Например, Бобцов

ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

20
УДК 62-51

В. В. ГРИГОРЬЕВ, С. В. БЫСТРОВ, И. М. ПЕРШИН, А. К. НАУМОВА, А. Н. ГУРЬЯНОВА
ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ*

На основе частотных методов исследования систем с распределенными параметрами сформулирован модифицированный критерий Найквиста экспоненциальной устойчивости линейных систем.

Ключевые слова: экспоненциальная устойчивость, распределенные параметры, частотные методы.

Введение. Критерий устойчивости Найквиста [1, 2] относится к частотным критериям

устойчивости линейных непрерывных систем с постоянными параметрами, он позволяет для

систем с одним входом и выходом и единичной обратной связью по амплитудно-

фазочастотным характеристикам (АФЧХ) разомкнутого контура устанавливать свойство

асимптотической устойчивости замкнутой системы. Однако свойство асимптотической ус-

тойчивости не позволяет судить о скорости сходимости процессов системы к положению

равновесия. Экспоненциальная устойчивость позволяет оценивать быстродействие системы

по степени сходимости процессов к положению равновесия. Модификация критерия Найкви-

ста дает возможность установить свойство экспоненциальной устойчивости для линейных

непрерывных систем с постоянными параметрами и тем самым оценить их быстродействие.

Модифицированный критерий Найквиста экспоненциальной устойчивости распространяется

на линейные системы с распределенными параметрами.

Модификация критерия Найквиста для линейных непрерывных систем с посто-

янными параметрами. Рассмотрим линейную непрерывную систему, передаточная функция

разомкнутого контура которой W(s) представляет отношение двух полиномов

W (s)

=

B(s) A(s)

,

* Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России“ на 2009—2013 гг. (государственный контракт № 14.740.11.1080).

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

Экспоненциальная устойчивость линейных систем с распределенными параметрами 21

причем степень полинома A(s) равна n, а B(s) — m(m ≤ n). При этом передаточная функция

замкнутой системы имеет вид

Φ(s)

=

B(s) A(s) + B(s)

,

где A(s)+B(s) — характеристический полином замкнутой системы. Введем вспомогательную

передаточную функцию

W1 ( s)

= 1+ W (s)

=

A(s) + B(s) A(s)

=

D(s) , D1 ( s)

где D(s) = A(s) + B(s) — характеристический полином замкнутой системы, D1(s) = A(s) — характеристический полином разомкнутого контура. Замкнутая система экспоненциально устойчива, если все корни ее характеристического полинома лежат левее прямой, параллельной
мнимой оси, сдвинутой на значение α (α — параметр экспоненциальной устойчивости, определяющий степень сходимости процессов к положению равновесия). Сведем задачу установления факта экспоненциальной устойчивости к классической задаче определения устойчивости, для чего введем конформное отображение вида

s1 = s − α ,

при этом характеристический полином замкнутой системы D(s1) = A(s1) − B(s1) должен иметь

все корни характеристического полинома относительно переменной s1 в левой полуплоскости комплексной плоскости корней, и все корни должны иметь отрицательные вещественные

части. Вспомогательная передаточная функция с учетом конформного отображения примет

вид

W1 (s1 )

=

D(s1 ) D1 (s1 )

.

Перейдем к частотным передаточным функциям:

s1 = jω − α = jω1,

при этом

W1 (

jω1 )

=

D( jω1) D1( jω1)

.

Согласно принципу приращения аргумента, если разомкнутый контур имеет l корней,

вещественная часть которых больше значения –α, а остальные n − l корней имеют вещест-

венные части, меньшие –α, то приращение аргумента f1 вспомогательной частотной передаточной функции должно быть равно

f1

=

nπ 2



(n

− l)π 2

+

lπ 2

=



.

Перейдя к АФЧХ разомкнутого контура, получим, что приращение аргумента f2 час-

тотной передаточной функции разомкнутого контура

W

(

jω1)

=

B( A(

jω1) jω1)

относительно точки комплексной плоскости (–1, j=0) должно быть равно f2 = lπ .

Если разомкнутый контур экспоненциально устойчив с параметром α, то l = 0 и f2 = 0,

т.е. АФЧХ модифицированной частотной передаточной функции разомкнутого контура

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

22 В. В. Григорьев, С. В. Быстров, И. М. Першин, А. К. Наумова, А. Н. Гурьянова

W(jω1) не должна охватывать точку (–1, j=0) комплексной плоскости, при этом линейная система будет экспоненциально устойчивой со степенью сходимости α.
Применение частотных методов к системам с распределенными параметрами. Для пространствено-инвариантных распределенных систем [1—5] передаточная функция по каждой пространственной моде может быть представлена в виде:

Wη,γ,ξ(s) = Вη,γ,ξ(s)/Аη,γ,ξ(s), η, γ=1, 2, …, ξ=1, 2, …, 4,

(1)

причем степень полиномов Аη,γ,ξ(s) и Вη,γ,ξ(s) равна бесконечности. Пространственноинвариантную систему структурно можно представить в виде бесконечной совокупности ус-

ловно сосредоточенных систем (по каждой пространственной моде), при этом доказано [1],

что если каждый контур устойчив, то устойчива и вся система.

Согласно работе [2], передаточная функция разомкнутой системы должна удовлетво-

рять условиям, представленным в виде отношения аналитически целых функций:

1) lims→∞Wη,γ,ξ(s)=const, 2) внутри контура интегрирования передаточная функция должна быть мероморфной.

Для определения возможности применения критерия Найквиста к каждому контуру сис-

темы управления необходимо провести анализ передаточной функции каждого из контуров.

Пример 1. Исследуем передаточную функцию процесса распространения тепла в цилин-

дрическом стержне.

Рассмотрим особенности применения частотного критерия Найквиста при анализе ус-

тойчивости в каждом контуре системы управления процессом распространения тепла в ци-

линдре конечных размеров, управляющее воздействие на который распределено по границе.

Согласно работам [1, 3], передаточная функция объекта по η-й моде входного воздейст-

вия может быть представлена в виде отношения функций Бесселя:

( )∗

W0,η ( s) =

J J

0,η 0,η

(

R, R,

s s

)

,

η=1,2, …,


где R, R — заданные числа, J0,η(R,s) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
Представляя функцию J0,η(R,s) в виде J0,η(jz), η=1, 2, …, рассмотрим поведение функции на контуре интегрирования бесконечно большого радиуса. Функция J0,η(jz) при бесконечно больших значениях аргумента z, согласно [4, 5], может быть представлена в виде следующего соотношения:

J0,η

(

jz

)

=

1
( 2πz )1

2

exp

(

z


) ⎜⎝⎜1 +

1 1!8z

+

1⋅ 32
2!(8z )2

⎞ +…⎟ ,
⎟⎠

arg z



π, 2

η = 1, ∞ .

Найдем предел

⎡⎛

⎞⎤







( ) ( )lim
s→∞

W0,η

(s)

=

lim
s→∞







⎢ ⎢

⎛ ⎜

2πzη

2π zη

12
⎞1 2 ⎟

exp

⎢⎝ ⎠

( )⎢⎣

∆zη



⎜⎜1 +

1


⎜ 1!8 zη

⎜⎝

+

1⋅ 32

2!⎜⎛

8


z

η



⎞2 ⎟ ⎠

⎟⎥

+ … ⎟⎟

⎥ ⎥

⎟⎥

⎠⎟

⎥ ⎥

,

η

= 1, ∞

,

⎛ ⎝⎜⎜⎜1

+

1 1!8zη

+ 1⋅32 2! 8zη

2

⎞ + … ⎟⎠⎟⎟

⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦

значения аргументов функции могут быть найдены из следующих соотношений:

(2)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

Экспоненциальная устойчивость линейных систем с распределенными параметрами 23




⎛s

=

⎜ ⎝

a1

+

ψη2

⎞1 ⎟

2




R,



=

⎛ ⎜ ⎝

s a1

+

ψη2

⎞1 ⎟

2

R

,



∆z

=

⎛ ⎜ ⎝


R−

R

⎞ ⎟ ⎠

⎛ ⎜ ⎝

s a1

+

ψη2

⎞1 ⎟

2

,



ψη

=

π

η xL

,

η = 1, ∞ ,

x L — заданное число. Преобразовав (2), получим

lim
s→∞

W0,η

(

s

)

=





( ) ( )=

lim
s→∞

⎢⎢⎢⎢⎛⎜⎜⎝

R

R

⎞1 ⎟ ⎟⎠

2



exp

⎛ ⎜ ⎜⎝

⎛ ⎜ ⎝

s a1

+

ψ

2 η

⎞1 ⎟ ⎠

2



( )⎢⎣


R− R

⎞ ⎟ ⎠⎟

⎛⎜1 ⎜⎜⎝

+

1

1!8 z

η

⎛ ⎜ ⎜⎜⎝

1

+

1 1!8 zη

+ +

1⋅ 32

2! 8 zη
1⋅ 32 2! 8zη

2 2

+



⎞ ⎟

⎤ ⎥

+

⎟⎟⎠ ⎞ … ⎠⎟⎟⎟

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦

,

η = 1, ∞.

(3)


Так как условия физической реализуемости предполагают R < R , то

sl→im∞W0,η ( s ) = 0 , η = 1, ∞ .
Предположим, что передаточная функция регулятора по η-й моде входного воздействия равна Kη (Kη — заданные числа; η=1, 2, …).
В этом случае характеристический полином разомкнутой системы η-го контура имеет вид:

( )J0,η jzη = 0 , η = 1, ∞ .

Рассмотрим отображение правой полуплоскости S на плоскость Г=jzη. Положим

s = M1 (cos ϕ1 + j sin ϕ1 ) ,

где М1 — модуль комплексного числа s; φ1 — фаза комплексного числа s. Подставив (4) в (3), получим

jzη

=

j ⎡⎣M 2

(cos ϕ1

+

j

sin

ϕ1

)

+

ψη2

⎤1 ⎦

2

R,

η

= 1, ∞ ,

где M2=M1/a1, a1 — заданное число. Преобразовав (5), придем к следующему результату:
jzη = ⎡⎣M2 (cos ϕ1 + j sin ϕ1 ) + ψη2 ⎦⎤1 2 R , η = 1, ∞ .

(4) (5)

Для удобства рассмотрения комплексных чисел jzη ( η = 1, ∞ ) на комплексной плоскости Γ (рис. 1) представим комплексное число jzη в наглядной форме

( )jzη = Aη exp jϕ2,η , η = 1, ∞ ,

где

ϕ2,η = ϕ3,η 2 ;

(6)

ϕ3,η

=

arctg

⎡ ⎢ ⎣⎢



−M 2 sin M 2 cos ϕ1

ϕ1 − ψη2

⎤ ⎥ ⎦⎥

;

(7)

( )Aη = R ⎣⎢⎡(M2 sin ϕ1 )2 +

M2 cos ϕ1 − ψη2

2

⎤1 ⎥⎦

4

;

η = 1, ∞ .

(8)

При ϕ1 = π 2 значение ϕ2,η , согласно (6), (7), определяется из следующего соотношения:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

24 В. В. Григорьев, С. В. Быстров, И. М. Першин, А. К. Наумова, А. Н. Гурьянова

Найдем предел

ϕ2,η

=

1 2

arctg

⎛ ⎜ ⎜⎝

−M2 −ψη2

⎞ ⎟, ⎟⎠

η

=

1, ∞

.

lim
M1→∞

ϕ2,η

=

lim
M1→∞

1 2

arctg

⎛ ⎜ ⎜⎝

−M1 −a1ψη2

⎞ ⎟ ⎟⎠

=



π 4

,

η = 1, ∞ .

Аналогично можно показать, что при φ1=–π/2 и M1 → ∞ значение φ2,η стремится к π/4.

Im(S)
M1 ϕ1

S Re(S)

Im(j z)
M~η –M~η

Λ1
ϕ2, η –ϕ2, η

Γ Re(j z)

Λ2

Рис. 1
На рис. 1 показано отображение правой полуплоскости S на плоскость Γ. Получаемое

отображение представлено в виде секторов Λ1 и Λ2; M η = ψηR .

( )Исследования, проведенные в работе [5], показывают, что функции J0,η jzη , η = 1, ∞ ,

в секторах Λ1 и Λ2 не имеют нулей, следовательно, функция J0,η ( R, s) не имеет нулей, лежа-
щих в правой полуплоскости S. Это отражает известное свойство устойчивости тепловых


процессов. Исследуя функцию J0,η(R, s) , η = 1, ∞ , можно показать, что она также не имеет
нулей, лежащих в правой полуплоскости S. Представленная методика позволяет судить о нулях и полюсах передаточной функции по каждому контуру управления одномерным температурным полем.
Рассмотрим отображение области {G, s} в область{G, jz(G)}. Для этого представим вы-

ражение (6) с использованием обобщенной координаты G [1, 3]:

jz(G) = A(g) exp ( jϕ2 (G)) , G = Gн , ∞ ,

где

ϕ2 = ϕ3 2 ;

(9)

ϕ3

=

arctg

⎡ −M 2 sin ϕ1

⎢ ⎣

−M

2

cos

ϕ1



G

⎤ ⎥ ⎦

;

(10)

A(G)

=

R

⎡⎣( M 2

sin ϕ1 )2

+

(M2

cos ϕ1

− G)2

⎤1 ⎦

4
,

G

=

Gн , ∞

.

(11)

При φ1=π/2 значение φ2, согласно (9), (10), определяется из следующего соотношения:

ϕ2

=

1 2

arctg

⎛ ⎜⎝

−M2 −G

⎞ ⎠⎟

,

G

=

Gн , ∞

.

Найдем предел

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

Экспоненциальная устойчивость линейных систем с распределенными параметрами 25

lim
M1→∞

ϕ2

=

lim
M1→∞

1 2

arctg

⎛ ⎝⎜

−M1 −aG

⎞ ⎟⎠

=



π 4

,

G

=

Gн , ∞

.

Аналогично можно показать, что при φ1= –π/2 и M1→∞ значение φ2 стремится к π/4. На рис. 2 представлено отображение области {G, s} в область {G, jz(G)}. Это отображение

получается в виде областей Λ1 и Λ2; M = GR .

Im(j z)

Γ

Im(S)

S

M1 ϕ1 Re(S)

M~(G)

Λ1

ϕ2(G)

Re(j z)

–ϕ2(G)

–M~(G)
Λ2 π/4

–π/4

Рис. 2
Исследования, проведенные в работах [1, 3], показывают, что рассматриваемая функция
( )в областях Λ1 и Λ2 не имеет нулей, следовательно, функция J0,η jzη , η = 1, ∞ , записанная с
использованием обобщенной координаты в виде J0 (G, R, s) , не имеет нулей, лежащих в об-
ласти {G, s}. Это отражает известное свойство устойчивости тепловых процессов. Аналогич-
*
но можно показать, что функция J0 (G, R, s) , G = Gн , ∞ , также не имеет нулей, лежащих в правой полуплоскости S.
Полученные результаты для передаточной функции, записанной с использованием обобщенной координаты, показывают, что передаточная функция не имеет нулей и полюсов, лежащих в правой полуплоскости S, является мероморфной и на контуре интегрирования бесконечно большого радиуса не имеет особенностей. Следовательно, критерий Найквиста применим к оценке устойчивости рассматриваемых систем управления.
Введя конформное отображение вида s1 = s − α ,
проведем аналогичную процедуру с передаточной функцией вида
Wη,γ,ξ(s1) = Вη,γ,ξ(s1)/Аη,γ,ξ(s1); η, γ = 1, 2, …; ξ = 1, 2, …, 4.
Если разомкнутый контур экспоненциально устойчив с параметром α, то АФЧХ модифицированной частотной передаточной функции разомкнутого контура Wη,γ,ξ(s1) не должна охватывать точку (–1, j=0) комплексной плоскости, при этом линейная система будет экспоненциально устойчивой со степенью сходимости α.
Разомкнутый контур будет экспоненциально устойчив с параметром α, если пространственный годограф модифицированной частотной передаточной функции разомкнутого кон-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

26 В. В. Григорьев, С. В. Быстров, И. М. Першин, А. К. Наумова, А. Н. Гурьянова
тура W(G,s1) не будет охватывать линию (–1, j=0,G). При этом на системы с распределенными параметрами можно распространить оценки качества процессов [6].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Григорьев В. В., Быстров С. В., Першин И. М. Синтез распределенных регуляторов: Учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2011. 200 с.

2. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. М.: Энергия, 1981. 303 с.

3. Першин И. М. Анализ и синтез систем с распределенными параметрами. Пятигорск: Изд-во „РИО КМВ“, 2007. 243 с.

4. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967. 599 с.

5. Янке П., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968. 344 с.

6. Быстров С. В., Григорьв В. В., Рабыш Е. Ю., Мансурова О. К. Анализ качества переходных процессов в непрерывных и дискретных системах на основе условий качественной экспоненциальной устойчивости // Мехатроника, Автоматизация, Управление. 2012. № 9. С. 32—36.

Валерий Владимирович Григорьев Сергей Владимирович Быстров Иван Митрофанович Першин Алла Константиновна Наумова Алёна Николаевна Гурьянова

Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: sbystrov@mail.ru — д-р техн. наук, профессор; Пятигорский институт Северо-Кавказского федерального университета, кафедра управления в технических и биомедицинских системах; заведующий кафедрой; E-mail: ivmp@yandex.ru — Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; заведующая сектором учебного отдела департамента образовательной деятельности; E-mail: alya_naumova@mail.ru — магистрант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: lilyliya@mail.ru

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Поступила в редакцию 13.12.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4