Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.98 MB, 70 trang )
<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>
<i><b>Hệ thống ổn định </b><b>(stable system)</b></i> <i><b>là một hệ thống nếu tín </b></i>
<i><b>hiệu vào bị chặn thì đáp ứng của hệ thống cũng bị chặn</b></i>
(BIBO: Bounded Input Bounded Output).
<b>Ba trạng thái cân bằng</b>
<b>Cho hệ thống có hàm truyền là</b>
<b>Đặt:</b>
<b>Cực: là nghiệm</b> của mẫu số hàm truyền A(s) = 0. Do A(s)
bậc n nên hệ thống có n cực, ký hiệu p<sub>i</sub> (i = 1, 2, 3 … n).
<b>Zero: là nghiệm</b> của tử số hàm truyền B(s) = 0. Do B(s)
bậc m nên hệ thống có m zero, ký hiệu z<b><sub>i</sub></b> (i = 1, 2, 3 … m).
1
0 1 1
1
0 1 1
...
( )
( )
( ) ...
<i>m</i> <i>m</i>
<i>m</i> <i>m</i>
<i>n</i> <i>n</i>
<i>n</i> <i>n</i>
<i>b s</i> <i>b s</i> <i>b s b</i>
<i>Y s</i>
<i>G s</i>
<i>U s</i> <i>a s</i> <i>a s</i> <i>a s a</i>
0 1 1
( ) <i>n</i> <i>n</i> ... <i><sub>n</sub></i> <i><sub>n</sub></i>
<i>A s</i> <i>a s</i> <i>a s</i> <i>a s a</i><sub></sub>
1
0 1 1
( ) <i>m</i> <i>m</i> ... <i><sub>m</sub></i> <i><sub>m</sub></i>
<b>Biểu diễn vị trí của các cực và zero trên mặt phẳng phức</b>
<b>Im</b>
<b>Re</b>
<b>Mặt phẳng S</b>
<b>о</b>
<b>×</b>
<b>×</b>
<b>×</b> <b>×</b>
<b>×</b>
<b>×</b>
<b>о</b>
<b>о</b>
<b>0</b>
<b>×: các cực của hệ thống</b>
Hệ thống có tất cả các cực có phần thực âm (tất cả các cực
đều nằm bên trái mặt phẳng phức Re{p<sub>i</sub>} < 0) hệ thống <b>ổn </b>
<b>định.</b>
Hệ thống có cực có phần thực bằng 0, các cực khác đều nằm
bên trái mặt phẳng phức hệ thống <b>ở biên giới ổn định.</b>
Hệ thống có ít nhất 1 cực có phần thực dương (có ít nhất 1
<b>Im</b>
<b>Re</b>
<b>Mặt phẳng S</b>
<b>о</b>
<b>×</b>
<b>×</b>
<b>×</b> <b>×</b>
<b>×</b>
<b>×</b>
<b>о</b>
<b>о</b>
<b>0</b>
<b>Vùng ổn định</b> <b>Vùng khơng ổn định</b>
Phương trình đặc trưng của hệ thống: A(s) = 0
Đa thức đặc trưng: A(s)
Phương trình đặc trưng của hệ thống:
<b>Y<sub>ht</sub>(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
<b>PTĐT:</b> <b>PTĐT:</b>
<b>Điều kiện cần để hệ thống ổn định là </b><i><b>tất cả các hệ số</b></i> <b>của </b>
<b>phương trình đặc trưng phải </b><i><b>khác 0</b></i> <b>và </b><i><b>cùng dấu</b></i><b>.</b>
<b>Ví dụ: Hệ thống có phương trình đặc trưng</b>
<b>s3 + 3s2 </b> <b>- 2s +1 = 0</b> <b>Không ổn định</b>
<b>s4 + 2s2 </b> <b>+ 5s +3 = 0</b> <b>Không ổn định</b>
<b>Edward John Routh (1831–1907)</b>
(/ˈraʊθ/)
<b>Adolf Hurwitz (1859 – 1919)</b>
<b>Cho hệ thống có phương trình đặc trưng:</b>
<b>Để xét tính ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh, ta </b>
<b>thành lập </b><i><b>bảng Routh</b></i> theo quy tắc:
- Bảng Routh có <b>n + 1</b> hàng.
- Hàng 1 của bảng Routh gồm các <i>hệ số a<sub>i</sub></i> có chỉ số chẵn
- Hàng 2 của bảng Routh gồm các <i>hệ số a<sub>i </sub></i>có chỉ số lẻ Phần tử ở
<i>hàng i cột j của bảng Routh (i ≥ 3) được tính theo cơng thức:</i>
1
1
1
0
<i>n</i>
<i>n</i>
<i>n</i>
<i>n</i>
2
<i>ij</i>
<b>sn</b> <b><sub>c</sub></b>
<b>11=a0</b> <b>c12=a2</b> <b>c13=a4</b> <b>c14=a6</b> <b>…</b>
<b>sn-1</b>
<b>c<sub>21</sub>=a<sub>1</sub></b> <b>c<sub>22</sub>=a<sub>3</sub></b> <b>c<sub>23</sub>=a<sub>5</sub></b> <b>c<sub>24</sub>=a<sub>7</sub></b> <b>…</b>
<b>sn-2</b> <b><sub>c</sub><sub>31</sub><sub>=c</sub><sub>12</sub><sub></sub></b>
<b>-α<sub>3</sub>c<sub>22</sub></b> <b>c32=c13-α3c23</b>
<b>c<sub>33</sub>=c<sub>14</sub></b>
<b>-α<sub>3</sub>c<sub>24</sub></b>
<b>c<sub>34</sub>=c<sub>15</sub></b>
<b>-α<sub>3</sub>c<sub>25</sub></b> <b>…</b>
<b>sn-3</b> <b><sub>c</sub><sub>41</sub><sub>=c</sub><sub>22</sub><sub></sub></b>
<b>-α<sub>4</sub>c<sub>32</sub></b> <b>c42= c23 -</b> <b>α4c33</b>
<b>c<sub>43</sub>=c<sub>24</sub></b>
<b>-α<sub>4</sub>c<sub>34</sub></b>
<b>c<sub>44</sub>=c<sub>25</sub></b>
<b>-α<sub>4</sub>c<sub>35</sub></b> <b>…</b>
<b>… …</b> <b><sub>…</sub></b> <b><sub>…</sub></b> <b><sub>…</sub></b> <b><sub>…</sub></b> <b><sub>…</sub></b>
<b>s0</b> <b><sub>c</sub><sub>n1</sub><sub>=c</sub><sub>n-2,2</sub><sub></sub></b>
<b>-α<sub>n</sub>c<sub>n-1,2</sub></b>
1
,
2
1
,
1
3
<i>c</i>
<i>c</i>
1
,
3
1
,
<b>Ví dụ 1: Xét tính ổn định của hệ thống có phương trình </b>
<b>đặc trưng: s4 <sub>+ 4s</sub>3 </b> <b><sub>+ 5s</sub>2</b> <b><sub>+ 2s + 1 = 0</sub></b>
<b>* Giải</b>
<b>Bảng Routh</b>
<b>s4</b> <b><sub>1</sub></b> <b><sub>5</sub></b> <b><sub>1</sub></b>
<b>s3</b> <b><sub>4</sub></b> <b><sub>2</sub></b> <b><sub>0</sub></b>
<b>s2</b> <b><sub>α</sub></b>
<b>3= 1/4</b> <b>5 - 1/4 * 2 = 9/2</b> <b>1 - 1/4 * 0 =1</b>
<b>s1</b> <b><sub>α</sub></b>
<b>4= 8/9</b> <b>2 - 8/9 * 1 = 10/9</b>
<b>s0</b> <b><sub>α</sub></b>
<b>5= 81/20</b> <b>1</b>
<b>Ví dụ 2: Xét tính ổn định của hệ thống có sơ đồ khối:</b>
Phương trình đặc trưng của hệ thống:
<b>PTĐT</b>
<b>Bảng Routh</b>
<b>PTĐT</b>
<b>Bảng Routh</b>
<b>Kết luận:</b> <b>Hệ thống không ổn định do các phần tử ở cột 1</b> <b>của bảng Routh </b>
<b>đổi dấu 2 lần.</b>
<b>Ví dụ 3: Tìm điều kiện của K để hệ thống ổn định:</b>
* Giải
Phương trình đặc trưng của hệ thống:
<b>Ví dụ 3: (tt)</b>
<b>Bảng Routh</b>
<b>Điều kiện để hệ thống ổn định:</b>
9
14
0
0
0
7
9
2 <sub></sub> <sub></sub> <sub></sub>
<i><sub>K</sub></i>
<i>K</i>
<i>K</i>
4
<b>Trường hợp 1: Nếu có hệ số ở cột 1</b> của hàng nào đó <b>bằng </b>
<b>0</b>, các <b>hệ số cịn lại</b> của hàng đó <b>khác 0</b> thì ta <b>thay</b> hệ số
bằng 0 đó bởi <b>số ε dương</b>, nhỏ tùy ý, sau đó q trình tính
tốn được tiếp tục.
<b>Trường hợp 2:</b> <b>Tất cả các hệ số của hàng nào đó bằng 0</b>
- Thành lập đa thức phụ từ các hệ số của hàng trước hàng
có tất cả các hệ số bằng 0, gọi đa thức phụ đó là <b>A<sub>p</sub>(s).</b>
các hệ số là hệ số của đa thức phụ đạo hàm (dA<sub>p</sub>(s)/ds).
Sau đó q trình tính tốn được tiếp tục.
<b>Ví dụ 4:</b>
<b>Ví dụ 5:</b>
<b>Ví dụ 5:</b>
Cho hệ thống có phương trình đặc trưng:
Muốn xét tính ổn định theo tiêu chuẩn Hurwitz, ta thành
lập ma trận Hurwitz theo quy tắc:
1
0 1 1 0
<i>n</i> <i>n</i>
<i>n</i> <i>n</i>
<i>a s</i> <i>a s</i> <i>a s a</i><sub></sub>
- Ma trận Hurwitz là ma trận vuông cấp n.
- Đường chéo là các hệ số từ a<sub>1</sub> đến a<sub>n</sub>.
- Hàng lẻ gồm các hệ số có chỉ số lẻ theo thứ
tự tăng dần nếu ở bên phải đường chéo và
giảm dần nếu ở bên trái.
- Hàng chẵn gồm các hệ số có chỉ số chẵn theo
thứ tự tăng dần nếu ở bên phải đường chéo và
1 3 5 7
0 2 4 6
1 3 5
0 2 4
0
0
0 0
0 0
0 <i><sub>n</sub></i>
<i>a</i> <i>a</i> <i>a</i> <i>a</i>
<i>a</i> <i>a</i> <i>a</i> <i>a</i>
<i>a</i> <i>a</i> <i>a</i>
<i>a</i> <i>a</i> <i>a</i>
<b>Dạng của ma trận Hurwitz</b>
: 1 <sub>1</sub>
1
0 <i>n</i> <i>n</i>
<i>n</i>
<i>n</i> <i><sub>a</sub></i> <i><sub>s</sub></i> <i><sub>a</sub></i> <i><sub>s</sub></i> <i><sub>a</sub></i>
<i>s</i>
<i>a</i>
<i>PTĐT</i>
<b>-2</b> <b><sub>+2</sub></b> <b>+2</b>
<b>Phát biểu của tiêu chuẩn Hurwitz</b>
<i>Điều kiện <b>cần và đủ</b></i> <i><b>để hệ thống ổn định là tất cả các định </b></i>
<i><b>thức con chứa đường chéo của ma trận Hurwitz đều </b></i>
<i><b>dương.</b></i>
<b>Ví dụ 1:</b>
1
0 1 1 0
<i>n</i> <i>n</i>
<i>n</i> <i>n</i>
<i>a s</i> <i>a s</i> <i>a s a</i><sub></sub>
Bậc của hệ (n) Điều kiện ổn định
2
3
4
≥ 5 Lập bảng Routh
0, i 0,2
<i>i</i>
<i>a</i>
1 2 0 3
0, i 0,3
0
<i>i</i>
<i>a a</i> <i>a a</i>
1 2 0 3
2 2
1 2 3 0 3 1 4
0, i 0,4
0
0
<i>i</i>
<i>a</i>
<i>a a</i> <i>a a</i>
<i>a a a</i> <i>a a</i> <i>a a</i>
<sub></sub> <sub></sub>
<sub></sub> <sub></sub> <sub></sub>
Hurwitz
2. <i>Bài tập 3.9.1; 3.9.2; 3.9.3 trang 97 Giáo trình Lý thuyết điều </i>
<i>khiển tự động, Nguyễn Chí Ngơn & Nguyễn Hồng Dũng</i>
3. Thực hiện lại ví dụ A-5-17 (trang 251), A-5-21 (trang 257),
<i>Modern Control Engineering – 5th</i> <i><sub>Edition, Katsuhiko Ogata </sub></i>
bằng cách lập bảng Routh và sử dụng hệ quả tiêu chuẩn
Hurwitz
<b>Cho hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối:</b>
<b>Bài tốn đặt ra là xác định tính ổn định của hệ kín G<sub>k</sub>(s)</b>
khi biết đặc tính tần số của hệ hở G(s).
<b>Tiêu chuẩn Nyquist:</b> Hệ thống kín <b>G<sub>k</sub>(s) ổn định</b> nếu
<i><b>đường cong Nyquist của hệ hở G(s) bao điểm (-1, j0) l/2 </b></i>
<b>vòng</b> theo chiều dương khi <b>ω thay đổi từ 0 đến + ∞</b><i>, l là số </i>
cực nằm bên phải mặt phẳng phức.
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b>Ví dụ</b>
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Real Axis
Im
ag
inar
y A
xi
s % Code Matlab
num = [1];
<b>Cho hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối:</b>
<b>Bài tốn đặt ra là xác định tính ổn định của hệ kín G<sub>k</sub>(s)</b>
khi biết đặc tính tần số của hệ hở G(s).
<b>Tiêu chuẩn Bode:</b> <b>Hệ thống kín G<sub>k</sub>(s) ổn định</b> <b>nếu hệ hở </b>
<b>G(s) có độ dự trữ biên và độ dự trữ pha dương</b>.
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
-% Code Matlab
num = [1];
% Code Matlab
num = [1];
den = [1 0.8 1];
margin(num,den);
% Code Matlab
num = [1];
<b>Điều kiện để hệ thống ổn định:</b>
9
14
0
0
0
7
9
2 <sub></sub> <sub></sub> <sub></sub>
<b>G(S)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
-)
1
)(
2
(
)
( <sub>2</sub>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<i>K = 1</i>
<b>G(S)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
-)
1
)(
2
(
)
( <sub>2</sub>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<i>K = 14/9</i>
<b>G(S)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
-)
1
)(
2
(
)
( <sub>2</sub>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<i>K = 100</i>
<b>Ví dụ 3: (tt)</b>
<b>Bảng Routh</b>
<b>Điều kiện để hệ thống ổn định:</b>
9
14
0
0
0
7
9
2 <sub></sub> <sub></sub> <sub></sub>
<i><sub>K</sub></i>
<i>K</i>
)
5
)(
1
(
)
(
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<b>Ví dụ</b>
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<i><b>Quỹ đạo nghiệm số </b><b>(Root-Locus)</b></i> <i><b>là tập hợp tất cả các </b></i>
<i><b>nghiệm của phương trình đặc tính của hệ thống khi có </b></i>
<i><b>một thơng số nào đó trong hệ thay đổi từ 0 → ∞.</b></i>
Xét hệ thống có sơ đồ:
Phương trình đặc tính của hệ thống:
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b>
<b>H(s)</b>
<b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>Y<sub>ht</sub>(s)</b>
<b>+</b>
<b></b>
Để áp dụng các quy tắc vẽ QĐNS, phương trình đặc tính
phải đưa về dạng:
Trong đó, K là thơng số thay đổi
<i>Gọi n là số cực của G</i><sub>0</sub><i>(s), m là số zero của G</i><sub>0</sub>(s).
0
)
(
1
0
)
(
)
(
<b>Quy tắc 1:</b> <b>Số nhánh</b> của QĐNS <b>= bậc</b> của phương trình
đặc tính = số cực của G<sub>0</sub>(s) <i><b>= n</b></i>.
<b>Quy tắc 2:</b>
<b>- Khi K = 0: các nhánh của QĐNS xuất phát từ các cực</b>
của G<sub>0</sub>(s).
<b>- Khi K tiến đến + ∞:</b> <i><b>m nhánh</b></i> của QĐNS <i><b>tiến đến m </b></i>
<b>zero</b> của G<sub>0</sub>(s), <i><b>n – m nhánh</b></i> còn lại <b>tiến đến ∞</b> theo
<b>các tiệm cận xác định bởi quy tắc 5 và 6.</b>
<b>Quy tắc 3:</b> QĐNS <b>đối xứng qua trục thực</b>.
<b>Quy tắc 4:</b> Một điểm <b>trên trục thực thuộc QĐNS</b> nếu
<i><b>tổng số cực và zero</b></i> của G<sub>0</sub>(s) <b>bên phải</b> nó là một <i><b>số lẻ</b></i><b>.</b>
<b>Quy tắc 5:</b> Góc tạo bởi các đường tiệm cận của QĐNS với
trục thực xác định bởi:
<b>Quy tắc 6: </b>Giao điểm giữa các tiệm cận với trục thực là
<b>điểm A có tọa độ xác định bởi:</b>
<i><b>(p</b><b><sub>i</sub></b></i> <i><b>và z</b><b><sub>i</sub></b></i> <i><b>là các cực và các zero của G</b><b><sub>0</sub></b><b>(s)</b></i>)
<b>Quy tắc 7:</b> Điểm tách nhập (nếu có) của QĐNS nằm trên
trục thực là nghiệm của phương trình:
<b>Quy tắc 8: </b>Giao điểm của QĐNS với trục ảo có thể xác
định bằng một trong hai cách:
- Áp dụng tiêu chuẩn Routh – Hurwitz
- Thay s = jω vào phương trình đặc tính, cân bằng phần
thực và phần ảo sẽ tìm được giao điểm với trục ảo và
giá trị K.
<b>Quy tắc 9:</b> Góc xuất phát của QĐNS tại cực phức p<sub>j</sub> được
xác định bởi:
<b>Quy tắc 10:</b> Tổng các nghiệm là hằng số khi K thay đổi từ
0 → + ∞.
<b>Quy tắc 11:</b> Hệ số khuếch đại dọc theo QĐNS có thể xác
1
)
(
)
( <sub></sub>
<i>s</i>
<i>D</i>
<i>s</i>
<i>N</i>
<i>K</i>
<i>j</i> <i>p</i> <i>z</i> <i>p</i> <i>p</i>
1
1
)
arg(
)
arg(
180
180<i>o</i> p<sub>j</sub> p<sub>j</sub>
<i>j</i>
<b>Tìm phương trình đặc trưng của hệ kín (hệ hồi tiếp)</b>
Xác định cực và zero
<b>Xác định các đoạn trên trục thực thuộc quỹ đạo nghiệm số</b>
Xác định đường tiệm cận (giao điểm & các góc)
Điểm tách nhập
<i>Giao điểm của QĐNS với trục ảo (giá trị K và tần số)</i>
Góc xuất phát của QĐNS tại cực phức (nếu có)
Cho hệ thống tự động có sơ đồ khối như sau:
<b>Yêu cầu:</b> Hãy vẽ QĐNS của hệ thống khi K = 0 → + ∞.
)
3
)(
2
(
)
(
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
<b>* Giải</b>
<b>* Giải</b>
<b>* Giải</b>
<b>* Giải</b>
<b>* Giải</b>
% vi du 1 - chuong 4
num=1;
den = conv([1 2 0],[1 3]);
G=tf(num,den)
rlocus(G)
<b>Giao điểm của các </b>
Cho hệ thống tự động có sơ đồ khối như sau:
<b>Yêu cầu:</b> Hãy vẽ QĐNS của hệ thống khi K = 0 → + ∞.
)
20
8
(
)
( <sub>2</sub>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>s</i>
<i>K</i>
<i>s</i>
<i>G</i>
<b>G(S)</b>
<b>E(s)</b> <b>Y(s)</b>
<b>R(s)</b>
<b>+</b>
num=1;
Cho hệ thống tự động có sơ đồ khối như sau:
<b>* Giải</b>
b = [1 2 3 4 5 5 1 2]; % numerator coefficients
a = [4 5 6 7 9 10 4 6]; % denominator coefficients
flag = isstable(b,a) % determine if the filter is stable
zplane(b,a) % zero-pole plot for filter
flag =
0
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1
-0.5
0
0.5
1
Real Part
Im
agi
na
ry
P
a
7
5 15 20
7
40 475 1500
<i>s</i>
<i>H s</i>
<i>s s</i> <i>s</i> <i>s</i>
<i>s</i>
<i>H s</i>
<i>s</i> <i>s</i> <i>s</i>