76429

Критерий устойчивости Гурвица

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Поэтому большее распространение получил алгебраический критерий устойчивости сформулированный в 1895 году математиком А. Критерий устойчивости сводится к тому что при должны быть больше нуля все определителей Гурвица получаемых из квадратной матрицы коэффициентов. Условия нахождения системы на границе устойчивости можно получить приравнивая нулю последний определитель: при положительности всех остальных определителей.

Русский

2015-01-30

61.79 KB

16 чел.

Критерий устойчивости Гурвица

Задача отыскания критерия устойчивости для систем, описываемых дифференциальными уравнениями любого порядка, была сформулирована Максвеллом в 1868 году. Эта задача была впервые решена в алгебраической форме Раусом в 1873 году для уравнений четвертой и пятой степени и в 1877 году — полностью.

Поскольку критерий Рауса дан в форме алгоритма, определяющего последовательность математических операций, необходимых для решения задачи, использование его в практике является неудобным. Поэтому большее распространение получил алгебраический критерий устойчивости, сформулированный

в 1895 году математиком А. Гурвицем. Этот критерий был найден Гурвицем по просьбе словацкого профессора Стодолы, занимавшегося исследованием процесса регулирования турбин.

Ниже критерий Гурвица приводится без доказательства.

Для характеристического уравнения (6.9) составим квадратную матрицу (таблицу) коэффициентов, содержащую строк и столбцов:

Эта таблица составляется следующим образом.

По диагонали от левого верхнего до правого нижнего углов выписываются все коэффициенты по порядку от а д Каждая строка дополняется коэффициентами с возрастающими индексами слева направо так, чтобы чередовались строки с нечетными и четными индексами. В случае отсутствия данного коэффициента, а также если индекс его меньше нуля или больше на месте его пишется нуль.

Критерий устойчивости сводится к тому, что при должны быть больше нуля все определителей Гурвица, получаемых из квадратной матрицы коэффициентов.

Определители Гурвица составляются по следующему правилу (см. (6.11)):

Последний определитель включает в себя всю матрицу. Но так как в последнем столбце матрицы все элементы, кроме нижнего, равны нулю, то последний определитель Гурвица выражается через предпоследний следующим образом:

Однако в устойчивой системе предпоследний определитель тоже должен быть положительным. Поэтому условие положительности последнего определителя сводится к условию т. е. к положительности свободного члена характеристического уравнения.

Условия нахождения системы на границе устойчивости можно получить, приравнивая нулю последний определитель: при положительности всех остальных определителей. Как следует из (6.15), это условие распадается на два условия: Первое условие соответствует границе устойчивости первого типа (апериодическая граница устойчивости) и второе — границе устойчивости второго типа (колебательная граница устойчивости).

Раскрывая определители, фигурирующие в общей формулировке критерия устойчивости Гурвица, можно получить в виде частных случаев критерии устойчивости для системы первого, второго, третьего, четвертого и более высоких порядков.

1. Уравнение первого порядка

Для этого уравнения критерий Гурвица дает

т. е. коэффициенты характеристического уравнения должны быть положительными.

2. Уравнение второго порядка

Для этого уравнения критерий Гурвица требует

Последний определитель, как отмечалось выше, сводится к условию положительности последнего коэффициента:.

Таким образом, и для уравнения второго порядка необходимым и достаточным условием устойчивости является положительность всех коэффициентов характеристического уравнения.

3. Уравнение третьего порядка

Для этого уравнения получаем: условия

Третий (последний) определитель дает условие. Условие при может выполняться только при

Следовательно, для уравнения третьего порядка уже недостаточно положительности всех коэффициентов характеристического уравнения. Требуется еще выполнение определенного соотношения между коэффициентами:

4. Уравнение четвертого порядка

На основании критерия Гурвица можно получить, что для уравнения четвертого порядка, кроме положительности всех коэффициентов, требуется выполнение условия

5. Уравнение пятого порядка

Для уравнения пятого порядка, кроме положительности всех коэффициентов, должны выполняться еще два условия:

Как видно, уже для уравнения пятой степени условия устойчивости по критерию Гурвица получаются достаточно громоздкими. Поэтому использование этого критерия практически ограничивается уравнениями четвертого порядка.

Существенным недостатком критерия Гурвица является также то, что для уравнений высоких порядков в лучшем случае можно получить ответ о том, устойчива или неустойчива система автоматического регулирования. При этом в случае неустойчивой системы критерий не дает ответа на то, каким образом надо изменить параметры системы, чтобы сделать ее устойчивой. Это обстоятельство привело к поискам других критериев, которые были бы более удобными в инженерной практике.

Рис. 6.4.

Для иллюстрации применения критерия Гурвица рассмотрим пример на определение устойчивости дистанционной следящей системы. Принципиальная и структурная схемы изображены на рис. 6.4. В качестве чувствительного элемента использованы два сельсина и включенные по трансформаторной схеме. Передаточная функция сельсинов равна коэффициенту передачи схемы:

где — ошибка, равная разнести углов поворота командной и исполнительной осей.

Передаточная функция усилителя:

где — коэффициент усиления и — постоянная времени усилителя. Передаточная функция двигателя (Д):

где коэффициент передачи двигателя по скорости, а — электромеханическая постоянная времени двигателя совместно с оконечным каскадом усилителя.

Передаточная функция редуктора (Р) равна его коэффициенту передачи определяемому передаточным отношением:

Так как цепь регулирования состоит из включенных последовательно звеньев, то передаточная функция разомкнутой цепи будет равна произведению

передаточных функций отдельных звеньев:

где — общий коэффициент усиления разомкнутой цепи.

Характеристическое уравнение:

После подстановки получаем

В данном случае характеристическое уравнение имеет третий порядок. Нетрудно видеть, что условие положительности всех коэффициентов выполняется всегда, если выполнено условие что будет при правильном согласовании направления вращения двигателя со знаком рассогласования.

Дополнительное условие накладываемое на коэффициенты характеристического уравнения, сводится при подстановке значений коэффициентов к неравенству

которое и является условием устойчивости рассматриваемой системы.

Из этого неравенства, в частности, можно заметить, что увеличение каждой постоянной времени сказывается отрицательно на устойчивости системы, так как при этом снижается предельное значение общего коэффициента усиления К, при котором система еще остается устойчивой.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77338. К проблеме психологического влияния сети Интернет 16.5 KB
  Начало XXI века ознаменовалось значительным ростом аудитории сети Интернет. Вместе с этим растет и время проводимое пользователями в сети появились и продолжают появляться разнообразные сервисы в том числе направленные на общение и взаимодействие между людьми. Однако до сих пор не существует единой точки зрения относительно психологического влияния сети Интернет.
77340. КОМПИЛЯТОР C89 ДЛЯ ПРОЦЕССОРА MCP 0411100101 26 KB
  Бахтерев ИММ УрО РАН Высокопроизводительные процессоры семейства MCp выпускаемые компанией Мультиклет основаны на оригинальной архитектуре с явным параллелизмом инструкций EPIC Explicitly Prllel Instruction Computing. Особенности кодирования параграфов позволяют выполнять их разным количеством связанных специальным коммутатором клеток функциональных устройств MCp; потенциально это количество может меняться во и время работы процессора. Ещё одной особенностью MCp является то что процессор вносит изменения в память системы как...
77341. Язык программирования 0xfb.L 65.5 KB
  Близится выход С0x новой расширенной версии С которая может стать тем самым инструментом но стандарт С сам по себе очень сложен синтаксис система типов виртуальные методы не все компиляторы поддерживают все возможности поэтому расширение кажется спорным решением. Концепция является результатом развития идей метапрограммирования Lisp Nemerle и сводится к динамическому выстраиванию окружения состоящего из типов переменных и операторов во время компиляции. В процессе компиляции каждое выражение синтаксическая конструкция...
77342. МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ 244.5 KB
  И если для средств вывода уже есть такие мощные средства как системы типа Cve стерео очки стерео мониторы и шлемы виртуальной и расширенной реальности то в области средств ввода или манипуляторов таких решений очень мало и не имеют большого распространения. Нами была поставлена задача разработать интерфейс для работы с виртуальными объектами в котором бы учитывались достоинства и недостатки уже существующих манипуляторов и который был бы максимально прост и естественен в использовании. Обзор существующих решений Был проведён критический...
77343. Манипуляция объектами в системах компьютерной визуализации 38.5 KB
  Серьезной задачей в системах визуализации является обеспечение различных действий с визуальными объектами при работе с трехмерной графикой. Как правило, при реализации методов непосредственного манипулирования с визуальными объектами все операции проводятся в основном окне вывода
77344. Математическая и компьютерная модель стимуляции и использования радиочастотной энергии в почечных артериях на симпатические ганглии и пути 198.5 KB
  Электрод для деструкции симпатических ганглиев и путей. Метод деструкции симпатических ганглиев и проводящих путей Цель. Создать модель воздействия стимуляции и радиочастотной энергии на симпатические ганглии и проводящие пути для прогнозирования результата воздействия и сопоставления с клиническими данными для выработки оптимальной процедуры воздействия и достижения максимального успеха вмешательства Задачи Создать модель почечных артерии и ганглиев и проводящих путей вокруг них Создать модель связи между различными режимами...
77345. Методы манипуляций объектами в трёхмерных визуальных средах 220.5 KB
  Использование средств трехмерной графики в том числе базирующихся на средах виртуальной реальности естественно влечёт поиск новых трехмерны средств ввода и построения на их базе новых систем человеко-компьютерного взаимодействия. Вместе с тем возникают проблемы с применением сложных систем ввода в средах визуализации. Причем сложности возникают как с эксплуатацией и непосредственным использованием техники так и с диалоговыми языками ввода и взаимодействия. Наша цель состоит в разработке простых средств ввода в системах...
77346. МЕТОДЫ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ПОТОКА ДАННЫХ. ПРОТОТИП СИСТЕМЫ 21.5 KB
  Ему необходимо заботиться о распределении вычислительных задач синхронизации обмене данными и так далее. С другой стороны создаются среды для решения определённых классов задач в основном это касается задач для которых применим параллелизм по данным. Методика базируется на понятиях хранилища задач и правил. Задачей называется программа которая во время исполнения считывает данные с определёнными именами из хранилища и в результате своего исполнения формирует новые данные которые записываются в хранилище.