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的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
传递函数的极点直接决定的;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。
根据闭环控制系统的开环
频率响应判断闭环系统稳定性的准则,美国学者H.奈奎斯特1932年所提出。控制系统在断开反馈作用后所定出的频率响应称为开环频率响应。奈奎斯特稳定判据本质上是一种图解分析方法,且开环频率响应容易通过计算或实验途径定出,所以它在应用上非常方便和直观。奈奎斯特稳定判据只能用于线性定常系统。在
经典控制理论中,奈奎斯特稳定判据主要用于分析单变量系统的稳定性。在此基础上形成的频率响应法是经典控制理论的主要分析和综合方法之一。70年代以来,奈奎斯特稳定判据已被推广应用于多变量系统(见多变量频域方法)。
在
控制理论和
稳定性理论中,奈奎斯特稳定判据(英语:Nyquist stability criterion)是贝尔实验室的
瑞典裔
美国电气工程师
哈里·奈奎斯特于1932年发现,用于确定动态系统稳定性的一种图形方法。由于它只需检查对应开环系统的
奈奎斯特图,可以不必准确计算闭环或开环系统的零极点就可以使运用(虽然必须已知右半平面每一种类型的
奇点的数目)。因此,他可以用在由无理函数定义的系统,如时滞系统。与波德图相比,它可以处理右半平面有奇点的
传递函数。此外,还可以很自然地推广到具有多个输入和多个输出的
复杂系统,如飞机的控制系统。
奈奎斯特准则广泛应用于
电子和
控制工程以及其他领域中,用以设计、分析
反馈系统。尽管奈奎斯特判据是最一般的稳定性测试之一,它还是限定在线性非时变(LTI)系统中。非线性系统必须使用更为复杂的稳定性判据,例如
李雅普诺夫或圆判据。虽然奈奎斯特判据是一种图形方法,但它只能提供为何系统是稳定的或是不稳定的,或如何将一个系统改变得稳定的有限直观感受。而波德图等方法尽管不太一般,有时却在设计中更加有用。
设G(s)为系统开环
传递函数,在G(s)中取s=j\u0026owega;得到系统开环
频率响应G(j\u0026owega;)。当参变量\u0026owega;由0变化到 ∞时,可在
复数平面上画出G(j\u0026owega;)随\u0026owega;的变化轨迹,称为
奈奎斯特图。奈奎斯特稳定判据的基本形式表明,如果系统开环传递函数G(s)在s复数平面的虚轴j\u0026owega;上既无极点又无
零点,那么闭环控制系统的特征
方程在右半s平面上根的个数Z=P-2N。所谓特征方程是
传递函数分母
多项式为零的
代数方程,P是开环传递函数在右半s平面上的极点数,N是当
角频率由\u0026owega;=0变化到\u0026owega;=∞时 G(j\u0026owega;)的轨迹沿逆时针方向围绕实轴上点(-1,j0)的次数。奈奎斯特稳定判据还指出:Z=0时,闭环控制系统稳定;Z≠0时,闭环控制系统不稳定。
当开环传递函数G(s)在s
复数平面的虚轴上存在极点或
零点时,必须采用判据的推广形式才能对闭环系统稳定性作出正确的判断。在推广形式判据中,开环
频率响应G(j\u0026owega;)的奈奎斯特图不是按\u0026owega;连续地由 0变到∞来得到的,\u0026owega;的变化路径如图所示,称为推广的奈奎斯特路径。在这个路径中,当遇到位于虚轴上G(s)的极点(图中用×表示)时,要用半径很小的半圆从右侧绕过。只要按这条路径来作出G(j\u0026owega;)从\u0026owega;=0变化到\u0026owega;=∞时的奈奎斯特图,则Z=P-2N和关于稳定性的结论仍然成立。
这种判据在实质上与奈奎斯特判据相似。惟一的差别在于,对数判据是根据 G(j\u0026owega;)的幅值对数图和相角图来确定N的。在幅值
对数图上特性为正值时的频率区间内,规定相角图上特性曲线由下向上穿过-180°线称为正穿越,而由上向下称为负穿越。分别用N+ 和N- 表示正穿越次数和负穿越次数,则N=N+ -N- 。判据的结论仍然是Z=P-2N,且Z=0时闭环系统稳定,Z≠0时闭环系统不稳定。由于
频率响应的幅值对数图和相角图易于绘制,因此对数频率响应稳定判据应用更广。
0型系统开环
传递函数GK(s)在s平面的原点及虚轴上没有极点。系统稳定的充要条件为:系统的开环右极点数为P,在GH平面上,当ω从-∞变化到+∞时,系统开环频率特性曲线GK(jω)及其镜像所组成的封闭曲线,顺时针包围(-1,j0)点的次数为N圈(N\u003e0),若逆时针包围则N\u003c0,封闭曲线绕(-1,j0)点旋转360°即包围一次,则系统的闭环右极点的个数Z为:Z=N+P。当Z=0时,系统稳定;Z\u003e0时,系统不稳定。