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)3tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 33/(s² + 2s + 11),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 33/(s² + 2s + 11)
tp = s
2.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.8 s25 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 25 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.8 s。求固有频率 ωn。

%OS = 25 %tp = 0.8 s
ωn = rad/s
3.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 8

求 G(s) = 2(s + 8)/(s(s + 6)) 在 ω = 8 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 2(s + 8)/(s(s + 6))ω = 8 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) = 32/(s(s + 1)(s + 7))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 32/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 17.51s(s + 2)(s + 5)C(s)−

图中的回路在 K = 17.5 下运行,L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))K = 17.5
m =
6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4j2

对于 L(s) = K/((s + 1)(s² + 6s + 18)),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 + 1)(s² + 6s + 18))
θd = °
7.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 4)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 20 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 20 %
K =
8.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 1010s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 10 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 6))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 10/(s(s + 6))K = 10
ts = s
9.方框图中等
R(s)+K(s + 1)(s + 2)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 1)(s + 2)) 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 + 1)(s + 2))单位负反馈
K =
10.方框图困难
R(s)+3控制器+D(s)+1s + 3被控对象C(s)−

比例控制器 K = 3 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 1/(s + 3)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 同时施加大小为 5 的参考阶跃和大小为 0.5 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 3G(s) = 1/(s + 3)D = 0.5R = 5
css =

3溶液

1.阶跃响应

答案: tp = 0.9935 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 = 11 → ωₙ = 3.317 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3.317) = 0.3015

结果

ωd = 3.317·√(1 − 0.3015²) = 3.162 rad/s → tp = π/ωd = 0.9935 s

答案

tp = 0.9935 s
2.阶跃响应

答案: ωn = 4.292 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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 1.386/√(9.87 + 1.922) = 0.4037

固有频率

ωd = π/tp = π/0.8 = 3.927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.927/0.9149 = 4.292 rad/s

答案

ωn = 4.292 rad/s
3.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −98.13 °

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(8/8) − 90° − atan(8/6) = 45° − 90° − 53.13°

结果

∠G(j8) = −98.13°

答案

∠G(jω) = −98.13°
4.伯德图与裕度

答案: GM = 4.861 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。

相位穿越

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2.646 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

增益裕度

GM = 20·log₁₀(56/32) = 4.861 dB

答案

GM = 4.861 dB
5.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 4

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。

劳斯阵列

s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 7·10 = 70

倍数

m = 70/17.5 = 4

答案

m = 4

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:12.04 dB。

6.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = −33.69 °

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 + 6s + 18 = 0 → s = −3 ± j3
s = −1

来自其他极点的角度

∠(−3 + j3 + 1) = atan2(3, -2) = 123.7°
∠(−3 + j3 − (−3 − j3)) = ∠(j6) = 90°

出射角

θd = 180° − 123.7° − 90° = −33.69°

答案

θd = −33.69°
7.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 160

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/40 = 4 → K = 160

答案

K = 160

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: ts = 1.333 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 + 6) + 10·10 = s² + 6s + 100

ωₙ 和 ζ

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

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1.333 s

答案

ts = 1.333 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

9.方框图

答案: K = 0.25

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 + 1)(s + 2)) = 0 → s² + 3s + 2 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

3² = 4(2 + K) → K = 9/4 − 2 = 0.25

答案

K = 0.25
此时两个闭环极点都在 s = −1.5。
10.方框图

答案: css = 2.583

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 1/(s + 3 + 3)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 3/(s + 3 + 3)

稳态

css = 5·3/6 + 0.5·1/6 = 2.583

答案

css = 2.583

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

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