Полная версия

Главная arrow Техника arrow Автоматическое управление

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Критерий устойчивости Гурвица

В 1895 г. швейцарским ученым А. Гурвицем был предложен критерий, определяющий условия, которым должны удовлетворять коэффициенты характеристического уравнения системы для обеспечения отрицательности вещественных частей корней ее характеристического уравнения.

Приведем формулировку критерия Гурвица без доказательства. Так как характеристическое уравнение всегда может быть приведено к виду, когда а„ >0, то можно дать следующую формулировку критерия Гурвица.

Для того, чтобы система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы определитель Гурвица и все его диагональные миноры были положительными.

Если характеристическое уравнение системы w-ro порядка имеет вид:

то определитель Гурвица, составленный из коэффициентов характеристического уравнения, будет иметь вид:

а его диагональные миноры, определяемые из определителя Гурвица так, как показано в (6.8), будут иметь вид:

и т. д.

Для составления определителя Гурвица из коэффициентов характеристического уравнения п-й степени целесообразно сначала выписать по главной диагонали определителя все коэффициента уравнения от ап_, до а0 в порядке убывания индексов коэффициентов. Затем необходимо дополнить столбцы определителя вверх и вниз от элементов главной диагонали. При дополнении столбцов вверх следует вписать в столбец коэффициенты с последовательно убывающими индексами, а при дополнении вниз — коэффициенты с последовательно возрастающими индексами. На место коэффициентов, индексы которых больше чем п и меньше чем нуль, необходимо поставить нули. Условия устойчивости системы порядка п по данному критерию запишутся в виде:

Элементы последнего столбца определителя, за исключением нижнего, будут равны нулю. Поэтому он может быть представлен в следующем виде:

Так как для устойчивой системы Дя_, > 0, то условие Д„ > О сводится к условию а0 > 0.

Для получения условий нахождения системы на границе устойчивости необходимо Д п приравнять нулю, т. е. Д„ =0, соблюдая при этом условие положительности всех остальных определителей (миноров). Но условие Д„ =я0Д„_, =0 распадается на два условия:

и

Условие (6.10) соответствует границе устойчивости, когда характеристическое уравнение имеет нулевой корень (апериодическая граница устойчивости). Условие (6.11) соответствует границе устойчивости, когда характеристическое уравнение имеет пару чисто мнимых корней (колебательная граница устойчивости).

Значения параметров систем управления, при которых система находится на границе устойчивости, будем называть критическими значениями параметров.

Рассмотрим определение условий устойчивости для систем 1-, 2- и 3-го порядков, используя критерий устойчивости Гурви- ца. При этом считаем, что характеристическое уравнение системы приведено к виду, когда ап > 0.

1. Система управления, движение которой описывается уравнением первого порядка. Ее характеристическое уравнение имеет вид:

Условия устойчивости:

2. Система управления, движение которой описывается уравнением второго порядка. Ее характеристическое уравнение имеет вид:

Условия устойчивости:

или а]0> 0, но так как а, > 0, то для того чтобы Д2 = а, • а0 > О, необходимо, чтобы а0 > 0.

Таким образом, необходимым и достаточным условием устойчивости систем 1-го и 2-го порядков является положительность коэффициентов их характеристических уравнений, что подтверждает выводы, сделанные в предыдущем параграфе.

3. Система управления, движение которой описывается уравнением 3-го порядка. Ее характеристическое уравнение имеет вид:

Условия устойчивости по Гурвицу имеют вид:

или

Так как Д2 >0, то для выполнения последнего неравенства необходимо, чтобы аа > 0.

Окончательно условия устойчивости по критерию Гурвица для данной системы выглядят следующим образом:

Полученный результат подтверждает ранее сделанный вывод, что положительность коэффициентов является только необходимым, но недостаточным условием устойчивости для систем третьего и выше порядков.

Рассмотрим для примера исследование устойчивости системы управления, уравнение движения которой имеет вид:

Характеристическое уравнение исследуемой системы имеет вид:

Все коэффициенты характеристического уравнения положительные, поэтому необходимое условие устойчивости выполняется.

Составляем определитель Гурвица по ранее изложенному правилу:

Условия устойчивости:

Следовательно, исследуемая система неустойчивая.

Применение критерия устойчивости Гурвица ограничено рядом присущих ему недостатков. Во-первых, применение этого критерия требует знания всех коэффициентов характеристического уравнения системы, т. е. всех параметров системы, что крайне неудобно при экспериментальных исследованиях систем, так как обычно характеристики рассматриваемой системы определяются из испытаний разомкнутой системы. Во-вторых, критерий устойчивости Гурвица позволяет определить, устойчива система или нет, но не позволяет определить, как следует изменить параметры системы, чтобы сделать систему устойчивой, если она неустойчивая. И, наконец, применение критерия Гурвица для системы высокого порядка связано со значительными математическими трудностями, особенно, если необходимо получить буквенный результат. Значительными достоинствами по сравнению с этим критерием обладают частотные критерии устойчивости.

Контрольные вопросы

  • 1. Записать условия устойчивости по Гурвицу в общем виде для систем 5-го порядка.
  • 2. Определить критическое значение передаточного коэффициента системы, передаточная функция которой в разомкнутом состоянии имеет вид:

3. Исследовать устойчивость системы, характеристическое уравнение которой имеет вид: Х6 + 6XS + 15А.4 + 20Х3 +15А2 + 6Х + 1 = 0. Ответ: система устойчивая.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>