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 = 0.75f(0.75) = ?

用部分分式法求 F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 5))t = 0.75 s
f(0.75) =
2.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 1(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.3)。

y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.3 s
y(0.3) =
3.方框图中等
R(s)+24s(s + 2)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 24/(s(s + 2))。参考输入是斜坡 r(t) = 5·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 24/(s(s + 2))r(t) = 5·t
ess =
4.方框图困难
R(s)+14s + 2G₁+7s + 7G₂C(s)4H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 14/(s + 2),G₂ = 7/(s + 7),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 14/(s + 2)G₂ = 7/(s + 7)H₁ = 4H₂ = 1
T(0) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2

某系统的传递函数为 G(s) = 138/(s² + 3s + 69),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 138/(s² + 3s + 69)
σ =
6.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 12 N·s/mm = 1 kgF = 10 Nx(t)

质量 m = 1 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 12 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 = 10 N。 求阻尼比 ζ。

m = 1 kgk = 100 N/mc = 12 N·s/mF = 10 N
ζ =
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 1)(s + 5)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))。把增益提高到闭环处于稳定边缘。求持续振荡的频率 ω。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
ω = rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2sb​

已给出 L(s) = K/((s + 4)(s + 6)) 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 + 4)(s + 6))
K =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 4)),必须以 0.2 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0.2
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+5 + Kd​s2s(s + 4)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 5 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 4))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.8 的微分增益 Kd。

G(s) = 2/(s(s + 4))Kp = 5ζ = 0.8
Kd = s
11.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

求 G(s) = 32(s + 13)/(s(s + 6)) 在 ω = 4 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 32(s + 13)/(s(s + 6))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
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 + 8))。 求给出 10 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 10 dB
K =

3溶液

1.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 3.541

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 55/(2·5) = 5.5
B = 55/((−2)·3) = −9.167
C = 55/((−5)·(−3)) = 3.667

逆变换

f(t) = 5.5 − 9.167·e−2t + 3.667·e−5t

求值

f(0.75) = 5.5 − 9.167·e−2·0.75 + 3.667·e−5·0.75 = 3.541

答案

f(0.75) = 3.541
2.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 0.6107

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) = 24/(s(s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 24/(2·4) = 3
B = 24/((−2)·2) = −6
C = 24/((−4)·(−2)) = 3

出量

y(t) = 3 − 6·e−2t + 3·e−4t
y(0.3) = 0.6107

答案

y(0.3) = 0.6107
3.方框图

答案: ess = 0.4167

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)。

速度误差系数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 24/2 = 12

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 5/12 = 0.4167

答案

ess = 0.4167
4.方框图

答案: T(0) = 0.5833

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 7/(s + 35)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 98/((s + 2)(s + 35) + 98)

直流增益

T(0) = 98/(2·35 + 98) = 98/168 = 0.5833

答案

T(0) = 0.5833
5.阶跃响应

答案: σ = −1.5

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 = 69 → ωₙ = 8.307 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8.307) = 0.1806

结果

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1.5

答案

σ = −1.5
6.阶跃响应

答案: ζ = 0.6

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) = √(100/1) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 12/(2·√(100·1)) = 0.6

结果

ζ = 0.6

答案

ζ = 0.6
7.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 2.236 rad/s

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。

劳斯阵列

s³ + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

临界增益

K = 6·5 = 30

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

6s² + 30 = 0 → s = ±j√5
ω = 2.236 rad/s

答案

ω = 2.236 rad/s
8.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 1

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 + 4)(s + 6),dK/ds = 0 给出 2s + 10 = 0。

sb = −5

幅值条件

K = |−5 + 4|·|−5 + 6| = 1·1 = 1

答案

K = 1

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: K = 40

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 = 2/0.2 = 10

增益

K = 4·Kv = 40

答案

K = 40

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.3162。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 = 0.5298 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 + 4) + 2(5 + Kds) = s² + (4 + 2Kd)s + 10

固有频率

ωₙ = √10 = 3.162 rad/s

微分增益

4 + 2Kd = 2·0.8·3.162 = 5.06
Kd = 0.5298 s

答案

Kd = 0.5298 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

11.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −106.6 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(4/13) − 90° − atan(4/6) = 17.1° − 90° − 33.69°

结果

∠G(j4) = −106.6°

答案

∠G(jω) = −106.6°
12.伯德图与裕度

答案: K = 22.77

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/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2.828 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

所需增益

72/K = 1010/20 = 3.162
K = 72/3.162 = 22.77

答案

K = 22.77

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