自动控制教案

教案教学内容控制系统稳定性分析（劳斯判据）备课教师宋博仕上课时间2017.9.1教学目标理解稳定性概念及线性定常系统稳定性的定义；掌握线性定常系统稳定性判定的充要条件；运用劳斯判据，判定三种情形下的系统稳定性；运用劳斯判据，分析控制系统的稳定裕度；教学重点、难点理解稳定性的定义；单位脉冲函数作为扰动信号，推导线性定常系统稳定性的充要条件；运用劳斯判据，判定系统的稳定性；运用劳斯判据，判定系统稳定裕度；教学过程在控制系统的分析研究中，最重要的问题是系统的稳定性问题。不稳定的系统在受到外界或内部的一些因素扰动时，会使被控制量偏离原来的平衡工作状态，并随时间的推移而发散。因此，不稳定的系统是无法正常工作的。在这一节中将讨论稳定性的定义，稳定的充要条件及判别稳定性的基本方法。(一)定义稳定性是系统在扰动消失后，自身具有的一种恢复能力，它是系统的一种固有特性，这种特性只取决于系统的结构和参数，与外作用无关。线性定常系统的稳定性的定义：如果线性定常系统受到扰动的作用，偏离了原来的平衡状态，而当扰动消失后，系统又能够逐渐恢复到原来的平衡状态，则称该系统是渐近稳定的（简称为稳定）。否则，称该系统是不稳定的。(二)稳定性的充要条件：根据上述稳定性的定义，可以用单位脉冲响应函数函数作为扰动来讨论系统的稳定性。线性定常系统在初始条件为零时，输入一个理想单位脉冲信号，这相当于系统在零平衡状态下，受到一个扰动信号的作用，如果当t趋于无穷大时，系统的输出响应C(t)收敛到原来的零平衡状态，即lim()0tCt该系统就是稳定的。设系统的闭环传递函数为110110...()...mmmmnnnnbsbsbsasasa特征方程为110...0nnnnasasa如果特征方程的所有根互不相同，且有q个实数根i和r对共轭复数根21knknkj,则在单位脉冲函数t（）的作用下，系统输出量的拉氏变换可表示为12211()()1()(2)mrjjqriknknkikKszCsspss将上式用部分分式法展开并进行拉氏反变换得11()(cossin)iknkqrttikdkkdkikCteetCt21dknk上式表明：当系统特征方程的根都具有负实部时，则各瞬态分量都是衰减的，且有lim()0tCt，此时系统是稳定的。如果特征根中有一个或一个以上具有正实部，则该根对应的瞬态分量是发散的，此时有lim()tCt，系统是不稳定的。如果特征根中具有一个或一个以上的零实部根，而其余的特征根均有负实部，则ct（）趋于常数或作等幅振荡，这时系统处于稳定和不稳定的临界状态，称为临界稳定状态。对于大多数实际系统，当它处于临界状态时，也是不能正常工作的，所以临界稳定的系统在工程上属于不稳定系统。线性定常系统稳定的充分必要条件：闭环系统特征方程的所有根都具有负实部，即闭环传递函数的所有极点均位于为S平面的左半部分（不包括虚轴）。(三)劳斯稳定判据控制系统的稳定的充要条件是其特征方程的根均具有负实部。因此，为了判别系统的稳定性，就要求出系统特征方程的根，并检验它们是否都具有负实部。但是，这种求解系统特征方程的方法，对低阶系统尚可以进行，而对高阶系统，将会遇到较大的困难。人们希望寻求一种不需要求解的特征方程就能判别系统稳定性的间接方法，劳斯判据就是其中的一种。劳斯判据利用特征方程的各项系数进行代数运算，得出全部特征根具有负实部的条件，以此作为判别系统是否稳定的依据。因此，这种判据又称为代数稳定判据。1、稳定的必要条件设系统的特征方程为1110......0nnnnasasasa，式中0na（当0na时，可将方程两边同乘以-1）。若该方程的特征根为ip（1,2,….n）,该n个根可以是实数也可以是复数，则上式可改写成为110112......()()......()0nnnnnnnaaasssspspspaaa将上式展开112(......)nnnaa2121323241............nnnnaa012(1)......nnnaa由此可见，如果特征方程的根12,,nppp都具有负实部，则上式的所有系数01,,,naaa必然都大于零。故系统稳定的必要条件是其特征方程的各项系数均为正，即根据必要条件，在判别系统的稳定性时，可事先检查系统特征方程的系数是否都大于零，若有任何系数是负数或等于零，则系统是不稳定的。但是，当特征方程满足稳定的必要条件时，并不意味着系统一定是稳定的，为了进一步确定系统的稳定性，可以使用劳斯判据。应用劳斯判据分析系统的稳定性时，可按下述方法进行。将系统的特征方程写成如下标准形式1110......0nnnnasasasa将方程各项系数组成劳斯表2461135721234312342121101nnnnnnnnnnnnsaaaasaaaasbbbbsccccseesfsg计算劳斯表的各系数12311nnnnnaaaaba14521nnnnnaaaaba16731nnnnnaaaaba系数的计算一直进行到其余的b值全部等于零为止。用同样的前两行系数交叉相乘的方法，可0(0,1,2,,)iain以计算c,d,……e,f,g各行的系数。131211nnbaabcb121211()cbbcdc151321nnbaabcb131321()cbbcdc171431nnbaabcb（1）劳斯表第一列所有系数均不为零的情况如果劳斯表中第一列的系数都具有相同的符号，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。且不稳定根的个数等于劳斯表中第一列系数符号改变的次数。例1：已知系统的特征方程s4+2s3+s2+s+1=0，试用劳斯判据判断系统的稳定性解：劳斯表为S4111S3210S2(2*1－1*1)/2=1/2(2*1－1*0)/2=1S1(1*1－2*2)/1=－3S0(－3*2－1*0)/－3=2由于劳斯表第一列的系数变号两次，一次由1/2变为-3，另一次由-3变为2，故特征方程有两个根在S平面右半部分，系统是不稳定的。(2)劳斯表某行的第一列系数等于零，而其余各项不全为零的情况当劳斯表某一行的第一列系数为零，而其余项不全为零，可用一个很小的正数代替第一列的零项，然后按照通常方法计算劳斯表中的其余项。例2：已知系统的特征方程为4322250ssss，试判别系统的稳定性.解：由特征方程列出劳斯表S4125S3120S205S125S05当的取值足够小时，25将取负值，故劳斯表第一列系数变号两次，由劳斯判据可知，特征方程有两个根具有正实部，系统是不稳定的。(3)劳斯表某行所有系数均为零的情况如果劳斯表中某一行（如第k行）各项为零，这说明在S平面内存在以原点为对称的特征根。例3：已知系统的特征方程为6543228122016160ssssss，分析系统的稳定性。解：由特征方程列劳斯表S6182016S521216S421216S3000由上表看出，3s行的各项全为零，为了求出3s～0s各行，由4s行的各项系数构成辅助方程42()212160sss将辅助方程对s求导得3()8240dsssds用上式各项系数作为3s行的各系数继续计算劳斯表得S6182016S521216S421216S3824S2616S18/3S016由于劳斯表第一列系数符号都相同，因此，可以确定没有特征方程根分布在S平面的右半部分。但由于3s行的各项均为零，这表明系统有共轭虚根，所以系统是不稳定的，共轭虚根可由辅助方程求得，即由42212160ss1,22sj、3,42sj综上所述，应用劳斯表判据分析系统的稳定性时，一般可以按如下顺序进行：1、确定系统是否满足稳定的必要条件。当特征方程的系数不满足0ia(i=0,1,2,……n)时，系统是不稳定的。2、当特征方程的系数满足0ia(i=0,1,2,……n)时，计算劳斯表。当劳斯表的第一列系数都大于零时，系统是稳定的。如果第一列出现小于零的系数，则系统是不稳定的。3、若计算劳斯表时出现情况（2）和（3），此时为确定系统极点的分布情况，可按情况（2）和（3）的方法处理。（4）相对稳定性应用劳斯判据可检验系统是否有一定的稳定裕度，即相对稳定性。令1sz即把虚轴左移1。将上式代入系统的特征方程式，得到以z为变量的新特征方程式，然后用劳斯判据检验新特征方程式有没有根位于新虚轴的右边。如果所有根均在新虚轴的左边，则说明系统具有稳定裕量1。例4：检验特征方程式320sss210134，是否有根在右半平面，并检验有几个根在直线s=-１的右边；解劳斯阵列表为s3213s2104s112.2s04令s=z-1，代入特征方程式，得即32(1)(1)(1)40zzz2101332410zzz2z32-1z24-1z1-1/2z0-1第一列符号改变一次，故有一个根在直线s=-1(即新座标虚轴)的右边，因此稳定裕量不到1。教学反思根据稳定性的定义，借助数学工具或方法，逐步推导系统稳定的充要条件；运用劳斯判据，判定系统的稳定性；