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)1ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 12/(s² + 5s + 12),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 12/(s² + 5s + 12)
ts = s
2.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 25 N·s/mm = 10 kgF = 25 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 25 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 = 25 N。 求阻尼比 ζ。

m = 10 kgk = 100 N/mc = 25 N·s/mF = 25 N
ζ =
3.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 20

求 G(s) = 31(s + 3)/(s(s + 10)) 在 ω = 20 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 31(s + 3)/(s(s + 10))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
4.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−200204060ω (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) = 128/(s(s + 8))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 128/(s(s + 8))
ωc = rad/s
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5s(s + 1)(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6j2j4

已画出 L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
7.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+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) = 5t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0.5
K =
8.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+25 + Kd​s4s(s + 1)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 25 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 1))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.9 的微分增益 Kd。

G(s) = 4/(s(s + 1))Kp = 25ζ = 0.9
Kd = s
9.方框图中等
R(s)+K(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 4)(s + 8)) 放在单位负反馈回路中。求使闭环处于临界阻尼(两个相等的实极点)的增益 K。

G(s) = K/((s + 4)(s + 8))单位负反馈
K =
10.方框图困难
R(s)+Ks(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 1)(s + 9)) 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 + 1)(s + 9))单位负反馈
Kmax =

3溶液

1.阶跃响应

答案: ts = 1.6 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 = 12 → ωₙ = 3.464 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3.464) = 0.7217

结果

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答案

ts = 1.6 s
2.阶跃响应

答案: ζ = 0.3953

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) = √(100/10) = 3.162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 25/(2·√(100·10)) = 0.3953

结果

ζ = 0.3953

答案

ζ = 0.3953
3.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −71.97 °

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(20/3) − 90° − atan(20/10) = 81.47° − 90° − 63.43°

结果

∠G(j20) = −71.97°

答案

∠G(jω) = −71.97°
4.伯德图与裕度

答案: ωc = 9.997 rad/s

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 − 16384 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·16384))/2 = 99.94
ωc = 9.997 rad/s

答案

ωc = 9.997 rad/s
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 3

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 + 1)(s + 2) + K(s + 5) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 5K

劳斯阵列

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 5K
s¹: (3·(2 + K) − 5K)/3
s⁰: 5K

条件

6 − 2K > 0
K < 6/2 = 3

答案

Kmax = 3

如果零点位于 s = −3 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: ω = 4.123 rad/s

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。

临界增益

s³ + 8s² + 17s + 10 + K = 0
s¹: (8·17 − 10 − K)/8 = 0 → K = 126

穿越频率

8s² + 10 + 126 = 8s² + 136 = 0 → s² = −17
ω = √17 = 4.123 rad/s

答案

ω = 4.123 rad/s
7.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 20

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 = 5/0.5 = 10

增益

K = 2·Kv = 20

答案

K = 20

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.2236。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: Kd = 4.25 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 + 1) + 4(25 + Kds) = s² + (1 + 4Kd)s + 100

固有频率

ωₙ = √100 = 10 rad/s

微分增益

1 + 4Kd = 2·0.9·10 = 18
Kd = 4.25 s

答案

Kd = 4.25 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

9.方框图

答案: K = 4

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

1 + K/((s + 4)(s + 8)) = 0 → s² + 12s + 32 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

12² = 4(32 + K) → K = 144/4 − 32 = 4

答案

K = 4
此时两个闭环极点都在 s = −6。
10.方框图

答案: Kmax = 90

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 + 10s² + 9s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 9
s² | 10 K
s¹ | (10·9 − K)/10
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 10·9 = 90

答案

Kmax = 90

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