频域分析之对数频率稳定判据
由之前的博客 奈奎斯特稳定性判据的推导 可知,奈奎斯特稳定性判据的关键是根据开环频率特性曲线(奈奎斯特曲线/幅相特性曲线)来确定穿越次数NNN,即G(jw)H(jw)G(jw)H(jw)G(jw)H(jw)曲线逆时针包围−1+j0-1+j0−1+j0点的次数;而所谓对数频率稳定判据,就是将奈奎斯特稳定性判据由奈奎斯特图推广到波德图上;奈奎斯特曲线(幅相特性曲线)对−1+j0-1+j0−1+j0点.
由之前的博客 奈奎斯特稳定性判据的推导 可知,奈奎斯特稳定性判据的关键是根据开环频率特性曲线(奈奎斯特曲线/幅相特性曲线)来确定穿越次数NNN,即G(jw)H(jw)G(jw)H(jw)G(jw)H(jw)曲线逆时针包围−1+j0-1+j0−1+j0点的次数;而所谓对数频率稳定判据,就是将奈奎斯特稳定性判据由奈奎斯特图推广到波德图上;
奈奎斯特曲线(幅相特性曲线)对−1+j0-1+j0−1+j0点之左侧实轴的穿越(注意,只有对左侧实轴的穿越能形成对对−1+j0-1+j0−1+j0点的包线,该点右侧的穿越为无效穿越)等价于:波德图中,相频特性曲线对ϕ=−180∘\phi=-180^{\circ}ϕ=−180∘线的穿越。同样的,定义相角增大的穿越为正穿越,相角减小的穿越为负穿越。
由此引出系统的对数频率稳定判据:系统的闭环右极点数为Z=P−2NZ=P-2NZ=P−2N,NNN是相频特性曲线对ϕ=−180∘\phi=-180^{\circ}ϕ=−180∘线的穿越次数,若Z=0Z=0Z=0系统闭环稳定,否则系统闭环不稳定。
同样的,与奈奎斯特稳定性判据相同,对数频率稳定判据也需要考虑半次穿越和画补线的问题,当系统的开环传递函数型别不为0时,需要画出补线(从零频率对应的相角处,沿相角增大方向,补v90∘v90^{\circ}v90∘的补线即可)
例:
如上图所示,
奈奎斯特曲线对−1+j0-1+j0−1+j0点之右侧实轴的穿越为无效穿越,对应幅相特性曲线中对穿越频率之右的穿越(穿越频率对应幅值为1的频率值,在奈奎斯特曲线中做圆心在原点,半径为1的单位圆,很容易看出:对−1+j0-1+j0−1+j0点之右侧实轴的穿越对应的频率要大于穿越频率),故c点为无效穿越。
Z=P−2N=P−2(N+−N−)=0−2×(1−1)=0 Z=P-2 N=P-2\left(N_{+}-N_{-}\right)=0-2 \times(1-1)=0 Z=P−2N=P−2(N+−N−)=0−2×(1−1)=0
系统闭环稳定。
又如系统:
G(s)=K(13s+1)s(s−1) G(s)=\frac{K\left(\frac{1}{3} s+1\right)}{s(s-1)} G(s)=s(s−1)K(31s+1)
其波德图(幅相特性曲线)如下:

其为1型系统,在零频率对应相角处补90∘90^{\circ}90∘的补线(画成实轴的垂线即可);
其相频特性曲线对应半次负穿越和一次正穿越;则根据对数频率稳定判据:
Z=P−2N=1−2(N+−N−)=1−2×(1−12)=0 Z=P-2 N=1-2\left(N_{+}-N_{-}\right)= 1-2 \times\left(1-\frac{1}{2}\right)=0 Z=P−2N=1−2(N+−N−)=1−2×(1−21)=0
系统闭环稳定,可见当系统含有不稳定环节(或非最小相位环节)时,系统也可能闭环稳定
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