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* * 劳斯(Routh)稳定判据 系统稳定的必要条件 系统的特征方程为: 其中,pi(i=0,1,2,…,n)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数判别系统的稳定性。 * * 由根与系数的关系可以求得: * * 若使全部特征根pi若均具有负实部,则要求特征方程的各项系数ai(i = 0, 1, 2, …, n)均大于零,即: 注意,该条件仅为系统稳定的必要条件。 ai0 (i = 0, 1, 2, …, n) * * 系统稳定的充要条件——劳斯稳定判据 其中,ai0 (i=0,1,2,…,n),即满足系统稳定的必要条件。 考虑系统的特征方程: 劳斯稳定判据的判别过程如下: * * 列出劳斯阵列 … sn a0 a2 a4 a6 … sn-1 a1 a3 a5 a7 … sn-2 b1 b2 b3 b4 … sn-3 c1 c2 c3 c4 … sn-4 d1 d2 d3 d4 … …… s2 e1 e2 s1 f1 s0 g1 * * … 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。 … …… * * 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,如果第一列中各数a0、a1、b1、c1、……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;如果符号不同,系统不稳定,且符号改变的次数等于系统具有的正实 部特征根的个数。 通常a0 0,因此,劳斯稳定判据可以简述为劳斯阵列表中第一列的各数均大于零。 * * 例题 设系统的特征方程为: 应用劳斯稳定判据判别系统的稳定性。 解:劳斯阵列如下: s3 1 100 s2 4 500 s1 -25 0 s0 500 0 劳斯阵列第一列中元素符号改变了两次,表明系统具有两个正实部的极点,故系统不稳定。 事实上系统包含了三个极点:0.406+j10.185、 0.406-j10.185、 -4.812 * * 低阶系统的劳斯稳定判据 二阶系统 劳斯阵列为: s2 a0 a2 s1 a1 0 s0 a2 a00,a10,a20 从而,二阶系统稳定的充要条件为: * * 三阶系统 劳斯阵列为: s3 a0 a2 s2 a1 a3 s1 0 s0 a3 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: a1a2-a0a30 * * 例题 例1:系统方框图如下,试确定开环增益K为何值时,系统稳定。 Xi(s) Xo(s) 解:系统闭环传递函数为: * * 由三阶系统的稳定条件,有: 此系统为三阶系统,特征方程为: 即:当0K30时系统稳定。 * * 例2:单位反馈系统的开环传递函数为: 求系统稳定时K和T的取值范围,并作出稳定区域图。 解:系统闭环特征方程为: * * 系统稳定条件为: 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 30 40 50 60 K T 稳定域 * * 第三章 时域分析法 劳斯阵列的特殊情况 劳斯阵列表某一行中的第一列元素等于 零,但其余各项不等于零或不全为零。 处理方法:用一个很小的正数 ? 代替该行第一列的零,并据此计算出阵列中的其余 各项。然后令? ?0,按前述方法进行判别。 如果零( ? )上下两项的符号相同,则系统存在一对虚根,处于临界稳定状态;如果零( ? )上下两项的符号不同,则表明有一 个符号变化,系统不稳定。 * * 例如: s4 1 3 2 s3 3 3 0 1 1 0 s2 2 2 1 1 s1 ?(0) s0 1 劳斯阵列第一列零(?) 上下两项的符号相同,表明系统有一对虚根。系统临界稳定。 事实上,系统特征根如下: -1、-2、± j * * 劳斯阵列表某一行全为零 劳斯阵列出现全零行表明系统在s平面有对称分布的根,即存在大小相等符号相反的实根和(或)一对共轭虚根和(或)对称于实轴的两对共轭复根;或存在更多这种大小相等,但在s平面位置径向相反的根。 ? j? 0 -a a ? j? 0 -ja ja ? j? 0 -a a -jb jb * * 令辅助多项式等于零得到辅助方程,解此方程可得这些成对的特征根。显然,辅助 多项式的阶次总是偶数。 处理方法:利用该零行上面一行元素构成辅助多项式,取辅助多项式导数的系数代替该零行,继续计算劳斯阵列中其余各项。 例如: * * -1、-1 ± j2、 -1 ± j、1 ± j 显然,系统不稳定。其特征根如下: s7 1 7 4 2
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