第五章(稳定)2010版.ppt
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1、5-1 系统稳定性的基本概念5-2 系统的稳定条件 5-3 代数稳定判据劳斯判据5-4 乃奎斯特稳定性判据5-5 由伯特图判断系统的稳定性5-6 控制系统的相对稳定性第五章 控制系统的稳定性分析 如果一个系统受到扰动,偏离了原来的平衡状态,而当扰动取消后,经过充分长的时间,这个系统又能够以一定的精度逐渐恢复到原来的平衡状态,则称系统是稳定的。否则,称这个系统是不稳定的。5-1 系统稳定性的基本概念 控制系统能工作的首要条件是稳定非常重要。由于稳定性是在扰动作用消失之后系统自身的一种恢复能力,故稳定性是系统的一种固有特性,它只取决于系统本身的结构和参数,而与系统的初始状态和外作用大小无关。5-2
2、 系统稳定的充要条件系统稳定的充要条件+-+对于上图所示控制系统,有对于上图所示控制系统,有5-2 系统稳定的充要条件系统稳定的充要条件+-+撤除扰动,撤除扰动,即即N(s)=0,N(s)=0,则则 按照稳定性定义,如果系统稳定,当时间趋近于无穷大时,按照稳定性定义,如果系统稳定,当时间趋近于无穷大时,该齐次方程的解趋近于零,如上所示。该齐次方程的解趋近于零,如上所示。5-2 系统稳定的充要条件系统稳定的充要条件 对应闭环系统特征根的实部,因此对于定常线性对应闭环系统特征根的实部,因此对于定常线性系统,若系统所有特征根的实部均为负值,则零输入响应最系统,若系统所有特征根的实部均为负值,则零输入
3、响应最终将衰减到零,这样的系统就是稳定的。终将衰减到零,这样的系统就是稳定的。系统特征方程式的根就是闭环极点,所以控制系统稳定系统特征方程式的根就是闭环极点,所以控制系统稳定的充分必要条件也可说成是闭环传递函数的极点全部具有负的充分必要条件也可说成是闭环传递函数的极点全部具有负实部,或说闭环传递函数的极点全部在实部,或说闭环传递函数的极点全部在 ss平面的左半面。平面的左半面。由此,可得出控制系统稳定的另一充分必要条件是:由此,可得出控制系统稳定的另一充分必要条件是:系统特征方程式的根全部具有负实部。系统特征方程式的根全部具有负实部。反之,若特征根中有一个或多个根具有正实部时,则零反之,若特征
4、根中有一个或多个根具有正实部时,则零输入响应将随时间的推移而发散,这样的系统就是不稳定的。输入响应将随时间的推移而发散,这样的系统就是不稳定的。5-3 代数稳定判据劳斯判据则系统的特征方程为:设闭环系统的传递函数为:特征方程:5-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据劳斯表特征方程:5-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据劳斯表劳斯判据 系统稳定的充要条件是:特征方程的各项系数大于零;劳斯表中第一列所有元素的值均大于零。如果第一列中出现小于零的元素,系统就不稳定,且该列中数值符号改变的次数等于系统特征方程正实部根的数目。利用劳斯判据判断系统的稳定性:5-3 5-3
5、 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据例1 已知系统特征方程为:s4+8 s3+17s2+16 s+5=0试判断系统的稳定性。解:特征方程的各项系数无缺项,均大于零;劳斯表中第一列所有元素的值大于零。可知系统是稳定的!劳斯表15540/35例2 对于一阶典型系统:系统的特征方程为:利用劳斯判据分析系统的稳定性:特征方程的各项系数大于零,即劳斯表第一列所有元素的值要大于零,5-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据例3 对于二阶典型系统:利用劳斯判据分析系统的稳定性:特征方程的各项系数大于零,即劳斯表第一列所有元素的值要大于零,系统的特征方程为:5-3 5-3 代数稳定判据代数
6、稳定判据劳斯判据劳斯判据例4 已知系统特征方程为:a0 s3+a1 s2+a2 s+a3=0试求得系统稳定的条件。根据劳斯判据,要使系统稳定:特征方程的系数a0、a1、a2、a3均大于零;由劳斯表中第一列所有元素的值大于零得:a1a2 a0a35-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据解:劳斯表5-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据例5 已知系统特征方程为:s5+3 s4+6 s2+s+2=0 试判断系统的稳定性。解:利用劳斯判据判断系统的稳定性:特征方程缺项,s3系数等于零,故系统不稳定;劳斯表第一列中数值符号改变两次,系统有两个右复平面根。劳斯表5-3 5-
7、3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据 在运用劳斯判据判别系统的稳定性时,有时还会遇到两种特殊情况:(1)在劳斯表的任一行中,出现第一个元素为零,而其余各元素均不为零或部分不为零的情况;(2)在劳斯表的任一行中,出现所有元素均为零的情况。这两种情况均表明,系统在虚轴或右半复平面上存在系统的特征根,系统处于临界稳定状态或不稳定状态。5-3 5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据例6 已知系统特征方程为:s4+s3+2 s2+2 s+3=0试判断系统的稳定性。解:列劳斯表故由劳斯判据可知:因劳斯表第一列元素中数值符号改变了两次,故系统有两个正实部根,系统不稳定。03(0)35-3
8、5-3 代数稳定判据代数稳定判据劳斯判据劳斯判据例7 设系统特征方程为:s6+2s5+8s4+12s3+20s2+16 s+16=0试判断系统的稳定性。解:列劳斯表令辅助多项式将辅助多项式对 s 求导:804/383012sss由得系统临界稳定!1 6 8作业:1 P196:5-1 P198:5-11(用劳斯判据分析稳定性)5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据存在的理由:1、劳斯判据对超越方程的局限性2、乃奎斯特稳定性判据用开环系统的乃奎斯特图来判断系统闭环后的稳定性4、乃奎斯特稳定性判据还能定量地指出系统的稳定储备,即系统相对稳定定量指标,以及进一步提高和改善系统动态性能(包括稳定性
9、)的途径。3、乃奎斯特稳定性判据不需要求取闭环系统的特征根,而是通过应用分析法或频率特性实验法获得开环频率特性曲线,进而分析闭环系统的稳定性。5-4 乃奎斯特稳定性判据 一、乃奎斯特稳定性判据:设 n 阶闭环系统的开环右极点数目为p 个;开环零极点数目为q 个;其余(n-p-q)个极点为开环左极点,则乃奎斯特稳定判据可表述为:当从 0 0到变化时,系统的开环幅相频率特性曲线(即开环乃氏图)相对(-1-1,j0j0)点的角变化量为p+q(/2)时,闭环系统稳定。或或Argument是指复数的幅角5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、证明乃奎斯特稳定判据:1、米哈伊洛夫(、米哈伊
10、洛夫()定理定理 米哈伊洛夫定理是证明乃奎斯特稳定性判据的一米哈伊洛夫定理是证明乃奎斯特稳定性判据的一个引理,其表述为:个引理,其表述为:设设n n次多项式次多项式D D(s s)有有P P个零点位于复平面的右半个零点位于复平面的右半面,有面,有q q个零点在原点上,其余个零点在原点上,其余n-P-qn-P-q个零点位于左半个零点位于左半面,则当以面,则当以s=js=j代入代入D D(s s)并令并令从从0 0连续增大到连续增大到时,复数时,复数D D(j j)的角增量应等于的角增量应等于 5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、1 证明米哈伊洛夫(证明米哈伊洛夫()定理定理证
11、:(证:(1 1)设)设S1S1为负实根,对于矢量为负实根,对于矢量(S-S1S-S1),当当S S:0j0j变化时变化时(2 2)设)设S2S2、S3S3为具有负实部的共轭复根,为具有负实部的共轭复根,对于矢量(对于矢量(S-S2S-S2)和(和(S-S3S-S3),当当S S:0j0j变化时变化时 S2=-S2=-a+jba+jb (a0,b0)(a0,b0)S3=-a-S3=-a-jbjbIm Re S2 S3 具有负实部的共轭复根情况具有负实部的共轭复根情况-bb-aS1 jV U 负实根情况负实根情况S=jw2p0jw-S15-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、1
12、证明米哈伊洛夫(证明米哈伊洛夫()定理定理(2 2)设)设S2S2、S3S3为具有负实部的共轭复根,为具有负实部的共轭复根,对于矢量(对于矢量(S-S2S-S2)和(和(S-S3S-S3),当当S S:0j0j变化时变化时 Im Re S2 S3 具有负实部的共轭复根情况具有负实部的共轭复根情况-jbjb-a因此,(因此,(n-p-qn-p-q)个左根的总角变化量个左根的总角变化量为(为(n-p-qn-p-q)/2/2 5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、1 证明米哈伊洛夫(证明米哈伊洛夫()定理定理(3 3)设)设 SmSm为正实根,对于矢量(为正实根,对于矢量(S-S-
13、SmSm),当当S S:0j0j变化时变化时Sm Im Re 2p 正实根情况正实根情况 Im Re 1+mS 2+mS c jd-jd 具有负实部的共轭复根情况具有负实部的共轭复根情况(4)(4)设设Sm+1Sm+1、Sm+2Sm+2为具有正实部的共轭复根为具有正实部的共轭复根Sm+1=Sm+1=c+jdc+jd (c0,d0)(c0,d0)Sm+2=Sm+2=c-jdc-jd 对于矢量(对于矢量(S-Sm+1S-Sm+1)和(和(S-Sm+2S-Sm+2),当当S S:0j0j变化时变化时5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、1 证明米哈伊洛夫(证明米哈伊洛夫()定理定理
14、 Im Re 1+mS 2+mS c jd-jd 具有负实部的共轭复根情况具有负实部的共轭复根情况(4)(4)设设Sm+1Sm+1、Sm+2Sm+2为具有正实部的共轭复根为具有正实部的共轭复根对于矢量(对于矢量(S-Sm+1S-Sm+1)和(和(S-Sm+2S-Sm+2),当当S S:0j0j变化时变化时因此,因此,p p个右根的总角变化量个右根的总角变化量为为p(-/2)p(-/2)。5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据 二、1 证明米哈伊洛夫(证明米哈伊洛夫()定理定理(5 5)原点根不引起角变化量。原点根不引起角变化量。综上所述综上所述,推论:如果推论:如果n n次多项式
15、次多项式D(sD(s)的所有零点都位于复平的所有零点都位于复平面的左半面,则当以面的左半面,则当以s=js=j代入代入D D(s s)并命并命从从0 0连连续增大到续增大到时,复数时,复数D D(s s)的角连续增大的角连续增大 系统的闭环特征方程为:闭环传递函数:对于负反馈控制系统,开环传递函数5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、证明乃奎斯特稳定判据:注意:开环传函与闭环传函的分母多项式同阶。即,开环特征多项式为n阶,闭环特征多项式也为n阶。5-4 5-4 乃奎斯特稳定性判据乃奎斯特稳定性判据二、证明乃奎斯特稳定判据:对于负反馈控制系统,设反馈控制系统前向通道和反馈通道传
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