奈奎斯特稳定判据

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传递函数G(s)=\frac{1}{s^2+s+1}的奈奎斯特图

奈奎斯特稳定判据(英文:Nyquist stability criterion)是用於判断一个闭环控制系统稳定性的一种简便方法,其基本方法为检查对应开环系统的奈奎斯特图,这一判据的名称来自美国电子工程师哈里·奈奎斯特。一般来说,闭环系统的稳定性是由计算闭环系统的传递函数极点直接决定的;但使用奈奎斯特稳定判据则可避免计算闭环系统的极点,从而简易地判断闭环系统的稳定性。

基础概念[编辑]

我们考虑一个线性系统(例如,一个控制器),它的传递函数是G(s)\,,当它与反馈H(s)\,组成闭环系统时,系统的闭环传递函数(CLTF)则为\frac{G(s)}{1 + H(s)G(s)}\,。当考察这个系统的稳定性时,一般可以考察其特征方程1 + H(s)G(s) = 0\,并求解这个方程的根,例如劳斯-赫尔维茨判据就是基於这种方法,其缺点是比较繁琐。事实上,只通过考察这个系统的开环传递函数(OLTFH(s)G(s)\,,并应用波特图或奈奎斯特图就可以得出结论。 一个在拉普拉斯域中的传递函数\mathcal{T}(s)通常可表示为两个多项式的比值:

\mathcal{T}(s) = \frac{N(s)}{D(s)}.

这里我们可以知道:

  • 零点:传递函数\mathcal{T}(s)的零点是方程N(s) = 0的根。
  • 极点:传递函数\mathcal{T}(s)的极点是方程D(s) = 0的根。

系统\mathcal{T}(s)的稳定性由它的特征方程D(s) = 0的根,也就是极点来决定:只有当系统的每一个极点的实数部分都为负值,即极点都在左半平面时,系统才是稳定的。而对於一个具有负反馈的闭环系统,若其开环传递函数由\mathcal{F}(s) = \frac{A(s)}{B(s)}给出,则闭环系统的稳定性由特征方程1 + \mathcal{F}(s) = 0来决定,即等同於求解方程A(s) + B(s) = 0的根。

柯西辐角原理[编辑]

根据复分析理论特别是其中的辐角原理,我们知道对于复平面s上的一条围道\Gamma_s,如果函数F(s)\,在围道上没有极点或零点,则围道可通过函数F(s)\,映射到另一平面(F(s)\,平面)。映射后的围道\Gamma_{F(s)}将卷绕F(s)平面的原点N次,而N = Z - P。这里ZP分别是函数F(s)在围道\Gamma_s内的零点数和极点数。注意这里我们在数F(s)平面内的卷绕数时是和围道\Gamma_s的方向一致的,从而反向的卷绕会被计为负数。

奈奎斯特於1932年发表最初的论文时没有采用辐角原理,相比之下他所用的方法并不那么简洁优美。这里介绍的方法类似於Leroy MacColl(《伺服系统的基础理论》,1945年)和亨德里克·波特(《网络分析和反馈放大设计》,1945年)所用的方法,他们两人都在贝尔实验室工作过。同时这也是当代大多数有关控制理论的教科书上所介绍的方法。

奈奎斯特判据[编辑]

我们首先建立一条奈奎斯特围道,这条围道包围了复平面的右半部分:

  • 一条沿虚轴j\omega的路径,范围从0 - j\infty0 + j\infty
  • 一条半径r \to \infty的半圆弧,从0 + j\infty起始顺时针转到0 - j\infty

奈奎斯特围道通过开环传递函数F(s)的映射即为函数F(s)奈奎斯特图。根据辐角原理,顺时针为正的情况下卷绕原点的次数等于函数F(s)在右半平面中零点的个数减去右半平面中极点的个数。如果我们考察围道卷绕(-1, j0)这一点而非原点的次数,则我们可得知函数1 + F(s)在右半平面中零点的数量与右半平面中极点的数量之差。由于方程1 + F(s) = 0的根就是闭环传递函数的极点,并注意到方程1 + F(s) = 0和方程F(s) = 0具有相同的根的数量,我们可以得到奈奎斯特稳定判据

对於给定的奈奎斯特围道\Gamma_s,假设P是开环传递函数1+F(s)在围道内部的极点数量,Z是特征方程1 + F(s) = 0在围道内部的根数量——因而Z也是对应的闭环传递函数\mathcal{T}(s) = \frac{1}{1 + F(s)}在围道内部的极点数量,从而奈奎斯特围道在F(s)平面内的映射\Gamma_{F(s)},即函数的奈奎斯特图将卷绕(-1 , j0)N次,其中Z = P - N。对於一个稳定系统,我们要求Z = 0。也就是说,闭环传递函数在右半平面上的极点数必须为零,为此开环传递函数F(s)的奈奎斯特图逆时针卷绕(-1 , j0)这一点的次数必须等于F(s)在右半平面上的极点数量。

极点位於虚轴上的情形[编辑]

上面的讨论都假定了开环传递函数F(s)\,在虚轴上没有任何极点(即没有任何极点具有形式0 + j\omega\,)。这个假定来自於辐角原理中围道不能经过映射函数上任何一个极点的要求。但事实上某些传递函数的极点确实是位於虚轴上的,最常见的例子是积分器(极点在原点上)。

若要分析这类极点在虚轴上的系统,需要对奈奎斯特围道的路径进行修改,使其绕过极点0 + j\omega\,。一种方法是在极点0 + j\omega\,附近建立一个很小的半圆弧,其半径r\to 0\,,起始於0 + j (\omega-r)并经逆时针绕到0 + j (\omega+  r)。这一修改意味着在这一极点处,F(s)\,的相矢量在一段无限远为半径的圆弧上转了-l\pi\,角度,其中l\,是虚轴上这一极点的重数。

总结[编辑]

  • 如果开环传递函数F(s)\,在原点上有l\,重极点,则奈奎斯特图在频率\omega = 0\,有不连续性。在进一步分析中,应当假设相矢量在极点附近沿着一个半径无限大的半圆转了l\,次。通过附加这一条件,这些位於原点上的极点可以被忽略掉,也就是说,如果系统中没有其他不稳定的极点,开环传递函数F(s)\,应被认为是稳定的。
  • 如果开环传递函数F(s)\,在右半平面内没有极点,则它是稳定的,而若其对应的闭环传递函数对(-1+j0)点没有卷绕,则闭环传递函数也是稳定的,否则会是不稳定的。
  • 如果闭环传递函数对(-1+j0)点有顺时针卷绕,则它是不稳定的;如果对(-1+j0)点有逆时针卷绕,且逆时针卷绕数等于开环传递函数在右半平面内的极点数,则闭环系统是稳定的,否则会是不稳定的。

参考文献[编辑]

  • Faulkner, E.A. (1969): Introduction to the Theory of Linear Systems; Chapman & Hall; ISBN 0-412-09400-2
  • Pippard, A.B. (1985): Response & Stability; Cambridge University Press; ISBN 0-521-31994-3
  • Gessing, R. (2004): Control fundamentals; Silesian University of Technology; ISBN 83-7335-176-0