- •Теория автоматического управления и регулирования
- •2005 Введение
- •1. Общие сведения о системах автоматического регулирования
- •1.1. Основные задачи
- •1.2. Понятие об автоматическом регулировании
- •1.3. Разомкнутые и замкнутые системы автоматического регулирования
- •1.4. Системы автоматической стабилизации
- •1.5. Следящие системы
- •1.6. Понятие о непрерывных и прерывистых системах
- •Контрольные вопросы
- •2. Линейные и нелинейные системы автоматического регулирования. Общий метод линеаризации
- •2.1. Общие положения
- •2.2. Общий метод линеаризации
- •Контрольные вопросы
- •3. Динамические звенья и их характеристики
- •3.1. Общие положения
- •3.2. Временные характеристики звеньев
- •3.3. Частотные характеристики звеньев
- •3.4. Логарифмические частотные характеристики звеньев
- •3.5. Безынерционное звено
- •3.6. Апериодическое звено первого порядка
- •3.7. Апериодическое звено второго порядка
- •3.8. Идеальное интегрирующее звено
- •3.9. Инерционное интегрирующее звено
- •3.10. Идеальное дифференцирующее звено
- •3.11. Реальное дифференцирующее звено
- •3.12. Неустойчивые звенья
- •Контрольные вопросы
- •4. Составление и анализ исходных дифференциальных уравнений Систем Автоматического регулирования
- •4.1. Общий метод составления исходных уравнений
- •4.2. Передаточные функции систем автоматического регулирования
- •4.3. Составление уравнений на основе типовых звеньев
- •Контрольные вопросы
- •5. Устойчивость линейных систем автоматического регулирования
- •5.1. Понятие об устойчивости линейных систем
- •5.2. Алгебраический критерий устойчивости
- •1. Уравнение первого порядка
- •2. Уравнение второго порядка
- •3. Уравнение третьего порядка
- •4. Уравнение четвертого порядка
- •5.3. Критерий устойчивости Михайлова
- •5.4. Определение устойчивости по логарифмическим характеристикам
- •Контрольные вопросы
- •6. Построение кривой переходного процесса в системе автоматического регулирования
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Классический метод
- •6.3. Метод трапецеидальных вещественных характеристик
- •Контрольные вопросы
- •7. Оценка качества регулирования
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Точность в типовых режимах
- •7.3. Определение показателей качества регулирования по переходной характеристике
- •7.4. Приближенная оценка вида переходного процесса по вещественной частотной характеристике
- •7.5. Корневые методы
- •7.6. Частотные критерии качества
- •Контрольные вопросы
- •8. Элементы синтеза систем автоматического регулирования
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Метод логарифмических амплитудных характеристик
- •8.3. Синтез последовательного корректирующего устройства
- •Контрольные вопросы
- •9. Нелинейные Системы автоматического регулирования
- •9.1. Методы исследования процессов в нелинейных системах
- •9.2. Метод фазовой плоскости
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Рекомендуемый Библиографический список
5.2. Алгебраический критерий устойчивости
Задача отыскания критерия устойчивости для систем, описываемых дифференциальными уравнениями любого порядка, была сформулирована Максвеллом в 1868 г. Эта же задача была впервые решена Раусом в 1877 г. для уравнений четвертой и пятой степени.
Поскольку критерий Рауса был разработан в форме алгоритма, определяющего последовательность математических операций, необходимых для решения задачи, использование его на практике было не удобным. Поэтому большее распространение получил критерий устойчивости, сформулированный в 1895 г. А. Гурвицем по просьбе словацкого профессора Стодолы, занимавшегося регулированием процессов в турбинах.
Рассмотрим без доказательства критерий устойчивости Гурвица.
Для характеристического уравнения (5.7) составим квадратную матрицу (таблицу) коэффициентов, содержащую n строк и nстолбцов.
При построении матрицы руководствуются следующими правилами.
1. По диагонали от левого верхнего до правого нижнего углов выписываются все коэффициенты по порядку от а1 до аn.
2. Каждая строка дополняется коэффициентами с возрастающими индексами слева направо так, чтобы чередовались строки с нечетными и четными индексами.
3. В случае отсутствия данного коэффициента, если индекс меньше нуля или больше n, на месте его пишется нуль.
(5.12)
Критерий устойчивости сводится к тому, что при а0> 0 должны быть больше нуля все n определителей Гурвица, полученных из квадратной матрицы коэффициентов.
Определители Гурвица составляются по следующему правилу (5.12).
; (5.13)
; (5.14)
. (5.15)
Последний определитель Δnвключает в себя всю матрицу. Но так как в последнем столбце матрицы все элементы, кроме нижнего, равны нулю, то последний определитель выражается через предпоследний следующим образом:
Δn= аnΔn-1. (5.16)
Но в устойчивой системе предпоследний определитель тоже должен быть больше нуля, поэтому условие положительности последнего определителя сводится к аn> 0.
Условия нахождения системы на границе устойчивости можно получить, приравнивая нулю последний определитель Δn= 0, при положительности всех остальных определителей. Как следует из (5.16), это условие распадается на два: аn= 0 и Δn-1= 0. Первое условие соответствует границе устойчивости первого типа (апериодическая граница устойчивости) и второе – границе второго типа (колебательная граница устойчивости).
Развертывая 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.
Частные случаи критерия Гурвица.
1. Уравнение первого порядка
. (5.17)
Для этого уравнения имеем:
, (5.18)
то есть коэффициенты характеристического уравнения должны быть положительными.
2. Уравнение второго порядка
. (5.19)
Для этого уравнения имеем:
. (5.20)
Последний определитель, как отмечалось ранее, сводится к условию положительности последнего коэффициента а2> 0.
Таким образом, и для уравнения второго порядка необходимым и достаточным условием устойчивости является положительность всех коэффициентов характеристического уравнения.