理论:闭环反馈与稳定性
开环 vs 闭环控制(前馈/反馈本质) KT-ctrl-001
定义开环(前馈)通过施加控制律但不用测量结果修正输入,对建模误差更敏感;闭环(反馈)将输出与设定值比较并据此调节输入,用被控量测量误差主动校正系统行为。
数学开环 u=K·r(控制器直接作用于指令);闭环 u=K·(r−y)=K·e,误差 e=r−y 反馈进输入,L=GGc 为回路增益。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec1 Introduction |
| SRC-002 | S1 | NPTEL IIT Madras Control Systems Overview |
负反馈闭环系统结构 KT-ctrl-002
定义闭环系统由设定值/参考指令、传感器(测被控量)、执行器(施加控制)、控制律(控制器)及被控对象组成;误差 = 设定值 − 测量值,控制律基于误差生成校正量。
数学e = r − y;y = T(r−n) + S·do + SG·di,L=GGc 回路增益,S=(I+L)⁻¹ 灵敏度,T=L(I+L)⁻¹ 补灵敏度。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec1+Lec24 |
| SRC-002 | S1 | NPTEL Closed Loop System |
稳定性定义(BIBO/渐进/Lyapunov) KT-ctrl-003
定义BIBO 稳定=有界输入必有界输出;Lyapunov 稳定=平衡点微小偏差使轨迹始终在平衡点附近;渐进稳定=偏差最终被遗忘回到平衡点;指数稳定=渐进且收敛速度指数级快。
数学Lyapunov 对 ẋ=f(x),平衡点 x0:稳定/渐近/指数;线性判据 A 特征值全在左半平面(Hurwitz)⇔ 渐近稳定。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec22 Lyapunov |
| SRC-002 | S1 | NPTEL BIBO Stability |
误差收敛与反馈校正律 KT-ctrl-004
定义反馈校正律以误差 e=设定值−测量值为驱动,通过迭代调节输入使误差收敛;稳态误差取决于回路增益与系统型别。
数学追踪 e = r − y;理想追踪要求 |S(jω)| 低频足够小;|L(jω)|≫1 ⇒ S≈L⁻¹ 使 |S|≪1、|T|≈1;系统型别决定对阶跃/斜坡/抛物线指令的稳态误差。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec24 Closed-loop analysis |
| SRC-002 | S1 | NPTEL Steady State Error Analysis |
经典 LTI 稳定性判据直觉 KT-ctrl-005
定义LTI 系统稳定当且仅当所有极点位于 s 平面左半平面;Routh 判据通过特征多项式系数符号无需解根即可判稳;根轨迹绘制随增益变化闭环极点移动,展示稳定性边界。
数学闭环极点 = 1+GcG=0 的根;Routh-Hurwitz:特征方程系数+Routh 阵列第一列全同号⇒稳定;根轨迹满足幅值/相角条件 |GcG|=1、∠GcG=±180°。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec2+Lec7 |
| SRC-002 | S1 | NPTEL Routh's Stability Criterion / Root Locus |
反馈系统灵敏度与鲁棒性基础 KT-ctrl-006
定义灵敏度 S=(I+L)⁻¹ 刻画闭环对模型误差/参数摄动的敏感度,高回路增益可显著降低对模型误差敏感性(鲁棒性);鲁棒稳定要求闭环在模型不确定范围内仍稳定。
数学S=(I+L)⁻¹,T=L(I+L)⁻¹,且 T(s)+S(s)=I;|L(jω)|≫1 ⇒ 对对象灵敏度 S≈0(跟踪/抗扰好、鲁棒);鲁棒稳定性要求增益/相位裕度充分。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec24+Lec19 |
| SRC-002 | S1 | MIT OCW 16.30 Lec19 Robustness |