尼奎斯特曲線

尼奎斯特曲線

尼奎斯特曲線,又稱Nyquist曲線,是依據Nyquist穩定判據畫出的曲線,可用來判斷一個閉環系統是否穩定。用Nyquist穩定判據判斷反饋系統穩定性時,一般是繪製w從0到正無窮時的Nyquist曲線,然後按其包圈(-1,jw)點圈數N和開環傳遞的數在S右半平面上的極點數P,並根據Z=P-2N,確定閉環特徵方程正實部根的個數Z。如果Z為零,閉環系統穩定,否則,閉環系統不穩定。

簡化Nyquist穩定判據的描述

由於對於一個穩定的閉環系統來說,其在S右半平面肯定是無特徵根,即Z=0,因此,Nyquist穩定判據就可以這樣認為,若Nyquist曲線包圈(-1,j0)點的圈數等於開環傳函在S右半平面的極點數,則閉環系統穩定。進而,若開環傳函在S右半平面無極點,即P0,則閉環就穩定的充分必要條件是Nyquist曲線不包圍(-1,j0)點。

Nyquist曲線的簡介

對於w的複變函數G(jw)有:

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

當ω從0→ 變化時,矢量G(jw)的端點在複平面上形成的軌跡叫作G(jω)的極坐標圖或Nyquist圖,該軌跡就是Nyquist曲線。

Nyquist圖的優點是:在概念分析上比較清楚、直觀,特別在分析系統穩定性上經常用到。Nyquist圖的缺點點是:極坐標圖畫起來複雜,運算也較繁瑣,要遵循矢量運算規則。

Nyquist曲線繪製步驟

Nyquist曲線繪製的大致步驟如下:

(1)寫出系統開環傳遞函式的頻率特性;

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

(2)確定開環幅相曲線的起點 ;

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

(3)確定開環幅相曲線的終點 ;

(4)確定開環幅相曲線與實軸是否有交點,若有,則該點的頻率特性虛部為零;

(5)確定開環幅相曲線與虛軸是否有交點,若有,則該點的頻率特性實部為零;

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

(6)勾畫出開環幅相曲線 的大致曲線(越精確越好)。

Nyquist曲線繪製的注意事項

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

(1) 若系統開環傳遞函式中出現積分環節,說明系統中有零極點,則應對Nyguist曲線進行修正後,才能使用Nyguist穩定判據進行判斷。若開環傳遞函式中有個積分環節,則先繪出的Nyguist曲線,然後從開始,逆時針方向補畫一個半徑為無窮大,相角為的大圓弧,即補畫的曲線,然後再根據Nyguist穩定判據判斷閉環系統的穩定性。

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線

(2) G(jw)與G(-jw)關於實軸對稱,因此只需要w從的Nyguist曲線即可。

(3) 若存在多個環節,應注意隨著w的增加、角度的變化過程以決定Nyguist曲線的變化趨勢。

(4) 判據中的S的右半平面指的是開右半平面,不包括虛軸。

(5) 若Nyguist圖正好通過(-1,j0)點,則閉環系統存在虛軸上的極點,計算N時不視為一次包圍。如果求得Z=0,則閉環系統臨界穩定。

(6) Nyquist圖會同時存在既有逆時針包圍又有順時針包圍(-1,j0)點的情況。N>0表示逆時針包圍(-1,j0)點N圈,N<0表示順時針包圍(-1,j0)點N圈。

Nyquist曲線的穿越問題

圖1 整次穿越圖 圖1 整次穿越圖

根據不同的開環傳函Nyquist圖會同時存在既有逆時針包圍又有順時針包圍(-1,j0)點的情況。而Nyquist穩定判據中所提到的“逆時針包圍(-1,j0)點的圈數”是指逆時針包圍和順時針包圍圈數的代數和,即存在逆時針穿越和順時針穿越。

逆時針穿越:隨著w的增大,Nyquist圖逆時針穿越(-1,j0)點左側的負實軸,稱為逆時針穿越,如圖1(a)所示。

圖2 半次穿越圖 圖2 半次穿越圖

順時針穿越:隨著w的增大,Nyquist圖順時針穿越(-1,j0)點左側的負實Niquist圖包圍(-1,j0)點的圈數,是S平面上1+Q(s)包圍原點圈數的一半(Q(s)為系統開環傳遞函式,因此,1+Q(s)包圍原點的圈數為奇數時,Nyquist圖將會產生半次包圍(-1,j0)點的情況,會產生“半次穿越”,半次穿越記為1/2。

逆時針半次穿越:Nyquist圖起始於(或終止於)(-1,j0)點左側的負實軸,若沿逆時針方向離開負實軸,稱為逆時針半次穿越。如圖2(a)所示。

順時針半次穿越:Nyquist圖起始於(或終止於)(-1,j0)點左側的負實軸,若沿順時針方向離開負實軸,稱為順時針半次穿越,如圖2(b)所示。

尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
尼奎斯特曲線 尼奎斯特曲線
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用表示逆時針穿越和逆時針半次穿越次數之和,用表示順時針穿越和順時針半次穿越次數之和,則Nyquist穩定判據中的N可表示為。

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