劳斯-霍尔维茨稳定性判据.doc

第三章控制系统的时域分析法 劳斯- 霍尔维茨稳定性判据稳定性是控制系统最重要的问题, 也是对系统最基本的要求。控制系统在实际运行中, 总会受到外界和内部一些因素的扰动, 例如负载或能源的波动、环境条件的改变、系统参数的变化等。如果系统不稳定,当它受到扰动时,系统中各物理量就会偏离其平衡工作点,并随时间推移而发散, 即使扰动消失了, 也不可能恢复原来的平衡状态。因此, 如何分析系统的稳定性并提出保证系统稳定的措施,是控制理论的基本任务之一。常用的稳定性分析方法有: 1. 劳斯-赫尔维茨( Routh - Hurwitz )判据:这是一种代数判据。它是根据系统特征方程式来判断特征根在 S 平面的位置,来判断系统的稳定性. 2. 根轨迹法: 这是一种利用图解来系统特征根的方法。它是以系统开环传递函数的某一参数为变量化出闭环系统的特征根在 S 平面的轨迹, 从而全面了解闭环系统特征根随该参数的变化情况。 3. 奈魁斯特( Nyquist ) 判据: 这是一种在复变函数理论基础上建立起来的方法。它根据系统的开环频率特性确定闭环系统的稳定性,同样避免了求解闭环系统特征根的困难。这一方法在工程上是得到了比较广泛的应用。 4. 李雅普诺夫方法上述几种方法主要适用于线性系统,而李雅普诺夫方法不仅适用于线性系统, 也适用于非线性系统。该方法是根据李雅普诺夫函数的特征来决定系统的稳定性。一、稳定性的概念稳定性的概念可以通过图 3-31 所示的方法加以说明。考虑置于水平面上的圆锥体,其底部朝下时, 我们施加一个很小的外力( 扰动), 圆锥体会稍微产生倾斜, 外作用力撤消后, 经过若干次摆动, 它仍会返回到原来的状态。而当圆锥体尖部朝下放置时, 由于只有一点能使圆锥体保持平衡, 所以在受到任何极微小的外力( 扰动)后, 它就会倾倒, 如果没有外力作用,就再也不能回到原来的状态。因此,系统的稳定性定义为,系统在受到外作用力后,偏离了最初的工作点,而当外作用力消失后,系统能够返回到原来的工作点,则称系统是稳定的。设系统在初始条件为零时,在单位理想脉冲作用下,这时系统的脉冲响应为 c(t) 。若 t →∞时,脉冲响应这时,线性系统是稳定的。设系统的特征方程 D(s)=0 的根为 si ,由于单位脉冲传递函数的拉氏变换为 1 ,系统输出的拉式变换为: 瞬态响应项表现为衰减、临界和发散三种情况之一,它是决定系统稳定性的关键。由于输入量只影响到稳态响应,并且两者具有相同的特性,即如果输入量 r(t) 是有界的: | r(t)| < ∞,t≥0 则稳态响应也必定是有界的。则系统稳定性可以归结为,系统在任何一个有界输入的作用下,其输出是否有界的问题。一个稳定的系统定义为,在有界输入的作用下,其输出响应也是有界的。这叫做有界输入有界输出稳定,又简称为 BIBO 稳定。线性系统的稳定性可以根据闭环极点在 S 平面内的位置来确定。设单输入单输出线性系统的微分方程为,即则系统的稳定性由上式左端决定,或者说系统稳定性可按齐次微分方程式来分析。这时,在任何初始条件下,若满足则称系统() 是稳定的。为了决定系统的稳定性,可求出式() 的解。由数学分析知道,式() 的特征方程式为设上式有 k 个实根-pi (i =1 ,2,…,k ), r 对共轭复数根(-σj±jω j) (j=1 ,2,…, r), k+2r =n ,则齐次方程式() 解的一般式为式中系数 Aj , Bj和 Cj 由初始条件决定。从式() 可知: (1) 若-pi <0 , -sj <0 (即极点都具有负实部),则式() 成立,系统最终能恢复至平衡状态,所以系统是稳定的。(2) 若-pi 或-sj 中有一个或一个以上是正数,则式() 不满足。当 t →∞时, c(t) 将发散,系统是不稳定的。(3) 只要-pi 中有一个为零,或-sj 中有一个为零( 即有一对虚根), 则式() 不满足。当 t →∞时, 系统输出或者为一常值, 或者为等幅振荡, 不能恢复原平衡状态, 这时系统处于稳定的临界状态。总结上述,可以得出如下结论:线性系统稳定的充分必要条件是它的所有特征根均为负实数, 或具有负的实数部分。或它的所有特征根, 均在 S 平面面的左半部分( 见图 3-32 )。表 列举了几个简单系统稳定性的例子。需要指出的是,对于线性定常系统,由于系统特征方程根是由特征方程的结构( 即方程的阶数) 和系数决定的, 因此系统的稳定性与输入信号和初始条件无关,仅由系统的结构和参数决定。如果系统中每个部分都可用线性定常微分方程描述,那么,当系统是稳定时,它在大偏差情况下也是稳定的。如果系统中有的元件或装置是非线性的, 但经线性化处理后可用线性化方程来描