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)2tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 114/(s² + 2s + 57),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 114/(s² + 2s + 57)
tp = s
2.阶跃响应困难
+−10 VR = 8 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 8 Ω,L = 20 mH,C = 100 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 8 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 10 V
tp = ms
3.伯德图与裕度中等
vin​R = 10 kΩC = 22 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 10 kΩ, C = 22 nF。输入为140 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 kΩC = 22 nFf = 140 Hz
φ = °
4.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 16/(s(s + 8))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 16/(s(s + 8))
PM = °
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5(s − 1)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 5)) 在 s = 1 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 + 5)/((s − 1)(s + 5))
Kmin =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4j1j2

对于 L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 8)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 8))
θd = °
7.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 5)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 2 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 2 %
K =
8.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 1C(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) = 10/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 3 rad/s 和 ζ = 0.7。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.7
Kp =
9.方框图中等
R(s)+3K+5s + 2G(s)C(s)0.5H₁−−

被控对象 G(s) = 5/(s + 2) 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 = 3 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 + 2)H₁ = 0.5K = 3
p =
10.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+5s + 1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) = 5/(s + 1)。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 5 的最小增益 K。

G(s) = 5/(s + 1)D = 10css ≤ 5
K =

3溶液

1.阶跃响应

答案: tp = 0.4198 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 = 57 → ωₙ = 7.55 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7.55) = 0.1325

结果

ωd = 7.55·√(1 − 0.1325²) = 7.483 rad/s → tp = π/ωd = 0.4198 s

答案

tp = 0.4198 s
2.阶跃响应

答案: tp = 4.632 ms

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/√(0.02·1 × 10⁻⁴) = 707.1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (8/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.02) = 0.2828

结果

ωd = 678.2 rad/s
tp = π/ωd = 4.632 ms

答案

tp = 4.632 ms
3.伯德图与裕度

答案: φ = −10.95 °

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 = 1/(RC) = 1/(10000·2.2 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723.4 Hz → f/fc = 140/723.4 = 0.1935

相位

φ = − atan(0.1935) = −10.95°

答案

φ = −10.95°
4.伯德图与裕度

答案: PM = 76.35 °

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 + 64ω² − 256 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·256))/2 = 3.777
ωc = 1.943 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(1.943/8) = −103.7°
PM = 180° + ∠L = 76.35°

答案

PM = 76.35°
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 1

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 − 1)(s + 5) + K(s + 5) = s² + (4 + K)s + (5K − 5)

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。

4 + K > 0 → K > −4
5K − 5 > 0 → K > 1
Kmin = 1

答案

Kmin = 1
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 26.57 °

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。

极点位置

s² + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −3

来自其他极点的角度

∠(−2 + j2 + 3) = atan2(2, 1) = 63.43°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

出射角

θd = 180° − 63.43° − 90° = 26.57°

答案

θd = 26.57°
7.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 2450

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) = 0.02 → Kp = 49

增益

K/50 = 49 → K = 2450

答案

K = 2450

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 = 0.32

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 + 1)。

s² + (1 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·3s + 3² = s² + 4.2s + 9

匹配各项系数

1 + 10Kp = 4.2 → Kp = 0.32

答案

Kp = 0.32

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 = −19.5

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 + 2 + 5·0.5) = 5/(s + 4.5)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 15/(s + 4.5 + 15) = 15/(s + 19.5)

结果

p = −19.5

答案

p = −19.5
10.方框图

答案: K = 1.8

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)) = 10·5/(1 + 5K)

解出 K

1 + 5K = 10·5/5 = 10
K = (10 − 1)/5 = 1.8

答案

K = 1.8

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