如果对 G ( j ω ) H ( j ω ) \large G(j\omega)H(j\omega) G(jω)H(jω)增加一个有限零点(即为传递函数在无穷远处增加一个极点),传递函数的奈奎斯特图会发生一些很有意思的变化,这个变化也是整个奈奎斯特图绘制规则中最难搞的部分,不过即使这样,只要理解的其背后的物理含义,这个变化便很容易,只要用心,你也可以成为奈奎斯特。
为了详细说明这个例子,我们不妨看这样一个传递函数,令
G ( s ) H ( s ) = K s ( T 2 s + 1 ) ( T 1 s + 1 ) f o r T 2 > T 1 \large G(s)H(s) = \frac{K}{s(T_2s+1)(T_1s+1)}\ \ \ for \ T_2>T_1 G(s)H(s)=s(T2s+1)(T1s+1)K for T2>T1
其奈奎斯特图很容易可以画出来
实线表示这个系统的奈奎斯特图,可以看到,在高频情况( ω → ∞ \omega\rightarrow \infin ω→∞)下其输出会滞后输入270°,而且这个270°就是最大的滞后相位,因此奈奎斯特曲线会在第二象限沿着虚轴接近原点。同时也可以看到由于在原点处存在极点,而传递函数的分子为1,不提供任何超前相位,因此奈奎斯特曲线的起点位于第三象限,在一开始相位就滞后了90°。
现在我们来分析添加有限零点的奈奎斯特曲线,由于这个代表零点的一次项可以选取不同的时间常数,因此这个零点对于奈奎斯特曲线的影响也不一样。下面进行逐一分析——增加一个零点 ( T 3 s + 1 ) \large (T_3s+1) (T3s+1),其中
-
T 3 > T 2 > T 1 ( ω 3 < ω 2 < ω 1 ) T_3 >T_2 >T_1(\omega_3<\omega_2<\omega_1) T3>T2>T1(ω3<ω2<ω1)
这种情况下零点的时间常数大于两个极点,换言之,就是零点代表的转折频率最小,因此,在低频区零点的相位超前效应会压过两个极点的相位滞后效应,而让奈奎斯特曲线的起点会从第四象限开始,即在低频区能够减少系统相位滞后的程度,使滞后的相位小于90°。从图上来看就是
实线表示这种情况下的奈奎斯特曲线
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T 3 < T 2 < T 1 ( ω 3 > ω 2 > ω 1 ) T_3 <T_2 <T_1(\omega_3>\omega_2>\omega_1) T3<T2<T1(ω3>ω2>ω1)
这种情况下刚好和上一种相反,由于零点的时间常数最小,因此零点开始作用的转折频率最大,因此在较高频区(频率大于两个极点的转折频率但小于零点的转折频率)时,系统的相位滞后程度会大于180°,从图上则表现为奈奎斯特曲线会进入第二象限。但由于输入频率到大于零点的转折频率时,系统的相位滞后程度会被拉90°回去,因此这种情况下,奈奎斯特曲线会在第三象限沿着实轴接近原点,如图所示
虚线为此时的奈奎斯特曲线
- T 2 > T 3 > T 1 ( ω 2 < ω 3 < ω 1 ) T_2> T_3> T_1(\omega_2<\omega_3<\omega_1) T2>T3>T1(ω2<ω3<ω1)
此时零点的转折频率位于两个极点的转折频率之间,因此此时的奈奎斯特曲线类似于
G
(
s
)
H
(
s
)
=
1
s
(
T
1
s
+
1
)
\large G(s)H(s) = \frac{1}{s(T_1s+1)}
G(s)H(s)=s(T1s+1)1的奈奎斯特曲线,在
ω
1
\large \omega_1
ω1之前的频段,
T
2
T_2
T2代表的极点产生的效应会和零点的效应相互抵消,反映到图上就是
虚线为此时的奈奎斯特曲线。