第9讲线性系统的时域分析法 3.5线形定常系统的稳定性 对系统进行各类品质指标的分析也必须在系统稳定的前提下进行。 稳定是控制系统能够正常运行的首要条件。 ①分析系统的稳定性问题。 ②提出保证系统稳定的措施,是自动控制理论的基本任务之 3.5.1稳定的基本概念和系统稳定的充要条件 ①基本概念控制系统在实际运行过程中,总会受到外界和内部一些因素的干扰,例 如,负载和能源的波动、系统参数的变化、环境条件的改变等。这些因素总是存在的, 如果系统设计时不考虑这些因素,设计出来的系统不稳定,那这样的系统是不成功的, 需要重新设计,或调整某些参数或结构。 例如:三轴摇摆台的飞车问题是控制系 统不稳定、发散的一个典型实例。指令输入信号50°/s走速率时,输出不跟踪指令,而 是越走越快。陀螺会跟不上,力反馈拉不住。 有关稳定性的定义和理论较多 (1)控制系统稳定性的严格定义和理论阐述是由俄国学者李雅普诺夫于1892年提出的, 它主要用于判别时变系统和非线性系统的稳定性 (2)设一线性定常系统原处于某一平衡状态,若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的 平衡状态,当此扰动撤消后,系统仍能回到原有的平衡状态,则称该系统是稳定的。反 之,系统为不稳定。由此可知:线形系统的稳定性取决于系统的固有特征(结构、参数), 与系统的输入信号无关。 基于稳定性研究的问题是扰动作用去除后系统的运动情况,它与系统的输入信号无关, 只取决于系统本身的特征,因而可用系统的脉冲响应函数来描述。 如果脉冲响应函数是收敛的,即有 lim g(t)=0 (3-52) 表示系统仍能回到原有的平衡状态,因而系统是稳定的。由此可知,系统的稳定与其脉 冲响应函数的收敛是一致的 由于单位脉冲函数的拉氏反变换等于1,所以系统的脉冲响应函数就是系统闭环传递函 数的拉氏反变换。如同上节所假设的那样,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,则式(3-46)可改写为
77 第 9 讲 线性系统的时域分析法 3.5 线形定常系统的稳定性 对系统进行各类品质指标的分析也必须在系统稳定的前提下进行。 稳定是控制系统能够正常运行的首要条件。 ① 分析系统的稳定性问题。 ② 提出保证系统稳定的措施，是自动控制理论的基本任务之一。 3.5.1 稳定的基本概念和系统稳定的充要条件 ①基本概念 控制系统在实际运行过程中，总会受到外界和内部一些因素的干扰，例 如，负载和能源的波动、系统参数的变化、环境条件的改变等。这些因素总是存在的， 如果系统设计时不考虑这些因素，设计出来的系统不稳定，那这样的系统是不成功的， 需要重新设计，或调整某些参数或结构。 例如：三轴摇摆台的飞车问题是控制系 统不稳定、发散的一个典型实例。指令输入信号 50/s 走速率时，输出不跟踪指令，而 是越走越快。陀螺会跟不上，力反馈拉不住。 有关稳定性的定义和理论较多。 ⑴控制系统稳定性的严格定义和理论阐述是由俄国学者李雅普诺夫于 1892 年提出的， 它主要用于判别时变系统和非线性系统的稳定性。 ⑵设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的 平衡状态，当此扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反 之，系统为不稳定。由此可知：线形系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数）， 与系统的输入信号无关。 基于稳定性研究的问题是扰动作用去除后系统的运动情况，它与系统的输入信号无关， 只取决于系统本身的特征，因而可用系统的脉冲响应函数来描述。 如果脉冲响应函数是收敛的，即有 ( ) 0 lim = → g t t (3-52) 表示系统仍能回到原有的平衡状态，因而系统是稳定的。由此可知，系统的稳定与其脉 冲响应函数的收敛是一致的。 由于单位脉冲函数的拉氏反变换等于 1，所以系统的脉冲响应函数就是系统闭环传递函 数的拉氏反变换。如同上节所假设的那样，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，则式(3-46)可改写为
K∏(S+Z) G(s)=p(s)= Ⅱ(s+P)田(S+250aS+Ca) 式中q+2=m式③3-53)用部分公式展开,得g+2r=n9+2=m用部分分式展开 s) B,S+5,Onk) s+P s+ 对上式取拉氏反变换,求得系统的脉冲响应函数为 8(=2Ae-p'+ 2IB e*! cosOn 1-51+CRe"iod sin on 1-5],120 (3-54) jal 由式(3-54)可见,若limg(1)=0即系统稳定,则闭环特征方程式的根须都位于S的左 →0 半平面,每一个特征根不论是是实根还是复根都要具有负实部,这就是系统稳定的充要 条件。如果系统的特征根中只要有一个正实根或一对实部为正的复数根,则其脉冲响应 函数就是发散形式,系统永远不会再回到原有的平衡状态,这样的系统就是不稳定系统。 P52物理系统的输出量只能增加到一定的范围,此后或者受到机械止动装置的限制, 或者系统遭到破坏,也可能当输出量超过一定数值后,系统变成非线性的,(而使线性 微分方程不再适用。)由于非线性因素存在,仅表现为等幅振荡。 稳定 不稳定 实际 理论 5>04 图3-20系统稳定性示意图 以上讨论了在零输入系统的稳定性问题,人们也许会提出这样一个问题: 即一个在零输入下稳定的系统,会不会因某个参考输入信号的加入而使其稳定性受到破 坏?回答是否定的。下面以单位阶跃函数,即R(s)=-,则系统的输出为
78 (3 53) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) 2 2 1 1 1 − + + + + = = = = = k n k n k r k j q j i m i S P S S K S Z G s s 式中 q + 2r = n。式（3−53）用部分公式展开，得 q + 2r = n q+2r=ny 用部分分式展开 = = + + + + − + + = r k k nk nk k k nk k nk k q j j j S S B S C S P A G s 1 2 2 2 1 2 ( ) 1 ( ) 对上式取拉氏反变换，求得系统的脉冲响应函数为 ( ) [ cos 1 sin 1 ] , 0 (3 54) 2 2 1 1 = + − + − − − = = − − g t A e B e t C e t n k k t k k q j r k n k t k p t j j k n k k n k 由式(3-54)可见，若 ( ) 0 lim = → g t t 即系统稳定，则闭环特征方程式的根须都位于 S 的左 半平面，每一个特征根不论是是实根还是复根都要具有负实部，这就是系统稳定的充要 条件。如果系统的特征根中只要有一个正实根或一对实部为正的复数根，则其脉冲响应 函数就是发散形式，系统永远不会再回到原有的平衡状态，这样的系统就是不稳定系统。 P52 物理系统的输出量只能增加到一定的范围，此后或者受到机械止动装置的限制， 或者系统遭到破坏，也可能当输出量超过一定数值后，系统变成非线性的，（而使线性 微分方程不再适用。）由于非线性因素存在，仅表现为等幅振荡。 不 稳 定 稳 定 0.4 4 t s 0 实 际 理 论 图 3-20 系统稳定性示意图 以上讨论了在零输入系统的稳定性问题，人们也许会提出这样一个问题： 即一个在零输入下稳定的系统，会不会因某个参考输入信号的加入而使其稳定性受到破 坏？回答是否定的。下面以单位阶跃函数，即 s R s 1 ( ) = ，则系统的输出为
KI(s+S) G(s)=d(s)= S(s+PIs+25,OnkS+Onk 显然,上式就是上节所述的式(3-47),因而对应的单位阶跃响应表达式就是式(3-49) 由该式可见,等号右方第一项A是系统的稳态分量,它表示在稳态时,系统的输出量 c(完全受输入量(舶控制第二、第三项为系统响应的瞬态分量,它们是由系统的结 构和参数确定的。 如果所研究的系统在零输入下是稳定的,即系统所有的特征根都具有负实部,则输出响 应中各瞬态分量都将随着时间的推移而不断地衰减,经过充分长的时间后,系统的输出 量最终将趋向于稳态分量的一个无限小的领域,系统进入稳态运行。这表明了一个在零 输入下的稳定系统,在参考输入信号作用下仍能将继续保持稳定。 综上所述,控制系统稳定与否完全取决于它本身的结构和参数,即取决于系统特征方程 式根实部的符号,与系统的初始条件和输入无关。如果系统特征方程式的根都具有负实 部,则系统是稳定的。反之,若系统特征方程式的根中有一个或一对以上实部为正的根, 则对应的瞬态分量将随着时间的推移而不断地增大,并成为输出响应的主要成分,而稳 态分量与之相比都变得无足轻重了。显然,这种系统是不稳定的。如果系统特征方程式 的根中有一对共轭虚根,其余的根均在S的左半平面,则对应的系统为临界稳定。此时 系统的响应函数中含有等幅振荡的分量,基于系统的参数和外部环境的变化,这种等幅 振荡不可能持久地维持下去,系统最后很可能会不稳定。因此,在控制工程中通常把临 界稳定亦当作不稳定处理。 3.5.2劳斯稳定判据 3.5.2.1劳斯表 线性系统稳定的充要条件是闭环特征方程式的根必须都位于S的左半平面。能否找 到一种不用求根而直接判别系统稳定性的方式,称为稳定判据 令系统的闭环特征方程为 0 如果方程式的根都是负实部,或其实部为负的复数根,则其特征方程式的各项系数均为 正值,且无零系数 证明、说明:设-P1-P2…为实数根,-a1±B1,-a2±jB2….复数根 其中p1,p2;a2a2…都是正值,则式(-55)改写为 巛(S+BS+P)…[S+a1-BS+a1+B1(S+a2-B2S+a2+jB2)}=0
79 ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) 2 2 1 1 1 k n k n k r k j q j i m i S S P S S K S S G s s + + + + = = = = = (3-47) 显然，上式就是上节所述的式(3-47)，因而对应的单位阶跃响应表达式就是式(3-49)。 由该式可见，等号右方第一项 A0 是系统的稳态分量，它表示在稳态时，系统的输出量 c(t)完全受输入量r(t)的控制。 第二、第三项为系统响应的瞬态分量，它们是由系统的结 构和参数确定的。 如果所研究的系统在零输入下是稳定的，即系统所有的特征根都具有负实部，则输出响 应中各瞬态分量都将随着时间的推移而不断地衰减，经过充分长的时间后，系统的输出 量最终将趋向于稳态分量的一个无限小的领域，系统进入稳态运行。这表明了一个在零 输入下的稳定系统，在参考输入信号作用下仍能将继续保持稳定。 综上所述，控制系统稳定与否完全取决于它本身的结构和参数，即取决于系统特征方程 式根实部的符号，与系统的初始条件和输入无关。如果系统特征方程式的根都具有负实 部，则系统是稳定的。反之，若系统特征方程式的根中有一个或一对以上实部为正的根， 则对应的瞬态分量将随着时间的推移而不断地增大，并成为输出响应的主要成分，而稳 态分量与之相比都变得无足轻重了。显然，这种系统是不稳定的。如果系统特征方程式 的根中有一对共轭虚根，其余的根均在 S 的左半平面，则对应的系统为临界稳定。此时 系统的响应函数中含有等幅振荡的分量，基于系统的参数和外部环境的变化，这种等幅 振荡不可能持久地维持下去，系统最后很可能会不稳定。因此，在控制工程中通常把临 界稳定亦当作不稳定处理。 3.5.2 劳斯稳定判据 3.5.2.1 劳斯表 线性系统稳定的充要条件是 闭环特征方程式的根必须都位于 S 的左半平面。能否找 到一种不用求根而直接判别系统稳定性的方式，称为稳定判据。 令系统的闭环特征方程为 0 0 (3 55) 1 0 2 2 1 0 + 1 + + + − + = − − − a S a S a S an S an a n n n 如果方程式的根都是负实部，或其实部为负的复数根，则其特征方程式的各项系数均为 正值，且无零系数。 证明、说明：设− p1 ,−p2 , 为实数根，−1 j1 ,−2 j2 为复数根 其中 p1 , p2 , ,1 ,2 , 都是正值，则式（3−55）改写为 a0 {(S + P1 )(S + P2 )[(S +1 − j1 )(S +1 + j1 )][(S + 2 − j 2 )(S + 2 + j 2 )]} = 0
即a(S+PXS+P2)…(S2+2a1S+a12+B12)S2+2a2S+a2+B2)}=0(3-56) 因为上式等号左方所有因式的系数都为正(数)值,所以它们相乘后与各次项的系数必 然仍为正值,且不会有系数为零的项。反之,若方程中如有一个根为正实根,或有一对 实部为正的复数根,则由式(3-56)可知,对应方程式与各项的系数不会全为正值,即 定会有负系数项或缺项出现。 不难证明,对于一阶和二阶线性定常系统,其特征方程式的系数全为正值,是系统稳定 的充分条件和必要条件。但对于三阶以上的系统,特征方程式的各项系数均为正值仅是 系统稳定的必要条件,而非充分条件。 劳斯稳定判据就是这种间接的方法(不用直接求根,因为求根很复杂),它是由劳斯 (E…J.oh)于1877年首先提出的。有关劳斯判据自身的数学论证,从略。本节主要 介绍该判据有关的结论及其在判别控制系统稳定性方面的应用 设系统特征方程式如(3-5)所示,将各项系数,按下面的格式排成老斯表 aa s"b b2 b3 b4 d, dd e1 e2 表中 b,==..=-440usb a1a6-d0a7 6.a -a, b b,as-a,b b,a,-a,b b b d,-d1 f1 这样可求得n+l行系数 劳斯稳定判据是根据所列劳斯表第一列系数符号的变化,去判别特征方程式根在S平面 上的具体分布,过程如下
80 {( )( ) [( 2 )][( 2 )] } 0 (3 56) 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 2 即a0 S + P1 S + P2 S + S + + S + S + + = − 因为上式等号左方所有因式的系数都为正（数）值，所以它们相乘后与各次项的系数必 然仍为正值，且不会有系数为零的项。反之，若方程中如有一个根为正实根，或有一对 实部为正的复数根，则由式(3-56)可知，对应方程式与各项的系数不会全为正值，即一 定会有负系数项或缺项出现。 不难证明，对于一阶和二阶线性定常系统，其特征方程式的系数全为正值，是系统稳定 的充分条件和必要条件。但对于三阶以上的系统，特征方程式的各项系数均为正值仅是 系统稳定的必要条件，而非充分条件。 劳斯稳定判据就是这种间接的方法（不用直接求根，因为求根很复杂），它是由劳斯 (E J Routh) 于 1877 年首先提出的。有关劳斯判据自身的数学论证，从略。本节主要 介绍该判据有关的结论及其在判别控制系统稳定性方面的应用。 设系统特征方程式如（3-55）所示，将各项系数，按下面的格式排成老斯表 1 0 1 2 1 1 2 3 2 1 2 3 3 1 2 3 4 2 1 3 5 7 1 0 2 4 6 s f s e e s d d d s c c c s b b b b s a a a a s a a a a n n n n − − − 1 1 2 1 2 1 1 1 7 1 4 3 1 1 5 1 3 2 1 1 3 1 2 1 1 1 6 0 7 3 1 1 4 0 5 2 1 1 2 0 3 1 , , , , e e d d e f b b a a b c b b a a b c b b a a b c a a a a a b a a a a a b a a a a a b − = − = − = − = − = − = − = 表中 这样可求得 n+1 行系数 劳斯稳定判据是根据所列劳斯表第一列系数符号的变化，去判别特征方程式根在 S 平面 上的具体分布，过程如下：
①如果劳斯表中第一列的系数均为正值,则其特征方程式的根都在S的左半平面,相应 的系统是稳定的 ②如果劳斯表中第一列系数的符号有变化,其变化的次数等于该特征方程式的根在S的 右半平面上的个数,相应的系统为不稳定。 例3-5已知一调速系统的特征方程式为 S+41.5S2+517S+2.3×10·=0 试用劳斯判据判别系统的稳定性, 解:列劳斯表 517 SSss 41.52.3×10 38.5 23×104 由于该表第一列系数的符号变化了两次,所以该方程中有二个根在S的右半平面,因而 系统是不稳定的。 例3-6已知某调速系统的特征方程式为 3+41.5S2+517S+16701+K)=0 求该系统稳定的K值范围。 解:列劳斯表 41.51670(1+K)0 41.5×517-1670(1+K) 41.5 1670(1+K) 由劳斯判据可知,若系统稳定,则劳斯表中第一列的系数必须全为正值。 可得 517-40.2(1+K)>0 16701+K)>0 l<K<119 3.5.2.2劳斯判据特殊情况 在应用劳斯判据时,有可能会碰到以下两种特殊情况。 劳斯表某一行中的第一项等于零,而该行的其余各项不等于零或没有余项,这种情况 的出现使劳斯表无法继续往下排列。解决的办法是以一个很小的正数ξ来代替为零的这
81 如果劳斯表中第一列的系数均为正值，则其特征方程式的根都在 S 的左半平面，相应 的系统是稳定的。 如果劳斯表中第一列系数的符号有变化，其变化的次数等于该特征方程式的根在 S 的 右半平面上的个数，相应的系统为不稳定。 例 3-5 已知一调速系统的特征方程式为 41.5 517 2.3 10 0 3 2 4 S + S + S + = 试用劳斯判据判别系统的稳定性。 解：列劳斯表 0 4 1 2 4 3 2.3 10 38.5 41.5 2.3 10 0 1 517 0 − S S S S 由于该表第一列系数的符号变化了两次，所以该方程中有二个根在 S 的右半平面，因而 系统是不稳定的。 例 3-6 已知某调速系统的特征方程式为 41.5 517 1670(1 ) 0 3 2 S + S + S + + K = 求该系统稳定的 K 值范围。 解：列劳斯表 1670(1 ) 0 41.5 41.5 517 1670(1 ) 41.5 1670(1 ) 0 1 517 0 0 1 2 3 S K K S S K S + − + + 由劳斯判据可知，若系统稳定，则劳斯表中第一列的系数必须全为正值。 可得： + − + 1670(1 ) 0 517 40.2(1 ) 0 K K −1 K 11.9 3.5.2.2 劳斯判据特殊情况 在应用劳斯判据时，有可能会碰到以下两种特殊情况。 ·劳斯表某一行中的第一项等于零，而该行的其余各项不等于零或没有余项，这种情况 的出现使劳斯表无法继续往下排列。解决的办法是以一个很小的正数 来代替为零的这
项,据此算出其余的各项,完成劳斯表的排列。 若劳斯表第一列中系数的符号有变化,其变化的次数就等于该方程在S右半平面上根的 数目,相应的系统为不稳定。如果第一列E上面的系数与下面的系数符号相同,则表示 该方程中有一对共轭虚根存在,相应的系统也属不稳定, 例3-7已知系统的特征方程式为S+2S2+S+2=0试判别相应系统的稳定性 解:列劳斯表 0(E) 由于表中第一列E上面的符号与其下面系数的符号相同,表示该方程中有一对共轭虚根 存在,相应的系统为不稳定。 劳斯表中出现全零行 则表示相应方程中含有一些大小相等符号相反的实根或共轭虚根。这种情况,可利用系 数全为零行的上一行系数构造一个辅助多项式,并以这个辅助多项式导数的系数来代替 表中系数为全零的行。完成劳斯表的排列。这些大小相等、径向位置相反的根可以通过 求解这个辅助方程式得到,而且其根的数目总是偶数的。例如,一个控制系统的特征方 程为 s6+2s5+8s4+12s3+20s2+16s+16=0 列劳斯表 0 16 0 16 8 F(s) 由于s3这一行全为0,用上一行组成辅助多项式 dF(s)=853+245 由上表可知,第一列的系数均为正值,表明该方程在S右半平面上没有特征根。令 F(s)=0,F(s)=2s4+12s2+16s=2(s4+6s2+8)=2(s2+2)s2+4)=0
82 项，据此算出其余的各项，完成劳斯表的排列。 若劳斯表第一列中系数的符号有变化，其变化的次数就等于该方程在 S 右半平面上根的 数目，相应的系统为不稳定。如果第一列 上面的系数与下面的系数符号相同，则表示 该方程中有一对共轭虚根存在，相应的系统也属不稳定。 例 3-7 已知系统的特征方程式为 2 2 0 3 2 S + S + S + = 试判别相应系统的稳定性。 解：列劳斯表 2 0( ) 2 2 1 1 0 1 2 3 S S S S 由于表中第一列 上面的符号与其下面系数的符号相同，表示该方程中有一对共轭虚根 存在，相应的系统为不稳定。 ·劳斯表中出现全零行 则表示相应方程中含有一些大小相等符号相反的实根或共轭虚根。这种情况，可利用系 数全为零行的上一行系数构造一个辅助多项式，并以这个辅助多项式导数的系数来代替 表中系数为全零的行。完成劳斯表的排列。这些大小相等、径向位置相反的根可以通过 求解这个辅助方程式得到，而且其根的数目总是偶数的。例如，一个控制系统的特征方 程为 2 8 12 20 16 16 0 6 5 4 3 2 s + s + s + s + s + s + = 列劳斯表 16 0 3 8 6 16 8 24 0 0 0 2 12 16 2 12 16 0 1 8 20 16 0 1 2 3 4 5 6 S S S S S S S F(s) 2s 12s 16s 4 2 = + + 由于 3 s 这一行全为 0，用上一行组成辅助多项式 s s ds dF s 8 24 ( ) 3 = + 由上表可知，第一列的系数均为正值，表明该方程在 S 右半平面上没有特征根。令 F(s)=0， ( ) 2 12 16 2( 6 8) 2( 2)( 4) 0 4 2 4 2 2 2 F s = s + s + s = s + s + = s + s + =
求得两对大小相等、符号相反的根±八√2,±P2,显然这个系统处于临界稳定状态。 3.5.2.3劳斯判据的应用 稳定判据只回答特征方程式的根在S平面上的分布情况,而不能确定根的具体数据。也 即也不能保证系统具备满意的动态性能。换句话说,劳斯判据不能表明系统特征根在S 平面上相对于虚轴的距离。希望S左半平面上的根距离虚轴有一定的距离。设 s=s1-a=z-a,并代入原方程式中,得到以s1为变量的特征方程式,然后用劳斯判据 去判别该方程中是否有根位于垂线s=-a,右侧。由此法可以估计一个稳定系统的各根 中最靠近右侧的根距离虚轴有多远,从而了解系统稳定的“程度”。 例3-8用劳斯判据检验下列特征方程2S°+105-+13S+4=0是否有根在S的右半平面 上,并检验有几个根在垂线S=-1的右方。 解:列劳斯表 130-8 =12.2 第一列全为正,所有的根均位于左半平面,系统稳定 令S=2-1代入特征方程 2(Z-1)3+10(Z-1)2+3(Z-1)+4=0 2Z3+4Z2-2-1=0式中有负号,显然有根在S=-1的右方。 列劳斯表
83 s1,2 = j 2 s3,4 = j2 求得两对大小相等、符号相反的根 j 2 , j2 ，显然这个系统处于临界稳定状态。 3.5.2.3 劳斯判据的应用 稳定判据只回答特征方程式的根在 S 平面上的分布情况，而不能确定根的具体数据。也 即也不能保证系统具备满意的动态性能。换句话说，劳斯判据不能表明系统特征根在 S 平面上相对于虚轴的距离。希望 S 左半平面上的根距离虚轴有一定的距离。设 s = s1 − a = z − a ，并代入原方程式中，得到以 1 s 为变量的特征方程式，然后用劳斯判据 去判别该方程中是否有根位于垂线 s = −a ，右侧。由此法可以估计一个稳定系统的各根 中最靠近右侧的根距离虚轴有多远，从而了解系统稳定的“程度”。 1 s −a 0 例 3-8 用劳斯判据检验下列特征方程 2 10 13 4 0 3 2 S + S + S + = 是否有根在 S 的右半平面 上，并检验有几个根在垂线 S = −1 的右方。 解：列劳斯表 4 12.2 10 130 8 10 4 2 13 0 1 2 3 S S S S = − 第一列全为正，所有的根均位于左半平面，系统稳定。 令 S = Z −1 代入特征方程： 2( 1) 10( 1) 3( 1) 4 0 3 2 Z − + Z − + Z − + = 2 4 1 0 3 2 Z + Z − Z − = 式中有负号，显然有根在 S = −1 的右方。 列劳斯表
第一列的系数符号变化了一次,表示原方程有一个根在垂直直线=-1的右方 可确定系统一个或两个可调参数对系统稳定性的影响 例3-9已知一单位反馈控制系统如图3-21所示,试回答 (1)G(s)=1时,闭环系统是否稳定? K,(s+1 (2)G2(S)= ①②时,闭环系统的稳定条件是什么? S R(S) C(s) G2( s(S+5)s+10 图3-21单位反馈控制系统方块图 解:(1)G2(S)=1时,闭环系统的特征方程为 S(S+5(S+10)+20=0 S3+15S2+50S+20=0 排劳斯表 750-20 第一列均为正值,S全部位于左半平面,故系统稳 定 K,(S+ 1) (2)G(s) 20K,(S+1) (s)G(s)= 开环传递函数 S(S+5)(S+10) 闭环特征方程为S(S+5)s+10)+206(s+1)=0
84 1 2 1 4 1 2 1 0 1 2 3 − − − − S S S S 第一列的系数符号变化了一次，表示原方程有一个根在垂直直线 S = −1 的右方。 可确定系统一个或两个可调参数对系统稳定性的影响。 例 3-9 已知一单位反馈控制系统如图 3-21 所示，试回答 ⑴ Gc (s) =1 时，闭环系统是否稳定？ ⑵ s K s G s p c ( 1) ( ) + = 时，闭环系统的稳定条件是什么？ R(s) C(s) K st ( 5（) 10） 20 — s s + s + G (s) c 图 3-21 单位反馈控制系统方块图 解：⑴ Gc (s) =1 时，闭环系统的特征方程为 15 50 20 0 ( 5)( 10) 20 0 3 2 + + + = + + + = S S S S S S 排劳斯表 20 15 750 20 15 20 1 50 0 1 2 3 S S S S − 第一列均为正值，S 全部位于左半平面，故系统稳 定。 ⑵ s K s G s p c ( 1) ( ) + = 时 开环传递函数 ( 5)( 10) 20 ( 1) ( ) ( ) 2 + + + = S S S K S G s G s p c 闭环特征方程为 ( 5)( 10) 20 ( 1) 0 2 S S + S + + Kp S + =
S4+15S3+50S2+20KS+20K=0 列劳斯表(劳思表)皱褶 5020K 20K 750-20K 20K 15 750-20K 20K-15×20K9 (750-20Kp)/15 20K 欲使系统稳定第一列的系数必须全为正值,即K。>0 750-20K>0 K0525-20K>0 由此得出系统稳定的条件为0<Kn<265 3.6线性系统的稳态误差计算 前提:系统稳定 个符合工程要求的系统,其稳态误差必须控制在允许的范围之内。例如工业加热炉的 炉温误差若超过其允许的限度,就会影响加工产品的质量。又如造纸厂中卷绕纸张的恒 张力控制系统,要求纸张在卷绕过程中张力的误差保持在某一允许的范围之内。若张力 过小,就会出现松滚现象,而张力过大,又会促使纸张的断裂。→重要性能指标 控制系统的性能是由动态性能和稳态性能两部分组成的 动态性能t,y,p,12,o%5,On,O 稳态性能 稳态误差的不可避免性①输入量(控制量),扰动量不同,输入函数的形式不同(阶跃、 斜坡、或加速度),控制系统的输出不可能在任何情况下都与输入量一致或相当,也不 可能在任何形式的扰动作用下都准确地恢复到原平衡位置。②控制系统中不可避免存在 摩擦,不灵敏区,零位输出等非线性因素,都会造成附加的稳态误差 无差系统:在阶跃函数作用下没有原理性稳态误差的系统称之无差系统 有差系统:在阶跃函数作用下具有原理性稳态误差的系统称之有差系统
85 15 50 20 20 0 4 3 2 S + S + S + Kp S + Kp = 列劳斯表（劳思表）皱褶 p p p p p p p s K K K K K s K K s s K s Kp 20 (750 20 )/15 20 15 20 15 750 20 20 15 750 20 15 20 0 1 50 20 0 9 1 2 3 4 − − − − 欲使系统稳定第一列的系数必须全为正值，即 K p 0 750 − 20Kp 0 Kp 37.5 15 0 525 20 0 15 750 20 0 15 750 20 15) 15 750 20 20 ( − − − − − − p p p p p K K K K K K p 26.5 由此得出系统稳定的条件为 0 K p 26.5 3.6 线性系统的稳态误差计算 前提：系统稳定 一个符合工程要求的系统，其稳态误差必须控制在允许的范围之内。例如工业加热炉的 炉温误差若超过其允许的限度，就会影响加工产品的质量。又如造纸厂中卷绕纸张的恒 张力控制系统，要求纸张在卷绕过程中张力的误差保持在某一允许的范围之内。若张力 过小，就会出现松滚现象，而张力过大，又会促使纸张的断裂。→重要性能指标。 控制系统的性能是由动态性能和稳态性能两部分组成的。 动态性能 d r p s n d t ,t ,t ,t , %,, , 稳态性能 ss e 稳态误差的不可避免性 ①输入量（控制量），扰动量不同，输入函数的形式不同（阶跃、 斜坡、或加速度），控制系统的输出不可能在任何情况下都与输入量一致或相当，也不 可能在任何形式的扰动作用下都准确地恢复到原平衡位置。②控制系统中不可避免存在 摩擦，不灵敏区，零位输出等非线性因素，都会造成附加的稳态误差。 无差系统：在阶跃函数作用下没有原理性稳态误差的系统称之无差系统。 有差系统：在阶跃函数作用下具有原理性稳态误差的系统称之有差系统
∫系统结构-系统类型 本节主要讨论(输入作用形式 原理性误差的计算方法 非线性因素→附加稳态误差 3.6.1稳态误差的定义 R E(s) C(s) H(S) 图3-22控制系统框图 E(s)=R(s)-H(s)C(s)(3-56 在实际系统中是可以量测的。 E(s=C(s)-C (3-57) 输出的实际值 输出的希望值(真值很难得到),可举例说明 如果H(s)=1,输出量的希望值,即为输入量R(s) 由图3-22可得误差传递函数Φ2(s) E(s) (3-58) R(S) 1+H(SG(s) E(s)=中2(S)Rs)=-R(S) 1+H(s)G(s) ()=Lp()R(s)(3 插入二阶系统a=25=040)=2+16+4分别在斜坡输入和阶跃输入作用下的 响应的误差曲线,说明不同的输入对同一个系统所产生的误差是不同的。 终值定理,求稳态误差。 ess (oo)=e=lim sE(s)=lm 1+H(S)G(S) (3-61) 公式条件:sE(s)的极点均位于S左半平面(包括坐标原点) 式(3-61)表明,系统的稳态误差,不仅与开环传递函数G(s)H(s)的结构有关,还与输入
86 本节主要讨论 − 输入作用形式 系统结构 系统类型 原理性误差的计算方法 非线性因素 →附加稳态误差 3.6.1 稳态误差的定义 R(s) C(s) G(s) H(s) E(s) G(s) 图 3-22 控制系统框图 E(s) = R(s) − H(s)C(s) (3-56) 在实际系统中是可以量测的。 E(s) C (s) C(s) = s − (3-57) 输出的实际值 输出的希望值（真值很难得到），可举例说明。 如果 H(s) = 1 ，输出量的希望值，即为输入量 R(s)。 由图 3-22 可得误差传递函数 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) R s H s G s E s s def e + = = (3-58) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) H s G s R s E s s R s e + = = (3-59) ( ) [ ( ) ( )] 1 e t L s R s = e − (3-60) 插入 二阶系统 n = 2 = 0.4 1.6 4 4 ( ) 2 + + = s s s 分别在斜坡输入和阶跃输入作用下的 响应的误差曲线，说明不同的输入对同一个系统所产生的误差是不同的。 终值定理，求稳态误差。 1 ( ) ( ) ( ) ( ) lim ( ) lim 0 0 H s G s sR s e e sE s s s ss ss + = = = → → (3-61) 公式条件： sE(s) 的极点均位于 S 左半平面（包括坐标原点） 式(3-61)表明，系统的稳态误差，不仅与开环传递函数 G(s)H(s) 的结构有关，还与输入