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 + 17)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (2s + 17)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = 3,y′(0) = −10,并求 y(0.6)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = −10t = 0.6 s
y(0.6) =
3.方框图中等
R(s)+13s + 2G(s)C(s)0.25H−

被控对象 G(s) = 13/(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。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 13/(s + 2)H = 0.25
τ = s
4.方框图困难
R(s)+48s(s + 3)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 48/(s(s + 3)) 放在传感器增益为 H = 2 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的虚部 ωd(取正值),单位 rad/s。

G(s) = 48/(s(s + 3))H = 2
ωd = rad/s
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 105/(s² + 9s + 35),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 105/(s² + 9s + 35)
ζ =
6.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5))。求使阶跃响应有 15 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 0.751s(s + 1)(s + 2)C(s)−

图中的回路在 K = 0.75 下运行,L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2))。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 + 1)(s + 2))K = 0.75
m =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4j2j4

对于 L(s) = K/((s + 4)(s² + 4s + 20)),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 + 4)(s² + 4s + 20))
θd = °
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10)),必须以 0.05 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0.05
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K1s(s + 8)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 8))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.707 的增益 K。

G(s) = 1/(s(s + 8))ζ = 0.707
K =
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 8

求 G(s) = 4(s + 10)/(s(s + 8)) 在 ω = 8 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 4(s + 10)/(s(s + 8))ω = 8 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 + 4)(s + 7))。 求给出 2 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 1.638

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 + 17 = 2(s + 5) + 7
F(s) = 2/(s + 5) + 7/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 2·e−5t + 7·t·e−5t
f(0.1) = (2 + 7·0.1)·e−5·0.1 = 1.638

答案

f(0.1) = 1.638
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 0.5775

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 − 3s − (−10) + 5(sY − 3) + 4Y = 0
Y(s) = (3s + 5)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 2/3 = 0.6667
B = −7/(−3) = 2.333

结果

y(t) = 0.6667·e−t + 2.333·e−4t
y(0.6) = 0.5775

答案

y(0.6) = 0.5775

检验:y(0) = A + B = 3。

3.方框图

答案: τ = 0.1905 s

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) = 13/(s + 2 + 3.25) = 13/(s + 5.25)

结果

τ = 1/5.25 = 0.1905 s

答案

τ = 0.1905 s
4.方框图

答案: ωd = 9.682 rad/s

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 + 3) + 48·2 = 0 → s² + 3s + 96 = 0

根

s = −1.5 ± j·√(96 − 2.25) = −1.5 ± j9.682
ωd = 9.682 rad/s

答案

ωd = 9.682 rad/s
5.阶跃响应

答案: ζ = 0.7606

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 = 35 → ωₙ = 5.916 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·5.916) = 0.7606

结果

ζ = 0.7606

答案

ζ = 0.7606
6.阶跃响应

答案: K = 23.39

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 + 5s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

增益

ωₙ = 5/(2ζ) = 4.836 rad/s
K = ωₙ² = 23.39

答案

K = 23.39
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 8

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 + 3s² + 2s + K = 0
s³: 1, 2
s²: 3, K
s¹: (3·2 − K)/3
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 3·2 = 6

倍数

m = 6/0.75 = 8

答案

m = 8

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:18.06 dB。

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 + 4s + 20 = 0 → s = −2 ± j4
s = −4

来自其他极点的角度

∠(−2 + j4 + 4) = atan2(4, 2) = 63.43°
∠(−2 + j4 − (−2 − j4)) = ∠(j8) = 90°

出射角

θd = 180° − 63.43° − 90° = 26.57°

答案

θd = 26.57°
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 400

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。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 2/0.05 = 40

增益

K = 10·Kv = 400

答案

K = 400

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.25。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

10.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 32.01

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 + 8) + 1K = s² + 8s + 1K

固有频率

2·0.707·ωₙ = 8 → ωₙ = 5.658 rad/s

增益

1K = ωₙ² = 32.01 → K = 32.01

答案

K = 32.01
11.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −96.34 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(8/10) − 90° − atan(8/8) = 38.66° − 90° − 45°

结果

∠G(j8) = −96.34°

答案

∠G(jω) = −96.34°
12.伯德图与裕度

答案: K = 244.7

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/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5.292 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

所需增益

308/K = 102/20 = 1.259
K = 308/1.259 = 244.7

答案

K = 244.7

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