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任何一个非最小相位系统,非最小相位系统的特点

定义:在s右半平面既无零点也无极点的传递函数,最小相位传递函数;反之,在右半平面有零点或极点的传递函数称为非最小相位传递函数。

很明显,右半平面存在极点,系统一定不稳定,右半平面存在零点,系统可能不稳定(我们从系统的根轨迹中可以看出:极点轨迹总是趋近于零点,因此右半平面的零点有使系统极点趋向右半平面的趋势,可能造成系统不稳定);因此可以看出,最小相位系统是稳定的,而非最小相位系统可能不稳定。

特点在具有相同幅值特性的系统中,最小相位系统的相角变化范围是最小的;任何非最小相位系统的相角变化范围都要大于最小相位系统;最小相位系统的传递函数可以由单一的幅值曲线唯一确定,幅值特性与相角特性具有一一对应关系;非最小相位系统则没有这种特性;

例如:
G 1 ( j w ) = 1 + j w T 1 + j w T 1 , G 2 ( j w ) = 1 ? j w T 1 + j w T 1 , 0 &lt; T &lt; T 1 G_1(jw)=\frac{1+jwT}{1+jwT_1}, G_2(jw)=\frac{1-jwT}{1+jwT_1},0&lt;T&lt;T_1 G1?(jw)=1+jwT1?1+jwT?,G2?(jw)=1+jwT1?1?jwT?,0<T<T1?
上式表示的两个系统,当角频率从0到无穷变化时, G 1 G1 G1、 G 2 G2 G2具有相同的幅频特性,但是 G 2 G2 G2的相角变化范围更大(),属于非最小相位环节。取 T = 0.001 s , T 1 = 0.01 s T=0.001s,T_1=0.01s T=0.001s,T1?=0.01s则bode图如下所示:
G 1 G_1 G1?

G 2 G_2 G2?

拓展

非最小相位情况产生的原因,一是系统包含有非最小相位元件(带有时滞特性/延时,相位滞后),二是系统的内部回路不稳定(有正根)

非最小相位环节对系统造成的影响

非最小相位系统响应缓慢(原因在于,具有相同幅频特性的情况下,非最小相位系统具有更大的相角变化范围,这带来了频域上的相位滞后,表现在时域上即为阶跃响应稳态值相同的情况下,上升时间和调节时间更长);

最小相位系统因为相移小,在实际工程应用中表现为同频率输出信号在时间上能够很快的跟踪上输入,说白了就是时延小。这样的系统就比较容易设计控制器,调节效果一般也都不错。

再来说非最小相位系统,非最小相位系统因为相位差别大,往往会造成输出的信号的时延增大,时域响应由于存在不稳定的零点,甚至会出现反向效应,这样的系统想设计可实现的控制器,就比较困难了。

反向效应示例
测试如下两个系统的单位阶跃响应

可以看出非最小相位系统对输入的各个频段的相位响应均比最小相位系统来的迟缓,上述例子在起始阶段甚至出现了反向效应(幅值为负),这使得非最小相位系统的控制器设计变得复杂。

注意

频域的稳定裕度判稳方法只对最小相位系统使用,对非最小相位系统进行稳定性判别时应使用bhdyl图法,而不是波德图法

区分

对于一个最小相位环节,在w趋向于无穷时,相角趋向于 ? 90 ? ( 分 母 阶 数 ? 分 子 阶 数 ) -90*(分母阶数-分子阶数) ?90?(分母阶数?分子阶数),非最小相位系统则不是( G 2 G2 G2中含有负数项);但是两者的幅频特性曲线在w趋向于无穷时斜率均等于 20 ? ( 分 子 阶 数 ? 分 母 阶 数 ) d B / 十 倍 频 程 20*(分子阶数-分母阶数)dB/十倍频程 20?(分子阶数?分母阶数)dB/十倍频程(传递函数中的负数项不影响幅值);因此为了确定系统是不是最小相位的,既需要检查幅值曲线的高频渐近线斜率,又要检查w趋于无穷时的相角。

系统含有非最小相位环节的解决办法

加入校正环节,改善系统的相角特性曲线。

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