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三、劳斯判据
时域分析法 稳定性分析 稳定性的概念 线性系统稳定的充分必要条件 劳斯判据 特殊情况1 特殊情况2 系统稳定性的概念 一、系统的稳定性定义 系统的稳定性定义:系统在受到外作用力作用后,偏离了最初的工作点;而当外作用力消失以后,系统又能返回到原来的工作点,则称系统是稳定的。 在线性系统中,定义为:若线性系统在初始扰动作用下,其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋向于零(原来的平衡工作点),则称系统稳定;反之,若在初始扰动作用下,系统的动态过程随时间的推移而发散,则称系统是不稳定的。 二、系统稳定的充要条件 线性系统的稳定性取决于系统自身的固有特性,而与外界条件无关。 故设线性系统在初始条件为零时,作用一个理想单位脉冲信号 ,这时系统的输出量为脉冲响应 。这相当于系统在扰动信号作用下,输出信号偏离原平衡工作点的问题。 若 时,脉冲响应为 ,则系统是稳定的。 二、系统稳定的充要条件 设闭环传递函数为 由于 的拉氏变换为1,设 为特征根 所以输出的拉氏变换为 拉氏反变换后得 二、系统稳定的充要条件 分析上式得,当且仅当系统的特征根全部具有负实部时,才能满足 的条件。 若特征根中有一个或以上的正实部根,则 表明系统不稳定。 若特征根有一个或以上的零实部根,而且其余的特征根均具有负实部,则脉冲响应下 趋于常数,或趋于等幅振荡,按照稳定的定义,系统是不稳定的,称为临界稳定。 总结 线性系统稳定的充要条件:闭环系统特征方程所以根,均有负实部;或闭环传递函数的极点均严格位于s的左半平面。 三、劳斯判据 根据稳定的充要条件来判别系统的稳定性,需要求出系统的全部特征根。对于高阶系统,求跟的工作量很大,因此,希望使用一种间接判断系统特征根是否全部位于s左半平面的代替方法。 劳斯和赫尔维茨分别于1877年和1895年独立提出了判断系统稳定的代数判据,称为劳斯-赫尔维茨稳定判据。 三、劳斯判据 1、赫尔维茨判据 设线性系统的特征方程为 则使线性系统稳定的必要条件是:上式各项系数为正。 证明: 若所有的特征根均在s平面左边,则有 或者说 ,那么他们的多项式相乘后,系数一定也大于零。 注意:该判据为稳定的必要条件,故通常用来判断系统不稳定的情况,而不能判断系统稳定。 三、劳斯判据 2、劳斯判据(1977年由Routh提出的代数判据) ①系统的特征方程 各项系数均为正; ②按特征方程的系数列些劳斯表 三、劳斯判据 三、劳斯判据 例: 三、劳斯判据——特殊情况1 ③劳斯判据使用中的特殊情况 a 劳斯表中某行的第一项为零,其余都不为零或不全为零。 此时计算时,会使下一行第一个元素无穷大。 改进:用(s+a)乘以原特征方程。 三、劳斯判据——特殊情况1 [例] 特征方程为 三、劳斯判据——特殊情况2 ③劳斯判据使用中的特殊情况 b 劳斯表中出现全零行。 特征方程中存在一些绝对值相同但符号不同的特征根。 改进:用全零行上面的一行系数 构造一个辅助方程F(s)=0,并将辅助方程对s求导,用所得导数方程系数取代全零行系数。 * * ? 系统稳定的充分必要条件: 特征方程的全部系数都是正数, 且劳斯表第一列元素都是正数 ? 在劳斯表中,同一个正整数去除或乘某一行,不会改变劳斯判据的结论 ? 位于右半S平面根的个数=劳斯表第一列元素符号改变的次数 三阶系统稳定的充要条件是: [例] 解: Routh表第一列元素符号改变2次, 有2个正实部的根, 系统不稳定 判稳 用ε代表0, 此时有一虚根存在,系统是不稳定的. 根为: +j, -j, -1, -2 解: [例] 判稳 劳斯表: 用(s+3)乘以原特征方程 新劳斯表为 由新劳斯表可知: 第一列有两次符号变化, 故系统又两个实根, 系统不稳定。 全零行,若要了解根的分布 则作辅助方程 求导 由辅助方程导数系数构成 解辅助方程: [例] 判稳 解: [例] 开环传递函数 单位负反馈. 解: *
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