机械工程控制基础系统的稳定性.ppt
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1、机械工程控制基础系统的稳定性现在学习的是第1页,共60页一、系统稳定性的初步概念一、系统稳定性的初步概念A Ab b、不稳定的摆、不稳定的摆A AA A AAa a、稳定的摆、稳定的摆1 1、稳定的概念稳定的概念 稳定性示例稳定性示例现在学习的是第2页,共60页原理:外力原理:外力-阀芯初始阀芯初始位移位移Xi(0)Xi(0),阀口,阀口2 2、4 4打开打开-活塞右移活塞右移(随动随动)-)-阀口关闭阀口关闭(回复平回复平衡位置衡位置)()(反馈反馈)-)-活塞活塞继续右移(惯性)继续右移(惯性)-阀口阀口1,31,3开启开启-活塞左活塞左移移-阀口关闭阀口关闭-活塞继活塞继续左移(惯性)续
2、左移(惯性)-阀阀口口2,42,4开启开启1)1)随动:活塞跟阀芯运动。随动:活塞跟阀芯运动。2)2)反馈与惯性:引起振荡。反馈与惯性:引起振荡。3)3)振荡结果与外界无关。振荡结果与外界无关。现在学习的是第3页,共60页结论:结论:1)1)系统是否稳定,取决于系统本身(结构和参数),与输系统是否稳定,取决于系统本身(结构和参数),与输入无关。入无关。2)2)不稳定现象的存在是由于反馈作用。不稳定现象的存在是由于反馈作用。3)3)稳定性是指自由响应的收敛性。稳定性是指自由响应的收敛性。现在学习的是第4页,共60页 稳定性定义稳定性定义原来处于平衡状态的系统,在受到扰动作用后都会偏离原来的平原来
3、处于平衡状态的系统,在受到扰动作用后都会偏离原来的平衡状态。若系统在扰动作用消失后,经过一段过渡过程后,系统衡状态。若系统在扰动作用消失后,经过一段过渡过程后,系统仍然能够回复到原来的平衡状态,则称该系统是仍然能够回复到原来的平衡状态,则称该系统是(渐近)稳定(渐近)稳定的的。否则,则称该系统是。否则,则称该系统是不稳定不稳定的。的。稳定性是控制系统自身的固有特性,取决于系统本身的结构和参稳定性是控制系统自身的固有特性,取决于系统本身的结构和参数,与输入无关。数,与输入无关。若系统不论扰动引起的初始偏差有多大,当扰动取消后,系统都若系统不论扰动引起的初始偏差有多大,当扰动取消后,系统都能够恢复
4、到原有的平衡状态,则称该系统是能够恢复到原有的平衡状态,则称该系统是大范围稳定的大范围稳定的;否则;否则系统就是系统就是小范围稳定的小范围稳定的。现在学习的是第5页,共60页对于线性系统,小范围稳定一定意味着大范围稳定对于线性系统,小范围稳定一定意味着大范围稳定,当然此时系统必须工作在其线性范围内。,当然此时系统必须工作在其线性范围内。稳定程度稳定程度临界稳定临界稳定:若系统在扰动消失后,输出与原始:若系统在扰动消失后,输出与原始的平衡状态间存在恒定的偏差或输出维持等的平衡状态间存在恒定的偏差或输出维持等幅振荡,则系统处于临界稳定状态。幅振荡,则系统处于临界稳定状态。a)a)稳定稳定b)b)临
5、界稳定临界稳定c)c)不稳定不稳定现在学习的是第6页,共60页处于临界稳定,或接近临界稳定状态的稳定系统,由于处于临界稳定,或接近临界稳定状态的稳定系统,由于分析时依赖的模型通常是简化或线性化的,或者由于实分析时依赖的模型通常是简化或线性化的,或者由于实际系统参数的时变特性等因素的影响,在实际中可能成际系统参数的时变特性等因素的影响,在实际中可能成为不稳定的系统,因此,系统必须具备一定的为不稳定的系统,因此,系统必须具备一定的稳定裕量稳定裕量,以保证其在实际工作时处于稳定状态。,以保证其在实际工作时处于稳定状态。经典控制论中,临界稳定也视为不稳定。经典控制论中,临界稳定也视为不稳定。现在学习的
6、是第7页,共60页2 2、稳定的条件、稳定的条件 假设系统在初始条件为零时,受到单位脉冲信号假设系统在初始条件为零时,受到单位脉冲信号(t t)的作用,此时系统的输出增量(偏差)为单的作用,此时系统的输出增量(偏差)为单位脉冲响应,这相当于系统在扰动作用下,输出位脉冲响应,这相当于系统在扰动作用下,输出信号偏离平衡点的问题,显然,当信号偏离平衡点的问题,显然,当t t时,若:时,若:0)(limtxot系统(渐近)稳定。系统(渐近)稳定。现在学习的是第8页,共60页)()()()(11101110mnasasasabsbsbsbsXsXsGnnnnmmmmio考虑系统考虑系统01110nnnn
7、asasasa其特征方程为:其特征方程为:tAe对于特征方程的单实根对于特征方程的单实根-,相应瞬态输出为:,相应瞬态输出为:当当-0 0 0时,该输出分量指数单调递增。时,该输出分量指数单调递增。当当-=0 0时,该输出分量为常数。时,该输出分量为常数。现在学习的是第9页,共60页对于特征方程的一对单复根对于特征方程的一对单复根-+j j,相应瞬态输出,相应瞬态输出为:为:)sin()sincos(22tCBetCtBett其中,其中,=arctg=arctgB B/C C。当当-0 0 0时,该分量为指数发散的振荡过程。时,该分量为指数发散的振荡过程。当当-=0=0时,该分量为等幅振荡。时
8、,该分量为等幅振荡。现在学习的是第10页,共60页)(121rrttataae对于对于r r重实根重实根-,相应的时域分量为:,相应的时域分量为:当当-0 0 0时,该输出分量指数单调递增。时,该输出分量指数单调递增。当当-=0 0时,该输出分量多项式递增。时,该输出分量多项式递增。kkkrkkkkktrrrrtcbarctgttcbettctccttbtbbe,)sin(sin)(cos)(1122121121对于一对对于一对r r重复根重复根-+j j,相应的时域分量为:,相应的时域分量为:当当-0 0 0时,该分量为指数发散的振荡过程。时,该分量为指数发散的振荡过程。当当-=0=0时,该
9、分量为多项式发散的振荡过程。时,该分量为多项式发散的振荡过程。现在学习的是第11页,共60页 综上所述,不论系统特征方程的特征根为何种形综上所述,不论系统特征方程的特征根为何种形式,线性系统稳定的充要条件为:式,线性系统稳定的充要条件为:所有特征根均为所有特征根均为负数或具有负的实数部分负数或具有负的实数部分;即:;即:所有特征根均在复所有特征根均在复数平面的左半部分数平面的左半部分。由于特征根就是系统的极点,因此,线性系统由于特征根就是系统的极点,因此,线性系统稳定的充要条件也可表述为:稳定的充要条件也可表述为:系统的极点均在系统的极点均在s s平面的左半平面平面的左半平面。显然,稳定性与零
10、点无关。显然,稳定性与零点无关。系统稳定的判别方法:系统稳定的判别方法:1)1)特征方程根的分布;特征方程根的分布;2)2)开环传递函数开环传递函数-闭环系统的稳定性;闭环系统的稳定性;现在学习的是第12页,共60页二、劳斯(二、劳斯(RouthRouth)稳定判据)稳定判据 系统稳定的必要条件系统稳定的必要条件 0)()()(2101110nnnnnpspspsaasasasasD系统的特征方程为:系统的特征方程为:其中,其中,p pi i(i i=0,1,2,=0,1,2,n n)为系统的特征根。为系统的特征根。优点:无需求解特征根,直接通过特征方程的系优点:无需求解特征根,直接通过特征方
11、程的系数判别系统的稳定性。这是一种代数判据,依据根与数判别系统的稳定性。这是一种代数判据,依据根与系统的关系来判断根的分布。系统的关系来判断根的分布。现在学习的是第13页,共60页由根与系数的关系可以求得:由根与系数的关系可以求得:)()1()()()(210124213210313121022101nnnnnnnnnpppaapppppppppaappppppaapppaa现在学习的是第14页,共60页若使全部特征根若使全部特征根p pi i若均具有负实部,则要求特征若均具有负实部,则要求特征方程的各项系数方程的各项系数a ai i(i i=0,1,2,=0,1,2,n n)均大于均大于零,
12、即:零,即:注意,该条件仅为系统稳定的必要条件。注意,该条件仅为系统稳定的必要条件。a ai i0 (0 (i i=0,1,2,=0,1,2,n n)系统稳定的充要条件系统稳定的充要条件劳斯稳定判据劳斯稳定判据 其中,其中,a ai i0(0(i i=0,1,2,=0,1,2,n n),即满足系统稳,即满足系统稳定的必要条件。定的必要条件。0)(1110nnnnasasasasD考虑系统的特征方程:考虑系统的特征方程:劳斯稳定判据的判别过程如下:劳斯稳定判据的判别过程如下:现在学习的是第15页,共60页q 列出劳斯阵列列出劳斯阵列 130211aaaaab150412aaaaab170613a
13、aaaabs sn na a0 0 a a2 2 a a4 4 a a6 6 s sn n-1-1a a1 1 a a3 3 a a5 5 a a7 7 s sn n-2-2b b1 1b b2 2b b3 3b b4 4 s sn n-3-3c c1 1c c2 2c c3 3c c4 4 s sn n-4-4d d1 1d d2 2d d3 3d d4 4 s s2 2e e1 1e e2 2s s1 1f f1 1s s0 0g g1 1121311bbaabc131512bbaabc141713bbaabc121211ccbbcd131312ccbbcd141413ccbbcd现在学习
14、的是第16页,共60页在上述计算过程中,为了简化数学运算,可以用一个正整数在上述计算过程中,为了简化数学运算,可以用一个正整数去除或乘某一整行,这时并不改变系统稳定性的结论。去除或乘某一整行,这时并不改变系统稳定性的结论。q 用劳斯判据判别系统稳定性用劳斯判据判别系统稳定性考察劳斯阵列表中第一列各数的符号,如果考察劳斯阵列表中第一列各数的符号,如果第一列中第一列中各数各数a a0 0、a a1 1、b b1 1、c c1 1、的符号相同,则表示系统具的符号相同,则表示系统具有正实部特征根的个数等于零,系统稳定有正实部特征根的个数等于零,系统稳定;如果符号;如果符号不同,系统不稳定,且符号改变的
15、次数等于系统具有的不同,系统不稳定,且符号改变的次数等于系统具有的正实正实部特征根的个数。部特征根的个数。通常通常a a0 0 0 0,因此,劳斯稳定判据可以简述为,因此,劳斯稳定判据可以简述为劳斯阵列表中劳斯阵列表中第一列的各数均大于零第一列的各数均大于零。现在学习的是第17页,共60页q 例题例题设系统的特征方程为:设系统的特征方程为:05001004)(23ssssD应用劳斯稳定判据判别系统的稳定性。应用劳斯稳定判据判别系统的稳定性。解:劳斯阵列如下:解:劳斯阵列如下:s s3 31 1100100s s2 24 4500500s s1 1-25 0-25 0s s0 05005000
16、0劳斯阵列第一列中元素符号劳斯阵列第一列中元素符号改变了两次,表明系统具有改变了两次,表明系统具有两个正实部的极点,故系统两个正实部的极点,故系统不稳定。不稳定。事实上系统包含了三个极点事实上系统包含了三个极点0.406+0.406+j j10.18510.185、0.406-0.406-j j10.18510.185、-4.812-4.812现在学习的是第18页,共60页 低阶系统的劳斯稳定判据低阶系统的劳斯稳定判据 q 二阶系统二阶系统0)(2120asasasD劳斯阵列为:劳斯阵列为:s s2 2a a0 0a a2 2s s1 1a a1 10 0s s0 0a a2 2a a0 00
17、0,a a1 100,a a2 200从而,二阶系统稳定的充要条件为:从而,二阶系统稳定的充要条件为:现在学习的是第19页,共60页q 三阶系统三阶系统0)(322130asasasasD劳斯阵列为:劳斯阵列为:s s3 3a a0 0a a2 2s s2 2a a1 1a a3 3s s1 1 0 0s s0 0a a3 313021)(aaaaa从而,三阶系统稳定的充要条件为:从而,三阶系统稳定的充要条件为:特征方程的各项系数大于零,且:特征方程的各项系数大于零,且:a a1 1a a2 2-a a0 0a a3 30 0 现在学习的是第20页,共60页q 例题例题例例1 1:系统方框图如
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