清华机械工程控制基础课件2Routh判据
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Chp.5系统稳定性基本要求1.了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件;2.掌握Routh判据的必要条件和充要条件,学会应用Routh判据判定系统是否稳定,对于不稳定系统,能够指出系统包含不稳定的特征根的个数;3.掌握Nyquist 判据;4.理解Nyquist 图和Bode 图之间的关系;5.掌握Bode 判据;6.理解系统相对稳定性的概念,会求相位裕度和幅值裕度,并能够在Nyquist 图和Bode 图上加以表示。
重点与难点本章重点1.Routh 判据、Nyquist 判据和Bode 判据的应用;2.系统相对稳定性;相位裕度和幅值裕度求法及其在Nyquist图和Bode 图的表示法。
本章难点Nyquist 判据及其应用。
§1 概念示例:振摆1、稳定性定义:若系统在初始条件影响下,其过渡过程随时间的推移逐渐衰减并趋于0,则系统稳定;反之,系统过渡过程随时间的推移而发散,则系统不稳定。
(图5.1.2)讨论:①线性系统稳定性只取决于系统内部结构和参数,是一种自身恢复能力。
与输入量种类、性质无关。
②系统不稳定必伴有反馈作用。
(图5.1.3)若x0(t)收敛,系统稳定;若x0(t)发散,则系统不稳定。
将X0(s)反馈到输入端,若反馈削弱E(s) →稳定若反馈加强E(s) →不稳定③稳定性是自由振荡下的定义。
即x i(t)=0时,仅存在x i(0-)或x i(0+)在x i(t)作用下的强迫运动而系统是否稳定不属于讨论范围。
2、系统稳定的条件:对[a n p n+a n-1p n-1+…a1p+a0]x0(t)=[b m p m+b m-1p m-1+…b1p+b0]x i(t)令B(s)= a n p n+a n-1p n-1+…a1p+a0 A(s)= b m p m+b m-1p m-1+…b1p+b0初始条件:B0(s) A0(s)则B(s)X0(s)- B0(s)= A(s)X i(s)- B0(s)X i(s)=0,由初始条件引起的输出:L-1变换根据稳定性定义,若系统稳定须满足,即z i为负值。
则系统闭环传递函数为假设得到的闭环传递函数三阶特征多项式可分解为令对应项系数相等,有二、高阶系统累试法对于固有传递函数是高于二阶的高阶系统,PID校正不可能作到全部闭环极点的任意配置。
但可以控制部分极点,以达到系统预期的性能指标。
根据相位裕量的定义,有则有则由式可独立地解出比例增益,而后一式包含两个未知参数和,不是唯一解。
通常由稳态误差要求,通过开环放大倍数,先确定积分增益,然后计算出微分增益。
同时通过数字仿真,反复试探,最后确定、和三个参数。
设单位反馈的受控对象的传递函数为试设计PID控制器,实现系统剪切频率,相角裕量。
解:由式,得由式,得输入引起的系统误差象函数表达式为令单位加速度输入的稳态误差,利用上式,可得试探法采用试探法,首先仅选择比例校正,使系统闭环后满足稳定性指标。
然后,在此基础上根据稳态误差要求加入适当参数的积分校正。
积分校正的加入往往使系统稳定裕量和快速性下降,此时再加入适当参数的微分校正,保证系统的稳定性和快速性。
以上过程通常需要循环试探几次,方能使系统闭环后达到理想的性能指标。
齐格勒-尼柯尔斯法(Ziegler and Nichols )对于受控对象比较复杂、数学模型难以建立的情况,在系统的设计和调试过程中,可以考虑借助实验方法,采用齐格勒-尼柯尔斯法对PID调节器进行设计。
用该方法系统实现所谓“四分之一衰减”响应(”quarter-decay”),即设计的调节器使系统闭环阶跃响应相临后一个周期的超调衰减为前一个周期的25%左右。
当开环受控对象阶跃响应没有超调,其响应曲线有如下图的S形状时,采用齐格勒-尼柯尔斯第一法设定PID参数。
对单位阶跃响应曲线上斜率最大的拐点作切线,得参数L 和T,则齐格勒-尼柯尔斯法参数设定如下:(a) 比例控制器:(b) 比例-积分控制器:,(c) 比例-积分-微分控制器:,对于低增益时稳定而高增益时不稳定会产生振荡发散的系统,采用齐格勒-尼柯尔斯第二法(即连续振荡法)设定参数。