控制工程 2:反馈控制设计:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 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.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 84/(s² + 3s + 84),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 84/(s² + 3s + 84)
ζ =
2.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10))。求使阶跃响应有 15 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 15 %
K =
3.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

求 G(s) = 31(s + 18)/(s(s + 6)) 在 ω = 10 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 31(s + 18)/(s(s + 6))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
4.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 + 4)(s + 10))。 求给出 15 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 15 dB
K =
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −1 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 + 8)/(s(s + 1))
sb =
7.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 20 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 20 %
K =
8.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 10 rad/s 和 ζ = 1。求比例增益 Kp。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 10 rad/sζ = 1
Kp =
9.方框图中等
R(s)+5K+5s + 1G(s)C(s)0.5H₁−−

被控对象 G(s) = 5/(s + 1) 带有一个增益为 H₁ = 0.5 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 5 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) = 5/(s + 1)H₁ = 0.5K = 5
p =
10.方框图困难
R(s)+15s + 4G₁+4s + 1G₂C(s)0.5H₁−0.5H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 15/(s + 4),G₂ = 4/(s + 1),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 0.5。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 15/(s + 4)G₂ = 4/(s + 1)H₁ = 0.5H₂ = 0.5
T(0) =

3溶液

1.阶跃响应

答案: ζ = 0.1637

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 = 84 → ωₙ = 9.165 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9.165) = 0.1637

结果

ζ = 0.1637

答案

ζ = 0.1637
2.阶跃响应

答案: K = 93.56

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) = K/(s² + 10s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

增益

ωₙ = 10/(2ζ) = 9.672 rad/s
K = ωₙ² = 93.56

答案

K = 93.56
3.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −120 °

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(10/18) − 90° − atan(10/6) = 29.05° − 90° − 59.04°

结果

∠G(j10) = −120°

答案

∠G(jω) = −120°
4.伯德图与裕度

答案: K = 99.58

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/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6.325 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

所需增益

560/K = 1015/20 = 5.623
K = 560/5.623 = 99.58

答案

K = 99.58
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 192

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 + 9s² + 23s + 15 + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 23
s²: 9, 15 + K
s¹: (9·23 − 15 − K)/9
s⁰: 15 + K

条件

s¹ 行元素必须保持为正。

K < 9·23 − 15 = 192

答案

Kmax = 192

在极限处,回路以 ω = √23 = 4.796 rad/s 振荡。

6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −0.5167

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 + 1s)/(s + 8)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 1)(s + 8) − (s² + 1s) = s² + 16s + 8 = 0
s = −8 ± √56 = −0.5167, −15.48

分离点

sb = −0.5167

答案

sb = −0.5167

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √56 = 7.483。

7.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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.2 → Kp = 4

增益

K/10 = 4 → K = 40

答案

K = 40

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。

8.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 3.6

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 2)。

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·1·10s + 10² = s² + 20s + 100

匹配各项系数

2 + 5Kp = 20 → Kp = 3.6

答案

Kp = 3.6

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

9.方框图

答案: p = −28.5

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) = 5/(s + 1 + 5·0.5) = 5/(s + 3.5)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 25/(s + 3.5 + 25) = 25/(s + 28.5)

结果

p = −28.5

答案

p = −28.5
10.方框图

答案: T(0) = 1.429

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) = 4/(s + 3)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 60/((s + 4)(s + 3) + 30)

直流增益

T(0) = 60/(4·3 + 30) = 60/42 = 1.429

答案

T(0) = 1.429

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