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 = 1f(1) = ?

用部分分式法求 F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 4))t = 1 s
f(1) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 10(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.5)。

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.5 s
y(0.5) =
3.方框图中等
R(s)+Ks(s + 11)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(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(s + 11))单位负反馈
K =
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。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))单位负反馈
ω = 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) = 123/(s² + 3s + 41),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 123/(s² + 3s + 41)
%OS = %
6.阶跃响应困难
+−12 VR = 170 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 170 Ω,L = 200 mH,C = 10 µF,在 t = 0 时接到 12 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 = 170 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1(s + 3)(s + 5)(s + 6)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10j2sb​

已给出 L(s) = K/((s + 1)(s + 9)) 的根轨迹。求分离点 sb 处的增益 K,此时两个闭环极点在实轴上相遇。

L(s) = K/((s + 1)(s + 9))
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1045s + 1C(s)−

过程 G(s) = 4/(5s + 1) 由比例增益 K = 10 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) = 4/(5s + 1)K = 10
ess = %
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K1s(s + 5)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 + 5))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.5 的增益 K。

G(s) = 1/(s(s + 5))ζ = 0.5
K =
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 1

求 G(s) = 396/((s + 2)(s + 11)) 在 ω = 1 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 396/((s + 2)(s + 11))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 176/(s(s + 8))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 176/(s(s + 8))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(1) = 4.511

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 4)
A = 35/(1·4) = 8.75
B = 35/((−1)·3) = −11.67
C = 35/((−4)·(−3)) = 2.917

逆变换

f(t) = 8.75 − 11.67·e−t + 2.917·e−4t

求值

f(1) = 8.75 − 11.67·e−1 + 2.917·e−4·1 = 4.511

答案

f(1) = 4.511
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 4.728

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

Y(s) = 80/(s(s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 80/(1·4) = 20
B = 80/((−1)·3) = −26.67
C = 80/((−4)·(−3)) = 6.667

出量

y(t) = 20 − 26.67·e−t + 6.667·e−4t
y(0.5) = 4.728

答案

y(0.5) = 4.728
3.方框图

答案: K = 30.25

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(s + 11)) = 0 → s² + 11s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

11² = 4K → K = 121/4 = 30.25

答案

K = 30.25
此时两个闭环极点都在 s = −5.5。
4.方框图

答案: ω = 5.196 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

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

振荡频率

12·(jω)² + 324 = 0 → ω² = 324/12 = 27
ω = 5.196 rad/s

答案

ω = 5.196 rad/s
5.阶跃响应

答案: %OS = 46.91 %

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 = 41 → ωₙ = 6.403 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6.403) = 0.2343

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.757 = 46.91 %

答案

%OS = 46.91 %
6.阶跃响应

答案: ωn = 707.1 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/√(0.2·1 × 10⁻⁵) = 707.1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (170/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.2) = 0.601

结果

ωₙ = 707.1 rad/s

答案

ωn = 707.1 rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 792

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。

特征多项式

s³ + 14s² + 63s + 90 + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 63
s²: 14, 90 + K
s¹: (14·63 − 90 − K)/14
s⁰: 90 + K

条件

s¹ 行元素必须保持为正。

K < 14·63 − 90 = 792

答案

Kmax = 792

在极限处,回路以 ω = √63 = 7.937 rad/s 振荡。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 16

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。

分离点

对 K = −(s + 1)(s + 9),dK/ds = 0 给出 2s + 10 = 0。

sb = −5

幅值条件

K = |−5 + 1|·|−5 + 9| = 4·4 = 16

答案

K = 16

在这个增益下,闭环为临界阻尼(ζ = 1)。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2.439 %

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 = 10·4 = 40

阶跃误差

ess = 100/(1 + 40) = 2.439 %

答案

ess = 2.439 %
10.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 25

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 + 5) + 1K = s² + 5s + 1K

固有频率

2·0.5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

增益

1K = ωₙ² = 25 → K = 25

答案

K = 25
11.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 24.1 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。

把各模相乘

|G(j1)| = 396/(√(1² + 2²)·√(1² + 11²)) = 396/(2.236·11.05) = 16.03

结果

20·log₁₀(16.03) = 24.1 dB

答案

|G(jω)| = 24.1 dB
12.伯德图与裕度

答案: PM = 33.43 °

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 + 64ω² − 30976 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·30976))/2 = 146.9
ωc = 12.12 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(12.12/8) = −146.6°
PM = 180° + ∠L = 33.43°

答案

PM = 33.43°

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