background image

Janusz KOWAL

Janusz KOWAL

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza

Hutnicza

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

Wykład 7

Stabilność liniowych 

stacjonarnych układów 

sterowania

Wykład 7

Wykład 7

Stabilno

Stabilno

ść

ść

liniowych 

liniowych 

stacjonarnych uk

stacjonarnych uk

ł

ł

ad

ad

ó

ó

sterowania

sterowania

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

2

9

Ogólne warunki stabilności

9

Matematyczne warunki stabilności

9

Kryterium Hurwitza

9

Kryterium Michajłowa

9

Kryterium Nyquista

9

Logarytmiczne kryterium stabilności

Plan wykładu:

Plan wykładu:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

3

9

Stabilność

układu sterowania jest 

najważniejszą jego cechą charakteryzującą 
zdolność układu do wykonywania zadań dla 
których został on zbudowany.

Ogólne warunki stabilności

9

Stabilność

jest pojęciem określającym - w 

potocznym znaczeniu - zdolność układu do 
zachowania pewnego stanu.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

4

stabilna lokalnie

a)

c)

b)

d)

Rodzaje równowagi:

niestabilna

stabilna asymptotycznie 

stabilna nieasymptotycznie

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

5

Przez 

stabilność

układu automatycznej 

regulacji (UAR), rozumiemy właściwość układu 
polegającą na:

9

powrocie do stanu równowagi stałej po ustaniu

działania wymuszenia, które wytrąciło układ z
tego stanu, lub

9

osiągnięciu nowego stanu równowagi stałej, 

jeśli wymuszenie pozostało na stałym poziomie.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

6

układów niestabilnych

y

y

Przykładowe charakterystyki czasowe

układów stabilnych

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

7

9

ogólnego 

y

0

(t)

0

lim

0

=

(t)

y

t

Analityczne sformułowanie warunków 

stabilności -

korzystamy  z równania różniczkowego opisującego 
dynamikę układu

x

b

dt

dx

b

....

dt

x

d

b

y

a

dt

dy

a

....

dt

y

d

a

dt

y

d

a

m

m

n

n

n

n

n

n

0

1

0

0

1

1

1

+

+

+

=

+

+

+

+

Rozwiązanie tego równania jest sumą dwóch rozwiązań

Ponieważ rodzaj sygnału wejściowego nie ma znaczenia 
przy badaniu stabilności, układ będzie stabilny gdy

9

szczególnego

y

s

(t)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

8

0

0

1

1

1

=

+

+

+

+

a

s

a

...

s

a

s

a

n

n

n

n

0

0

1

1

1

1

=

+

+

+

+

y

a

dt

dy

a

...

dt

dy

a

dt

dy

a

n

n

n

n

n

n

W celu sprawdzenia czy układ jest stabilny
należy zbadać rozwiązanie ogólne równania 
różniczkowego jednorodnego

Korzystając z przekształcenia Laplace’a
otrzymamy równanie

algebraiczne

zwane 

równaniem charakterystycznym

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

9

Pierwiastki równania charakterystycznego mogą
przybrać wartości:

t

s

n

t

s

t

s

n

e

C

...

e

C

e

C

(t)

y

+

+

+

=

2

1

2

1

0

Rozwiązanie możemy zapisać w postaci

=

=

n

i

t

s

i

i

e

C

(t)

y

1

0

gdzie: C

i

- stałe całkowania wynikające z   warunków

początkowych

s

i

- pierwiastki równania charakterystycznego

9

rzeczywiste dodatnie lub ujemne,

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

10

9

zespolone z częścią rzeczywistą dodatnią, 

zerową lub  ujemną

W zależności od wartości pierwiastków 
otrzymujemy różne przebiegi

t)

ω

A

t

ω

(A

e

t

ω

A

t

ω

(A

e

(t)

y

t

α

t

α

2

4

2

3

1

2

1

1

0

sin

cos

sin

cos

2

1

+

+

+

+

=

Jeżeli są pierwiastkami 
tego równania to rozwiązanie ma postać:

2

2

3,4

1

1

2

,

1

s

  

ω

α

ω

α

j

j

s

±

=

±

=

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

11

0

t

1

A

Im

Re

Wpływ lokalizacji pierwiastków na stabilność układu

0

t

1

A

t

s

e

3

t

s

e

2

t

s

e

1

s

1

s

2

s

3

Im

Re

-j

ω

+j

ω

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

12

0

t

1

A

Im

Re

-j

ω

+j

ω

α

α

Wpływ lokalizacji pierwiastków na stabilność układu

Im

Re

-j

ω

+j

ω

-

α

-

α

0

1

A

t

t

ω

sin

t

α

e

t

ω

sin

e

t

α

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

13

9

jeżeli chociażby jedna z części rzeczywistych s

i

jest dodatnia to

y

0

(t)

zmierza do nieskończoności

czyli układ jest niestabilny

9

przebiegi  y

o

(t)  zanikają w funkcji czasu, jeżeli 

pierwiastki równania charakterystycznego są
rzeczywiste ujemne lub zespolone o częściach 
rzeczywistych ujemnych.

Z przedstawionych wykresów wynika, że:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

14

9

Koniecznym i dostatecznym warunkiem stabilności 
asymptotycznej 
układu jest aby pierwiastki równania 
charakterystycznego układu zamkniętego leżały w 
lewej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej 
zespolonej s 
(miały ujemne części rzeczywiste)

9

jeżeli równanie charakterystyczne ma pierwiastki w lewej 
półpłaszczyźnie oraz jednokrotne na osi liczb urojonych, to 
układ jest na granicy stabilności (nie jest stabilny 
asymptotycznie)

9

jeżeli pierwiastki są zerowe lub są wielokrotne to układ jest 
niestabilny

Re(s

k

)<0     i wtedy

0

lim

0

=

(t)

y

t

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

15

Matematyczne warunki stabilności

9

stabilność układu w stanie swobodnym (gdy na 

układ  nie działają

sygnały zewnętrzne

zarówno sterujące jak i zakłócające)

9

stabilność

układu  poddanego działaniom 

zewnętrznym

Wyróżniamy dwa rodzaje stabilności:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

16

Przyjmijmy, że jeżeli układ swobodny znajduje się

stanie równowagi

czyli                    

0

=

(t)]

t),...,y

F[y(t),y'(

(n)

Stan dynamiczny układu mo

ż

emy określić na 

podstawie znajomości wektora y(t)  w przestrzeni 
fazowej.

to odpowiadający temu 

punkt równowagi

przestrzeni fazowej umieszczamy w początku jej 
układu współrzędnych.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

17

9

Jeżeli dla t

→∞

trajektoria nie wychodzi poza 

pewien ograniczony obszar otaczający początek 
układu współrzędnych, to układ jest 

stabilny w 

sensie Lapunowa

.

9

Jeżeli dla t

→∞

trajektoria oddala się

nieskończenie do początku układu 
współrzędnych to układ jest 

niestabilny.

9

Jeżeli dla t

→∞

trajektoria dąży do początku 

układu współrzędnych (punkt równowagi) to 
układ jest

stabilny asymptotycznie.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

18

Stabilność Lapunowa

zachodzi gdy dla liczby 

dodatniej 

ε

można znaleźć taką liczbę 

δ

,  żeby 

przy

obowiązywała nierówność:

Przez 

||

y

||

będziemy oznaczać w przestrzeni 

fazowej będącej liniową przestrzenią wektorową, 

normę wektora

o składowych  y

1

,y

2

,.....,y

n

równą:

[

]

(t)

y

...

(t)

y

(t)

y

(t)

y

y(t)

n

n

k

k

2

2

2

2

1

1

2

+

+

+

=

=

=

||

y(t

0

)

|| <

δ

||

y(t)

|| <

ε

dla t>t

0

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

19

i dla t>t

0

trajektoria dążyła do początku układu 

współrzędnych tzn.

Stabilność asymptotyczna

zachodzi gdy można 

dobrać dodatnią liczbę 

δ

żeby przy spełnionym 

warunku

δ

)

y(t

<

0

0

+∞

t

y(t)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

20

9

lub dochodzi do obszaru określonego wzorem

Stabilność globalna

zachodzi w przypadku gdy układ 

jest stabilny dla dowolnych warunków początkowych.

9

osiąga początek układu współrzędnych 

(stabilność globalna asymptotyczna),

Wtedy trajektoria układu swobodnego wychodząca z 
dowolnego punktu przestrzeni fazowej:

i pozostaje w nim (stabilność globalna w sensie
Lapunowa
).

||

y(t)

|| <

ε

dla   

t>t

0

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

21

Przebiegi trajektorii fazowej dla układu II-go rzędu 
wychodzące z punktu:

9

A

0

- dla układu stabilnego

w sensie Lapunowa,

9

B

0

- dla układu stabilnego

asymptotycznie,

9

C

0

- dla układu niestabilnego

B

0

0

C

C

0

A

0

δ

8

0

y

2

y

1

ε

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

22

W przypadku

układu liniowego

stan swobodny 

jest opisany jednorodnym równaniem liniowym o 
stałych współczynnikach

Rozwiązanie ogólne równania różniczkowego n-go 
rzędu, zwyczajnego liniowego o stałych 
współczynnikach i jednorodnego 

zależy od 

pierwiastków równania charakterystycznego

0

0

1

1

1

=

+

+

+

+

y(t)

a

dt

dy(t)

...

dt

y(t)

d

a

dt

y(t)

d

a

n

n

n

n

n

n

0

0

1

1

1

+

+

+

+

+

a

s

a

...

s

a

s

a

n

n

n

n

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

23

9

Równanie charakterystyczne ma wyłącznie 
pojedyncze pierwiastki rzeczywiste ujemne 

czyli układ jest stabilny asymptotycznie.

Dla przykładu rozpatrzymy szereg przypadków:

t

t

Be

Ae

s

B

s

A

L

)

)(s

(s

L(s)

L

g(t)

2

1

1

2

1

2

1

+

=





+

+

+

=

+

+

=

0

lim

=

g(t)

t

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

24

9

Równanie charakterystyczne ma oprócz 

pojedynczych ujemnych pierwiastków 

 

rzeczywistych ma również wielokrotne 
pierwiastki rzeczywiste ujemne

wtedy układ jest również stabilny asymptotycznie.

t

t

t

Cte

Be

Ae

s

C

s

B

s

A

L

)

)(s

(s

L(s)

L

g(t)

2

2

1

2

1

2

2

1

2

1

+

=





+

+

+

+

+

=

+

+

=

0

lim

=

g(t)

t

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

25

9

Równanie charakterystyczne ma rzeczywiste 

pierwiastki ujemne i pierwiastki zespolone o 
częściach rzeczywistych ujemnych

wtedy układ jest stabilny asymptotycznie, bo 
występują sinusoidy o gasnącej amplitudzie.

3

sin

3

3

cos

4

2

1

4

2

1

2

1

2

1

+

+

=

=





+

+

+

+

+

=

+

+

+

=

t

e

B

C

t

Be

Ae

s

s

C

Bs

s

A

L

)

s

)(s

(s

L(s)

L

g(t)

t

t

t

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

26

9

Równanie charakterystyczne ma oprócz 
pierwiastków o ujemnych częściach 
rzeczywistych jeden pierwiastek zerowy

Stabilność nieasymptotyczna związana jest z 
występowaniem jednego pierwiastka zerowego;
układ stabilny w sensie Lapunowa.

B

Ae

s

B

s

A

L

)s

(s

L(s)

L

g(t)

t

+

=





+

+

=

+

=

1

1

1

2

1

B

g(t)

t

=

lim

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

27

9

Równanie charakterystyczne oprócz pierwiastków 

ujemnych ma wielokrotny pierwiastek zerowy

wtedy układ jest niestabilny

Ct

B

Ae

s

C

s

B

s

A

L

)s

(s

L(s)

L

g(t)

t

+

+

=





+

+

+

=

+

=

2

1

2

1

1

1

=

g(t)

t

lim

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

28

9

Równanie charakterystyczne oprócz 
pierwiastków ujemnych ma pierwiastki dodatnie

wtedy układ jest niestabilny

t

-

t

Be

Ae

s-

B

s

A

L

)

)(s-

(s

L(s)

L

g(t)

2

1

1

2

1

2

1

+

=





+

+

=

+

=

=

g(t)

t

lim

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

29

9

Równanie charakterystyczne oprócz 
pierwiastków ujemnych ma pierwiastki 
zespolone o dodatniej części rzeczywistej

wtedy układ jest niestabilny

=





+

+

+

+

=

+

+

=

4

2

1

4

2

1

2

1

2

1

s

s

C

Bs

s

A

L

)

s

)(s

(s

L(s)

L

g(t)

=

g(t)

t

lim

3

sin

3

3

cos

1

+

+

+

=

t

e

B

C

t

Be

Ae

t

t

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

30

9

Równanie charakterystyczne oprócz 

pierwiastków ujemnych ma pierwiastki zespolone 
o zerowych częściach rzeczywistych

wtedy występują 

drgania niegasnące

- układ 

stabilny w sensie Lapunowa.

t

C

t

B

Ae

s

B

s

A

L

)

)(s

(s

L(s)

L

g(t)

t

2

sin

2

2

cos

4

1

4

1

2

1

2

1

+

+

=





+

+

+

=

+

+

=

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

31

Warunek konieczny stabilności Lapunowa jest 

następujący: 

9

krotność par pierwiastków urojonych powinna 

być co najwyżej równa jedności.

9

krotność pierwiastków rzeczywistych równych 

zeru,

9

wszystkie pierwiastki rzeczywiste i

części 

rzeczywiste pierwiastków zespolonych  powinny 
być ujemne,

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

32

9

występuje jeden pierwiastek rzeczywisty równy 
zeru,

9

występują pojedyncze (nie wielokrotne) pary 

pierwiastków urojonych,

9

przy jednym pierwiastku  rzeczywistym równym 
zeru występują pojedyncze (nie wielokrotne) 
pary pierwiastków urojonych.

Gdy spełniony jest powyższy warunek konieczny, 
układ jest stabilny w sensie Lapunowa gdy:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

33

Warunkiem koniecznym i wystarczającym

stabilności asymptotycznej jest, aby wszystkie 
pierwiastki rzeczywiste oraz części rzeczywiste 
pierwiastków urojonych były ujemne, możemy 
zapisać:

Globalna stabilność asymptotyczna występuje 
gdy układ jest stabilny asymptotycznie

0

)

Re(

<

k

s

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

34

Najbardziej znanymi są kryteria :

9

analityczne 

Hurwitza

9

analityczne 

Routha

9

kryterium graficzne 

Michajłowa

9

analityczno-graficzne 

Nyquista

Pierwsze dwa kryteria wymagają znajomości 
transmitancji układu w postaci analitycznej.

Kryteria graficzne oparte są na  charaktery-
stykach częstotliwościowych.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

35

Kryterium Hurwitza

Warunkiem koniecznym i wystarczającym

, żeby 

układ liniowy stacjonarny ciągły był

stabilny 

asymptotycznie jest aby:

1) wszystkie współczynniki równania charakterystycznego

0

0

1

1

1

=

+

+

+

+

a

s

a

...

s

a

s

a

n

n

n

n

,...,n

,

,

,i

a

i

2

1

0

0

=

>

były różne od zera i jednakowego znaku

2) wszystkie podwyznaczniki główne (

minory

) wyznacznika

Hurwitza były większe od zera.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

36

0

2

4

1

3

0

2

1

3

1

3

1

4

2

5

3

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

=

0

1

1

>

=

n

a

0

2

3

1

2

>

=

n

n

n

n

a

a

a

a

0

0

3

1

4

2

1

5

3

1

3

>

=

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

;

;

Kryterium Hurwitza pozwala na sprawdzenie czy równanie 
algebraiczne dowolnego stopnia ma wyłącznie pierwiastki 
ujemne lub o ujemnych częściach rzeczywistych.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

37

Przykład 1

Dany jest układ regulacji automatycznej 
schemacie przedstawionym na rysunku i 
transmitancjach:

E(s)

U(s)

1

s

T

K

1

1

+

Y(s)

)

1

s

T

(

s

K

2

2

+

W(s)

Wyznaczyć zakresy parametrów K

1

, K

2

, T

1

,  T

2

,

przy których układ jest stabilny.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

38

Transmitancja operatorowa 

układu zamkniętego

2

1

2

1

2

1

0

0

1

1

1

K

K

)

s

)(T

s

s(T

K

K

G

G

G

G

G(s)

R

R

+

+

+

=

+

=

Równanie charakterystyczne

ma postać

a po przekształceniu

0

2

1

2

2

1

3

2

1

=

+

+

+

+

K

K

s

)s

T

(T

s

T

T

W tym przypadku n=3, należy więc zbadać tylko  
wyznacznik drugiego stopnia

0

1

1

2

1

2

1

=

+

+

+

K

K

)

s

)(T

s

s(T

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

1

0

3

2

2

1

T

T

K

K

T

T

K

K

T

T

T

T

a

a

a

a

+

=

+

=

=

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

39

Aby układ był stabilny, parametry regulatora T

1

K

1

muszą spełniać warunek

2

1

2

1

1

1

K

K

T

T

>

+

Aby układ był na 

granicy stabilności

, musi 

zachodzić zależność

2

1

2

1

1

1

K

K

T

T

=

+

Wówczas równanie charakterystyczne  ma postać

0

1

2

1

2

2

1

=

+

+

)

K

K

)(s

s

T

(T

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

40

Rozkład 

pierwiastków

tego równania pokazano 

na poniższym rysunku

Im

Re

1

K

1

K

2

1

T

1

T

2

T

1

T

2

j

j

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

41

Kryterium Hurwitza umożliwia stwierdzenie 
stabilności:

Możliwość wystąpienia stabilności nieasympto-
tycznej zachodzi wtedy, kiedy w równaniu
charakterystycznym współczynnik a

0

=0.

9

asymptotycznej

9

nieasymptotycznej

Po podzieleniu stron równania przez s, 
otrzymujemy równanie stopnia  n-1 w odniesieniu 
do którego stosujemy kryterium Hurwitza.

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

42

Kryterium  Michajłowa

Kryterium Michajłowa

służy do oceny stabilności

układu liniowego jednowymiarowego, a właściwie 
do uzyskania

metodą graficzną odpowiedzi na 

pytanie:

ile pierwiastków równania charaktery-

stycznego leży w prawej półpłaszczyźnie?

Umożliwia ono badanie stabilności na podstawie 
przebiegu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej 
wykresu funkcji  N(j

ω

), otrzymanej z wielomianu 

charakterystycznego po podstawieniu s=j

ω

0

1

1

1

a

s

a

...

s

a

s

a

N(s)

n

n

n

n

+

+

+

+

=

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

43

Wyrażenie to zapiszemy w postaci

)

s

.(s

).........

s

)(s

s

(s

a

N(s)

k

n

=

2

1

gdzie:  s

k

(k=1,2,...,n)

po obraniu  s= j

ω

otrzymujemy

m)π

(n

m)π

(n

)

N(jω

arg

2

=

=

lub inaczej

e

)

N(j ω

)

N(j ω

=

gdzie:

n

n

s

...

s

a

)

N(j ω

=

2

n

s

arg

....

s

arg

)

N(jω

arg

Φ

+

+

=

=

1

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

44

Wektor

odpowiadający  j

ω

jest położony na osi 

urojonej i końce poszczególnych wektorów 
przedstawiających czynniki (j

ω−

s

k

znajdują się

na tej osi na rysunku poniżej.

S

Re

Im

k

S

k

jω−

j

ω

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

45

Jeżeli będziemy zmieniać pulsację

ω

, w zakresie 

od 

do 

+

, to stwierdzimy, że 

zmiana 

argumentu wektora

(j

ω−

s

k

zależy od położenia 

punktu odpowiadającego  s

k

na płaszczyźnie 

zmiennej zespolonej.

9

W przypadku gdy punkt ten leży w

lewej 

półpłaszczyźnie

wektor (j

ω−

s

k

przy zmianie 

<ω<+

obróci się w kierunku przeciwnym do 

ruchu wskazówek zegara o kąt 

9

Natomiast gdy punkt odpowiadający  s

k

leży w

prawej półpłaszczyźnie

to wektor (j

ω−

s

k

przy

zmianie 

<ω<+

obróci się w kierunku 

zgodnym z ruchem wskazówek zegara o kąt

− π

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

46

Jeżeli z liczby wszystkich pierwiastków n,  m
pierwiastków znajduje się

prawej 

półpłaszczyźnie

a (n-m) w lewej to zmiana 

argumentu N(j

ω

przy 

<ω<+

Ponieważ

warunkiem stabilności jest aby 

wszystkie pierwiastki miały 

ujemne części 

rzeczywiste

(czyli m=0), to: 

m)π

(n

m)π

(n

)

N(jω

arg

2

=

=

<ω<+

<ω<+

R

e

s

k

<

0

jeżeli 

argN(j

ω

)=n

π

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

47

Układ regulacji automatycznej jest stabilny

wtedy i tylko wtedy, gdy zmiana argumentu 
krzywej N(j

ω

przy zmianie pulsacji 

<ω<+

wynosi  n(

π

/2) gdzie  oznacza stopień równania

charakterystycznego tzn.

Kryterium Michajłowa

można sformułować 

następująco :

2

)

N(jω

arg

=

<ω<+

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

48

Przykładowe wykresy

Michajłowa

układów 

stabilnych asymptotycznie rzędu od  n=4 do n=1

n=4

n=3

n=2

n=1

0

=

ω

(

)

(

ω

jQ

)

ω

P

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

49

Przykład 2

Dany jest układ regulacji  automatycznej  jak na 
rysunku. Zbadać stabilność układu, wykorzystując 
kryterium Michajłowa, jeśli  T

1

=0.14s, T

2

=2s i

K=10. Jakie powinno byś by układ znalazł się na 
granicy stabilności?

Schemat blokowy układu regulacji

U(s)

2

1

)

1

s

T

(

K

+

Y(s)

s

T

1

2

W(s)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

50

Transmitancja zastępcza układu zamkniętego

Przekształcając 

mianownik

transmisji 

G

z

(s)

otrzymujemy wielomian charakterystyczny układu

po podstawieniu danych

10

2

56

0

04

0

2

3

+

+

+

=

s

s

,

s

,

N(s)

K

)

s

s(T

T

s

KT

s

T

)

s

(T

K

)

s

(T

K

(s)

G

z

+

+

=

+

+

+

=

2

1

2

2

2

1

2

1

1

1

1

1

1

K

s

T

s

T

T

s

T

T

N(s)

+

+

+

=

2

2

2

1

3

2

2

1

2

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

51

Podstawiając s=j

ω

oraz wyodrębniając część 

rzeczywistą i urojoną

otrzymamy

Następnie rozwiązujemy równania P(

ω

)=0

i

Q(

ω

)=0 znajdując w ten sposób punkty, przy 

których wykres Michajłowa przecina osie.

)

ω

,

(

ω

,

)

jQ(ω

)

P(ω

)

N(jω

2

2

04

0

2

56

0

10

+

=

+

=

Wykres krzywej N(j

ω

przedstawiono na rysunku 

poniżej. 

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

52

0

)

Wykres tego przechodzi kolejno przez trzy ćwiartki 
płaszczyzny zmiennej zespolonej, więc układ jest 
stabilny
.

ω

1

5,44

-18

ω

3

ω

2

= 0

10

ω =

8

N j

)

ω

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

53

Uzupełnieniem 

kryterium Michajłowa

jest 

następujące twierdzenie:

)

,

(

ω

π

m)

(n

N(jω(

=

0

2

2

arg

Całkowita 

zmiana argumentu

wielomianu 

charakterystycznego  N(j

ω

niestabilnego układu 

liniowego

jednowymiarowego rzędu n-tego, 

którego m pierwiastków leży w prawej 
półpłaszczyźnie wynosi:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

54

Kryterium Nyquista

Kryterium Nyquista

jest graficznym sposobem 

oceny stabilności układu zamkniętego na podstawie 
znajomości 

charakterystyki częstotliwościowej

układu otwartego.

Schemat blokowy układu regulacji

)

s

(

G

R

Y(s)

)

s

(

G

O

W(s)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

55

Transmitancja operatorowa

układu otwartego

otrzymanego poprzez przerwanie pętli sprzężenia 
zwrotnego wynosi:

(s)

(s)G

G

W(s)

Y(s)

G(s)

R

0

=

=

Przedstawiając tę transmitancję w postaci ilorazu 
wielomianów zmiennej s, otrzymamy

N(s)

M(s)

G(s)

=

(s)

N

(s)

M

G(s)

G(s)

(s)

(s)G

G

(s)

(s)G

G

G(s)

Z

Z

R

R

+

=

+

=

1

1

0

0

przy czym N(s)=0 jest 

równaniem charaktery-

styczne 

n-tego stopnia układu otwartego. 

Transmitancja układu zamkniętego wynosi:

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

56

lub po uwzględnieniu wyrażenia

otrzymujemy

Równanie charakterystyczne układu zamkniętego

jest również stopnia  n.

(s)

N

(s)

M

G(s)

=

M(s)

(s)

N

(s)

M

G(s)

+

=

0

=

+

=

M(s)

N(s)

(s)

N

Z

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

57

Wnioskujemy zatem, że równanie charakterystyczne N

z

(s)

ma te same miejsca zerowe co wyrażenie w mianowniku  
transmitancji 

czyli:

(s)

N

(s)

M

G(s)

G(s)

(s)

(s)G

G

(s)

(s)G

G

(s)

G

Z

Z

R

R

Z

=

+

=

+

=

1

1

0

0

[

]

)

arg

)

arg

)

1

arg

0

0

(j ω

N

(j ω

N

(j ω

G

Z

=

+

[

]

[

]

)

arg

)

)

arg

)

1

arg

0

0

(jω

N

(jω

N

(jω

M

(jω

G

Z

Z

+

=

+

Przyrost 

argumentu

wyrażenia 1+G

0

(j

ω

przy zmianach 

częstości 

ω

od 0 do +

wyniesie:

0

<ω<

0

<ω<

0

<ω<

0

<ω<

0

<ω<

0

<ω<

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

58

Rozpatrzmy teraz dwa przypadki:

9

Układ otwarty jest stabilny

Układ zamknięty będzie 

stabilny

, jeżeli

2

)

arg

π

n

N(jω

=

2

)

arg

π

n

(jω

N

Z

=

Równanie charakterystyczne układu otwartego
posiada wszystkie pierwiastki w lewej 
półpłaszczyźnie 

s.

Zgodnie z kryterium 

Michajłowa

0

<ω<

0

<ω<

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

59

Warunek  stabilności układu zamkniętego można 
wtedy zapisać:

Ten sam warunek odniesiony do charakterystyki 

amplitudowo-fazowej

układu otwartego G

0

(j

ω

)

będzie sformułowany następująco:

[

]

0

)

1

arg

=

G(jω

Jeżeli otwarty układ regulacji jest stabilny i jego 
charakterystyka amplitudowo-fazowa G

0

(j

ω

dla 

pulsacji  0

<ω< ∞

nie obejmuje punktu

(-1,j0) to 

wtedy i tylko wtedy po zamknięciu będzie on 
również stabilny.

0

<ω<

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

60

Charakterystyki amplitudowo fazowe:

b) układów 

niestabilnych

a) układów 

stabilnych

)

(

ω

jQ

)

(

ω

P

0

=

ω

0

=

ω

(-1,j0)

a

b

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

61

9

Układ otwarty jest niestabilny.

2

2

)

arg

π

m)

(n

N(jω

=

Równanie charakterystyczne układu otwartego ma 
(n-m) pierwiastków w 

lewej półpłaszczyźnie

zmiennej s oraz m pierwiastków w 

prawej 

półpłaszczyźnie

. Zgodnie ze wzorem:

0

<ω<

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

62

Warunek stabilności układu zamkniętego można 
więc zapisać

Układ zamknięty będzie 

stabilny

, jeżeli

2

2

)

arg

π

m)

(n

(jω

N

Z

=

[

]

π

m

G(jω

2

2

)

1

arg

=

+

0

<ω<

0

<ω<

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

63

Warunek

ten odniesiony do charakterystyki 

amplitudowo-fazowej układu otwartego

G(j

ω

)

możemy sformułować następująco: 

Jeżeli otwarty układ automatyki jest niestabilny i 
posiada m pierwiastków w 

prawej półpłaszczyźnie

zmiennej s, to po zamknięciu będzie on stabilny, 
wtedy i tylko wtedy, gdy charakterystyka 
amplitudowo-fazowa

układu

otwartego

dla 

częstości  zmieniającej się od 0 do

, okrąża

razy  m/2 punkt (-1,j0) w kierunku dodatnim 
(przeciwnym do ruchu wskazówek zegara). 

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

64

Przykład 3

Transmitancja układu otwartego :

1

2

2

2

3

+

+

+

=

s

s

s

K

G(s)

P

Sprawdzić na podstawie kryterium Nuquista, czy 
układ zamknięty, którego schemat podano na 
rysunku  jest stabilny przy K

p

= 10.

E(s)

U(s)

p

K

Y(s)

1

s

2

s

2

s

1

2

3

+

+

+

W(s)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

65

Stosując 

kryterium Hurwitza

sprawdzamy czy układ 

otwarty jest stabilny:

0

3

1

4

2

1

1

2

2

>

=

=

=

  

  

Układ otwarty jest 

stabilny

.

2)

1)

1 ,   2 ,   2 ,   1 > 0

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

66

Transmitancja widmowa

układu otwartego

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

)

Im

)

ω

(

ω

)

ω

(

)

ω

(

K

G(jω

P

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1

)

Re

)

ω

(

ω

)

ω

(

)

ω

(

K

G(jω

P

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

)

Im

)

ω

(

ω

)

ω

(

)

ω

(

K

G(jω

P

+

=

stąd

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

67

Im

Re

Po podstawieniu  K

p

= 10 wykreślono poniżej

charakterystykę amplitudowo-fazową.

-3,3

-9,45

ω=

8

ω=

10

ω=0

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

68

Wykres  G(j

ω

przecina oś rzeczywistą przy 

częstości 

w punkcie (-3.3,j0) i w 

związku z tym obejmuje punkt (-1,j0). Układ 
zamknięty będzie więc niestabilny.

2

=

p

ω

Jedną z zalet 

kryterium Nyquista

jest, iż można 

je stosować

dla układów zamkniętych 

zawierających elementy opóźniające

Schemat blokowy układu zamkniętego z elementem 

opóźniającym

τ

−s

e

Y(s)

)

s

(

G

W(s)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

69

Transmitancja widmowa 

układu otwartego

ma postać

Moduł

transmitancji widmowej

Kąt przesunięcia fazowego

gdzie: |G

otw

(j

ω

)| i |

ϕ

otw

(j

ω

)| są modułem i fazą

układu otwartego bez opóźnienia.

ωτ)

j

ωτ

(jω

G

e

(jω

G

(jω

G

otw

sin

)(cos

)

)

=

=

τ

)

sin

cos

)

)

2

2

(jω

G

 ω

ωτ

(jω

G

(jω

G

otw

=

+

=

τ

ωτ

ωτ

ωτ

arctg

otw

otw

=

=

)

cos

sin

)

)

ϕ

ϕ

ϕ

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

70

Dla pewnej częstości

ω

x

, dla której |G(j

ω

x

)|=1

istnieje krytyczna stała czasowa opóźnienia

τ

kr

taka, że:

czyli

Wtedy wykres przechodzi przez punkt  (-1,j0) a 
układ zamknięty znajduje się

na  granicy 

stabilności.

π

τ

ω

)

kr

x

x

otw

=

ϕ

x

x

otw

kr

ω

π

)

τ

+

=

ϕ

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

71

Wpływ elementu opóźniającego na przebieg 

charakterystyki amplitudowo-fazowej układu otwartego

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

72

Logarytmiczne kryterium stabilności

Z  kryterium Nyquista

wynika,  że moduł

transmitancji widmowej układu otwartego dla 
częstości

ω

x

, dla której argument tej transmitancji 

jest równy 

−π

, powinien być mniejszy od jedności. 

Wtedy bowiem charakterystyka amplitudowo-
fazowa nie obejmuje punktu  (-1,j0).

Zapas stabilności

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

73

Otrzymujemy zatem warunki:

oraz

Warunek |G(j

ω

x

)|

<

w skali logarytmicznej przyjmie 

postać

1

)

<

G(jω

)

G(jω

x

=

arg

0

lg

20

<

=

)

G(jω

)

L

x

x

m

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

74

Na podstawie przedstawionych zależności można 
sformułować

kryterium Nyquista

oparte na 

charakterystykach logarytmicznych :

Jeśli

układ otwarty

jest

stabilny

,  a jego

charakterystyka amplitudowa logarytmiczna
przecina oś 0 dB przy częstości mniejszej od
częstości przecięcia osi

−π

przez charakterystykę

fazową, to układ zamknięty jest

stabilny

.

W przeciwnym razie układ zamknięty jest 

niestabilny

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

75

Charakterystyki logarytmiczne: a) układu 

stabilnego

b) układu 

niestabilnego

Lm G 
dB

Lg

0

0

Lg

0

ϕ

m

L

π

2

1

π

2

1

X

ω

a)

Lm G 
dB

Lg

0

Lg

0

π

2

1

π

2

1

b)

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

76

Na podstawie przebiegu charakterystyk
logarytmicznych można również określić tzw. 

zapas stabilności

”. Jest to pewien margines

bezpieczeństwa, dający projektantowi układu 
regulacji pewność,  że układ pozostanie stabilny, 
pomimo pewnych zmian jego parametrów

Wyróżnia się przy tym dwa rodzaje zapasu
stabilności:

9

zapas modułu:

9

zapas fazy:

0

m

∆L

0

ϕ

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

77

Zapas modułu

zwany też zapasem wzmocnienia

określa wartość, o którą może być zwiększone
wzmocnienie układu otwartego aby układ znalazł
się na 

granicy stabilności

Zapas fazy

określa wartość zmiany argumentu

transmitancji widmowej przy stałym wzmocnieniu, 
które spowodowałoby  że układ zamknięty 
znalazłby się na 

granicy stabilności

)

lg

20

0

G(jω

∆L

m

=

π

=

0

ϕ

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

78

Zapas stabilności

można również określić na 

podstawie charakterystyki amplitudowo-fazowej
układu otwartego

Im

Re

8

ω=

ω=0

ο

-1

ω

x

ϕ

K

1

background image

Katedra Automatyzacji Procesów

Katedra Automatyzacji Procesów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Akademia Górniczo

Akademia Górniczo

-

-

Hutnicza w Krakowie 

Hutnicza w Krakowie 

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Prof. dr hab. inż. Janusz KOWAL

Temat wykładu: Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Temat wykładu: 

Temat wykładu: 

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania      

Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki

79

Zapas modułu

można wyznaczyć

W tym przypadku 

miarą zapasu stabilności

układu jest oddalenie charakterystyki amplitudowo-
fazowej od punktu krytycznego (-1,j0).

)

1

G(jω

∆K

=

π

=

ϕ