Критерий устойчивости Найквиста
Данный критерий позволяет судить об устойчивости системы по виду передаточной функции разомкнутой системы. Обратная связь единичная отрицательная.
Возможны несколько вариантов: разомкнутая система может быть устойчивой или неустойчивой, может обладать астатизмом какого-то порядка.
►1.Система устойчива в разомкнутом состоянии.
Передаточная функция разомкнутой системы:
Передаточная функция замкнутой системы:
D(p) -характеристический полином
Вводится вспомогательная функция
Передаточная функция:
Далее для данной функции строится годограф. Для построения годографа S=jω:
L(S)-характеристический полином разомкнутой системы
D(S)-характеристический полином замкнутой системы.
-аргумент разомкнутой системы
По Михайлову: , где n-порядок системы.
Если система устойчива в замкнутом состоянии, то:
(при изменении )
Годограф функции (Рис. 12.1) не должен охватывать начало координат, иначе угол изменится на 90°:
Рис. 12.1 Годограф функции
Тогда передаточная функция замкнутой системы равна:
Соответствующий годограф изображен на Рис. 12.2
Рис. 12.2
Был получен годограф, смещенный на 1.
Чтобы САР была устойчивой в замкнутом состоянии, если она устойчива в разомкнутом состоянии, необходимо и достаточно, чтобы годограф разомкнутой системы не охватывал точку
(-1;j0) при изменении частоты
►Случай 2. Система неустойчива в разомкнутом состоянии
Если система неустойчива, то в правой полуплоскости есть m корней:
Для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы годограф замкнутой функции охватывал точку (-1;j0) против часовой стрелки на угол
Рис. 12.3
Для неустойчивой в разомкнутом состоянии системы обычно сложно подсчитать количество охватов точки (-1;j0). Считается количество охватов в интервале (-∞,-1)
Определение: для того чтобы замкнутая система была устойчивой при неустойчивой разомкнутой системе, необходимо и достаточно, чтобы разность между числом положительных и отрицательных переходов была больше
Примечание: если начальная точка годографа находится на действительной оси левее -1, то это считается за половину перехода.
Пример
m=1, система устойчива (Рис.12.4)
Рис.12.4 Система устойчива
m=3, система устойчива (Рис. 12.5)
Рис. 12.5 Система устойчива
►Случай 3. Разомкнутая система является астатической (Рис. 12.6).
-есть один нулевой полюс, это астатизм 1 порядка.
Рис. 12.6
Так как частота меняется от нуля до плюс бесконечности, то двигаемся вверх по мнимой оси.
Для того, чтобы все корни оставались слева, обойдем начало координат справа по окружности малого радиуса.
-плоскость корней
Тогда при
При получается бесконечно большой радиус
Строим годограф (Рис. 12.7):
Рис. 12.7 Годограф
Получаем бесконечно большой радиус для астатизма 1 порядка. Значит, система устойчива, т.к. годограф не охватывает точку (-1;0j).
Астатизм 2 порядка (Рис. 12.8)
Рис. 12.8 Система устойчива
Здесь точка (-1;0j) не охвачена, значит система устойчива
Астатизм 3 порядка (Рис. 12.9)
Рис. 12.9
Использование логарифмических характеристик для исследования устойчивости
Рис. 12.10
Для определения запаса устойчивости по фазе, нужно измерить расстояние от ЛФЧХ при частоте среза до -180 градусов (см. Рис 12.10). Если система устойчива, то:
На практике часто требуется запас по фазе > 45 градусов
Для определения запаса по амплитуде необходимо для точки, где ЛФЧХ равна нулю, определить расстояние от ЛАЧХ до оси абсцисс - ЛАЧХ должна в точке этой под осью абсцисс быть (см. Рис. 21).
На практике часто требуется запас по амплитуде > 12 дБ