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 = 0.5f(0.5) = ?

用部分分式法求 F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3)) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3))t = 0.5 s
f(0.5) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 11y′ + 30y = 0,初始条件 y(0) = −10,y′(0) = 4,并求 y(0.2)。

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = −10y′(0) = 4t = 0.2 s
y(0.2) =
3.方框图中等
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 6)) 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 + 6))单位负反馈
K =
4.方框图困难
R(s)+36s(s + 8)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 36/(s(s + 8)) 放在传感器增益为 H = 2 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的实部 σ。

G(s) = 36/(s(s + 8))H = 2
σ =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 48/(s² + 7s + 24),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 48/(s² + 7s + 24)
ts = s
6.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 1 s50 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 50 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 1 s。求固有频率 ωn。

%OS = 50 %tp = 1 s
ωn = rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 8s(s + 1)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

对于 L(s) = K/((s + 6)(s² + 4s + 8)),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 + 6)(s² + 4s + 8))
θd = °
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 4 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 4 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K2s(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) = 2/(s(s + 8))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.4 的增益 K。

G(s) = 2/(s(s + 8))ζ = 0.4
K =
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 1 kΩC = 100 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 1 kΩ, C = 100 nF。输入为8 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 1 kΩC = 100 nFf = 8 kHz
|H| = dB
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 360/(s(s + 10))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 360/(s(s + 10))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = 4.035

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 + 3)
A = 60/(1·3) = 20
B = 60/((−1)·2) = −30
C = 60/((−3)·(−2)) = 10

逆变换

f(t) = 20 − 30·e−t + 10·e−3t

求值

f(0.5) = 20 − 30·e−0.5 + 10·e−3·0.5 = 4.035

答案

f(0.5) = 4.035
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = −6.746

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 − (−10)s − 4 + 11(sY − (−10)) + 30Y = 0
Y(s) = (−10s − 106)/((s + 5)(s + 6))

部分分式

A = −56/1 = −56
B = −46/(−1) = 46

结果

y(t) = −56·e−5t + 46·e−6t
y(0.2) = −6.746

答案

y(0.2) = −6.746

检验:y(0) = A + B = −10。

3.方框图

答案: K = 9

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 + 6)) = 0 → s² + 6s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

6² = 4K → K = 36/4 = 9

答案

K = 9
此时两个闭环极点都在 s = −3。
4.方框图

答案: σ = −4

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 + 8) + 36·2 = 0 → s² + 8s + 72 = 0

根

s = −4 ± j·√(72 − 16) = −4 ± j7.483
σ = −4

答案

σ = −4
5.阶跃响应

答案: ts = 1.143 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 = 24 → ωₙ = 4.899 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.899) = 0.7144

结果

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

答案

ts = 1.143 s
6.阶跃响应

答案: ωn = 3.217 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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.5)/√(π² + ln²(0.5)) = 0.6931/√(9.87 + 0.4805) = 0.2155

固有频率

ωd = π/tp = π/1 = 3.142 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.142/0.9765 = 3.217 rad/s

答案

ωn = 3.217 rad/s
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 6.667

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

s(s + 1)(s + 4) + K(s + 8) = s³ + 5s² + (4 + K)s + 8K

劳斯阵列

s³: 1, 4 + K
s²: 5, 8K
s¹: (5·(4 + K) − 8K)/5
s⁰: 8K

条件

20 − 3K > 0
K < 20/3 = 6.667

答案

Kmax = 6.667

如果零点位于 s = −5 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 63.43 °

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 + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −6

来自其他极点的角度

∠(−2 + j2 + 6) = atan2(2, 4) = 26.57°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

出射角

θd = 180° − 26.57° − 90° = 63.43°

答案

θd = 63.43°
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 240

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) = 0.04 → Kp = 24

增益

K/10 = 24 → K = 240

答案

K = 240

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: K = 50

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) + 2K = s² + 8s + 2K

固有频率

2·0.4·ωₙ = 8 → ωₙ = 10 rad/s

增益

2K = ωₙ² = 100 → K = 50

答案

K = 50
11.伯德图与裕度

答案: |H| = −14.19 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 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 8000/1592 = 5.027

增益

|H| = 1/√(1 + 5.027²) = 0.1951
20·log₁₀(0.1951) = −14.19 dB

答案

|H| = −14.19 dB
12.伯德图与裕度

答案: PM = 29.46 °

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 + 100ω² − 129600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·129600))/2 = 313.5
ωc = 17.7 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(17.7/10) = −150.5°
PM = 180° + ∠L = 29.46°

答案

PM = 29.46°

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