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奈奎斯特稳定判据(Nyquist Stability Criterion)

奈氏判据是用频率特性来判断系统稳定性的方法,即用开环奈氏图来判断闭环系统的稳定性。它是判别稳定性的图解法,是一种几何判据。

一、奈氏稳定判据

闭环系统

考虑上图所示的闭环系统,其闭环传递函数为

,要使系统稳定,闭环极点要全部位于复平面的左半部。奈氏判据正是将开环频率特性与系统的闭环极点联系起来的判据。

从稳定的充分必要条件出发,发现闭环传递函数的分母联系着开闭环之间的零点与极点。

设一辅助函数,

可看出,F(s)的极点即开环传递函数的极点,而F(s)的零点即闭环传递函数的极点。奈奎斯特稳定判据正是将开环频率响应在右半s平面内的零点数和极点数联系起来的判据。这种方法无须求出闭环极点,得到广泛应用。由解析的方法和实验的方法得到的开环频率特性曲线,均可用来进行稳定性分析。奈奎斯特稳定判据是建立在复变函数理论中的图形影射基础上的。

3、奈奎斯特稳定判据的陈述

※ 绘制w从变化时的开环频率特性曲线,即开环奈氏图,并在曲线上标出w从增加的方向。

※ 根据曲线包围(-1,j0)点的次数和方向,求出N的大小和正负。

N——w从时,曲线对(-1,j0)点包围的次

数。

 

当N>0时,按逆时针方向包围的情况。

当N<0时,按顺时针方向包围的情况。

当N=0时,表示曲线不包围(-1,j0)点。

N求法:从(-1,j0)点向曲线上作一矢量,并计算这个矢量当w从变化时相应转过的“净”角度,规定逆时针为正角度方向,并按转过

3600折算N=1,转过-3600折算-1。

※ 由给定的开环传递函数确定开环右极点数P,P为正整数或0。

※ 由Z=P-2N确定系统的稳定性。

Z为闭环右极点的个数,其为正整数或0

系统稳定时,Z=0,即P=2N

※ 若曲线刚好通过(-1,j0)点,表明闭环系统有极点位于虚轴上,系统处于临界稳定状态,归于不稳定。

例:已知系统开环传递函数

应用Nyquist判据判别闭环系统的稳定性

其奈氏曲线为:

由图可见,开环Nyquist曲线顺时针包围(-1,j0)点一圈,即N=-1:

而开环特征根全部位于左半s平面,即P=0,由Nyquist判据知,系统闭环不稳定。

※※补充:当系统含有积分环节时,其开环奈氏曲线不封闭,此时需作辅助线。即按常规方法作出ω由0+→ ∞变化时的Nyquist曲线后,从G(j0)开始,以∞的半径顺时针补画v90 °的圆弧(辅助线)得到完整的Nyquist曲线。显然,对于最小相位系统,其辅助线的起始点始终在无穷远的正实轴上。

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