khảo sát tính ổn định của hệ...
TRANSCRIPT
110/31/2014
Chương 4
4.1_ Khái niệm tính ổn định
4.2_ Tiêu chuẩn ổn định đại số
(Routh, Hurwitz)
4.3_ Tiêu chuẩn ổn định tần số
(Nyquist, Bode)
4.4_ Phương pháp quỹ đạo nghiệm
Khảo sát tính ổn định
của hệ thống
210/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Ổn định là yêu cầu cơ bản của hệ thống ĐKTĐ.
Ổn định BIBO: (Bound Input- Bound Output, vào chặn ra chặn)
Hệ thống được gọi là ổn định BIBO nếu với tín hiệu vào hữu hạn
thì tín hiệu ra cũng hữu hạn. Tức là nếu |r(t)|< thì |y(t)|< .
Ví dụ: hệ ổn định BIBO với r(t) = 1(t) thì y() = const.
Hệ thốngr(t) y(t)
Hệ ổn định không ổn định giới hạn ổn định
310/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Ổn định tiệm cận (Lyapunov): Hệ ổn định tiệm cận nếu
như khi có nhiễu tức thời đánh bật hệ ra khỏi trạng thái
cân bằng thì sau đó hệ có khả năng tự quay về trạng thái
cân bằng ban đầu.
Hệ ổn định giới hạn ổn địnhkhông ổn định
Với hệ tuyến tính thì hai khái niệm ổn định nêu trên là
tương đương. Hệ tuyến tính đạt ổn định BIBO thì cũng
sẽ ổn định tiệm cận và ngược lại.
410/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Xét hệ thống tuyến tính có PTVP:
y0(t)_ là nghiệm riêng của PTVP.
yqđ(t)_ Là nghiệm tổng quát của PTVP khi vế phải bằng 0.
y(t) = y0(t) + yqđ (t)
1 1
1 0 1 01 1
n n
n nn n
m m
m mm m
d y d y d r d ra a ... a y(t) b b ... b r(t)
dt dt dt dt
Đáp ứng của hệ cũng là nghiệm PTVP:
Ta thấy nếu r(t) hữu hạn thì y0(t) cũng hữu hạn, nên:
Tính ổn định của hệ chỉ phụ thuộc thành phần quá độ yqđ(t).
VD1, xét hệ có ptvp: 5 ( ) ( ) 2 ( )y t y t r t
Với r=1(t) thì y(t)= 2-2e-t/5 trong đó y0(t)=2 ; yqđ(t)=-2e-t/5
VD2, xét hệ có ptvp: ( ) 2 ( ) 5 ( ) 5 ( ) 5 ( )y t y t y t r t r t
y(t)= 1-e-tcos2t+2e-tsin2t = 1-(1/2+j)e(-1+2j)t - (1/2-j)e(-1-2j)t
510/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Từ nhận xét nêu trên ta có thể định nghĩa cách khác về ổn định:
Một hệ thống tuyến tính được gọi là ổn định nếu quá trình quá
độ tắt dần theo thời gian. Hệ thống không ổn định nếu QTQĐ tăng
dần. Hệ thống ở giới hạn ổn định nếu QTQĐ không đổi hoặc dao
động với biên độ không đổi .
Tổng quát:
Ci _là hằng số phụ thuộc thông số của hệ và điều kiện đầu.
si _là nghiệm của phương trình đặc tính:
si cũng gọi là cực của hệ thống.
si có thể là số thực (=i) hay số phức (=i ji)
1
1 0... 0n nn na s a s a
Hệ ổn định 1
0i
ns t
it t
i
lim (t) lim C e
qñy
1
( ) i
ns t
i
i
y t C e
qñ
610/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Hệ ổn định Không ổn định Giới hạn ổn định
- Hệ ổn định Mọi si có phần thực<0 Mọi si là nghiệm trái.
- Hệ không ổn định si có ph.thực>0 si là nghiệm phải.
- Hệ ở giới hạn ổn định si có i = 0, các si còn lại có i <0.
si nằm trên trục ảo , các nghiệm còn lại là nghiệm trái.
Kết luận: Tính ổn định của hệ phụ thuộc các nghiệm si của PTĐT.
Xét các trường hợp cụ thể, ta có:
710/31/2014
4.1 Khái niệm tính ổn định
Ví dụ, xét hệ có hàm truyền:
2(s 8)(s 6s 13) 0 Phương trình đặc tính:
2
2s 5G(s)
(s 8)(s 6s 13)
PTĐT có 3 nghiệm: s1= -8 và s2,3= -3 2j
Cả 3 nghiệm đều có phần thực âm nên hệ thống ổn định.
Để tránh phải giải PTĐT, ta có các phương pháp
xét ổn định một cách gián tiếp, tiện dụng hơn. Đó là:
- Tiêu chuẩn ổn định đại số Routh, Hurwitz.
- Tiêu chuẩn ổn định tần số Nyquist, Bode.
- Phương pháp quỹ đạo nghiệm.
- …
810/31/2014
4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số
- Tiêu chuẩn đại số tìm điều kiện ràng buộc giữa các hệ số
của phương trình đặc tính để hệ thống ổn định.
- Áp dụng được cho cả hệ hở và hệ kín.
Ví dụ, xét hệ có PTĐT:3 2s 4s 5s 7 0 4 2s 5s 6s 2 0 4 3 2s 4s 5s 6s 2 0
Không ổn định vì hệ số a2<0
Không ổn định vì hệ số a3=0
Chưa kết luận được,
mới thoả ĐK cần
4.2.1 Điều kiện cần
ĐK cần để hệ ổn định là Tất cả các hệ số của PTĐT đều >0.
PTĐT: ansn + an-1s
n-1 +…+a0=0 ĐK cần: a0,a1,…,an >0
910/31/2014
4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số
4.2.2 Tiêu chuẩn Routh
Xét hệ có phương trình đặc tính:1
1 0... 0n nn na s a s a
Lập bảng Routh gồm (n+1) hàng:
1010/31/2014
4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số
Phát biểu tiêu chuẩn Routh:
- Cần và đủ để hệ thống ổn định là các hệ số ở cột một
bảng Routh đều dương.
- Số lần đổi dấu ở cột một bằng số nghiệm của phương
trình đặc tính có phần thực dương (=số nghiệm phải).
Ví dụ 1. Xét ổn định hệ thống có PTĐT: 4 3 2s 2s 7s 4s 3 0
Ví dụ 2. Xét ổn định hệ có PTĐT: 5 4 3 2s 4s 5s 4s 7s 8 0
Ví dụ 3. Xét hệ thống có sơ đồ khối:
Hãy tìm khoảng giá trị của K để hệ thống ổn định.
2
1G(s)
s(3s 2)(s 4s 1)
rG(s)
yK
1110/31/2014
4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số
1 K.G(s) 0
3 11 K
14 2 0
K 0
0
K
Giải. Phương trình đặc tính của hệ:
3 2s(3s 14s 11s 2) K 0
2
K1 0
s(3s 2)(s 4s 1)
4 3 23s 14s 11s 2s K 0
74 49K
37
Điều kiện để hệ ổn định:
74 49K 0
K 0
740 K
49
Bảng Routh:
74 / 7
1210/31/2014
4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số
Ví dụ 4. Xét hệ thống có sơ đồ khối:
a) Cho KD=2; KP= 38. Tìm khoảng giá trị của KI để hệ thống
luôn ổn định.
rI
P D
KK + +K s
s
y
2
16
s 12s 20
b) Cho KD=2. Tìm biểu thức quan hệ giữa KP và KI để hệ thống
luôn ổn định.
I P0 K 44K 55
Đáp số:
a)
b)
I0 K 1727 I
I
(44)(628) 16K 0
K 0
P I
I
44(20 16K ) 16K 0
K 0
1310/31/2014
4.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số
4.3.1 Nguyên lý góc quay
Xét PTĐT bậc n có các nghiệm si ( i=1,2,…,n) :n n 1
n n 1 0A(s) a s a s ... a 0
Đa thức đặc tính: n 1 2 nA(s) a (s s )(s s )...(s s )
Thay s=j ta được đa thức đặc tính tần số:
n 1 2 nA(j ) a ( j s )( j s )...( j s )
Biểu diễn trên mặt phẳng phức:
1410/31/2014
4.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số
m
i
i 1
arg ( j -s ) -m
n m
i
i 1
arg ( j -s ) (n-m)
4.3.1 Nguyên lý góc quay (tt)
Dùng ký hiệu arg để chỉ góc quay, ta có:
i-
arg ( j -s )=
0
Nếu si là nghiệm trái
Nếu si là nghiệm phải
Nếu si ở trên trục ảo
n
i
i 1
arg A( j ) arg ( j -s ) (n-2m)
Nếu PTĐT có m nghiệm phải và (n-m) nghiệm trái thì:
Góc quay của A(j) = tổng góc quay của các véctơ (j-si).
1510/31/2014
4.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số
Trong thực tế ta chỉ cần xét
thay đổi từ 0 đến +. Khi đó:
m
i0i 1
arg ( j -s ) -m2
n m
i0i 1
arg ( j -s ) (n-m)2
0
arg A( j ) (n-2m)2
Suy ra:
1610/31/2014
4.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số
4.3.3 Tiêu chuẩn Nyquist
Tiêu chuẩn Nyquist xét tính ổn định của hệ kín hồi tiếp âm
(hình a) dựa vào biểu đồ Nyquist của hệ hở (hình b).
Tiện dụng vì đáp ứng tần số có thể thu được từ thực nghiệm.
Áp dụng thuận lợi cho cả hệ thống có khâu trễ e-s .
RG(s)
Y
H(s)
RG(s)
Y
H(s)Yht
a) Hệ kín b) Hệ hở (vòng hở)
kh
G GG
1 GH 1 G
hG GH
4.3.2 Tiêu chuẩn Mikhailov (xem GT.ĐKTĐ trang 114)
1710/31/2014
4.3.3 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist
Phát biểu tiêu chuẩn:
Hệ kín ổn định nếu hệ hở ổn định hay ở giới hạn ổn định và
đường Nyquist hệ hở không bao điểm (-1,j0).
Hệ kín ổn định nếu hệ hở không ổn định và đường Nyquist hệ hở
bao điểm (-1,j0) một góc bằng m theo chiều ngược kim đồng
hồ khi thay đổi từ 0 đến ; trong đó m là số nghiệm của PTĐT
có phần thực dương (nghiệm phải).
Hệ kín ở giới hạn ổn định
nếu đường Nyquist hệ hở
đi qua điểm (-1,j0) .
Chứng minh:
Ứng dụng nguyên lý góc quay.
(xem GT. ĐKTĐ trang 116-117)
1810/31/2014
4.3.3 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist
2) Đường Nyquist hệ hở không bao điểm (-1,j0)
Tổng góc quay của véctơ 1+G(j) bằng 0.
1) Góc bao điểm (-1,j0) của đường
Nyquist cũng chính là tổng góc
quay của vectơ 1+G(j).
Chú ý:
- A->B : 1+G(j) quay -1
- B->C: quay +1
- C->D: quay +2
- D->O: quay -2
Tổng góc quay bằng 0
Không bao (-1,j0)
1910/31/2014
4.3.3 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist
Ví dụ:
Góc bao = ?
2010/31/2014
4.3.3 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist
Ví dụ 4.9. (trang 118)
Cho hệ hở có hàm truyền:
5
10G(s)
(s 3)(s 1,24)
và biểu đồ Nyquist hệ hở như hình bên
cạnh. Hãy dùng tiêu chuẩn Nyquist xét
tính ổn định của hệ kín tương ứng.
Giải. PTĐT của hệ hở:5(s 3)(s 1,24) 0
- PTĐT có một nghiệm s=-3 và năm nghiệm s= -1,24
- Các nghiệm này đều là nghiệm thực, âm nên hệ hở ổn định.
- Hệ hở ổn định và đường Nyquist hệ hở không bao điểm (-1,j0)
nên hệ kín tương ứng cũng ổn định.