2011_第2章 离散系统的稳定性分析v1print
离散系统稳定性分析.ppt
(1-
-1 z )Z
2 s2
0.3
s
s0.140
0.1 s20
(1- z-1)(z2-1T)2z
0.3z z1
0.4z ze10T
0.1z ze20T
0z-.14
0.3
0.4(z1) z0.135
0.1(z1) z0.018
5
1 G(z) 0, 并代入
1 z
得
1
2.33 3 3 . 68 2 1 . 65 0 . 34 0
T0 kv 0
0
r(t) 12t2
T2 ka 0
例1.右图所示系统中的参数a=1,k=1,T=1, 试求在r(t)=1(t),r(t)=t及r(t)=t2/2时 的稳态误差.
1 e Ts s
K s(s a)
解:G(z)
0.3 6 8z0.2 6 4 (z1)(z0.3 6 8)
KP
l i mG(z) z1
3
2 .3 3
1 .6 5
2
3 .6 8
0 .3 4
1
1 .4 3
0
0
0 .3 4
0
系统是稳定的
例3:设采样系统的方框图如图所示,其中 稳定的K1值范围.
G(，s)采样s周(Ks期1T4=)0.25s,求能使系统
解:G ( z )
Z
[
s
(
K1 s
4
)
]
G(s)
C(s)
R(s) - T
K1 4
Z[
z2
，故1z离1散闭 环0系.0 统是7不,稳6z定2的 。4.876
三.Routh稳定判据
令z ωω11代入闭环采样系统征的方特程,进行z变换后, 既可用Rout判 h 据,其步骤如:下
《离散系统的稳定性》课件
离散系统稳定性控制的方法
极点配置法
通过选择适当的系统参数， 使得系统的极点位于复平面 的某一区域，从而实现系统 的稳定性。
反馈控制
利用负反馈原理，通过将系 统输出信号的一部分或全部 反馈到输入端，对系统进行 调节，使其达到稳定状态。
状态反馈控制
根据系统当前状态变量反馈 信息，计算出控制输入信号 ，使得系统状态变量能够跟 踪设定的参考轨迹。
离散系统的应用领域
• 离散系统广泛应用于工程、科学 、经济和社会等领域。例如，数 字信号处理、控制系统、计算机 仿真、经济模型等领域中经常涉 及到离散系统的分析和设计。
02 离散系统的稳定性分析
离散系统的稳定性定义
离散系统
离散系统是指系统的状态变量只在离 散时刻发生变化，如数字电路、控制 系统等。
05 离散系统稳定性的未来研 究方向
离散系统稳定性的深入研究
深入研究离散系统的稳定性理论，包括离散系统的稳定性判据、离散系统的稳定性分析方法等，以提 高对离散系统稳定性的认识和理解。
深入研究离散系统的动态行为，包括离散系统的响应特性、离散系统的控制性能等，以揭示离散系统 稳定性的内在机制。
离散系统稳定性与其他领域的交叉研究
离散系统的稳定性分析方法
直接法
直接法是通过分析系统状态方程的解的性质，判断系统是否稳定。例如，通过 求解状态方程的解，观察其收敛性或发散性，判断系统的稳定性。
频域分析法
频域分析法是通过将离散系统转化为频域表示形式，分析系统的频率响应特性 ，判断系统的稳定性。例如，通过绘制系统的频率响应曲线，观察其穿越频率 和阻尼比等参数，判断系统的稳定性。
鲁棒控制
针对具有不确定性的离散系 统，设计一种控制策略，使 得系统在各种不确定性条件 下都能保持稳定。
3.1 离散系统的稳定性分析
在Z 平面上，当δ为某个定值时z=eTs随ω 由-∞ 变到∞的轨迹是一个圆，圆心位于原点，半径为 z=eTs ，而圆心角是随线性增大的。 当δ=0时，|z|=1，即S平面上的虚轴映射到Z平 面上的是以原点为圆心的单位圆。 当δ<0时，|z|<1，即S平面的左半面映射到Z平 面上的是以原点为圆心单位圆的内部。 当δ>0时，|z|>1，即S平面的右半面映射到Z平 面上的是以原点为圆心单位圆的外部。
k 0.158kz G( z ) s( s 4) ( z 1)(z 0.368) 该系统的闭环Z传递函数为：
W ( z) G( z ) 0.158kz 1 G( z ) ( z 1)(z 0.368) 0.158kz
求得该系统的闭环Z特征方程为：
例3.1 某离散系统的闭环Z传递函数为
3.16z 1 w( z ) 1 1.792z 1 0.368z 1
解：根据已知条件w(z)的极点为 ：z1=0.237， z2=1.556 由于| z2 |=1.556＞1，故该系统是不稳定 的。
3.1.3 Routh稳定性准则在离散系统的应用
S平面与Z平面的映射关系如图3.1所示
jω [S] jIm j [Z]
-1 0
1
0 -j Re
δ
图3.1
S平面与Z平面的映射关系
于是得到下面结论：
1．S平面的虚轴对应于Z平面的单位圆的圆周。 在S平面上，ω每变化一个ωs时，则对应在Z平面上重 复画出一个单位圆，在S平面中-ωs/2～ωs/2
的频率范围内称为主频区，其余为辅频区（有无限多 个）。S平面的主频区和辅频区映射到Z平面的重迭称
面的左半部分，或者说它的闭环特征方程的根的实部小 于零，则该系统是稳定的。由此可以想见，离散系统的 闭环Z传递函数的全部极点（特征方程的根）必须在Z平 面中的单位圆内时，系统是稳定的。
线性离散控制系统的稳定性分析
线性离散控制系统的稳定性分析在控制工程中，稳定性是占据重要地位的概念之一。
对于线性离散控制系统而言，稳定性分析显得尤为关键。
在本文中，我们将讨论线性离散控制系统的稳定性分析。
线性离散控制系统由两个部分组成，一个是系统本身，另一个是控制器。
这两个部分共同作用，以使系统能够正常运行，达到预定的控制目标。
而稳定性则是在这一过程中，确保系统在特定的条件下能够保持稳定。
线性离散控制系统一般是在时刻 t 时，通过一个输入信号 u(t) 来控制输出信号 y(t)。
由此可以得到系统的状态空间方程式：x(t+1) = Ax(t) + Bu(t)y(t) = Cx(t)其中，x(t) 是状态向量，它包含系统中所有的状态信息。
A 和B 是状态转移矩阵，用于描述状态向量在时间上的演变。
C 则是输出端的转移矩阵，用于描述系统输出与状态向量之间的关系。
而 u(t) 则是控制器的输入信号，通过控制器的处理，最终得到系统的输出 y(t)。
对于任意给定的系统，其稳定性是需要依据系统本身的特性来分析的。
这里我们将从两个方面来讨论线性离散控制系统的稳定性分析。
分别为：利用特征值和易于分析的特殊情况。
一、利用特征值进行稳定性分析通过特征值，可以很方便地判断一个系统是否稳定。
特征值的计算公式如下：det(A-λI) = 0其中，det() 是矩阵的行列式，A 是状态转移矩阵，λ 是特征值，I 是单位矩阵。
特征值通常是由状态转移矩阵的特征多项式所产生的根。
如果计算出来的特征值都处于单位圆内，那么这个系统就是稳定的。
反之，如果特征值的模超过了 1，则这个系统就是不稳定的。
此外，还存在一种特殊情况，即状态转移矩阵的特征值都是实数。
在这种情况下，我们只需要检测特征值是否位于区间 [-1,1] 中即可。
如果全部都满足此条件，那么系统就是稳定的。
二、特殊情况下的稳定性分析对于线性离散控制系统而言，有一些特殊情况下可以使用更为简便的方法来进行稳定性分析。
离散时间系统的稳定性分析
离散时间系统的稳定性分析离散时间系统是一种在离散时间点上进行状态变化的系统，与连续时间系统相对应。
稳定性分析是对系统行为的一个重要特征进行评估和判断的过程。
对于离散时间系统的稳定性分析，我们可以通过不同方法进行研究和判断，如利用差分方程、状态空间法、Lyapunov稳定性理论等。
本文将从这些角度出发，深入探讨离散时间系统的稳定性分析方法。
一、差分方程法差分方程法是一种基于离散时间点上变量之间的差分关系进行稳定性分析的方法。
对于离散时间系统，我们可以通过建立差分方程来描述系统的动态行为。
一般而言，稳定的离散时间系统在各个时间点上的状态变量都保持在某个有界范围内。
因此，我们可以通过差分方程的解析解或数值解来判断系统的稳定性。
二、状态空间法状态空间法是一种通过描述系统在不同离散时间点上状态变化的方法。
在状态空间中，系统的状态由一组关于时间的差分方程表示。
通过对系统状态进行迭代，我们可以从初始状态推导出系统在未来时间点上的状态。
根据这些状态的变化，我们可以判断系统是否稳定。
三、Lyapunov稳定性理论Lyapunov稳定性理论是一种通过利用Lyapunov函数来判断离散时间系统稳定性的方法。
Lyapunov函数是一个用于衡量系统状态的能量函数，它在系统稳定时具有稳定性的性质。
通过构造和分析Lyapunov函数，我们可以判断离散时间系统是否稳定。
如果能够找到一个Lyapunov函数，使得对于系统的每一个状态，该函数都是非负的，并且沿着系统的状态变化轨迹递减，那么系统就是稳定的。
四、其他稳定性分析方法除了以上介绍的几种常见方法外，还存在其他一些稳定性分析方法，如频率域方法、随机系统稳定性分析等。
这些方法可以根据具体问题的需求进行选择和应用，从而更好地评估离散时间系统的稳定性。
综上所述，离散时间系统的稳定性分析是研究系统动态行为的一个重要问题。
通过差分方程法、状态空间法、Lyapunov稳定性理论以及其他稳定性分析方法，我们可以对离散时间系统的稳定性进行全面评估和判断。
离散系统的稳定性分析
由闭环离散系统的特征方程式 1 G(z) 0 ，得
z 2 4.95z 0.368 0
z1 0.076 z2 4.876
系统有一特征根位于z 平面单位圆外，系统不稳定。
离散系统的劳斯稳定判据
劳斯判据只能判断特征方程式的根是否位于复 平面s 的左半平面，为此需采用双线性变换，将z 平 面的单位圆映射到 r 平面的虚轴上，z 平面单位圆内 的所有点，均映射到r 的左半平面。这样，对 r平面 中的变量就可应用劳斯稳定判据。
z r 1 r 1
r z 1 z 1
离散系统的劳斯稳定判据
例14 判断图示闭环离散系统的稳定性。 解 z 2 4.95z 0.368 0 令 z r 1，上式化简后，得
r 1 6.32r 2 1.264r 3.584 0
劳斯表中第一列有一次符号变 化，所以有一根位于 r右半平面， 即对应有一个根位于 z平面单位圆 之外，系统不稳定。
离散系统的稳定性分析
线性连续系统稳定的充要条件是：闭环传递函 数的所有极点均位于s 的左半平面。
线性离散系统稳定的充要条
离散系统稳定条件
例13 判断图示闭环离散系统的稳定性。
解 G(s) 10
s(s 1)
G(z)
10 z(1 e1) (z 1)( z e1)
离散控制系统的稳定性分析与设计
离散控制系统的稳定性分析与设计离散控制系统（Discrete Control System）是指将时间划分为离散的、不连续的间隔，并且系统的状态在这些间隔中发生改变的一种控制系统。
离散控制系统广泛应用于各种领域，如工业控制、自动化、机器人技术等。
在设计离散控制系统时，稳定性是一个至关重要的考虑因素。
本文将介绍离散控制系统的稳定性分析与设计。
一、离散控制系统的基本概念离散控制系统由离散信号和离散时间组成。
离散信号是在某一离散时刻上的取值是确定的，而在两个离散时刻之间则可以是任意值。
离散时间是指系统的状态在一系列离散时刻上发生变化。
离散控制系统与连续控制系统相比，更适用于数字化和计算机控制领域。
二、离散控制系统的稳定性分析离散控制系统的稳定性指系统对于输入信号的扰动具有一定的容忍度，系统能够维持在某一稳定状态而不产生不稳定的振荡。
稳定性分析是为了保证离散控制系统的正常工作和控制效果。
常用的稳定性分析方法包括传输函数法、根轨迹法和Lyapunov稳定性方法等。
1. 传输函数法传输函数法是一种基于系统的输入和输出之间的关系来分析稳定性的方法。
通过建立系统的传输函数，可以用频域的分析方法来判断系统的稳定性。
传输函数是输入变量和输出变量之间的比例关系，通常用拉普拉斯变换表示。
2. 根轨迹法根轨迹法是一种几何法，通过追踪系统传输函数的所有极点随参数变化而在复平面上运动的路径，分析系统的稳定性。
当系统的所有极点位于左半平面时，系统是稳定的。
3. Lyapunov稳定性方法Lyapunov稳定性方法是一种基于Lyapunov函数的方法，通过构造Lyapunov函数来分析系统的稳定性。
Lyapunov函数是一个实值函数，满足一定的条件，可以确定系统的稳定性。
若系统的Lyapunov函数对于所有的非零初始条件都是非负的，则系统是稳定的。
三、离散控制系统的稳定性设计在离散控制系统的设计过程中，稳定性是至关重要的考虑因素。
离散系统的稳定性
0
（3）W平面的右半平面 u (x2 y2) 1 0
(x 1)2 y2
(x2 y2) 1
对应于Z平 面单位圆内
(x2 y2) 1
对应于Z平 面单位圆外
上海大学 自动化系 邹斌
离散系统-稳定性分析
采样系统稳定性的代数判据
列写采样系统的脉冲传递函数,得到系统闭环特征 方程
D(1) 2 KT 0
Jurry z0
1
KT
2
1
3 (KT )2 1
4 KT
z1 z2
z3
0
-1
1
-1
0
KT
1 KT
1 (KT )2 1
KT 1 2
5
1.6182 8 ②
T 0.25
R(s)
E*(s)
T
G(s)
C(s)
其中
G(s) K1 s(s 4)
采样周期为
T 0.25s
求能使系统稳定的K1取值范围
上海大学 自动化系 邹斌
离散系统-稳定性分析
解: 系统开环脉冲传递函数
G(z)
ZGH
(s)
Z
K1 s(s
4)
Z
K1 4
上海大学 自动化系 邹斌
离散系统-稳定性分析
例4 系统结构图如图所示, T=0.25, 求使系统稳定的K值范围。
1 eTs Ke2Ts
G(z) Z
s
s
K (1
z
1
)z
2
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2.6 线性离散系统的稳定性
分析
1
平面和z平面的基本映射关系
s平面与z平面
2
平面的具体映射关系
平面单位圆，左半平面任一平面单位圆内，右半平面任一点映射在单位
ω与z平面相角θ关系
图主带映射图旁带映射
5
图s平面主带左半平面的映射图s平面主带右半平面的映射
图等频率线的映射图等衰减率线的映射
7
2.6.2 离散系统的稳定条件
•连续系统稳定的充要条件:
–特征根全部位于s域左半平面
•离散系统稳定的充要条件:
–特征根全部位于z平面单位圆中
•如何求高阶方程的根？
8
•显然，当k≥17.3时，该系统是不稳定的，但对于二阶连续系统，k为任何值时都是稳定的。
这就说明k对离散系统的稳定性是有影响的。
•一般来说，采样周期T也对系统的稳定性有影响。
缩短采样周期，会改善系统的稳定性。
•但需要指出的是，对于计算机控制系
统，缩短采样周期就意味着增加计算机的
运算时间，且当采样周期减小到一定程度后，对改善动态性能无多大意义，所以应
该适当选取采样周期。
14
2.7 线性离散系统的性能分析
15
2.7 离散系统性能分析
•一个控制系统在外信号作用下从原有稳定状态变化到新的稳定状态的整个动态过程称之为控制系统的过渡过程。
•一般认为被控变量进入新稳态值附近±5%或
±3%的范围内就可以表明过渡过程已经结束。
•通常，线性离散系统的动态特征是系统在单位阶跃信号输入下的过渡过程特性(或者说系统的动态响应特性)。
如果已知线性离散系统在阶跃输入下输出的Z变换Y(z)，那么，对Y(z)进行Z反变换，就可获得动态响应y*(t)。
将y*(t)连成光滑曲线，就可得到系统的动态性能指标（即超调量σ%与过渡过程时间t s），如图所示。
16
18 t−
2)
•(1)极点在单位圆外的正实轴上，对应的暂态响应分量c(kT)单调发散。
•(2)极点在单位圆与正实轴的交点，对应的暂态响应c(kT)是等幅的。
•(3)极点在单位圆内的正实轴上，对应的暂态响应c(kT)单调衰减。
•(4)极点在单位圆内的负实轴上，对应的暂态响应c(kT)是以2T为周期正负交替的衰减振荡。
•(5)极点在单位圆与负实轴的交点，对应的暂态响应c(kT)是以2T为周期正负交替的等幅振荡。
•(6)极点在单位圆外的负实轴上，对应的暂态响应c(kT)是以2T为周期正负交替的发散振荡。
•设计线形离散系统，应该
尽量选择在Z平面的右半圆
内，尽量靠近原点。
21
22
2.7.1 离散系统动态特性指标的提法
及限制条件
动态特性主要是用系统在单位阶跃输入信号作用下的响应特性来描述。
超调量
上升时间
峰值时间
调节时间
图系统阶跃响应的采样
图系统阶跃响应特性
•但我们知道，对于二阶的连续系统无论K 为何值都是稳定的，而采样控制系统则不然。
•以上说明，利用Z变换本身含有时间概念的特点，分析采样控制系统的运动特性是很方便的，且很适用于计算机。
28
31。