Файл: kurs-lekcij-po-tau.doc

9.3. Критерий устойчивости Найквиста

Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой САУ по виду АФЧХ разомкнутой САУ (рис.70). Исследование разомкнутой САУ проще, чем замкнутой. Его можно производить экспериментально, поэтому часто оказывается, что АФЧХ разомкнутой САУ мы имеем или можем получить.

Передаточная функция разомкнутой САУ:

W_p(p) = W_p(p)/D_p(p)= > уравнение динамики:y(t) = e(t),

или

D_p(p)y(t) = K_p(p)e(t).

Здесь D_p(p)- характеристический полином разомкнутой САУ. То есть по виду корней уравненияD_p(p) = 0можно судить об устойчивости разомкнутой САУ. Но это пока ничего не говорит об устойчивости замкнутой САУ.

Для того, чтобы получить уравнение динамики замкнутой САУ при свободном движении, считаем, что внешнее воздействие u = 0, тогда на вход первого звена САУ подается сигнал

e(t) = u(t) - y(t) = - y(t).

То есть

D_p(p)y(t) = K_p(p)( - y(t)),

следовательно уравнение замкнутой САУ:

(D_p(p) + K_p(p))y(t) = 0.

Таким образом, характеристическое уравнение замкнутой САУ:

D_з(p) = D_p(p) + K_p(p) = 0.

По виду его корней уже можно судить об устойчивости замкнутой САУ.

Воспользуемся вспомогательной функцией:

F(j) = 1 + W_р(j) =.

По сути дела она представляет собой АФЧХ разомкнутой САУ, сдвинутую на единицу вправо. Степени полиномов D_з(j)иD_p(j)равныn.Эти полиномы имеют свои корниp_зiи p_pi, то есть можно записать:

F(jw) =.

Каждую разность в скобках можно представить вектором на комплексной плоскости, конец которого скользит по мнимой оси (рис.63в). При изменении от -до +каждый из векторовj- p_i будет поворачиваться на угол+p, если корень левый и-p, если корень правый.

Пусть полином Dз(jw) имеетmправых корней иn - mлевых, а полиномD_p(j)имеет gправых корней иn - gлевых. Тогда суммарный угол поворота вектора функцииF(j)при изменении частоты от -до +:

p[(n - m) - m)] - p[(n - g) - g] = 2p(g - m).

Если замкнутая САУ устойчива, то m = 0, тогда суммарный поворот вектораF(j)при изменении от -до +должен быть равен2g, а при изменении от0до+ он составит2g/2.

Отсюда можно сформулировать критерий устойчивости Найквиста: если разомкнутая САУ неустойчива и имеет gправых корней, то для того, чтобы замкнутая САУ была устойчива необходимо и достаточно, чтобы векторF(j)при изменении от 0 до +охватывал начало координат в положительном направленииg/2раз, то есть АФЧХ разомкнутой САУ должна охватватьg/2раз точку( - 1, j0).

На рис.71а приведены АФЧХ разомкнутых САУ, устойчивых в замкнутом состоянии, на рис.71б - замкнутая САУ неустойчива.

На рис.71в и 71г  показаны АФЧХ разомкнутых астатических САУ, соответственно устойчивых и неустойчивых в замкнутом состоянии. Их особенность в том, что АФЧХ при 0уходит в бесконечность.

В этом случае при использовании критерия Найквиста ее мысленно замыкают на вещественную ось по дуге окружности бесконечно большого радиуса.

Достоинство. Критерий Найквиста очень нагляден. Он позволяет не только выявить, устойчива ли САУ, но и, в случае, если она неустойчива, наметить меры по достижению устойчивости.

Лекция 10.D-разбиение. Запас устойчивости

10.1. Понятие структурной устойчивости. Афчх астатических сау

САУ может быть неустойчивой по двум причинам: неподходящий состав динамических звеньев и неподходящие значения параметров звеньев.

САУ, неустойчивые по первой причине называются структурно неустойчивыми. Это означает, что изменением параметров САУ нельзя добиться ее устойчивости, нужно менять ее структуру.

Например, если САУ состоит из любого количества инерционных и колебательных звеньев, она имеет вид, показанный на рис.72.При увеличении коэффициента усиления САУ K каждая точка ее АФЧХ удаляется от начала координат, пока при некотором значенииK_критАФЧХ не пересечет точку (-1, j0). При дальнейшем увеличенииK, САУ будет неустойчива. И наоборот, при уменьшенииKтакую САУ в принципе возможно сделать устойчивой, поэтому ее называютструктурно устойчивой.

Если САУ астатическая, то при ее размыкании характеристическое уравнение можно представить в виде: pD₁p(p) = 0, где n-порядок астатизма, равный количеству последовательно включенных интеграторов. Это уравнение имеет нулевые корни, поэтому при0, АФЧХ стремится к(рис.71в и 71г). Например, пустьW_р(p) =, здесь = 1, тогда АФЧХ разомкнутой САУ:

 W(j) == P() + jQ().

Так как порядок знаменателя больше порядка числителя, то при 0имеемP()-,Q()-j.

Подобная АФЧХ представлена на рис.73.

Так как АФЧХ терпит разрыв, трудно сказать, охватывает ли она точку (-1,j0). В этом случае пользуются следующим приемом: если АФЧХ терпит разрыв, уходя в бесконечность при0, ее дополняют мысленно полуокружностью бесконечного радиуса, начинающейся на положительной вещественной полуоси и продолжающейся до АФЧХ в отрицательном направлении. После этого можно применить критерий Найквиста. Как видно из рисунка, САУ, имеющая одно интегрирующее звено, является структурно устойчивой.

Если САУ имеет два интегрирующих звена (порядок астатизма = 2), ее АФЧХ уходит в бесконечность во втором квадранте (рис.74).

Например, пусть W_р(p) = , тогда АФЧХ САУ:

W(j) == P() + jQ().

При 0 имеемP()-, Q()+ j.Такая САУ не будет устойчива ни при каких значениях параметров, то есть она структурно неустойчива.

Структурно неустойчивую САУ можно сделать устойчивой, включив в нее корректирующие звенья (например, дифференцирующие или форсирующие) или изменив структуру САУ, например, с помощью местных обратных связей.