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奈奎斯特穩定判據

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控制理論穩定性理論中,奈奎斯特穩定判據(英語:Nyquist stability criterion)是貝爾實驗室的瑞典裔美國電氣工程師哈里·奈奎斯特於1932年發現,用於確定動態系統穩定性的一種圖形方法。由於它只需檢查對應開環系統的奈奎斯特圖,可以不必準確計算閉環或開環系統的零極點就可以使運用(雖然必須已知右半平面每一種類型的奇點的數目)。因此,他可以用在由無理函數定義的系統,如時滯系統。與波德圖相比,它可以處理右半平面有奇點的傳遞函數。此外,還可以很自然地推廣到具有多個輸入和多個輸出的複雜系統,如飛機的控制系統。
奈奎斯特准則廣泛應用於電子控制工程以及其他領域中,用以設計、分析反饋系統。儘管奈奎斯特判據是最一般的穩定性測試之一,它還是限定在線性非時變(LTI)系統中。非線性系統必須使用更為複雜的穩定性判據,例如李雅普諾夫或圓判據。雖然奈奎斯特判據是一種圖形方法,但它只能提供為何系統是穩定的或是不穩定的,或如何將一個系統改變得穩定的有限直觀感受。而波德圖等方法儘管不太一般,有時卻在設計中更加有用。
中文名
奈奎斯特穩定判據
外文名
Nyquist stability criterion
別    名
奈氏判據
提出時間
1932年
提出者
H.奈奎斯特

奈奎斯特穩定判據簡介

控制理論穩定性理論中,奈奎斯特穩定判據(英語:Nyquist stability criterion)是貝爾實驗室的瑞典裔美國電氣工程師哈里·奈奎斯特於1932年發現,用於確定動態系統穩定性的一種圖形方法。由於它只需檢查對應開環系統的奈奎斯特圖,可以不必準確計算閉環或開環系統的零極點就可以使運用(雖然必須已知右半平面每一種類型的奇點的數目)。因此,他可以用在由無理函數定義的系統,如時滯系統。與波德圖相比,它可以處理右半平面有奇點的傳遞函數。此外,還可以很自然地推廣到具有多個輸入和多個輸出的複雜系統,如飛機的控制系統。
奈奎斯特准則廣泛應用於電子控制工程以及其他領域中,用以設計、分析反饋系統。儘管奈奎斯特判據是最一般的穩定性測試之一,它還是限定在線性非時變(LTI)系統中。非線性系統必須使用更為複雜的穩定性判據,例如李雅普諾夫或圓判據。雖然奈奎斯特判據是一種圖形方法,但它只能提供為何系統是穩定的或是不穩定的,或如何將一個系統改變得穩定的有限直觀感受。而波德圖等方法儘管不太一般,有時卻在設計中更加有用。

奈奎斯特穩定判據判據基本形式

設G(s)為系統開環傳遞函數,在G(s)中取s=jω得到系統開環頻率響應G(jω)。當參變量ω 由0變化到+∞時,可在複數平面上畫出 G(jω)隨ω的變化軌跡,稱為奈奎斯特圖。奈奎斯特穩定判據的基本形式表明,如果系統開環傳遞函數G(s)在s複數平面的虛軸jω上既無極點又無零點,那麼有 Z=P-N
所謂特徵方程傳遞函數分母多項式為零的代數方程。P是開環傳遞函數在右半s平面上的極點數。N是當角頻率由ω=0變化到ω=+∞時 G(jω)的軌跡沿逆時針方向圍繞實軸上點(-1,j0)的次數。奈奎斯特穩定判據還指出:Z=0時,閉環控制系統穩定;Z≠0時,閉環控制系統不穩定。
判據的推廣形式。當開環傳遞函數 G(s)在s複數平面的虛軸上存在極點或零點時,必須採用判據的推廣形式才能對閉環系統穩定性作出正確的判斷。在推廣形式判據中,開環頻率響應G(jω)的奈奎斯特圖不是按ω連續地由 0變到+∞ 來得到的,ω的變化路徑,稱為推廣的奈奎斯特路徑。在這個路徑中,當遇到位於虛軸上G(s)的極點(圖中用×表示)時,要用半徑很小的半圓從右側繞過。只要按這條路徑來作出G(ω)從ω=0變化到ω=+∞時的奈奎斯特圖,則Z=P-N和關於穩定性的結論仍然成立。

奈奎斯特穩定判據響應穩定判據

這種判據在實質上與奈奎斯特判據相似。惟一的差別在於,對數判據是根據G()的幅值對數圖和相角圖來確定N 的。在幅值對數圖上特性為正值時的頻率區間內,規定相角圖上特性曲線由下向上穿過-180°線稱為負穿越,而由上向下稱為正穿越。分別用NN表示正穿越次數和負穿越次數,則N=N-N。判據的結論仍然是Z=P-2N,且Z=0時閉環系統穩定,Z≠0時閉環系統不穩定。由於頻率響應幅值對數圖和相角圖易於繪製,因此對數頻率響應穩定判據應用更廣。

奈奎斯特穩定判據奈奎斯特

0型系統開環傳遞函數GK(s)在s平面的原點及虛軸上沒有極點。系統穩定的充要條件為:系統的開環右極點數為P,在GH平面上,當ω從-∞變化到+∞時,系統開環頻率特性曲線GK(jω)及其鏡像所組成的封閉曲線,順時針包圍(-1,j0)點的次數為N圈(N>0),若逆時針包圍則N<0,封閉曲線繞(-1,j0)點旋轉360°即包圍一次,則系統的閉環右極點的個數Z為:Z=N+P。當Z=0時,系統穩定;Z>0時,系統不穩定。 [1] 
參考資料
  • 1.    餘成波.自動控制原理(第二版).北京:清華大學出版社,2009:192-193