5控制系统的稳定性分析课件

课程讲解：刘益剑2004年9月20号自动控制原理课程讲解：刘益剑2004年9月20号自动控制原理第三章3.3控制系统的稳定性分析3.3.1稳定性的基本概念3.3.2代数判据第三章3.3控制系统的稳定性分析3.3.1稳定性的3.3.1稳定性的基本概念例稳定性的定义稳定的充要条件稳定的必要条件例1例3例2课堂练习3.3.1稳定性的基本概念例稳定性的定义稳定的充要条件稳定稳定的摆不稳定的摆稳定的摆不稳定的摆1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大，直到整座桥断裂。跨越华盛顿州塔科马峡谷的首座大桥，开通于1940年7月1日。只要有风，这座大桥就会晃动。1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大无限放大直到饱和无输入时因干拢直至饱和无限放大直到饱和无输入时因干拢直至饱和控制系统在外部拢动作用下偏离其原来的平衡状态，当拢动作用消失后，系统仍能自动恢复到原来的初始平衡状态。(a)外加扰动注意：以上定义只适用于线形定常系统。稳定性的定义控制系统在外部拢动作用下偏离其原来的平衡状态，当拢动作用消失(b)稳定(c)不稳定注意：控制系统自身的固有特性，取决于系统本身的结构和参数，与输入无关。(b)稳定(c)不稳定注意：控制系统自身的固有特性，取决于大范围稳定:不论扰动引起的初始偏差有多大，当扰动取消后，系统都能够恢复到原有的平衡状态。(a)大范围稳定大范围稳定:(a)大范围稳定(b)小范围稳定否则系统就是小范围稳定的。注意：对于线性系统，小范围稳定大范围稳定。(b)小范围稳定否则系统就是小范围稳定的。注意：对于线性系统(a)不稳定(a)不稳定临界稳定：若系统在扰动消失后，输出与原始的平衡状态间存在恒定的偏差或输出维持等幅振荡，则系统处于临界稳定状态。注意：经典控制论中，临界稳定也视为不稳定。原因：(1)分析时依赖的模型通常是简化或线性化；(2)实际系统参数的时变特性；(3)系统必须具备一定的稳定裕量。临界稳定：若系统在扰动消失后，输出与原始的平衡状态间存在恒定假设系统在初始条件为零时，受到单位脉冲信号δ(t)的作用，此时系统的输出增量（偏差）为单位脉冲响应，这相当于系统在扰动作用下，输出信号偏离平衡点的问题，显然，当t→∞时，若：系统（渐近）稳定。

稳定的条件：稳定的充要条件假设系统在初始条件为零时，受到单位脉冲信号δ(t)的作用，理想脉冲函数作用下

R(s)=1。对于稳定系统,t

时,输出量

c(t)=0。理想脉冲函数作用下R(s)=1。对于稳定系统,t由上式知：如果pi和i均为负值,

当t时,c(t)0。由上式知：自动控制系统稳定的充分必要条件：系统特征方程的根全部具有负实部，即:闭环系统的极点全部在S平面左半部。注意：稳定性与零点无关S平面系统特征方程自动控制系统稳定的充分必要条件：注意：稳定性与零点无关S平面结果：共轭复根，具有负实部，系统稳定。结果：共轭复根，具有负实部，系统稳定。系统稳定的必要条件系统特征各项系数具有相同的符号，且无零系数。设系统特征根为p1、p2、…、pn-1、pn各根之和每次取两根乘积之和每次取三根乘积之和各根之积全部根具有负实部系统稳定的必要条件系统特征各项系数具有相同的符号，且无零系数某水位控制系统如图，讨论该系统的稳定性。为被控对象水箱的传递函数； 为执行电动机的传递函数；K1为进水阀门的传递系数；Kp为杠杆比；H0为希望水位高；H为实际水位高。某水位控制系统如图，讨论该系统的稳定性。由系统结构图可得出系统的闭环特征方程为

由系统结构图可得出系统的闭环特征方程为

令 ,为系统的开环放大系数，则特征方程展开写为为三阶系统,但缺少s项，即对应的特征多项式的中有系数为0，不满足系统稳定的必要条件，所以该系统不稳定。无论怎样调整系统的参数,如(K、Tm)，都不能使系统稳定。结构不稳定系统校正装置令 ,为系统的开环放大系数，则特征方程展开写为无需求解特征根，直接通过特征方程的系数判别系统的稳定性。劳思(routh)判据劳思阵列劳思(routh)判据的特殊情况3.3.2代数判据无需求解特征根，直接通过特征方程的系数判别劳思(routh)性质：第一列符号改变次数==系统特征方程含有正实部根的个数。劳思阵列性质：第一列符号改变次数==系统特征方程含有正实部根的个数特征方程：

劳斯阵列：

特征方程：劳斯阵列：如果符号相同系统具有正实部特征根的个数等于零系统稳定；如果符号不同符号改变的次数等于系统具有的正实部特征根的个数系统不稳定。控制系统稳定的充分必要条件：劳思阵列第一列元素不改变符号。“第一列中各数”注：通常a0>0，因此，劳斯稳定判据可以简述为劳斯阵列表中第一列的各数均大于零。劳思(Routh)判据如果符号相同系统具有正实部特征根的个数等于零系统稳定；劳思判据判定稳定性劳思判据判定稳定性5控制系统的稳定性分析课件5控制系统的稳定性分析课件劳斯判据判断系统的相对稳定性劳斯判据判断系统的相对稳定性

特殊情况1：第一列出现0

特殊情况2：某一行元素均为0劳思(Routh)判据的特殊情况特殊情况1：第一列出现0特殊情况2：某一行元素均为0劳思特殊情况：第一列出现0。各项系数均为正数解决方法：用任意小正数代之。特殊情况1：第一列出现0特殊情况：第一列出现0。各项系数均为正数解决方法：用任意小正特殊情况：某一行元素均为0解决方法：全0行的上一行元素构成辅助方程，求导后方程系数构成一个辅助方程。各项系数均为正数求导得:例如：特殊情况2：某一行元素均为0特殊情况：某一行元素均为0解决方法：全0行的上一行各项系数均劳斯阵列出现全零行:系统在s平面有对称分布的根大小相等符号相反的实根共轭虚根对称于实轴的两对共轭复根劳斯阵列出现全零行:大小相等符号相反的实根共轭虚根对称于实轴EX.劳斯判据

1EX.劳斯判据1EX.劳斯判据

2EX.劳斯判据2ThisisEndofChapter3BackThisisEndofChapter3Back课程讲解：刘益剑2004年9月20号自动控制原理课程讲解：刘益剑2004年9月20号自动控制原理第三章3.3控制系统的稳定性分析3.3.1稳定性的基本概念3.3.2代数判据第三章3.3控制系统的稳定性分析3.3.1稳定性的3.3.1稳定性的基本概念例稳定性的定义稳定的充要条件稳定的必要条件例1例3例2课堂练习3.3.1稳定性的基本概念例稳定性的定义稳定的充要条件稳定稳定的摆不稳定的摆稳定的摆不稳定的摆1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大，直到整座桥断裂。跨越华盛顿州塔科马峡谷的首座大桥，开通于1940年7月1日。只要有风，这座大桥就会晃动。1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大无限放大直到饱和无输入时因干拢直至饱和无限放大直到饱和无输入时因干拢直至饱和控制系统在外部拢动作用下偏离其原来的平衡状态，当拢动作用消失后，系统仍能自动恢复到原来的初始平衡状态。(a)外加扰动注意：以上定义只适用于线形定常系统。稳定性的定义控制系统在外部拢动作用下偏离其原来的平衡状态，当拢动作用消失(b)稳定(c)不稳定注意：控制系统自身的固有特性，取决于系统本身的结构和参数，与输入无关。(b)稳定(c)不稳定注意：控制系统自身的固有特性，取决于大范围稳定:不论扰动引起的初始偏差有多大，当扰动取消后，系统都能够恢复到原有的平衡状态。(a)大范围稳定大范围稳定:(a)大范围稳定(b)小范围稳定否则系统就是小范围稳定的。注意：对于线性系统，小范围稳定大范围稳定。(b)小范围稳定否则系统就是小范围稳定的。注意：对于线性系统(a)不稳定(a)不稳定临界稳定：若系统在扰动消失后，输出与原始的平衡状态间存在恒定的偏差或输出维持等幅振荡，则系统处于临界稳定状态。注意：经典控制论中，临界稳定也视为不稳定。原因：(1)分析时依赖的模型通常是简化或线性化；(2)实际系统参数的时变特性；(3)系统必须具备一定的稳定裕量。临界稳定：若系统在扰动消失后，输出与原始的平衡状态间存在恒定假设系统在初始条件为零时，受到单位脉冲信号δ(t)的作用，此时系统的输出增量（偏差）为单位脉冲响应，这相当于系统在扰动作用下，输出信号偏离平衡点的问题，显然，当t→∞时，若：系统（渐近）稳定。

稳定的条件：稳定的充要条件假设系统在初始条件为零时，受到单位脉冲信号δ(t)的作用，理想脉冲函数作用下

R(s)=1。对于稳定系统,t

时,输出量

c(t)=0。理想脉冲函数作用下R(s)=1。对于稳定系统,t由上式知：如果pi和i均为负值,

当t时,c(t)0。由上式知：自动控制系统稳定的充分必要条件：系统特征方程的根全部具有负实部，即:闭环系统的极点全部在S平面左半部。注意：稳定性与零点无关S平面系统特征方程自动控制系统稳定的充分必要条件：注意：稳定性与零点无关S平面结果：共轭复根，具有负实部，系统稳定。结果：共轭复根，具有负实部，系统稳定。系统稳定的必要条件系统特征各项系数具有相同的符号，且无零系数。设系统特征根为p1、p2、…、pn-1、pn各根之和每次取两根乘积之和每次取三根乘积之和各根之积全部根具有负实部系统稳定的必要条件系统特征各项系数具有相同的符号，且无零系数某水位控制系统如图，讨论该系统的稳定性。为被控对象水箱的传递函数； 为执行电动机的传递函数；K1为进水阀门的传递系数；Kp为杠杆比；H0为希望水位高；H为实际水位高。某水位控制系统如图，讨论该系统的稳定性。由系统结构图可得出系统的闭环特征方程为

由系统结构图可得出系统的闭环特征方程为

令 ,为系统的开环放大系数，则特征方程展开写为为三阶系统,但缺少s项，即对应的特征多项式的中有系数为0，不满足系统稳定的必要条件，所以该系统不稳定。无论怎样调整系统的参数,如(K、Tm)，都不能使系统稳定。结构不稳定系统校正装置令 ,为系统的开环放大系数，则特征方程展开写为无需求解特征根，直接通过特征方程的系数判别系统的稳定性。劳思(routh)判据劳思阵列劳思(routh)判据的特殊情况3.3.2代数判据无需求解特征根，直接通过特征方程的系数判别劳思(routh)性质：第一列符号改变次数==系统特征方程含有正实部根的个数。劳思阵列性质：第一列符号改变次数==系统特征方程含有正实部根的个数特征方程：

劳斯阵列：

特征方程：劳斯阵列：如果符号相同系统具有正实部特征根的个数等于零系统稳定；如果符号不同符号改变的次数等于系统具有的正实部特征根的个数系统不稳定。控制系统稳定的充分必要条件：劳思阵列第一列元素不改变符号。“第一列中各数”注：通常a0>0，因此，劳斯稳定判据可以简述为劳斯阵列表中第一列的各数均大于零。劳思(Routh)判据如果符号相同系统具有正实部特征根的个数等于零系统稳定；劳思判据判定稳定性劳思判据判定稳定性5控制系统的稳定性分析课件5控制系统的稳定性分析课件劳斯判据判断系统的相对稳定性劳斯判据判断系统的相对稳定性

特殊情况1：第一列出现0

特殊情况2：某一行元素均为0劳思(Routh)判据的特殊情况特殊情况1：第一列出现0特殊情况2：某一行元素均为0劳思特殊情况：第一列出现0。各项系数均为正数解决方法：用任意小正数代之。特殊情况1：第一列出现0特殊情况：第一列出现0。各项系数均为正数解决方法：用任意小正特殊情况：某一行元素均为0解决方法：全0行的上一行元素构成辅助方程，求导后方程系数构成一个辅助