之前采用环路增益分析稳定性仅考虑了S=jw的情况,存在不足之处。
柯西幅角定理:若S的封闭轨迹为顺时针,且包围了H(s)的P个pole和Z个zero,则H(S)的极坐标里的轨迹图将以同样的方向绕原点旋转Z-P圈。
奈奎斯特方法: 一个反馈系统的闭环传递函数如下所示:
若闭环传递函数在右半平面或虚轴上有极点(即=0的点)系统会不稳定。
所以可以等效为求在右半平面或虚轴上有没有零点。
我们称右半平面和虚轴为判别区域,构造一个包含判别区域的顺时针S轨迹,由于极点和H(s)极点是一样的,在判别区域一般开环稳定的系统没有极点,所以极坐标里的轨迹图顺时针绕原点的圈数 即为判别区域零点的个数,也即判别区域闭环传递函数极点的个数
作为等效条件,一般情况分析绕(-1,0)顺时针旋转的圈数
举例:1.单极点系统闭环稳定性
单极点环路增益的轨迹图没有包含(-1,0)点,所以闭环系统稳定
2.两极点系统闭环稳定性:
s从0往上到jw无穷大,相移一直为负的直到-180度,幅度也变为0,从M到N点,幅度为0,相位从-180变为0,从N到jw负无穷,幅度保持为0,相位变为180度,然后相位慢慢再回到0。轨迹图也没包含(-1,0)
(在波特图上,s在jw上移动,相移始终达不到180度,不满足巴克豪森判据)
3.三极点系统闭环稳定性:
这个系统在0到M点变化中从负方向开始相移了-270度,随后幅值一直是0,直到负jw无穷,角度为+270度,然后回到原点,角度慢慢从270度减小到0,幅值也回去了。可能会包围(-1,0)点。反馈系数越大,越有可能包住这个点,稳定性越差。
4.有两个积分器的反馈系统,,
为了避免使环路增益出现无穷大,选取一个围绕原点半径很小的圆来作为S在判别区域的运动轨迹。
从M点出发,相角为0,环路增益是一个很大的值,然后到N点转了-90度,到p点转了-180度,沿jw向上升后,角度不变,幅值从无穷大缩减到0,环路增益必定会在jw轴上的某个点时候对应穿过极坐标里(-1,0)点。
根据对称性,极坐标里它将穿过(-1,0)两次,所以原来闭环函数有2个极点在虚轴上(属于判别区域内),因此该系统是不稳定的
5.相位多次穿越180度系统:
结论:在环路增益幅值大于1的情况下,穿越180度的次数为偶数,系统稳定,穿越180度的次数为奇数,则系统不稳定。