(五)4.自動控制原理 Frequency Responce Methods 之Nyquist判據


引言

前面我們說了Routh判據,貌似很好用了,畢竟只需要得到代數式的係數就可以判斷一個系統的穩定性,那爲什麼這裏需要再提Nyquist判據呢?

很簡單,因爲我們不想要用代數式…

Nyquist判據就是一個頻域穩定判據,利用我們前面說的Nyquist曲線
另外還有一個對數穩定性判據,顯然是對Bode圖的方法

下面我們就看看Nyquist判據到底是什麼回事吧



Nyquist判據的形式

前面我們學到,如果一個系統的閉環極點都在虛軸左邊的話,那這個系統就是穩定的

現在我們用 Z 表示在虛軸右邊的閉環極點個數,顯然 Z = 0 時,系統穩定

Nyquist判據公式:

Z =  P - 2N
p - 在虛軸右邊的開環極點個數
N - 從( -1, j0 )看,Nyquist曲線包圍該點的圈數
	{順時針爲負,逆時針爲正}


Nyquist判據的理解

我覺得作爲學生,不能說只做到知其然,我看到很多學生,針對這個知識點,記住了公式就感覺萬事大吉,其實理解一下並不需要太多時間,在你遇到各種題目的時候,也能更好得使用他去解決問題,而不是就知道哭喊難。

Nyquist判據是依靠數學復變中的幅角原理證明的,我們面向應用並不需要去了解完整的推到過程,我們只需要知道大概的公式由來,由此加強理解就好

現在有一個最基本的單反饋系統
在這裏插入圖片描述
顯然:
開環函數:GH(S) = k'M(s)/N(s)
閉環函數:G/[1+GH(S)]
由於我們關心的是 極點,所以我們構造
輔助函數:F(S) = 1 + GH(S) = K'M(S)+N(S) /N(S) =D(S)/N(S) = 閉環極點/開環極點
同時,我們知道輔助函數的頻率特性就是開環傳遞函數右移一個單位

這裏引進一個Nyquist路徑,就是從原點沿軸向上一直到無窮,在從虛軸右邊以無窮爲半徑畫圓,一直到虛軸負半軸無窮處,再返回原點,形狀是一個半圓
在這裏插入圖片描述
當s按照該路徑繞一週,我們計算該傳遞函數的轉動角(零點 - 極點)
我們發現按照上面說的,順時針負,逆時針正的計算方法,我們發現,

所有虛軸右半邊的點被包含在內,轉圈爲 順時針360,爲 -2π
所有在半圓外的點,都爲0

所以最後得到的角度爲 -2π(Z - P) = 2π(P - Z) = 2π R

所以我們只有知道R就可以由P算出Z,從而判斷出系統的穩定性

現在我們把這個圖映射到Nyquist曲線圖中

顯然
1.從原點一直向上到無窮的部分對應我們的Nyquist曲線
2.從虛軸無窮小到原點的部分可以看做 Nyquist曲線的對稱線
3.圓弧對應的是原點,不過對應的方向不同,但針對一個點沒有方向可言

所以我們得到了系統函數的開環傳遞函數的Nyquist曲線,就可通過對稱畫出完整的奈氏路徑圖對應的Nyquist曲線
向右平移一個單位得到了我們要的輔助函數F(S)圖,我們計算原點對其的旋轉圈數得到R

按理說我們完成了預期中的所有步驟,但爲了簡化計算過程,我們做題時候不需要畫完整路徑對應圖並平移

簡化:
1.平移後對應計算的是原點,那我們直接計算從( -1,j0 )看曲線的旋轉圈數即可
2.上面說了路徑圖是對稱的兩個Nyquist圖,所以我們只需要計算( -1,j0 )看Nyquist曲線的圈數×2即可

到此我們可以完全理解上面的解題公式是爲何如此了


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