5–4奈奎斯特的相对稳定性–第6.ppt

* 第四节 奈奎斯特稳定判据 奈奎斯特（Nyquist）稳定判据（简称奈氏判据）是判断系统稳定性的又一重要方法。它是将系统的开环频率特性 与复变函数 位于S平面右半部的零、极点数目联系起来的一种判据。 奈氏判据是一种图解法，它依据的是系统的开环频率特性。 第四节 奈奎斯特稳定判据 一、奈奎斯特稳定判据的数学基础 二、 奈奎斯特轨迹及其映射 三、奈奎斯特稳定判据 四、 奈奎斯特轨迹 1. 辅助函数 图4－33 控制系统的方框图 开环频率特性 闭环特征方程 一、奈奎斯特稳定判据的数学基础 建立在复变函数理论基础上的幅角原理是奈氏判据的数学基础。 设开环传递函数为 (4-27) 取辅助函数： (4-28) (3) F(s)与开环传递函数 只相差常量1， 的几何意义为： 平面的坐标原点就是 平面上的 点。 (4-29) (4-28) 辅助函数F(s)的特点： (1) F(s)的零点和极点分别为闭环极点、开环极点。 (2) F(s)的零点、极点个数相同（n个)。 图4-34 F(s)=1+G(s)H(s)关系图 假设复变函数 为单值，且除了S平面上有限的奇点外，处处都连续,也就是说 在S平面上除奇点外处处解析，那么，对于S平面上的每一个解析点，在 平面上必有一点（称为映射点）与之对应。 2. 幅角原理 映射的概念： 例如，当系统的开环传递函数为 图4-35 S平面上的点在 F(S）平面上的映射 图4-36 S 和 F(s) 的映射关系 设 在S平面上，除有限个奇点外，为单值的连续函数，若在S平面上任选一封闭曲线 ，并使 不通过 的奇点，则S平面上的封闭曲线 映射到F(s)平面上也是一条封闭曲线 。当解析点s按顺时针方向沿 变化一周时，则在 平面上， 曲线按逆时针方向旋转的周数N（每旋转2?弧度为一周），或 按逆时针方向包围 F(s)平面原点的次数，等于封闭曲线 内包含F(s)的极点数P与零点数Z之差。即 若N0，则 按逆时针方向绕F(s)平面坐标原点N周； 若N0，则 按顺时针方向绕 F(s)平面坐标原点N周； 若N=0，则 不包围F(s)平面坐标原点。 (4-30) 11 12 幅角原理表达式 F(s)的零点,系统的闭环极点 F(s)的极点,系统的开环极点 （a）s平面的Nyquist轨迹 （c）［GH］平面的奈氏曲线 图4-37 （b）［F］平面的奈氏曲线 二、奈奎斯特轨迹及其映射 S平面的右半圆 闭环系统稳定的充分必要条件是，GH 平面上的奈奎斯特曲线 当 时，按逆时针方向包围 点P周。 奈氏轨迹 在GH平面上的映射 称为奈奎斯特曲线或奈氏曲线. 三、奈奎斯特稳定判据 应用奈氏判据分析系统稳定性时，可能会遇到下列三种情况： 1.当系统开环传递函数 的全部极点都位于S平面左半 部时(P=0）,如果系统的奈氏曲线 不包围GH平面的 点（N=0），则闭环系统是稳定的(z=p-N=0），否则是不稳定的； 2.当系统开环传递函数 有p个位于S平面右半部的极 点时，如果系统的奈氏曲线 逆时针包围 点的周数等 于位于S平面右半部的开环极点数(N=P)，则闭环系统是稳 定的(Z=P-N=0),否则是不稳定的； 4. 在有些情况下， 曲线恰好通过GH平面的 点（注意不是包围），此时如果系统无位于S平面右半部的开环极点，则系统处于临界稳定状态。 3. 如果系统的奈氏曲线 顺时针包围点 （N0），则闭环系统不稳定。(Z=P-N0）。 例10 已知反馈控制系统的开环传递函数为 试用奈氏判据分析系统的稳定性。 图4-38 例10奈氏曲线 该系统 稳定 当 在S平面的虚轴上（包括原点）有极点时，由于奈氏轨迹不能经过开环极点， 必须避开虚轴上的所有开环极点。图4-38表示当有开环极点为零时的奈氏轨迹. 图4-38 虚轴上有开环 极点时的奈氏轨迹 四、 奈奎斯特轨迹 图4-40 时的奈氏曲线 例11 已知反馈控制系统的开环传递函数为 试用奈氏判据分析 系统的稳定性。 图4-41 例11奈氏曲线 稳定 不稳定 练习 已知反馈控制系统的开环传递函