英才学院机械工程控制基础教案05系统的稳定性.docx

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1、Chp. 5系统稳定性基本要求1 . 了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；2 .掌握Rm加判据的必要条件和充要条件，学会应用R。“他判据判定系统是否稳定， 对于不稳定系统，能够指出系统包含不稳定的特征根的个数；3 .掌握Nyquist判据；4 .理解Nyquist图和Bode图之间的关系；5 .掌握Bode判据；6 .理解系统相对稳定性的概念，会求相位裕度和幅值裕度，并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。重点与难点本章重点1 . Routh判据、Nyquist判据和Bode判据的应用；2 .系统相对稳定性；相位裕度和幅值裕度求法及其在NyqUiSI图和Bode图的表示法。本章难点N

2、yquist判据及其应用。1脸示例：振摆1、稳定性定义：若系统在初始条件影响下，其过渡过程随时间的推移逐渐衰减并趋于 0,则系统稳定；反之，系统过渡过程随时间的推移而发散，则系统不稳定。(图 5. 1.2)讨论：线性系统稳定性只取决于系统内部结构和参数，是一种自身恢复能力。与输 入量种类、性质无关。系统不稳定必伴有反馈作用。(图5.1.3)若x0(t)收敛，系统稳定；若X。发散，则系统不稳定。将XO(S)反馈到输入端，若反馈削弱E(S)-稳定若反馈加强E(S)一不稳定稳定性是自由振荡下的定义。即Xi=0时，仅存在Xi(O)或Xi(T)在Mt)作用下的强迫运动而系统是否稳定不属于讨论范围。2、系

3、统稳定的条件：对a,pn+an pn,+ap+alxo (t)=b,p+b,. p, 1+bp+b i (t)令 B(s)= a,p+a, p , 1+a.p+a A(s)= bnp,+bn pn,+bp+bo初始条件：B (s) M(S)则 B(s)X)(s)- Bo (s)= A(s)X, (s)- B, (s)“黑石十M优儿3-AX (s)=0,由初始条件引起的输出：X(0_M_、0 ;1i + j14 +1f+a=(s)-X(r-zXf-z,).(f-zJXM = ZWLl变换 口J 0根据稳定性定义，若系统稳定须满足之 F，即Zi为负值。系统稳定的充要条件：系统特征方程全部根的实部必

4、须为负。或：系统传递函数的极 点全部位于s复平面的左半部。讨论：特征根中有一个或以上的根的实部为正一系统不稳定；临界稳定：特征根中有部分为零或纯虚数，而其它根为负数。临界稳定系统属于不稳定。则系统不稳定。零点对稳定性无影响。零点仅反映外界输入对系统的作用，而稳定性是系统 本身的固有特性。稳定性判定方法：a）直接求解出特征方程的根（高阶困难）b）确定特征根在s平面上的分布：时域：RoUth判据，胡尔维茨判据频域：Nyquist判据，Bode判据2劳斯（ROUth）判据Routh判据在特征方程系数和根之间建立一定关系，以判别特征根分布是否具有负实 部。一、必要条件：特征方程:B（s）= ap +a

5、. pn1+ ap+aH）必要条件：B（S）R的各项系数&符号均相同，且不等于0;或 &0 a. 0 a0 a0 （证明）二、充要条件：（Rough稳定性判据）：E Rough表：将特征方程系数排成两列：偶：aa-2a-ia-Rough 数列表：(p. 124)S a 即2 a-n-1S & I3-5sn AlA2A3,3sBB2B3*: a】a”38a1-7ai a，47&00.0III2、判据：Rough列表中第一列各项符号均为正且不等于0若有负号存在，则发生负号变化的次数，就是不稳定根的个数。例1,已知系统特征方程B（s）=s +8s +17s2+16s+5=0试判定其稳定性。解： a4

6、= 1 a3=8 a2= 17 a= 16 ao=5（过程）ai0 （i=l, 2, 3, 4, 5） Rough 列表中第一列（1, 8, 15, 13.3,5）均大于 0, 故系统稳定。例2,已知系统特征方程B（s）=si-4s+s+6=0试判定其稳定性。解：有一个负系数，不满足稳定的必要条件，有几个不稳定的根？ （过程）有二个负实根，实际上 s -4s +s46= （s-2） （s+l） （s-3）tj =例3,已知系统 1%4MJ加4Rte *应试判定其稳定性。解：B（s）=s5+2s4+ 14s3+88s2+200s+800=0（过程）符号改变二次，存在两个不稳定的根。例4,设有系统

7、方框图如下，已知C =0.2, n=86,6,试确定k取何值时，系统方能稳定。（p. 126 图）（过程）三、特殊情况：1、Rough列表中任一行第一项为0,其余各项不为0或部分不为0。 造成该行的下一行各项变为无穷大，无法进行ROU曲计算。措施：以任一小正数代替0的那一项，继续计算。例：B（s）=s -3s+2=0 （求解）若用E代替后，系统R。Ugh列表第一列均为正，一临界稳定（共加虚根）用因式（s+a）乘特征方程两边，得新的特征方程，进行Rough计算后 判断（A为任意正数）。例：B（s）=s -3s+2=0 （求解，取 a=3）2、Rough列表任一行全为0“原因：系统特征方程的根出现

8、下列一种或多种情况时会发生。具有相异符号的实数根（如s=2）；虚根时（如s=j5）：共胡复数根时（1b - 9/%弓）解决：利用全为0这一行的上一行的各项系数组成一个多项式方程（辅助方程）； 对辅助方程取导数得一新方程； 以新方程的系数取代全为0的哪一行，继续进行Rough计算。例：B （s） =s ,+s1-3s -s+2=0 （求解）例：B（s）=s6+s5-2s -3s-7s-4s-4=0 （求解）3 Nyquist 判据时域判据的弱点：工程设计中，组成系统的各种参数尚未最后确定，时域判据不能应 用；时域判据仅能判断系统是否稳定，不能说明系统稳定或不稳定的程度，因而不能提出改 善系统性能

9、的具体途径。Nyquist判据特点：图解法：由几何作图判定系统稳定性； 由开环特性判断闭环系统稳定性(开环特性由分析法或实验法获得)；可判断系统相对稳定性；可指出各环节对系统稳定性的影响。一、预备知识：1、三种函数的零、极点关系：(Gk(s)、Gb(s)、F(S)(图5.3. 1)Gk(S)=G(S)H(S)-l+gwF=1+ G(s)H(s)F(P) -1+4(0 +y*5%S /X仆(.) X-川3- ： Gk(S)的零点；p1: Gk(S)的极点。上述各函数零点和极点的关系：(p. 131)结论：闭环系统稳定充要条件为GB(S)全部极点具有负实部一F(S)函数的全部极点均具 有负实部，即

10、通过Gk(S)=G(S)H(S)判断GB(S)的稳定性。2、映射概念：设函数 F(s)=Re(s)+jIm(s)而 S=。+ j 两个函数：F(s), s两个复平面：F(s), sDd上的每一个点对应F(s)上有一个映射的点，称为像点或映射轨迹。例：己知F(s)= s2,求s=l+j2的像点。F(s)= s2= (l+j2) 2=-3+j4即s平面上点(1, j2)在F(s)复平面上的像点为-3, j4(tu 2)3、映射定理(幅角原理)：设F(S)为一有理数，设LS为s平面上的一封闭曲线(看成点的封闭轨迹)，L为F(s) 平面上的对应曲线，则：L在F(s)平面上的映射轨迹L ,也必然是一条封

11、闭曲线。(tu 2) 若L包围了 F(S)的Zi个零点和Pi个极点，则L上某动点S沿L顺时针方向转一周 时，它在B(s)上的映射轨迹L将会顺时针方向包围口原点N次(N=z-p) O (tu 2) 二、Nyquist 判据：1、映射定理的推广：F(s)=l+G(s)H(s)为有理数，满足映射定理。在s上，当S按顺时针方向沿整根虚轴(-j8-+j8 )及R=8的半径组成的封闭曲线 L (实际上为s平面的右半部)转一周时，若虚轴上无F(S)的极点，则在L在F(s)平面上 的映射轨迹L：也将顺时针方向包围原点G共N次。(tu 2)根据闭环系统稳定充要条件，特征方程F(S)=O的根均为负实数或实部为负的

12、复数，即 F(S)在s平面右半部无零点，一系统稳定下的映射为N=-p复平面下系统稳定的充要条件：若s虚轴上无F(S)=I+G(s)H(s)的极点，则当S沿-j 8-+j 8按顺时针方向转一周时，其在F(s)平面上的映射轨迹L也将顺时针方向包围 原点Oh共N次，系统才能稳定，否则就不稳定。2、Lp含义的变通：N=-P的实质就是利用特征函数F(S)=I+G(S)H(S)的零、极点分布来判定系统是否稳定， 实用上不方便，希望判据建立在开环基础上。含义变通：在N=-P中的F(S)的极点数p,理解为开环G(S)H(S)的极点数；将F(s)平面转换成G(s)H(s)平面；F(s)的原点就是G(s)H(s)

13、的(-1, j)点。s=j,贝IJS取值T 8-Hj 8,变成取值-8+8。通过上述转换，将N=-P含义重新引申为：N：开环G(S)H(S)轨迹包围(-1, j)点的次数，即开环轨迹顺，逆时针方向包围(-L j)点次数之代数和。P:开环G(S)H(S)在DJ平面右半部的极点数。2、Nyquist 判据：充要条件：当3取值-8-+8时，其开环G(j)H3)轨迹必须逆时针包围(-1, j) 点P次，则系统稳定，否则就不稳定。讨论：a) Nyquist判据在GH平面上判断；过程：s Nyquist轨迹映射到GH上的Nyquist轨迹G(j)H(j),根据G(j 3)H(j3)包围(-1, j)点的次

14、数来判断系统的稳定性。b)应用简单：一般开环系统为最小相位系统，p=0.故只需看开环Nyquist图是 否包围(-1, j)点，不包围则稳定。若开环系统为非最小相位系统，p#0 (开环不稳定)， 则看Nyquist图是否逆时针包围(-1, j)点P圈。C)开、闭环稳定性关系：开环不稳定，闭环可能稳定开环稳定，闭环可能不稳定(0绘制开环3 Rf+8的Nyquist图即可判断。原因：开环Nyquist图对实轴对称。三、对虚轴存在极点的处理：Nyquist判据中规定开环Gk(S)中不能含有S=O和s= jk (k为实数)的极点，否则，这 些极点处的幅角是个不确定值，因而，这些点的映射轨迹也不确定。但工程上大多数Gk(S) 会含有S=O或s=jk的极点，此时，Nyquist判据仍可使用，但需对L曲线修正。 四、应用举例：1、开环稳定，判断闭环稳定性：Gk(S)在s右半部无极点，p=0,则3=0+8时Gk(j3)不包围(T, j)点，即N=O, 则系统稳定，否则就不稳定。OWH3 =旦一-例 1,0 型系统 iJ+i)(7+i)例2,。型系