Условия устойчивости системы автоматического управления

Обыкновенная линейная система автоматического управления описывается дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами

Для устойчивости системы необходимо, чтобы свободный процесс в ней был бы сходящимся. Свободные движения системы описываются левой частью исходного дифференциального уравнения и, следовательно, уравнение свободного процесса в системе

.

Характеристическое уравнение замкнутой системы при этом запишется как

.

Характеристическое уравнение системы получается приравниванием к нулю знаменателя передаточной функции замкнутой системы.

Общее решение обыкновенного линейного дифференциального уравнения, имеющего порядок n:

,

где A_i – постоянные интегрирования, p_i – корни характеристического уравнения, n – число корней.

Корни характеристического уравнения могут быть как вещественными, так и комплексными (попарно сопряжёнными). Каждый комплексный корень порождает в решении уравнения слагаемое вида

,

где – начальная фаза, А_i – начальная амплитуда.

При решении характеристического уравнения системы возможны различные случаи, в зависимости от соотношения его коэффициентов (т.е. в зависимости от параметров системы).

1. Корни характеристического уравнения имеют отрицательные вещественные части. В этом случае для всех слагаемых

и, следовательно, свободный процесс затухает. Система устойчива, а графики переходного процесса показаны на рис. 76 (для каждого слагаемого). На рис. 76а показан затухающий апериодический процесс, а на рис. 76б  затухающий колебательный процесс (пунктиром показана огибающая колебательного процесса). Апериодический процесс будет наблюдаться при чисто вещественном корне характеристического уравнения, колебательный – при комплексном корне.

2. Среди корней характеристического уравнения есть хотя бы один корень с положительной вещественной частью. В этом случае в общем решении дифференциального уравнения для свободного процесса появится слагаемое, стремящееся к бесконечности с увеличением времени:

и переходный процесс будет расходящимся (рис. 77). Графики показаны для одного слагаемого общего решения. Система в этом случае неустойчива.

3. Характеристическое уравнение имеет хотя бы одну пару комплексных корней с нулевой вещественной частью. В решении дифференциального уравнения появляется гармоническая составляющая

,

порождающая незатухающую гармоническую составляющую переходного процесса (рис. 78). При переходный процесс системы будет носить характер незатухающих колебаний. Принято считать, что в этом случае система находится на границе устойчивости. Этот случай представляет чисто теоретический интерес и в реальных системах не наблюдается.

Р ассмотренные случаи позволяют сформулировать математическое условие устойчивости для системы автоматического управления. Система автоматического управления будет устойчива, если все вещественные корни характеристического уравнения системы отрицательны, а все комплексные корни имеют отрицательные вещественные части.

Е

Рис. 79

Поскольку корни характеристического уравнения определяются величиной и знаком коэффициентов дифференциального уравнения, то изменение коэффициентов, вследствие изменения параметров системы, может привести к нарушению условия устойчивости. Для исследования устойчивости системы автоматического управления необходимо проверить выполнение условия устойчивости для дифференциального уравнения системы. Система, для которой условие устойчивости выполняется, будет устойчивой (т.е. работоспособной).