5-3频率域稳定判据.ppt

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* 5-3 频域稳定判据 奈魁斯特稳定判据是用开环频率 特性判别闭环系统的稳定性。 * 一、奈氏判据的数学基础 如图,n阶系统的开环传递函数为: 闭环传递函数为: 令: 则开环传递函数为: …………… (a) 闭环传递函数为: …………… (b) * 显然,辅助方程的阶数为n阶,且分子分母同阶。还可以写成: 由上页(a)、(b)及(c)式可以看出: F(s)的极点为开环传递函数的极点; F(s)的零点为闭环传递函数的极点; 因此,如果F(s)的零点都位于S平面的左半部,系统就是稳定的,否则系统便不稳定。 构造闭环特征方程为辅助方程: ……..(c) 。式中, 为F(s)的零、极点。 * [S] c [F] 柯西幅角原理: 设在S平面的右半侧:有F(s)的z个零点(闭环极点)和P个极点(开环极点)被C闭曲线包围,当某点S沿C一周时有: 。式中, 为F(s)的零、极点。 原点的圈数 为包围 令 S F R p z R ) ( ), ( - = p z p z p s z s S F j p j i Z i 360 * ) ( 360 * 360 ) ( ) ( ) ( 1 1 ° - = ° - ° * = + D - + D = D ? ? = = 若R0,表示逆时针运动,包围原点; 若R0,表示 顺时针运动,包围原点。 若R=0,不包围原点; 因此可根据包围原点的情况判别有半平面的零极点 用辅助函数 F(s)=1+G(s)H(s) 来分析系统的稳定性仍然不大方便, 实际上, 开环传递函数与辅助函数之间的关系非常简单,即 上式意味着将F(s)平面的纵轴向右平移一个单位后构成的平面,即为 GH平面(如下图)。 F(s)平面的坐标原点是GH 平面的 点。因此, ?f 绕F(s)平面原点的周数等效于?s 绕GH 平面 点的周数。 (-1, j0) 0 0 [GH] [F] 1 * 当 无虚轴上的极点时, 在〔G(s)H(s)〕平面上的映射 为对应为开环幅相曲线。 当 在虚轴上有极点时: 1)开环系统含有 个积分环节时,即在原点处有v个开环极点时: 在〔G(s)Hs)〕平面上的映射轨线 由 起逆时针作半径无穷大、圆心角为 的圆弧。 曲线这么画? * 2)开环系统含有等幅振荡环节时(即有纯虚根 ), 设 因此在〔G(s)H(s)〕平面上的映射轨线 由 点沿半径为无穷大的圆弧顺时针转过 角至 。见P191(188)图 上述分析表明,半闭合曲线 由开环幅相曲线和根据开环虚轴极点所作增补圆弧两部分组成。见P192(189)图,虚线是从0到0+,如果是从0+到0,则为逆时针。 一旦取得增补开环频率响应后,便可以根据增补的开环频率响应,应用Nyquist稳定判据来分析系统的稳定性。 * 奈奎斯特稳定判据 闭环系统稳定的充分必要条件是, 平面上的开环频率特性,按逆时针方向包围 点P周。 当位于S平面右半部的开环极点数P=0时,即当系统的开环传递函数的全部极点均位于S平面左半部(包括原点和虚轴)时,闭环系统稳定的充分必要条件是奈氏曲线不包围GH平面的 点。 * 奈奎斯特稳定判据 闭环系统稳定的充分必要条件是, 平面上的开环频率特性,按逆时针方向包围 点P周。 当位于S平面右半部的开环极点数P=0时,即当系统的开环传递 函数的全部极点均位于S平面左半部(包括原点和虚轴)时,闭 环系统稳定的充分必要条件是奈氏曲线不包围GH平面的 点。 * [例1]设开环系统传递函数为: ,试用奈氏判据判断闭环系统的稳定性。 [解]:开环极点为-1, -1 j2, 都在s左半平面,所以 P=0。奈氏图如右。从图中可以看出:奈氏图顺时针围绕 (-1,j0)点2圈。所以闭环系统在s右半极点数为: Z=P-R=0-2=-2,闭环系统是不稳定的。 * 一种简易的奈氏判据 正、负穿越的

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