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)2

某系统的传递函数为 G(s) = 56/(s² + 7s + 28),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 56/(s² + 7s + 28)
ωn = rad/s
2.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.5 s5 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 5 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.5 s。求固有频率 ωn。

%OS = 5 %tp = 0.5 s
ωn = rad/s
3.伯德图与裕度中等
vin​C = 10 nFR = 10 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 10 kΩ, C = 10 nF。输入为320 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 kΩC = 10 nFf = 320 Hz
φ = °
4.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 160/(s(s + 8))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 160/(s(s + 8))
PM = °
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 1(s − 1)(s + 1)C(s)−

对象 G(s) = (s + 1)/((s − 1)(s + 1)) 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 + 1)/((s − 1)(s + 1))
Kmin =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.6−2−4−6j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 6)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.6 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0.6
K =
7.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1t+4(s + 4)s(s + 5)C(s)−

斜坡 r(t) = 1t 加到 G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 5))r(t) = 1t
ess =
8.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 1t+1 + 4/s4(s + 2)(s + 5)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 1 + 4/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/((s + 2)(s + 5))。求斜坡输入 r(t) = 1t 的稳态误差 ess。

C(s) = 1 + 4/sG(s) = 4/((s + 2)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
9.方框图中等
R(s)+48s(s + 4)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 48/(s(s + 4))。参考输入是斜坡 r(t) = 1·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 48/(s(s + 4))r(t) = 1·t
ess =
10.方框图困难
R(s)+Ks(s + 2)(s + 6)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 2)(s + 6)) 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(s + 2)(s + 6))单位负反馈
Kmax =

3溶液

1.阶跃响应

答案: ωn = 5.292 rad/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 = 28 → ωₙ = 5.292 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5.292) = 0.6614

结果

ωₙ = 5.292 rad/s

答案

ωn = 5.292 rad/s
2.阶跃响应

答案: ωn = 8.682 rad/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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

固有频率

ωd = π/tp = π/0.5 = 6.283 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 6.283/0.7237 = 8.682 rad/s

答案

ωn = 8.682 rad/s
3.伯德图与裕度

答案: φ = 78.63 °

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/(10000·1 × 10⁻⁸) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 320/1592 = 0.2011

相位

φ = 90° − atan(0.2011) = 78.63°

答案

φ = 78.63°
4.伯德图与裕度

答案: PM = 34.93 °

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 − 25600 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·25600))/2 = 131.2
ωc = 11.45 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(11.45/8) = −145.1°
PM = 180° + ∠L = 34.93°

答案

PM = 34.93°
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 + 1) + K(s + 1) = s² + (0 + K)s + (1K − 1)

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。

0 + K > 0 → K > 0
1K − 1 > 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: K = 25

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。

与标准形式比较

s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.6·ωₙ = 6 → ωₙ = 5 rad/s

增益

K = ωₙ² = 5² = 25

答案

K = 25

闭环极点位于 ζ 线与 s = −3 处垂直分支的交点。

7.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.3125

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。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 3.2

斜坡误差

ess = 1/3.2 = 0.3125

答案

ess = 0.3125
8.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.625

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 1s + 4 → 4。

Kv = 4·4/10 = 1.6

斜坡误差

ess = 1/1.6 = 0.625

答案

ess = 0.625

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

9.方框图

答案: ess = 0.08333

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) = 48/4 = 12

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 1/12 = 0.08333

答案

ess = 0.08333
10.方框图

答案: Kmax = 96

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 + 8s² + 12s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 12
s² | 8 K
s¹ | (8·12 − K)/8
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 8·12 = 96

答案

Kmax = 96

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