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时域稳定性分析
第四章 控制系统的时域分析 三性分析:稳定性 稳态特性 动态特性 4-1 控制系统的稳定性分析 一、稳定的系统概念和定义 稳定是系统正常运行的前提,是控制理论研究的重要课题。 1.稳定性的基本概念 如果一个线性定常系统在扰动作用消失后,能够恢复到原始的 平衡状态,则称系统是稳定的。反之, 称系统是不稳定的。 即取决于系统的零输入响应 4-1 控制系统的稳定性分析 2.稳定的充要条件 稳定性定义表明,线性系统的稳定性仅取决于系统自身的固有特性,而与外界条件无关。 设初始条件为零时,输入为一个理想的单位脉冲函数 ,即R(S)=1。当作用时间t0时, =0,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,这时系统的输出为脉冲响应 即输出增量收敛于原平衡工作点,则系统是稳定的。 设闭环系统的传递函数: 设 为系统特征方程 的根,而且彼此不等。 系统输出: 对上式进行拉氏反变换,得到理想脉冲函数作用下的输出: 上式表明,线性系统稳定的充要条件是:闭环系统特征方程的 所有根均具有负实部;或者说,闭环传递函数的极点均分布在 平面的左半部。 4-1 控制系统的稳定性分析 3. 劳斯 (Routh) 稳定判据 系统稳定关键看特征根的分布,而根是由方程的系数决定的。 劳斯判据是由特征方程的系数来分析系统的稳定性的一种判据。 设 线性系统的特征方程为: 由代数知识可知,所有根均分布在左半平面的必要条件是:方程 所有系数均为正数。若特征方程中任一系数为负或缺项(系数为 零),则系统为不稳定系统。 劳斯判据分析系统稳定性步骤:第一步:将特征方程式的系数按下列规则排成两行,即 第二步:进行下列运算,建立劳斯表(又叫劳斯阵列)。 例如,现有一个五阶系统,其特征方程: 则劳斯表为 第三步:根据劳斯判据判别系统的稳定性。 劳斯判据:系统稳定的充要条件是: 劳斯表中第一列各值为正,则系统稳定;若劳斯表中第一列 出现负值,则系统不稳定,且实部为正(即分布在平面右半 部)的根的数目,等于劳斯表中第一列系数符号改变的次数。 例:系统的特征方程: 解:列出劳斯表: 因为劳斯表中第一列元素 无符号变化,说明该系统特征 方程没有正实部根,所以: 系统稳定。 例:已知系统的特征方程为, 试用劳斯判据判别其稳定性。 解:列出劳斯表 劳斯表中第一列元素的符号变化两次,说明该系统 有两个特征根在右半s平面,所以系统不稳定。 2.劳斯判据的两种特殊情况 (1) 劳斯表中某行第一项元素为零,其余项不为零或不全为零。 此时,可以用一个任意小的正数代替这个零,然后按通常的 规则继续完成劳斯表中其余各项元素的计算。如果零( )上 面这项系数符号与零( )下面这项系数符号相反,表明这里 有一个符号变化。 例: 特征方程 ,试判别稳定性。 解: 列出劳斯表劳斯表中第一列元素 符号的变化的次数也为 两次,说明特征方程有 两个正实部的根,所以 系统不稳定。 (2)某一行元素全为零 如果出现某一行元素全为零,说明特征方程存在大小相等符 号相反的实根和(或)共轭虚根,或者共轭复根。此时,可用全 零行上面一行的元素构造一个辅助方程,利用辅助方程对s的求导 后得到的方程系数代替全零行的元素,然后再按通常的规则完成 劳斯表中其余各项元素的计算。辅助方程的次数总是偶数,所有 那些数值相同符号相异的根都可由辅助方程求得。 例 系统特征方程为 ,试用判别其稳定性。 解: 列出劳斯表。 全零行上面一行(行)的元素 构造一个辅助方程A(s) , 可求 解A(s)=0得到数值相等符号相 异的根,系统处于 临界稳定 状态。 例 确定系统稳定的K、T值。 解: 系统的特征方程为 列出劳斯表 要使系统稳定,第一列元素 的符号均应大于零。由此得 则稳定条件为: 例:设系统特征方程为 ,试判别系统的稳 定性,并分析有几个根位于垂线 与虚轴之间。 解:列出劳斯表。劳斯表第
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