控制工程基础第5章 控制系统的稳定性分析ppt课件.ppt

第五章 控制系统的稳定性分析,5.1 系统稳定性的基本概念 5.2 系统稳定的充要条件 5.3 代数稳定性判据（Routh判据、Hurwitz判据） 5.4 乃奎斯特稳定性判据（Nyquist判据） 5.5 应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性 5.6 由伯德图判断系统的稳定性 5.7 控制系统的相对稳定性,5.1 系统稳定性的基本概念,稳定性的定义：若控制系统在任何足够小的初始偏差的作用下，其过渡过程随着时间的推移，逐渐衰减并趋于零，具有恢复到原来状态的性能，则该系统是稳定的，否则，该系统为不稳定。,5.2 系统稳定的充要条件,撤除扰动，即 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，即当 时，上式成立，以上条件形成系统稳定的充分必要条件之一。,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，则零输入响应最终将衰减到零，这样的系统就是稳定的。反之，若特征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。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实部，或说闭环传递函数的极点全部在s平面的左半面。,5.3 代数稳定性判据,这一判据是基于方程式的根与系数的关系而建立的。设系统特征方程为,5.3.1 劳斯判据,由根与系数的关系可求得,从上式可知，要使全部特征根均具有负实部，就必须满足以下两个条件。 （1）特征方程的各项系数 (i=0，1，2，n)都不等于零。因为若有一个系数为零，则必出现实部为零的特征根或实部有正有负的特征根，才能满足上式；此时系统为临界稳定（根在虚轴上）或不稳定（根的实部为正）。 （2）特征方程的各项系数的符号都相同，才能满足上式，按照惯例， 一般取正值，上述两个条件可归结为系统稳定的一个必要条件，即 0。但这只是一个必要条件, 既使上述条件已满足，系统仍可能不稳定，因为它不是充分条件。,同时，如果劳斯阵列中第一列所有项均为正号，则系统一定稳定。 劳斯阵列为,其中系数根据下列公式计算： 系数的计算，一直进行到其余的值都等于零时为止，用同样的前两行系数交叉相乘的方法，可以计算c，d, e等各行的系数，,这种过程一直进行到第n行被算完为止。系数的完整阵列呈现为三角形。在展开的阵列中，为了简化其后的数值计算，可用一个正整数去除或乘某一整个行。这时，并不改变稳定性结论。劳斯判据还说明：实部为正的特征根数，等于劳斯阵列中第一列的系数符号改变的次数。,劳斯判据的表述：,1.系统闭环传递函数特征方程式的系数没有为0的，同时都是正数。（必要条件，要想系统稳定必须满足这个条件）2. 劳斯阵列的第一列全部为正。（充分条件）,如果系统不稳定还可以利用劳斯阵列的第一列变号情况来确定系统极点（即系统闭环特征方程式的根，简称为特征根）在s平面有几个。,用劳斯判据判断系统稳定性的步骤：,1. 先判断特征方程式的系数是否全部为正。2.如果全部为正，则列劳斯阵列。3. 判断系统是否稳定。,例:,设控制系统的特征方程式为,试应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性。,解： 首先，由方程系数可知已满足稳定的必要条件。其次，排劳斯阵列 由劳斯阵列的第一列看出：第一列中系数符号全为正值，所以控制系统稳定。,例2 设控制系统的特征方程式为 试应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性。解：首先，由方程系数可知已满足稳定的必要条件。其次，排劳斯阵列,第一列中系数改变符号两次，说明闭环系统有两个正实部的根，控制系统不稳定。,对于特征方程阶次低（n3）的系统，劳斯判据可化为如下简单形式，以便于应用。 二阶系统特征式为 ,劳斯表为 故二阶系统稳定的充要条件是,三阶系统特征式为 ，劳斯表为 故三阶系统稳定的充要条件是,劳斯判据两种特例：,1). 某一行的第一列数值为0,解: 1) 所有系数都为正. 2) 劳斯阵列：,系统不稳定，有两个右半平面的根,2). 劳斯阵列整行为0,列辅助多项式,解: 1) 所有系数都为正. 2) 劳斯阵列：,不变号，没有右半平面的根.,思考: 这个系统是否稳定?,5.3.2 赫尔维茨稳定判据,例: 设控制系统的特征方程式为 试应用赫尔维茨稳定判据判断系统的稳定性。 解： 首先，由方程系数可知已满足稳定的必要条件。 各系数排成如下的行列式,由于,故该系统稳定。,5.4乃奎斯特稳定性判据,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： 设n次多项式D（s）有P个零点位于复平面的右半面，有q个零点在原点上，其余n-P-g个零点位于左半面，则当以s=j代入D（s）并令从0连续增大到时，复数D（j）的角增量应等于 ：,5.4.1 米哈伊洛夫定理,证：（1）设S1为负实根，对于矢量（S-S1）, 当S：0j变化时 图5-4 负实根情况,图5-5 具有负实部的共轭复根情况 因此，（n-p-q）个左根的总角变化量为（n-p-q）/2,设S2、S3为具有负实部的共轭复根， S2=-a+jb (a0,b0) S3=-a-jb 对于矢量（S-S2）和（S-S3）, 当S：0j变化时,设 Sm为正实根，对于矢量（S-Sm）, 当S：0j变化时 图5-6 正实根情况,设Sm+1、Sm+2为具有正实部的共轭复根， Sm+1=c+jd (c0,d0) Sm+2=c-jd 对于矢量（S- Sm+1）和（S- Sm+2）, 当S：0j变化时因此， p个左根的总角变化量为p(-/2)。,另外，原点根不引起角变化量。综上，有： 推论：如果n次多项式D(s）的所有零点都位于复平面的左半面，则当以s=j代入D（s）并命从0连续增大到时，复数D（s）的角连续增大:,5.4.1乃奎斯特稳定性判据,设反馈控制系统前向通道和反馈通道传递函数分别为 则其开环传递函数为,分子为系统闭环特征多项式，而分母为系统开环特征多项式。由于系统开环传递函数分母阶次大于等于分子阶次，故分子分母阶次相同，均为n阶。,（1）如果开环极点均在s左半平面，则根据米哈伊洛夫定理推论，这时如果闭环系统是稳定的，即的所有零点也在左半平面，根据米哈伊洛夫定理推论，则,（2）如果开环特征多项式有P个根在s右半平面，q个零点在原点，其余（n-p-q）个根在s左半面，则根据米哈伊洛夫定理推论， 这时如果闭环系统是稳定的，即 的所有零点也在左半平面，根据米哈伊洛夫定理推论，,则 或开环乃氏图相对（-1，j0）点的角变化量为 ，系统闭环后就是稳定的。也就是说，对于一个稳定的闭环系统而言，当从0连续增大到时，开环传递函数在右半平面的每一个极点使角增量为180；开环传递函数在原点处的每一个极点使角增量为90。,这样，闭环系统是否稳定，可以从开环频率特性的角增量来判断。设开环特征多项式在右半平面有p个根，原点处有q个根，其余（n-p-q）个根在左半平面，则乃奎斯特稳定判据可表述为：对于系统开环乃氏图，当从0到变化时，其相对（-1，j0）点的角变化量为 时， 系统闭环后稳定。,乃氏判据第一种表述,例58,K/(Ts-1),Xi(s),+,X0(s),_,-1,K1,K1,P1，q0，稳定条件为pq /2 ,例59,-1,j0,K=10,-1,j0,K=40,P0，q1，稳定条件为pq /2 /2,例510,-1,j0,T12,T12,P0，q2，稳定条件为pq /2 ,乃奎斯特稳定性判据的第二种表述：当开环特征式均为左根时，如果对应从到 封闭的乃氏图不包围（1，j0）点，则系统闭环后稳定当开环特征式具有零根时，对应从到 的乃氏图曲线不封闭，为使其封闭，在实用中可将零根处理成左根当开环特征式具有右根时，设右根个数为p，对应从到 封闭的乃氏图包围（1，j0）点p圈，则系统闭环后稳定,-1,系统稳定,=0+,=+,例,=0+,=+,=0+,=+,-1,j0,K=10,-1,j0,K=40,例,-1,j0,T12,-1,j0,T12,=+,=+,=0+,=0+,-1,j0,=0+,=0+,=+,将零根处理成左根的方法,a.一个零根的情况,-1,j0,b.两个零根的情况,=0+,=+,=0+,=+,=0+,=+,C.三个零根的情况,K/(Ts-1),Xi(s),+,X0(s),_,-1,K1,K1,练习,设某闭环系统的开环传递函数为， 试求系统稳定时的k值范围。,5.6 由伯德图判断系统的稳定性,-180,-90,-270,0,由伯德图判断系统稳定性的普遍情况,如果0型或型系统在开环状态下的特征方程有p个根在右半平面，并设开环静态放大倍数大于零，在所有L（）0的频率范围内，相频特性曲线（）在（）线上的正负穿越之差为p/2次，则闭环系统稳定如果是型系统在开环状态下的特征方程有p个根在右半平面，并设开环静态放大倍数大于零，在所有L（）0的频率范围内，相频特性曲线（）在（）线上的正负穿越之差为（p1）/2次，则闭环系统稳定,当乃氏图从大于的第三象限（顺时针）越过负实轴到第二象限时，叫负穿越当乃氏图随增大逆时针从第二象限穿过负实轴向第三象限去的时候，叫正穿越如果0时，(0)为，乃氏图往第三象限去，则为半次正穿越；往第二象限去，则为半次负穿越,/2,负穿越,/2,正穿越,半次负穿越,半次正穿越,例518,+,P0,/2,P1,半次正穿越,负穿越两次,正穿越一次,P2,0,P2,5.7 控制系统的相对稳定性,如果系统闭环特征根均在s左半平面，且和虚轴有一段距离，则系统有一定的稳定裕量。如右图，向左平移虚轴，令z=s-(-), 即将s=z-代入系统特征式,得到z的方程式，类似采用劳斯判据，即可求出距离虚轴以右是否有根。,5.7.1 采用劳斯判据看系统的相对稳定性,例：令z=s-(-1),即s=z-1, 代入系统特征式,得即,z的多项式各项系数无相反符号，且劳斯判据第一列未变号，可见，系统特征式在s=-1以右没有根。,5.7.2采用乃氏判据看系统的相对稳定性及其相对稳定性指标,-1,-1,系统开环传递函数如下，试分析k为10时系统的相对稳定性,练习,1,5,50,180,90,270,1,5,10,50,20,40,-20,-40,-60,c=6.2,Kg=14.8db,=32,g=15.8,