為了使控制系統(tǒng)能可靠地工作,不但要求它能穩(wěn)定,而且還希望有足夠的穩(wěn)定裕量,使系統(tǒng)在環(huán)境發(fā)生變化或存在干擾的情況下仍能工作,這即為相對(duì)穩(wěn)定性的概念。 在討論系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量時(shí),首先要假定開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,是最小相位系統(tǒng),即開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的零、極點(diǎn)均僅位于s的左半平面,否則討論系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量是無(wú)意義的。
為了說(shuō)明相對(duì)穩(wěn)定性的概念,圖5-49為一典型的I型系統(tǒng) 曲線,其開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: 。根據(jù)奈氏判據(jù)可知,當(dāng) 時(shí),系統(tǒng)不穩(wěn)定,奈氏曲線包圍(-1,j0)點(diǎn);當(dāng) 時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩,奈氏曲線經(jīng)過(guò)(-1,j0)點(diǎn);當(dāng) 時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定,奈氏曲線不包圍(-1,j0)點(diǎn)。因此直觀地看,對(duì)于開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng),要求閉環(huán)系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定性,不僅要求 的幅頻特性不包圍(-1,j0)點(diǎn),而且應(yīng)與該點(diǎn)有一定的距離,即有一定的穩(wěn)定裕量。 衡量閉環(huán)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性的具體指標(biāo)有幅值裕量 和相位裕量 。在Matlab中,相應(yīng)地有專門(mén)的函數(shù)來(lái)求取上述指標(biāo):Margin。具體用法參見(jiàn)下面的例子。 5.5.1 用奈氏圖表示相位裕量和幅值裕量
1、 相位裕量 設(shè)一開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)的奈氏曲線 負(fù)實(shí)軸相交于G點(diǎn),與單位圓相交于C點(diǎn),如圖5-50。對(duì)應(yīng)于 時(shí)的頻率 (交點(diǎn)C)稱為增益穿越頻率,又稱剪切頻率或交界頻率。在剪切頻率 處,使系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所能接受的附加相位遲后角,定義為相位裕量,用 表示之。對(duì)于任何系統(tǒng),相位裕量 的算式為 式中, 是開(kāi)環(huán)頻率特性在剪切頻率 處的相位。 圖5-50 穩(wěn)定系統(tǒng)的奈氏曲線
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不難理解,對(duì)于開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng),若 ,表示 曲線包圍(-1,j0)點(diǎn),相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的;反之,若 ,則相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一般 越大,系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性也就越好。因?yàn)橄到y(tǒng)的參數(shù)并非絕對(duì)不變,如果 太小,就有可能因參數(shù)的變化而使奈奎斯特曲線包圍(-1,j0)點(diǎn),即導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2、 幅值裕量 幅值裕量是系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性的另一度量指標(biāo)。如圖5-50所示,開(kāi)環(huán)頻率特性的相角 時(shí)的頻率 (交點(diǎn)G)處, 稱為相位穿越頻率,又稱為相位交界頻率。開(kāi)環(huán)幅值 的倒數(shù)稱為增益裕量,用 表示。即 上式表示系統(tǒng)在變到臨界穩(wěn)定時(shí),系統(tǒng)的增益能增大多少。 由奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知,對(duì)于最小相位系統(tǒng),其閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件是 曲線不包圍(-1,j0)點(diǎn),即 曲線與其負(fù)實(shí)軸交點(diǎn)處的模小于1,此時(shí)對(duì)應(yīng)的 。反之,對(duì)于不穩(wěn)定的系統(tǒng),其 ,如圖5-51所示,閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 圖5-51 不穩(wěn)定系統(tǒng)的奈氏曲線 |
5.5.2 用伯德圖表示相位裕量和幅值裕量
上述的相位裕量和幅值裕量也可在對(duì)數(shù)幅相圖(Bode圖)上表示。對(duì)應(yīng)于圖5-5
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