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2007-2-23 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 所以系统的平衡状态有:稳定、不稳定、大范围稳定、小范围稳定、渐进稳定等概念。 在本课程中,我们只讨论渐进稳定的问题! 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 李雅普诺夫(渐进)稳定性定义: 若线性系统在初始扰动的影响下,其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋于零或原平衡工作点,则称系统渐进稳定,简称稳定。反之,若初始扰动的影响下,系统的动态过程随时间的推移而发散,则称系统不稳定。 在古典控制理论中的稳定均指渐进稳定! 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 由稳定性定义可知: 1)线性系统的稳定性取决于系统自身的固有特征(结构、参数),与系统的输入信号无关。 2)若处于平衡状态的线性定常系统在脉冲信号的作用下,系统的响应最终能够回到平衡状态,则该线性定常系统稳定。 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 推论2:若系统闭环传递函数的所有极点全部 位于S左半平面,则系统稳定。 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 临界稳定:当系统的极点有在虚轴上时,系统的输出将会出现等幅振荡的状态,称之为临界稳定状态。 稳定裕度的概念: 北京科技大学信息工程学院自动化系 第四章 线性控制系统的稳定性 4.1 线性系统稳定性的基本概念 4.2 传递函数表示的系统稳定性判定 4.3 状态空间表示的系统稳定性判定 4.4 本章小结 稳定是控制系统能够正常运行的首要条件 ?对系统进行各类品质指标的分析必须在系统稳定的 前提下进行。 自动控制理论的基本任务(之一) ? 分析系统的稳定性问题 ? 提出保证系统稳定的措施 一、稳定性分析的重要性 4.1线性系统稳定性的基本概念 二、线性系统稳定性分析的理论框架 第一方法 第二方法 稳定性分析 1892年俄国数学家李雅普诺夫 SISO的代数分析方法 解析方法 Routh判据 Houwitz判据 根据SISO闭环特征方程的系数判定系统的稳定性 根据状态方程A阵判定系统的稳定性 A.Lyapunov(1857-1918),俄国数学家(Chebyshev 的学生,Markov的同学),在他的博士论文中,Lyapunov系统地研究了由微分方程描述的一般运动的稳定性问题,建立了著名的Laypunov方法,他的工作为现代控制及非线性控制奠定科基础。 三、线性系统稳定性分析的划时代人物 4.2 传递函数表示的系统稳定性判定 本小节是本章的重点,主要介绍以下内容: 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性问题 4.2.2 Routh稳定判据 4.2.3 Routh判据的两种特殊情况 4.2.4 Routh判据的推广 4.2.5 Routh判据的应用 一、稳定性基本概念 1、稳定性 任何系统在扰动的作用下都会偏离原平衡状态,产生初始偏差。 所谓稳定性,是指系统在扰动消失后,由初始偏差状态恢复到原平衡状态的性能。 4.2.1 SISO线性定常系统的稳定性 2、平衡状态 系统所受的作用力达到平衡, 使系统处于稳定(不运动)的状态。 称为平衡状态。 对于脉冲响应,我们有: 显然,系统是否稳定取决于G(s)极点在S平面中的位置。 推论1:如果当时间趋于无穷时,线性定常系统的脉冲响应函数趋于零,则该线性定常系统稳定。 ?系统是稳定的。 系统仍能回到原有的平衡状态 简证: 则脉冲响应为: 简证:令系统的闭环传递函数含有q个实数极点和r对复数 极点: ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 1 1 1 + + P + P + P = = = = = nk nk k r k j q j i m i S S P S Z S K s s G w w x f ? ? ? = = - - = - - + - + = r k r k k nk t k k nk t k q j t p j t e C t e B e A t g nk k nk k j 1 1 2 2 1 1 cos 1 sin ) ( x w x w w x w x 显然只有当系统闭环传递函数的所有极点全部位于S左 半平面时,g(t)|t→∞ 0 成立,即系统才稳定。 j 0 j 0 j 0 j 0 j 0 推论3:如果当时间趋于无穷时,线性定常系统的阶跃响应函数趋于某一个常数,则该线性定常系统稳定。 这个推论的证明请同学们自行完成。 二、SISO系统阶跃响应的稳定问题 实根情况: 虚根情况:
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