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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)0.5tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 35.5/(s² + 7s + 71),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 35.5/(s² + 7s + 71)
tp = s
2.阶跃响应困难
+−12 VR = 190 ΩL = 50 mHC = 2 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 190 Ω,L = 50 mH,C = 2 µF,在 t = 0 时接到 12 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的峰值 vC,max。

R = 190 ΩL = 50 mHC = 2 µFV = 12 V
vC,max = V
3.伯德图与裕度中等
vin​L = 100 mHR = 1000 Ωvout​

图中所示的RL 低通滤波器有R = 1000 Ω, L = 100 mH。输入为3.2 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 1000 ΩL = 100 mHf = 3.2 kHz
|H| = dB
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 + 7))。 求给出 3 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))GM = 3 dB
K =
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 12s(s + 2)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 12)/(s(s + 2)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −6 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))
sb =
7.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1t+Ks(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2)),必须以 0.5 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 1t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0.5
K =
8.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 205s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 20 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 6))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 20
%OS = %
9.方框图中等
R(s)+22s + 8G(s)C(s)0.5H−

被控对象 G(s) = 22/(s + 8) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.5。 在 R 处施加大小为 1 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 22/(s + 8)H = 0.5R = 1
css =
10.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+8s + 2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) = 8/(s + 2)。在 R = 0 时,大小为 10 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.4 的最小增益 K。

G(s) = 8/(s + 2)D = 10css ≤ 0.4
K =

3溶液

1.阶跃响应

答案: tp = 0.4099 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 = 71 → ωₙ = 8.426 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8.426) = 0.4154

结果

ωd = 8.426·√(1 − 0.4154²) = 7.665 rad/s → tp = π/ωd = 0.4099 s

答案

tp = 0.4099 s
2.阶跃响应

答案: vC,max = 13.13 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0.05·2 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (190/2)·√(2 × 10⁻⁶/0.05) = 0.6008

结果

%OS = 9.43 %
vC,max = 12·(1 + 0.0943) = 13.13 V

答案

vC,max = 13.13 V
3.伯德图与裕度

答案: |H| = −7.027 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 = 1000/0.1 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 3200/1592 = 2.011

增益

|H| = 1/√(1 + 2.011²) = 0.4453
20·log₁₀(0.4453) = −7.027 dB

答案

|H| = −7.027 dB
4.伯德图与裕度

答案: K = 218

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/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5.292 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

所需增益

308/K = 103/20 = 1.413
K = 308/1.413 = 218

答案

K = 218
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 8

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 + 2)(s + 4) + K(s + 12) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 12K

劳斯阵列

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 12K
s¹: (6·(8 + K) − 12K)/6
s⁰: 12K

条件

48 − 6K > 0
K < 48/6 = 8

答案

Kmax = 8

如果零点位于 s = −6 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.427

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) = −s(s + 6)(s + 10) = −(s³ + 16s² + 60s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 32s + 60) = 0
s = (−32 ± √(1024 − 720))/6 = −2.427, −8.239

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −6 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −2.427

答案

sb = −2.427
7.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 4

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 = 1/0.5 = 2

增益

K = 2·Kv = 4

答案

K = 4

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.5。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

8.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 37.23 %

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 + 6) + 20·5 = s² + 6s + 100

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 6/(2·10) = 0.3

超调量

%OS = 100·e−0.3π/√(1 − 0.3²) = 37.23 %

答案

%OS = 37.23 %
9.方框图

答案: css = 1.158

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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 22/(s + 8 + 11) = 22/(s + 19)

结果

css = R·T(0) = 1·22/19 = 1.158

答案

css = 1.158
10.方框图

答案: K = 24.75

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)) = 10·8/(2 + 8K)

解出 K

2 + 8K = 10·8/0.4 = 200
K = (200 − 2)/8 = 24.75

答案

K = 24.75

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-2