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−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−4−4.50.51

F(s) = (5s + 14)/(s² + 7s + 12)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−3t + B·e−4t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (5s + 14)/(s² + 7s + 12)
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) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 5。用拉普拉斯变换求 y(0.4)。

y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.4 s
y(0.4) =
3.方框图中等
R(s)+16K+8s + 8G(s)C(s)1H₁−−

被控对象 G(s) = 8/(s + 8) 带有一个增益为 H₁ = 1 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 16 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 8/(s + 8)H₁ = 1K = 16
p =
4.方框图困难
R(s)+K(s + 2)(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 2)(s + 7)(s + 8)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

G(s) = K/((s + 2)(s + 7)(s + 8))单位负反馈
Kmax =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 228/(s² + 12s + 76),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 228/(s² + 12s + 76)
%OS = %
6.阶跃响应困难
t (s)y(t)12 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 2 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 2 %
ζ =
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 9s(s + 3)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 9)/(s(s + 3)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 5)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −5 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求分离点 sb。

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 5))
sb =
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 4)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 4)(s + 5))。求使阶跃输入的稳态误差为 4 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 4 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 404s(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) = 4/(s(s + 10))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 4/(s(s + 10))K = 40
%OS = %
11.伯德图与裕度中等
vin​R = 22 ΩL = 1 mHvout​

图中所示的RL 高通滤波器有R = 22 Ω, L = 1 mH。输入为11 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 22 ΩL = 1 mHf = 11 kHz
|H| = dB
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 + 1)(s + 3))。 求给出 3 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))GM = 3 dB
K =

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: A = −1

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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

遮盖法

乘以 (s + 3) 并令 s = −3:B 项消失。

A = (5s + 14)/(s + 4) |s = −3 = −1/1 = −1

答案

A = −1
(B = 6,所以 f(t) = −e−3t + 6·e−4t)
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.4) = 4.848

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) = 3s + 9 + 40/s
Y(s) = (3s² + 9s + 40)/(s(s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 40/(1·2) = 20
B = 34/((−1)·1) = −34
C = 34/((−2)·(−1)) = 17

结果

y(t) = 20 − 34·e−t + 17·e−2t
y(0.4) = 4.848

答案

y(0.4) = 4.848

检验:y(0) = A + B + C = 3。

3.方框图

答案: p = −144

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)。

内环

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 8/(s + 8 + 8·1) = 8/(s + 16)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 128/(s + 16 + 128) = 128/(s + 144)

结果

p = −144

答案

p = −144
4.方框图

答案: Kmax = 1350

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 + 17s² + 86s + 112 + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 86
s² | 17 112 + K
s¹ | (17·86 − 112 − K)/17
s⁰ | 112 + K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 17·86 − 112 = 1350

答案

Kmax = 1350
5.阶跃响应

答案: %OS = 5.077 %

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 = 76 → ωₙ = 8.718 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8.718) = 0.6882

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.98 = 5.077 %

答案

%OS = 5.077 %
6.阶跃响应

答案: ζ = 0.7797

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(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 3.912/√(9.87 + 15.3) = 0.7797

答案

ζ = 0.7797
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 42

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 + 3)(s + 4) + K(s + 9) = s³ + 7s² + (12 + K)s + 9K

劳斯阵列

s³: 1, 12 + K
s²: 7, 9K
s¹: (7·(12 + K) − 9K)/7
s⁰: 9K

条件

84 − 2K > 0
K < 84/2 = 42

答案

Kmax = 42

如果零点位于 s = −7 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: sb = −2.835

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。

实轴上的增益

K(s) = −(s² + 5s)/(s + 12)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 5)(s + 12) − (s² + 5s) = s² + 24s + 60 = 0
s = −12 ± √84 = −2.835, −21.17

分离点

sb = −2.835

答案

sb = −2.835

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √84 = 9.165。

9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 480

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/20 = 24 → K = 480

答案

K = 480

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: %OS = 25.87 %

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) + 40·4 = s² + 10s + 160

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √160 = 12.65 rad/s
ζ = 10/(2·12.65) = 0.3953

超调量

%OS = 100·e−0.3953π/√(1 − 0.3953²) = 25.87 %

答案

%OS = 25.87 %
11.伯德图与裕度

答案: |H| = −0.4191 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 = R/L = 22/0.001 = 22000 rad/s
fc = 3501 Hz → f/fc = 11000/3501 = 3.142

增益

|H| = 3.142/√(1 + 3.142²) = 0.9529
20·log₁₀(0.9529) = −0.4191 dB

答案

|H| = −0.4191 dB
12.伯德图与裕度

答案: K = 8.495

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1.732 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

所需增益

12/K = 103/20 = 1.413
K = 12/1.413 = 8.495

答案

K = 8.495

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