Лекции.Орг


Поиск:




Критерий устойчивости Найквиста




Этот критерий позволяет исследовать устойчивость замкнутой системы по частотным характеристикам разомкнутой системы, которые можно получить как аналитически, так и экспериментально. Эти обстоятельства выгодно отличают рассматриваемый критерий от ранее изложенных. Заметим, что критерий Найквиста применим только для систем с единичной обратной связью.

Пусть передаточная функция разомкнутой системы регулирования

, (6.30)

где Dp(p) - характеристический полином разомкнутой системы.

Передаточная функция системы, замкнутой единичной обратной связью, будет иметь вид:

, (6.31)

где

, (6.32)

Числитель выражения (6.32) представляет характеристический полином замкнутой системы, знаменатель - характеристический полином разомкнутой системы. При этом соблюдается условие m<n, где m - степень характеристического полинома K(p), а n - степень характеристического полинома D(p). Выполнение этого условия обеспечивает удовлетворение равенства

. (6.33)

Рассмотрим три случая состояния разомкнутой системы: устойчива, неустойчива и находится на границе устойчивости, причем в последнем случае характеристическое уравнение разомкнутой системы Dp(p)=0 имеет нулевой порядок астатизма n, т.е. Dp(p)=pn×D1(p).

1.Система в разомкнутом состоянии устойчива.

Согласно критерию Михайлова, изменение аргумента характеристического полинома устойчивой разомкнутой системы, при изменении v от 0 до ¥

.

Если потребовать, чтобы система и в замкнутом состоянии должна оставаться устойчивой, то должно быть удовлетворено равенство:

.

Тогда из (6.32) следует

(6.34)

Таким образом, система автоматического регулирования устойчива, если изменение аргумента вектора F(jv) при изменении v от 0 до ¥ равно 0. Это означает, что годограф F(jv) (рисунок 6.8, а, кривая 1) для устойчивой системы не охватит начало координат и, наоборот, для неустойчивой системы охватит точку с координатами (0, j0) (рисунок 6.8, а, кривая 2). Поскольку F(jv) отличается от Wp(jv) на +1, то условие устойчивости можно получить непосредственно для характеристики Wp(jv) (рисунок 6.8, б).

Приведем формулировку критерия Найквиста для этого случая.

Для устойчивой замкнутой системы автоматического регулирования необходимо и достаточно, чтобы частотный годограф комплексного коэффициента передачи (частотной передаточной функции) разомкнутой системы Wp(jv) при изменении v от 0 до ¥ не охватывая точку (-1, j0).

 

Рисунок 6.8 Амплитудно-фазовая характеристика, соответствующая устойчивой и неустойчивой системе

 

Применим критерий Найквиста для определения предельного коэффициента усиления разомкнутой системы, представленной на рисунке 6.3. Для этого структурную схему преобразуем к виду показанному на рисунке 6.9.

Чтобы определить значение Kкр, необходимо найти значение Kр, при котором годограф проходит через точку (-1; j0), т.е. решить уравнение

, (6.35)

или

(6.36)

Представив (6.36) в виде действительной и мнимой части, получим:

(6.37)

Рисунок 6.9 Структурная схема

 

Очевидно, что в выражении (6.37) мнимая часть должна быть равна нулю. Это возможно при соблюдении условия

, (6.38)

Подставляя (6.38) в (6.37) получим

, (6.39)

что совпадает с (6.16).

 

2.Система в разомкнутом состоянии неустойчива.

При рассмотрении многоконтурных или одноконтурных САУ они могут оказаться неустойчивыми в разомкнутом состоянии, т.е. характеристическое уравнение разомкнутой системы может иметь правые корни.

Пусть система в разомкнутом состоянии неустойчива, при этом характеристическое уравнение разомкнутой системы имеет a корней в правой полуплоскости. Тогда результирующий угол поворота вектора Dp(jv) будет складываться из следующих составляющих:

1) n-a «левых» корней при изменении v от 0 до ¥ обеспечат угол поворота ;

2) a «правых» корней обеспечат отрицательный угол поворота ;

, (6.40)

Если потребовать, чтобы в замкнутом состоянии система была устойчива, то должно выполняться равенство

. (6.41)

При этом с учетом (6.33)

, (6.42)

Отсюда следует формулировка критерия Найквиста: для устойчивости замкнутой системы автоматического регулирования, неустойчивой в разомкнутом состоянии, необходимо и достаточно, чтобы частотный годограф комплексного коэффициента передачи разомкнутой системы Wp(jv) при изменении v от 0 до ¥ охватывая раз в положительном направлении точку (-1; j0), где a - число корней характеристического уравнения разомкнутой системы, лежащих в правой полуплоскости. Очевидно, что формулировка критерия Найквиста для первого случая является частным случаем (a=0) только что приведенной формулировки.

3.Система в разомкнутом состоянии находится на границе устойчивости.

Передаточная функция в разомкнутом состоянии

, (6.43)

где n - число нулевых корней характеристического уравнения системы в разомкнутом состоянии. Этот случай соответствует астатической САУ, причем n - порядок астатизма.

В этом случае принцип аргумента, положенный в основу критерия Найквиста не рассматривает варианты, когда корни находятся на мнимой оси. Рассмотрим возможность применения критерия Найквиста для этого случая.

Произведем искусственный сдвиг нулевых корней (pi=±a) с последующим предельным переходом (a®0). Тогда при n=1 передаточную функцию (6.43) можно записать в виде:

, (6.44)

При этом интегрирующее звено превратилось в инерционное с постоянной времени и коэффициентом усиления равным 1/a. Это соответствует смещению влево нулевого корня (рисунок 6.10, а). Частотные годографы Wp(jv) и Wp1(jv) (рисунок 6.10, б) близки друг к другу. При a®0 они совпадают на всех частотах, кроме v=0. Годограф Wp1(jv) отличается от Wp(jv) наличием дуги бесконечного радиуса, проходящей через IV квадрант и приводящей годограф при v®0 к действительной положительной полуоси (рисунок 6.10, в). Эту часть годографа называют дополнением в бесконечности.

Аналогично строятся измененные частотные годографы при n=2,3. В этом случае дополнение проходит через число квадрантов, равное порядку астатизма, т.е. дуга бесконечно большого радиуса описывает угол в отрицательном направлении вокруг начала координат (рисунок 6.10, г).

Для частотных годографов разомкнутых систем, дополненных в бесконечности, можно пользоваться первой формулировкой критерия Найквиста.

Для устойчивой замкнутой системы автоматического регулирования, которая в разомкнутом состоянии находится на границе устойчивости, имея нулевые корни характеристического уравнения, необходимо и достаточно, чтобы частотный годограф комплексного коэффициента передачи разомкнутой системы Wp(jv), дополненный в бесконечности, при изменении v от 0 до ¥ не охватывал точку (-1; j0).

Наиболее общая формулировка критерия Найквиста основана на подсчете числа переходов частотного годографа через отрицательную действительную полуось от -1 до -¥. При этом переход считается положительным, если при возрастании v годограф переходит из верхней полуплоскости в нижнюю и отрицательным, если годограф переходит из нижней полуплоскости в верхнюю.

 

Рисунок 6.10 Частотные годографы

 

Для устойчивости замкнутой системы автоматического регулирования необходимо и достаточно, чтобы разность между числами положительных и отрицательных переходов частотного годографа комплексного коэффициента передачи разомкнутой системы Wp(jv) через отрицательную действительную полуось от -1 до -¥ была равна a/2, где a число корней характеристического уравнения разомкнутой системы, лежащих в правой полуплоскости.

Для систем находящихся в разомкнутом состоянии на границе устойчивости с нулевыми корнями характеристического уравнения, число a считается равным нулю, а годограф Wp(jv) берется с дополнением в бесконечности.

Рисунок 6.11 Частотные годографы

 





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-10-06; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 645 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Люди избавились бы от половины своих неприятностей, если бы договорились о значении слов. © Рене Декарт
==> читать все изречения...

1020 - | 838 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.009 с.