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−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (5s + 7)/(s² + 13s + 42)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−6t + B·e−7t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (5s + 7)/(s² + 13s + 42)
A =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

某系统满足 y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t),y(0) = 4,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.4)。

y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.4 s
y(0.4) =
3.方框图中等
R(s)+2s + 9G(s)C(s)0.1H−

被控对象 G(s) = 2/(s + 9) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.1。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 2/(s + 9)H = 0.1
τ = s
4.方框图困难
R(s)+18控制器+D(s)+2s + 1被控对象C(s)−

比例控制器 K = 18 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 2/(s + 1)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 令 R = 0,施加大小为 10 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 18G(s) = 2/(s + 1)D = 10R = 0
css =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 39/(s² + 3s + 13),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 39/(s² + 3s + 13)
%OS = %
6.阶跃响应困难
R(s)+140s(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 140/(s(s + 6))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 140/(s(s + 6))
ts = s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+451s(s + 2)(s + 3)C(s)−

图中的回路采用负反馈,L(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3))
N =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4j2j4

已画出 L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
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 0.1 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 = 0.1
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 4010s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 10))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 10/(s(s + 10))K = 40
ts = s
11.伯德图与裕度中等
vin​C = 100 nFR = 4.7 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 4.7 kΩ, C = 100 nF。输入为68 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 4.7 kΩC = 100 nFf = 68 Hz
φ = °
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) = 152/(s(s + 2)(s + 10))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 152/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: A = −23

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 + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

遮盖法

乘以 (s + 6) 并令 s = −6:B 项消失。

A = (5s + 7)/(s + 7) |s = −6 = −23/1 = −23

答案

A = −23
(B = 28,所以 f(t) = −23·e−6t + 28·e−7t)
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.4) = 7.913

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

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 4s + 12 + 80/s
Y(s) = (4s² + 12s + 80)/(s(s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 80/(1·2) = 40
B = 72/((−1)·1) = −72
C = 72/((−2)·(−1)) = 36

结果

y(t) = 40 − 72·e−t + 36·e−2t
y(0.4) = 7.913

答案

y(0.4) = 7.913

检验:y(0) = A + B + C = 4。

3.方框图

答案: τ = 0.1087 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) = 2/(s + 9 + 0.2) = 2/(s + 9.2)

结果

τ = 1/9.2 = 0.1087 s

答案

τ = 0.1087 s
4.方框图

答案: css = 0.5405

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 2/(s + 1 + 36)

稳态

css = 10·2/37 = 0.5405

答案

css = 0.5405

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

5.阶跃响应

答案: %OS = 23.76 %

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 = 13 → ωₙ = 3.606 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.606) = 0.416

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.437 = 23.76 %

答案

%OS = 23.76 %
6.阶跃响应

答案: ts = 1.333 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)。

闭环传递函数

T(s) = 140/(s² + 6s + 140): ωₙ = 11.83 rad/s, ζ = 0.2535

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.333 s

答案

ts = 1.333 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 2

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 + 5s² + 6s + 45 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 6
s²: 5, 45
s¹: −3
s⁰: 45

第一列中的符号变化

1 → 5 → −3 → 45
N = 2

答案

N = 2

增益超过了极限 K = 30,所以一对复极点已经越过虚轴进入右半平面。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 5.099 rad/s

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。

临界增益

s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0
s¹: (9·26 − 24 − K)/9 = 0 → K = 210

穿越频率

9s² + 24 + 210 = 9s² + 234 = 0 → s² = −26
ω = √26 = 5.099 rad/s

答案

ω = 5.099 rad/s
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 200

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 = 2/0.1 = 20

增益

K = 10·Kv = 200

答案

K = 200

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.3536。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: ts = 0.8 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 + 10) + 40·10 = s² + 10s + 400

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 10/(2·20) = 0.25

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0.8 s

答案

ts = 0.8 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: φ = 78.65 °

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/(4700·1 × 10⁻⁷) = 2128 rad/s
fc = 338.6 Hz → f/fc = 68/338.6 = 0.2008

相位

φ = 90° − atan(0.2008) = 78.65°

答案

φ = 78.65°
12.伯德图与裕度

答案: GM = 3.967 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/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4.472 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

增益裕度

GM = 20·log₁₀(240/152) = 3.967 dB

答案

GM = 3.967 dB

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