kΩ, C = 1 nF。输入为480 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 1 kΩC = 1 nFf = 480 kHz
|H| = dB
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 68/(s(s + 4))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 68/(s(s + 4))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(1) = −1.171

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 + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (3/4)·4/((s + 1)² + 4²)

逆变换

f(t) = e−t·(4·cos 4t + 0.75·sin 4t)
f(1) = e−1·(4·cos(4·1) + 0.75·sin(4·1)) = −1.171

答案

f(1) = −1.171
2.拉普拉斯变换

答案: g(1.2) = 1.473

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) = 7/(s² + 3s + 2)

部分分式

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 7, B = −7

冲激响应

g(t) = 7·e−t − 7·e−2t
g(1.2) = 1.473

答案

g(1.2) = 1.473
3.方框图

答案: K = 6.25

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 + 6)(s + 11)) = 0 → s² + 17s + 66 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

17² = 4(66 + K) → K = 289/4 − 66 = 6.25

答案

K = 6.25
此时两个闭环极点都在 s = −8.5。
4.方框图

答案: T(0) = 0.6923

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 + 16)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 180/((s + 5)(s + 16) + 180)

直流增益

T(0) = 180/(5·16 + 180) = 180/260 = 0.6923

答案

T(0) = 0.6923
5.阶跃响应

答案: tp = 0.5469 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 = 34 → ωₙ = 5.831 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5.831) = 0.1715

结果

ωd = 5.831·√(1 − 0.1715²) = 5.745 rad/s → tp = π/ωd = 0.5469 s

答案

tp = 0.5469 s
6.阶跃响应

答案: xmax = 803.9 mm

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 = √(k/m) = √(100/5) = 4.472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 7/(2·√(100·5)) = 0.1565

结果

xst = F/k = 50/100 m = 500 mm
%OS = 60.78 %
xmax = 500·(1 + 0.6078) = 803.9 mm

答案

xmax = 803.9 mm
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 10

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 + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 6·8 = 48

倍数

m = 48/4.8 = 10

答案

m = 10

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:20 dB。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 11.88

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。

幅值条件

K = |s|·|s + 3|·|s + 10|

在该点处计算

K = 0.5·2.5·9.5 = 11.88

答案

K = 11.88

检验:s(s + 3)(s + 10) + K 在 s = −0.5 处为零。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 90

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) = 0.1 → Kp = 9

增益

K/10 = 9 → K = 90

答案

K = 90

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 = 30.5 %

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

s(s + 2) + 4·2 = s² + 2s + 8

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √8 = 2.828 rad/s
ζ = 2/(2·2.828) = 0.3536

超调量

%OS = 100·e−0.3536π/√(1 − 0.3536²) = 30.5 %

答案

%OS = 30.5 %
11.伯德图与裕度

答案: |H| = −10.04 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/(1000·1 × 10⁻⁹) = 1000000 rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 480000/159155 = 3.016

增益

|H| = 1/√(1 + 3.016²) = 0.3147
20·log₁₀(0.3147) = −10.04 dB

答案

|H| = −10.04 dB
12.伯德图与裕度

答案: PM = 27.22 °

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 + 16ω² − 4624 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·4624))/2 = 60.47
ωc = 7.776 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(7.776/4) = −152.8°
PM = 180° + ∠L = 27.22°

答案

PM = 27.22°

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