Критерий устойчивости Найквиста — Михайлова
Критерий устойчивости Найквиста — Михайлова — один из способов судить об устойчивости замкнутой системы управления по амплитудно-фазовой частотной характеристике её разомкнутого состояния. Является одним из частотных критериев устойчивости. С помощью этого критерия оценить устойчивость весьма просто, без необходимости вычисления полюсов передаточной функции замкнутой системы.
Условие устойчивости
Передаточная функция динамической системы T ( s ) {displaystyle T(s)} может быть представлена в виде дроби
T ( s ) = N ( s ) D ( s ) {displaystyle T(s)={frac {N(s)}{D(s)}}} .Устойчивость T ( s ) {displaystyle T(s)} достигается тогда, когда все её полюсы находятся в левой полуплоскости s {displaystyle s} . В правой полуплоскости их быть не должно. Если T ( s ) {displaystyle T(s)} получена замыканием отрицательной обратной связью разомкнутой системы с передаточной функцией F ( s ) = A ( s ) B ( s ) {displaystyle F(s)={frac {A(s)}{B(s)}}} , тогда полюсы передаточной функции замкнутой системы являются нулями функции 1 + F ( s ) {displaystyle 1+F(s)} . Выражение 1 + F ( s ) = 0 {displaystyle 1+F(s)=0} называется характеристическим уравнением системы.
Принцип аргумента Коши
Из теории функций комплексного переменного известно, что контур Γ s {displaystyle Gamma _{s} } , охватывающий на s {displaystyle s} -плоскости некоторое число неаналитических точек, может быть отображён на другую комплексную плоскость (плоскость F ( s ) {displaystyle F(s)} ) при помощи функции F ( s ) {displaystyle F(s)} таким образом, что получившийся контур Γ F ( s ) {displaystyle Gamma _{F(s)} } будет охватывать центр F ( S ) {displaystyle F(S)} -плоскости n {displaystyle n} раз, причём n = z − p {displaystyle n=z-p} , где z {displaystyle z} — число нулей, а p {displaystyle p} — число полюсов функции F ( s ) {displaystyle F(s)} . Положительным считается направление, совпадающее с направлением контура Γ s {displaystyle Gamma _{s} } , а отрицательным — противоположное ему. ...
Формулировка критерия
Сначала построим контур, охватывающий правую полуплоскость комплексной плоскости. Контур состоит из следующих участков:
- участок, идущий вверх по оси j ω {displaystyle jomega } , от 0 − j ∞ {displaystyle 0-jinfty } до 0 + j ∞ {displaystyle 0+jinfty } .
- полуокружность радиусом r → ∞ {displaystyle r o infty } , начинающаяся в точке 0 + j ∞ {displaystyle 0+jinfty } и достигающая конца в точке 0 − j ∞ {displaystyle 0-jinfty } по часовой стрелке.
Далее отображаем этот контур посредством передаточной функции разомкнутой системы F ( s ) {displaystyle F(s)} , в результате чего получаем плоскость АФЧХ системы. Согласно принципу аргумента число оборотов по часовой стрелке вокруг начала координат должно быть равно количеству нулей функции F ( s ) {displaystyle F(s)} минус количество полюсов F ( s ) {displaystyle F(s)} в правой полуплоскости. Если рассматривать вместо начала координат точку − 1 + j 0 {displaystyle -1+j0} , получим разницу между числом нулей и полюсов в правой полуплоскости для функции 1 + F ( s ) {displaystyle 1+F(s)} . Заметив, что функция 1 + F ( s ) {displaystyle 1+F(s)} имеет такие же полюса, что и функция F ( s ) {displaystyle F(s)} , а полюса разомкнутой системы являются нулями замкнутой системы, сформулируем критерий Найквиста — Михайлова:
Пусть Γ s {displaystyle Gamma _{s} } — замкнутый контур в комплексной плоскости, p {displaystyle p} — число полюсов F ( s ) {displaystyle F(s)} , охваченных контуром Γ s {displaystyle Gamma _{s} } , а z {displaystyle z} — число нулей F ( s ) {displaystyle F(s)} , охваченных Γ s {displaystyle Gamma _{s} } — то есть число полюсов T ( s ) {displaystyle T(s)} , охваченных Γ s {displaystyle Gamma _{s} } . Получившийся контур в F ( s ) {displaystyle F(s)} -плоскости, Γ F ( s ) {displaystyle Gamma _{F(s)} } должен для обеспечения устойчивости замкнутой системы охватывать (по часовой стрелке) точку − 1 + j 0 {displaystyle -1+j0} n {displaystyle n} раз, где n = z − p {displaystyle n=z-p} .
В русскоязычной литературе, в основном, изданной в СССР, встречается иная формулировка критерия, называемого в этом случае критерием Михайлова:
Система порядка n {displaystyle n} устойчива, если ее частотный годограф, начинаясь на положительной вещественной полуоси комплексной плоскости, последовательно проходит n {displaystyle n} координатных квадрантов, нигде не обращаясь в 0.
Следствия критерия Найквиста-Михайлова:
- Если разомкнутая система с передаточной функцией F ( s ) {displaystyle F(s)} устойчива, замкнутая система является устойчивой, если АФЧХ разомкнутой системы не охватывает точку (−1; j0).
- Если разомкнутая система неустойчива, то количество оборотов F ( s ) {displaystyle F(s)} вокруг точки −1 должно быть равно числу полюсов F ( s ) {displaystyle F(s)} в правой полуплоскости.
- Количество дополнительных охватов (больше, чем n + p {displaystyle n+p} ) вокруг точки −1 в точности равно количеству неустойчивых полюсов замкнутой системы.