【自控笔记】5.5频域稳定判据

一、幅角原理

幅角原理看上去比较抽象,但实际上不算难,理解幅角原理是学习频域稳定判据的数学基础。

先来看幅角原理的结论:在S平面上的封闭曲线A域内,共有函数F(s)的P个极点和Z个零点,且封闭曲线A不穿过F(s)的任何一个极点和零点。当点s顺时针沿封闭曲线A变化一圈时,函数F(s)在F平面上的轨迹B将包围原点R=P-Z周(其中,零点个数考虑重根数,R<0顺时针,R>0逆时针)。

这个结论是什么意思呢?
说人话就是:有两个复数平面,一个是关于点的S平面,一个是关于函数F(s)的F平面,S平面上的曲线A经过F(s)映射后变成了F平面上的曲线B。当A曲线中包含F(s)的一个极点时,曲线B就逆时针包含原点1圈;当A曲线包含F(s)的一个零点时,曲线B就顺时针包含原点一圈;当A曲线中包含F(s)的一个极点和一个零点时,曲线B就不包含原点。

怎么理解这个意思呢?
先提一下相量差的概念,如下图:

理解这个意思有两个关键点,一个是点从S平面到F平面的映射;另一个是当ω从负无穷到正无穷变化时,零极点与jω组成向量的幅角变化

1、映射

F(s)零点的映射很容易理解,直接将零点带入,结果为零,就是F平面上的原点。
由于B曲线是A曲线上各个点的映射,所以B曲线内的点都是从A曲线内映射过来的。也就是A曲线外的点经过F(s)映射后肯定在B曲线之外。
需要解释一下的是F(s)的极点也是映射到原点,这的属于复变函数在无穷远处的性态的知识范畴。显然,直接将极点代入F(s)是没有意义的,于是可以将F(s)进行倒数变换,变成1/F(s),如此就能将F(s)的极点映射到原点了。而对F(s)进行倒数变换的代价就是使得F(s)极点的幅角发生了变化,根据复数求幅角,容易知道∠1/F(s)=-∠F(s),即进行映射后的幅角刚好与映射前反相。

2、向量幅角变化

如下图所示,S平面上有一个零点和一个极点。

先看零点,当零点与jω组成的向量从ω负无穷变化到正无穷时,幅角以顺时针方向变化了-π,映射到F平面就是曲线B绕原点顺时针旋转半圈。(当想象S平面的虚轴头尾相接作为曲线A,向量再从正无穷ω顺时针回到负无穷时,曲线B就绕原点旋转一圈,也就是-2π了)

再看极点,当极点与jω组成的向量从ω负无穷变化到正无穷时,幅角以顺时针方向变化了-π,映射到F平面就是曲线B绕原点逆时针旋转半圈。所以,当极点向量在曲线A内顺时针旋转2π,则相当于极点在F平面内逆时针旋转2π,包含原点1圈。

进而得知,当曲线A内仅存在一个零点和一个极点时,零点向量和极点向量沿曲线B运动的幅角变化为0,也就是包含原点0圈。

这便是我对幅角原理的解释,应该足够清楚的吧。

二、奈奎斯特稳定判据

理解了幅角原理,奈奎斯特稳定判据就是信手拈来了。奈氏判据就是利用开环传递函数G(s)H(s)在函数平面GH上包围(-1,j0)点的圈数,来推算S右平面上闭环极点的个数来判断系统的稳定性。从而避开了直接求解闭环特征根的复杂过程(尤其是高阶特征方程),因而得到了广泛应用。

下面是具体的定义

根据定义可知,奈奎斯特稳定判据的曲线A选择为半径无穷大的半圆把整个S右半平面都包起来。映射函数选择为系统闭环特征方程,F(s)=1+G(s)H(s), 因此,研究开环传递函数G(s)H(s)的奈奎斯特曲线应该是包围(-1,j0)点,而不是原点。如下图所示。

值得一提的是系统特征方程1+G(s)H(s)成功地把G(s)H(s)和G(s)/[1+G(s)H(s)]联系起来。即,
1+G(s)H(s)的极点,就是开环传递函数G(s)H(s)的极点,因为它们的分母是相同的,也就是P值的来源。1+G(s)H(s)的零点(整体为0)就是闭环传递函数G(s)/[1+G(s)H(s)]的极点(分母为零)。

最终,使用奈奎斯特稳定判据只需要两看,一看G(s)H(s)数P值,二看G(s)H(s)图像数N值,最后带入Z=P-2N得出系统稳定性结果。

三、对数频率稳定判据

对数稳定判据,其实就是将奈奎斯特稳定判据由奈奎斯特图推广到伯德图上,也就是利用开环对数频率特性确定N。

说人话就是,在对数幅频曲线大于0分贝线的频段范围中,看对数相频特性曲线穿越-180°的情况。当往相角增大方向穿越1次时,N=1;当往相角减小的方向穿越1次时,N=-1。最后再套套公式就解决了。

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