Понятие устойчивости линейных систем

Важным показателем АСР является устойчивость, поскольку основное ее назначение заключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменении его по определенному закону. При отклонении регулируемого параметра от заданной величины (например, под действием возмущения или изменения задания) регулятор воздействует на систему таким образом, чтобы ликвидировать это отклонение. Если система в результате этого воздействия возвращается в исходное состояние или переходит в другое равновесное состояние, то такая система называется устойчивой. Если же возникают колебания со все возрастающей амплитудой или происходит монотонное увеличение ошибки е, то система называется неустойчивой.

Необходимое и достаточное условие устойчивости формулируется следующим образом: Звено или система называются устойчивыми, если переходная составляющая с течением времени стремится к нулю:

.

Если выходной сигнал звена или системы y(t) рассматривать как сумму двух составляющих

y(t) = y_уст + у_п(t),

где - установившееся значение y(t), у_п(t) – переходная составляющая, то у_п(t) = y(t) – y_уст.

Рисунок 1.40

Если у_п(t) с течением времени стремится к бесконечности, звено или система называются неустойчивыми. Другими словами:

.

Примеры переходных процессов для каждого случая приведены на рисунке 1.41.

Рисунок 1.41

Для того, чтобы определить, устойчива система или нет, используются критерии устойчивости:

1) корневой критерий;

2) критерий Стодола;

3) критерий Гурвица;

4) критерий Найквиста;

5) критерий Михайлова и др.

Первые два критерия являются необходимыми критериями устойчивости отдельных звеньев и разомкнутых систем, однако не являются достаточными для однозначного определения устойчивости.

Критерий Гурвица является алгебраическим и может быть использован для определения устойчивости как отдельных звеньев, так и замкнутых систем без запаздывания. При этом он позволяет обойтись без определения корней характеристического полинома, который может иметь достаточно большую степень.

Последние два критерия относятся к группе частотных критериев, поскольку определяют устойчивость замкнутых систем по их частотным характеристикам. Их особенностью является возможность применения к замкнутым системам с запаздыванием, которыми является подавляющее большинство систем управления.

Корневой критерий

Функция y_п(t) является решением однородного дифференциального уравнения, поэтому устойчивость системы однозначно зависит от корней характеристического уравнения.

Если корни действительные, т.е. s_i = a_i, то

,

где n – число корней характеристического уравнения (степень уравнения), M_i – коэффициенты, s_i – корни.

Каждая составляющая функции y_п(t) является экспонентой вида

.

При этом если s_i > 0, то экспонента расходится ( ), если s_i < 0 - сходится ( ).

В случае, если среди корней характеристического уравнения имеются комплексные, т.е. s_i = a_i ± j×w_i, то каждой паре комплексно сопряженных корней соответствует составляющая

,

где c_i и d_i – коэффициенты. Данная составляющая представляет собой синусоиду, сходящуюся при a_i < 0 и расходящуюся при a_i > 0 (при a_i = 0 синусоида имеет постоянную амплитуду).

Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все составляющие функции y_п.i(t) стремились с течением времени к нулю. Если хотя бы одна составляющая функции расходится, то расходится и вся функция, т.е. система в данном случае неустойчива.

Из сказанного следует, что для устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы корни характеристического полинома имели отрицательные действительные части.

Критерий, определяющий устойчивость системы по значениям корней характеристического полинома, получил название корневого.

Для определения устойчивости необходимо путем приравнивания знаменателя передаточной функции (характеристического полинома) к нулю получить характеристическое уравнение и его корни. Корни характеристического уравнения могут быть как действительные, так и комплексные и для наглядности могут быть изображены на комплексной плоскости (плоскости корней).

На рисунке 1.42 символом обозначены корни некоторого уравнения.

Виды корней характеристического уравнения:

- действительные: положительные (корень 1), отрицательные (корень 2) и нулевые (корень 3);

- комплексные: комплексные сопряженные (4) и чисто мнимые (5).

По кратности корни бывают: одиночные (1, 2, 3), сопряженные (4, 5): s_i = a ± jw и кратные (6) s_i = s_i+1 = …

Корневой критерий формулируется следующим образом:

Иными словами, все действительные корни и действительные части комплексных корней должны быть отрицательны. В противном случае система неустойчива.

Пример.Передаточная функция системы имеет вид

.

Характеристическое уравнение s³ + 2s² + 2,25s + 1.25 = 0 имеет три корня:

s₁ = -1; s₂ = -0,5 + j; s₃ = -0,5 - j.

Действительные части всех корней отрицательны, следовательно, система устойчива. ¨

Критерий Стодолы

Этот критерий является следствием из предыдущего и формулируется следующим образом: Линейная система устойчива, если все коэффициенты характеристического полинома положительны.

То есть, передаточная функция из примера по критерию Стодола соответствует устойчивой системе.

Критерий Гурвица

Критерий Гурвица, как и критерий Стодола, определяет устойчивость по характеристическому полиному системы без непосредственного вычисления его корней. Однако критерий Стодола является необходимым критерием устойчивости, но не является достаточным. То есть, если по критерию Стодола система неустойчива, то она действительно является неустойчивой, если по критерию система устойчива, то для подтверждения ее устойчивости требуются дополнительные расчеты. Например, характеристический полином

s³ + s² + 2s + 8

по критерию Стодола соответствует устойчивой системе, однако корни этого полинома равны s₁ = -2, s_2,3 = 0,5 ± j×1,94. То есть система фактически является неустойчивой, хотя коэффициенты полинома положительны.

Критерий Гурвица дает необходимое и достаточное условие устойчивости линейных систем.

Исходной информацией для данного критерия является характеристический полином системы: разомкнутой A(s) или замкнутой D(s) – в зависимости от того, какая система анализируется.

Для определения устойчивости по Гурвицу строится матрица таким образом, чтобы по главной диагонали были расположены коэффициенты ХПЗС с a_n+1 по a₀. Справа и слева от нее записываются коэффициенты с индексами через 2 (a₀, a₂, a₄… или a₁, a₃, a₅ …). Тогда для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы определитель и все главные диагональные миноры матрицы были больше нуля.

Если хотя бы один определитель будет равен нулю, то система будет находиться на границе устойчивости.

Если хотя бы один определитель будет отрицателен, то система неустойчива независимо от числа положительных или нулевых определителей.

Пример.Дана передаточная функция разомкнутой системы

.

Требуется определить устойчивость замкнутой системы по критерию Гурвица.

Для этого определяется ХПЗС:

D(s) = A(s) + B(s) = 2s⁴ + 3s³ + s² + 2s³ + 9s² + 6s + 1 = 2s⁴ + 5s³ + 10s² + 6s + 1.

Поскольку степень ХПЗС равна n = 4, то матрица будет иметь размер 4х4. Коэффициенты ХПЗС равны а₄ = 2, а₃ = 5, а₂ = 10, а₁ = 6, а₀ = 1.

Матрица имеет вид

(обратите внимание на сходство строк матрицы: 1 с 3 и 2 с 4). Определители (диагональные миноры матрицы):

Δ₁ = 5 > 0,

,

Δ₄ = 1* Δ₃ = 1*209 > 0.

Поскольку все определители положительны, то АСР устойчива. ♦

Критерий Михайлова

Описанные выше критерии устойчивости не работают, если передаточная функция системы имеет запаздывание, то есть может быть записана в виде

,

где t - запаздывание.

В этом случае характеристическое выражение замкнутой системы полиномом не является и его корни определить невозможно. Для определения устойчивости в данном случае используются частотные критерии Михайлова и Найквиста.

Порядок применения критерия Михайлова:

1) Записывается характеристическое выражение замкнутой системы:

D_з(s) = A(s) + B(s)^.e^-ts.

2) Подставляется s = jw: D_з(jw) =Re(w) + Im(w).

3) Записывается уравнение годографа Михайлова D_з(jw) и строится кривая на комплексной плоскости.

Если годограф Михайлова проходит через начало координат, то говорят, что система находится на границе устойчивости.

Пример.Характеристический полином замкнутой системы имеет вид (см. предыдущий пример):

D(s) = 2s⁴ + 5s³ + 10s² + 6s + 1.

После подстановки s = jw получается выражение для годографа Михайлова:

D(jw) = 2(jw)⁴ + 5(jw)³ + 10(jw)² + 6 jw + 1 = 2w⁴ - 5jw³ - 10w² + 6 jw + 1 =

= Re_D(w) + j^.Im_D(w),

где Re_D(w) = 2w⁴ - 10w² + 1 – действительная часть выражения годографа,

Im_D(w) = - 5w³+ 6w - мнимая часть.

Далее, варьируя частоту w от 0 до бесконечности, рассчитываются точки годографа (см. таблицу 1.3) и на комплексной плоскости строится кривая (см. рисунок 1.44).

Таблица 1.3

Рисунок 1.44

Годограф Михайлова начинается на положительной действительной полуоси и последовательно обходит четыре квадранта (степень характеристического полинома также равна n = 4), следовательно, система устойчива. Это подтверждает результат, полученный в предыдущем примере. ¨

Критерий Найквиста

Данный критерий определяет устойчивость по частотным характеристикам системы. Для построения частотных характеристик, например, АФХ требуется подстановка s = jw в передаточную функцию системы, которая, как правило, представляет собой дробно-рациональную функцию. Поэтому данный критерий более сложен для ручного расчета по сравнению с критерием Михайлова.

Последовательность:

1) Определяется передаточная функция разомкнутой системы .

2) Определяется число правых корней m.

3) Подставляется s = jw: W_¥(jw).

4) Строится АФХ разомкнутой системы.

Для устойчивости АСР необходимо и достаточно, чтобы при увеличении w от 0 до ¥ АФХ W_¥(jw) m раз полуохватывала точку (-1; 0), где m - число правых корней разомкнутой системы, т.е. корней s_i > 0.

В случае, если характеристическое уравнение разомкнутой системы A(s) = 0 правых корней не имеет (т.е. m = 0), то критерий можно переформулировать: замкнутая система устойчива, если АФХ разомкнутой системы W_¥(jw) не охватывает точку (-1; 0), в противном случае система неустойчива; если проходит через нее, то на границе устойчивости.

Пример.Пусть передаточная функция разомкнутой системы имеет вид

.

Для построения АФХ разомкнутой системы делается подстановка s = j*w в передаточную функцию:

,

где - действительная часть АФХ,

- мнимая часть,

а = (1 – 2*w²)² + (3,5w³ – 4*w)² – знаменатель.

Таблица 1.4

Рисунок 1.46

По полученным формулам строится АФХ (см. таблицу 1.4 и рисунок 1.46). Характеристическое уравнение правых корней не имеет, АФХ охватывает точку (-1; 0), следовательно, замкнутая система неустойчива. ¨

Показатели качества

Если исследуемая АСР устойчива, то может возникнуть вопрос о том, насколько качественно происходит регулирование в этой системе и удовлетворяет ли оно технологическим требованиям. На практике качество регулирования может быть определено визуально по графику переходной кривой, однако имеются точные методы, дающие конкретные числовые значения.

Показатели качества разбиты на 4 группы:

1) прямые - определяемые непосредственно по кривой переходного процесса;

2) корневые - определяемые по корням характеристического полинома;

3) частотные - по частотным характеристикам;

4) интегральные - получаемые путем интегрирования функций.

Корневые, частотные и интегральные критерии качества называют также косвенными, поскольку они в отличие от прямых определяют качество системы не непосредственно по переходной кривой, а по косвенным характеристикам (передаточным функциям, ЧХ и т.д.). В этом заключается достоинство данных критериев: они не требуют построения переходной кривой. Однако информация для косвенных критериев на практике не всегда доступна (не всегда известна, например, передаточная функция рассматриваемого объекта).

Прямые показатели качества

К ним относятся: степень затухания y, перерегулирование s, статическая ошибка е_ст, время регулирования t_p и др.

По ней определяется установившееся значение выходной величины

.

Степень затухания y определяется по формуле

,

где А₁ и А₃ - соответственно 1-я и 3-я амплитуды переходной кривой.

Перерегулирование s = , где y_max - максимум переходной кривой.

Статическая ошибка е_ст = х - у_уст, где х - входная величина.

Время достижения первого максимума t_м определяется по графику.

Время регулирования t_p определяется следующим образом: определяется допустимое отклонение D и строится «трубка» толщиной 2D. Время t_p соответствует последней точке пересечения y(t) с данной границей. То есть время, когда колебания регулируемой величины перестают превышать допустимого отклонения от установившегося значения.

Обычно допустимое отклонение принимается равным 5 % от установившегося значения: D = 5% у_уст. Однако оно может быть и другим. Например, если у_уст = 0, то допустимое отклонение принимается равным 5 % от амплитуды А₁.

Оптимальные значения времени регулирования, времени достижения первого максимума, перерегулирования и статической ошибки соответствуют минимальным значениям (чем меньше, тем лучше). Степень затухания, наоборот, должна быть максимально большой (максимум y равен 1).