76428

Условия устойчивости линейных систем автоматического управления

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Изменение регулируемой величины при произвольном внешнем воздействии представляет собой решение уравнения 3.22 первое слагаемое вынужденная составляющая имеющая тот же характер что и правая часть уравнения 3. Она определяется как частное решение неоднородного дифференциального уравнения 3.21 с правой частью: Второе слагаемое свободная переходная составляющая которая определяется общим решением однородного дифференциального уравнения 3.

Русский

2015-01-30

93.58 KB

2 чел.

Условия устойчивости линейных систем автоматического управления.

Покажем, как на основе изложенного выше определения устойчивости А. М. Ляпунова можно найти условия устойчивости линейных (линеаризованных) систем автоматического управления.

Дифференциальное уравнение линейной системы автоматического управления, записанное для регулируемой выходной величины  при наличии управляющего воздействия  имеет вид

где  — постоянные коэффициенты,  — оператор дифференцирования.

Изменение регулируемой величины  при произвольном внешнем воздействии  представляет собой решение уравнения (3.21):

В (3.22) первое слагаемое  — вынужденная составляющая, имеющая тот же характер, что и правая часть уравнения (3.21). Она определяется как частное решение неоднородного дифференциального уравнения (3.21) с правой частью:

Второе слагаемое  свободная (переходная) составляющая, которая определяется общим решением однородного дифференциального уравнения (3.21) без правой части:

Обычно в теории автоматического управления интересуются устойчивостью вынужденной составляющей переходного процесса. Поэтому за невозмущенное движение системы необходимо принять вынужденную составляющую переходного процесса  Тогда возмущенным движением будет любое возможное в системе изменение регулируемой величины , а отклонением или вариацией — свободная составляющая. 

Возмущениями, по А. М. Ляпунову, являются начальные значения которые возникли в момент, под действием внезапно подействовавших дополнительных внешних сил, т. е. начальные значения. Дифференциальными уравнениями возмущенного движения первого приближения в данном случае будут уравнения (3.24).

В соответствии с определением устойчивости по А. М. Ляпунову система будет асимптотически устойчивой, если с течением времени при свободная составляющая будет стремиться к нулю, т. е.  Чтобы найти эту составляющую, необходимо решить дифференциальное уравнение (3.24):

Решение уравнения (3.25) находят как  дифференцируя это выражение раз и подставляя в (3.25), после сокращения на общий множитель получаем

Полученное алгебраическое уравнение (3.26) называют характеристическим уравнением. Его корни  будут определять характер переходного процесса в системе. Нетрудно заметить, что по своему виду левая часть уравнения (3.26) совпадает с дифференциальным оператором при выходной величине в уравнении (3.21), поэтому характеристическое уравнение получают обычно, приравнивая к нулю дифференциальный оператор при выходной величине в исходном дифференциальном уравнении (3.21), т. е.

Рис. 3.4

Следует заметить, однако, что в характеристическом уравнении (3.27),  означает уже не символ дифференцирования, а некоторое комплексное число.

Решение характеристического уравнения степени содержит корней. Корни характеристического уравнения обыкновенного линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами могут быть вещественными, комплексными попарно сопряженными, мнимыми попарно сопряженными, нулевыми. В общем случае

На рис. 3.4 показаны возможные положения корней в комплексной плоскости корней s при

Если все корни разные, то их называют простыми. Если среди корней есть одинаковые, то их называют кратными.

Обычно корни с отрицательными вещественными частями принято называть левыми, поскольку они в комплексной плоскости корней расположены слева от мнимой оси, а корни с положительными вещественными частями — правыми корнями.

Условие устойчивости линейной системы формулируется следующим образом: для того чтобы линейная система была асимптотически устойчива, необходимо и достаточно, чтобы все корни ее характеристического уравнения (3.27) были левыми.

Указанное условие устойчивости легко пояснить, рассматривая решение однородного уравнения (3.25), которое при отсутствии кратных корней имеет вид

где  — корни характеристического уравнения (3.27); С — постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий.

Заметим, что корни характеристического уравнения  зависят только от вида левой части дифференциального уравнения (3.21) линейной системы. Постоянные интегрирования С; зависят и от вида правой ее части, поэтому быстота затухания и форма переходного процесса определяются как левой, так и правой частями исходного дифференциального уравнения (3.21). Однако, поскольку в понятие устойчивости входит только факт наличия или отсутствия затухания переходного процесса, устойчивость линейной системы не зависит от вида правой части дифференциального уравнения (3 21) и определяется только характеристическим уравнением (3.27).

При составлении (3.21) предполагалось, что внешние возмущающие воздействия отсутствуют. Если записать дифференциальные уравнения движения системы относительно возмущающего воздействия, то в этом случае левая часть (3.21) остается без изменения, а правая будет иметь другой вид. Так как характер переходного процесса в линейной системе определяют только по виду левой части дифференциального уравнения (3.21), то для определения качественной картины переходных процессов практически безразлично, записать ли исходное дифференциальное уравнение для управляющего или возмущающего воздействия.

Вещественным корням характеристического уравнения  в (3.29) соответствуют слагаемые, представляющие собой экспоненты 

Очевидно, что отрицательным (левым) корням соответствуют затухающие экспоненты (рис. 3.5, а), положительным (правым) корням — возрастающие экспоненты (рис. 3.5, б) и при нулевых корнях слагаемые представляют собой прямые, параллельные оси времени (рис. 3.5, в).

Комплексные кории характеристического уравнения всегда бывают попарно сопряженными: Слагаемые, определяемые этими корнями в (3.29), могут быть при использовании известной формулы Эйлера представлены в виде где А, и  — новые постоянные.

В этом случае при получаются затухающие колебания (рис. 3.5, г), при — расходящие колебания (рис. 3.5, д) и при — незатухающие колебания (рис. 3.5, е). Для устойчивости и в этом случае необходимо выполнение условия. В самом общем случае среди корней характеристического уравнения (3.27) могут быть кратные корни. Если имеется кратных корней  то в (3.29) появятся слагаемые вида

Если корень имеет отрицательную вещественную часть то множитель будет с течением времени убывать. Множитель в скобках неограниченно растет, поэтому мы имеем неопределенность. Однако известно, что быстрее стремится к нулю, чем выражение поэтому при эта группа слагаемых с течением времени также стремится к нулю.

Рис. 3.5

Таким образом, видно, что в самом общем случае для устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы все корни характеристического уравнения (3.27) были левыми.

Вычисление корней просто лишь для характеристического уравнения первой и второй степеней. Существуют общие выражения для корней уравнений третьей и четвертой степеней, но эти выражения громоздки и практически малопригодны. Общие выражения для корней уравнений более высоких степеней вообще невозможно написать через коэффициенты характеристического уравнения. Поэтому важное значение приобретают правила, которые позволяют определять устойчивость системы без вычисления корней. Эти правила называют критериями устойчивости. С помощью критериев устойчивости можно не только установить, устойчива система или нет, но и выяснить, как влияют на устойчивость те или иные параметры и структурные изменения в системе.

Критерии устойчивости могут быть разделены на алгебраические и частотные. С математической точки зрения все критерии

устойчивости эквивалентны, однако целесообразный выбор того или иного критерия устойчивости при решении конкретных задач позволяет провести исследование устойчивости наиболее простым путем.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27798. Характеристика семей «группы риска» 16.74 KB
  В зависимости от состава семьи от отношений в семье к членам семьи и вообще к окружающим людям человек смотрит на мир положительно или отрицательно формирует свои взгляды строит свои отношения с окружающими. Отношения в семье влияют на то как человек в дальнейшем будет строить свою карьеру по какому пути он пойдет. Именно в семье индивид получает первый жизненный опыт поэтому очень важно в какой семье воспитывается ребенок в благополучной или неблагополучной [26 с. Пристальный интерес к семье объясняется и рядом других обстоятельств:...
27799. КТД 133.94 KB
  Предполагает следующие этапы: принятие идеи выделение совета дела творческое коллективное выполнение коллективный анализ и оценка принятие идеи нового дела. Структура коллективнотворческого дела определяется шестью стадиями коллективного творчества. На этой стадии руководитель и сотрудники коллектива определяют конкретные задачи данного КТД намечают свои исходные направляющие действия необходимые для выполнения этих задач и приступают к таким действиям проводя нацеливающие воспитательные занятия с детьми беседы экскурсии готовят...
27800. Технологии профилактики наркомании и алкоголизма 20.21 KB
  Привлекают внимание информационные технологии профилактики наркомании и алкоголизма разработанные в г.Первый постулат профилактики наркомании заполнение информационного вакуума. Необходимо создать постоянно действующий и стабильно финансируемый конвейер публикаций и рекламы в СМИ по профилактике наркомании.
27801. СИСТЕМА РАБОТЫ С ОДАРЁННЫМИ ДЕТЬМИ В МОУ СОШ № 3 с. КИТАЕВСКОГО ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ 40.19 KB
  Вовлечение учащихся в систему дополнительного образования. Деятельность научного общества учащихся Олимп в которое входят предметные секции. Материальная поддержка талантливых и одарённых детей поездка в Москву на Всероссийский конкурс творческих работ учащихся посвящённый 75летию Д. Это позволяет увидеть оригинально мыслящих учащихся уделять внимание развитию их способностей.
27802. Работа учителей иностранного языка с одаренными детьми 181.5 KB
  Алексин Тульской области август 2010 года Слайд 2 В настоящее время одним из приоритетных направлений государственной политики в области образования является работа с одаренными детьми. Слайд 3 Наличие способных учащихся в школе реализация целевой программы Наша новая школа подчёркивают актуальность и необходимость программы развития одарённых детей. Слайд 4 Работа учителей иностранного языка с одаренными детьми В каждом классе есть учащиеся обладающие особыми способностями в изучении иностранных языков. Летний профильный лагерь...
27804. Принципы организации и функции детского досуга 65.5 KB
  Досуг детей подростков и юношества развивается по своим законам принципам теоретически обоснованным и апробированным на практике.Принцип всеобщности и доступности возможность приобщения вовлеченности всех детей подростков и юношества в сферу деятельности досуговых учреждений с целью удовлетворения творческих потенций подрастающего поколения их досуговых запросов и интересов. Принцип самодеятельности основывается на творческой активности увлеченности и инициативе детей подростков и юношества с одной стороны и их поощрении...
27805. Ресоциализация 32.5 KB
  в собственных глазах подростка должна быть развенчана вся атрибутика той уличной субкультуры которая до сих пор для него имела исключительную значимость. В это время становится очевидной инерционность прежних социальных установок подростка оценок его поведения общественного мнения в школе в кругу друзей. Коррекция имеет следующие функции: восстановительную предполагающую восстановление тех положительных качеств которые преобладали у подростка до появления трудновоспитуемости обращение к памяти подростка о его добрых делах; ...
27806. Социально - психологический портрет современного подростка 32.5 KB
  Подростковый возраст как наиболее сложный этап в развитии ребенка Подростковый возраст период жизни человека от детства к юности в традиционной классификации от 1112 до 1415 лет. [11] Подростковый возраст протекает очень бурно самый затяжной и самый острый. Можно говорить о трех кризисах которые сливаются воедино и переживаются подростками а значит о трех группах причин которые делают возраст труднее. Возрастает контроль над инстинктом эмоциями.