前面我们从代数角度出发讨论了控制系统稳定性的定义和劳斯-赫尔维茨稳定判据。本节介绍判别系统稳定性的另一种判据――奈奎斯特稳定判据。该判据是根据开环频率特性来判定闭环系统的稳定性。同时,它还能反映系统的相对稳定的程度,对于不稳定的系统,判据与劳斯稳定判据一样,还能确切回答闭环系统有多少个不稳定的特征根。 对于图5-34所示的反馈控制系统,闭环传递函数为:
其特征方程式为 令 将式(5-40)代入式(5-39)得 式中, 、 、…、 是 的零点,也是闭环特征方程式的根; 、 、…、 是 的极点,也是开环传递函数的极点。因此根据前述闭环系统稳定的充分必要条件,要使闭环系统稳定,特征函数 的全部零点都必须位于s平面的左半平面上。 5.4.1 辐角原理 由于 是s的有理分式,则由复变函数的理论知道, 除了在s平面上的有限个奇点外,它总是解析的,即为单值、连续的正则函数。因而对于s平面上的每一点,在 平面上必有唯一的一个映射点与之相对应。同理,对s平面上任意一条不通过 的极点和零点的闭合曲线 ,在 平面上必有唯一的一条闭合曲线 与之相对应,如图5-35所示。若s平面上的闭合曲线 按顺时针方向运动,则其在 平面上的映射曲线 的运动方向可能是顺时针,也可能是逆时针,它完全取决于复变函数 本身的特性。在此我们感兴趣的不是映射曲线 的具体形状,而是它是否包围 平面的坐标原点以及围绕原点的方向和圈数,因为它与系统的稳定性有着密切的关系。 图5-35 s平面上封闭曲线及其在F(s)平面上的映射线 |
图5-35 s平面上封闭曲线及其在F(s)平面上的映射线 由式(5-41)可知,复变函数 的相角为 假设s平面上的闭合曲线
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