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 = 0.3f(0.3) = ?

用部分分式法求 F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 2)) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 2))t = 0.3 s
f(0.3) =
2.拉普拉斯变换困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−30.51

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 10y = 19u 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 = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 6y′ + 10y = 19ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.方框图中等
R(s)+8(s + 4)(s + 3)(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 8(s + 4)/((s + 3)(s + 6))。在参考输入处施加大小为 2 的阶跃。求稳态误差 ess。

G(s) = 8(s + 4)/((s + 3)(s + 6))R = 2
ess =
4.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+1s + 7被控对象C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 1/(s + 7)。在 R = 0 时,大小为 5 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.07143 的最小增益 K。

G(s) = 1/(s + 7)D = 5css ≤ 0.07143
K =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5

某系统的传递函数为 G(s) = 31.5/(s² + 12s + 63),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 31.5/(s² + 12s + 63)
ωn = rad/s
6.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 8 N·s/mm = 2 kgF = 20 Nx(t)

质量 m = 2 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 8 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 = 20 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 2 kgk = 100 N/mc = 8 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 2(s − 3)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 2)/((s − 3)(s + 5)) 在 s = 3 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 2)/((s − 3)(s + 5))
Kmin =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.4−5j5

已给出 L(s) = K/(s(s + 6)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.4 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0.4
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2)),必须以 0.01 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0.01
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+8 + Kd​s1s(s + 1)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 8 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 1))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.5 的微分增益 Kd。

G(s) = 1/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0.5
Kd = s
11.伯德图与裕度中等
vin​L = 1 mHC = 0.1 µFR = 5 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 5 Ω 两端,其中 L = 1 mH,C = 0.1 µF。 求品质因数 Q。

R = 5 ΩL = 1 mHC = 0.1 µF
Q =
12.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 6.4/(s(s + 4))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 6.4/(s(s + 4))
PM = °

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 2.015

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

逆变换

f(t) = 30 − 60·e−t + 30·e−2t

求值

f(0.3) = 30 − 60·e−0.3 + 30·e−2·0.3 = 2.015

答案

f(0.3) = 2.015
2.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 2.283

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) = 19/(s² + 6s + 10)

部分分式

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1²
G(s) = (19/1)·1/((s + 3)² + 1²)

冲激响应

g(t) = e−3t·(19·sin 1t)
g(0.3) = 2.283

答案

g(0.3) = 2.283
3.方框图

答案: ess = 0.72

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)。

位置误差系数

Kₚ = G(0) = 8·4/(3·6) = 1.778

稳态误差

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 1.778) = 0.72

答案

ess = 0.72
4.方框图

答案: K = 63

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)。

扰动响应

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·1/(7 + 1K)

解出 K

7 + 1K = 5·1/0.07143 = 70
K = (70 − 7)/1 = 63

答案

K = 63
5.阶跃响应

答案: ωn = 7.937 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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 63 → ωₙ = 7.937 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7.937) = 0.7559

结果

ωₙ = 7.937 rad/s

答案

ωn = 7.937 rad/s
6.阶跃响应

答案: xmax = 279.2 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) = √(100/2) = 7.071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(100·2)) = 0.2828

结果

xst = F/k = 20/100 m = 200 mm
%OS = 39.6 %
xmax = 200·(1 + 0.396) = 279.2 mm

答案

xmax = 279.2 mm
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 7.5

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 − 3)(s + 5) + K(s + 2) = s² + (2 + K)s + (2K − 15)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

2 + K > 0 → K > −2
2K − 15 > 0 → K > 7.5
Kmin = 7.5

答案

Kmin = 7.5
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 56.25

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。

与标准形式比较

s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.4·ωₙ = 6 → ωₙ = 7.5 rad/s

增益

K = ωₙ² = 7.5² = 56.25

答案

K = 56.25

闭环极点位于 ζ 线与 s = −3 处垂直分支的交点。

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 = 2/0.01 = 200

增益

K = 2·Kv = 400

答案

K = 400

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.05。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: Kd = 1.828 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 + 1) + 1(8 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 8

固有频率

ωₙ = √8 = 2.828 rad/s

微分增益

1 + 1Kd = 2·0.5·2.828 = 2.828
Kd = 1.828 s

答案

Kd = 1.828 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

11.伯德图与裕度

答案: Q = 20

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。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.001·1 × 10⁻⁷) = 100000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 15915 Hz

品质因数

BW = R/L = 5/0.001 = 5000 rad/s = 795.8 Hz
Q = ω₀/BW = 100000/5000 = 20

答案

Q = 20
12.伯德图与裕度

答案: PM = 69.46 °

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 + 16ω² − 40.96 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·40.96))/2 = 2.245
ωc = 1.498 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(1.498/4) = −110.5°
PM = 180° + ∠L = 69.46°

答案

PM = 69.46°

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