奈奎斯特

奈奎斯特图是  对于一个连续时间的线性非时变系统，将其频率响应的增益及相位以极座标的方式绘出，常在控制系统或信号处理中使用，可以用来判断一个有回授的系统是否稳定，奈奎斯特图的命名是来自贝尔实验室的电子工程师哈里·奈奎斯特。

奈奎斯特图上每一点都是对应一特定频率下的频率响应，该点相对于原点的角度表示相位，而和原点之间的距离表示增益，因此奈奎斯特图将振幅及相位的波德图综合在一张图中。

一般的系统有低通滤波器的特性，高频时的频率响应会衰减，增益降低，因此在奈奎斯特图中会出现在较靠近原点的区域。

奈奎斯特稳定判据（英文：Nyquist stability criterion）是用于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。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。

基础概念

我们考虑一个线性系统（例如，一个控制器），它的传递函数是，当它与反馈组成闭环系统时，系统的闭环传递函数（CLTF）则为。当考察这个系统的稳定性时，一般可以考察其特征方程并求解这个方程的根，例如劳斯－赫尔维茨判据就是基于这种方法，其缺点是比较繁琐。事实上，只通过考察这个系统的开环传递函数（OLTF），并应用波特图或奈奎斯特图就可以得出结论。 一个在拉普拉斯域中的传递函数通常可表示为两个多项式的比值：

这里我们可以知道：

• 零点：传递函数的零点是方程的根。

• 极点：传递函数的极点是方程的根。

系统的稳定性由它的特征方程的根，也就是极点来决定：只有当系统的每一个极点的实数部分都为负值，即极点都在左半平面时，系统才是稳定的。而对于一个具有负反馈的闭环系统，若其开环传递函数由给出，则闭环系统的稳定性由特征方程来决定，即等同于求解方程的根。

[编辑]柯西辐角原理

主条目： 辐角原理

根据复分析理论特别是其中的辐角原理，我们知道对于复平面上的一条围道，如果函数在围道上没有极点或零点，则围道可通过函数映射到另一平面（平面）。映射后的围道将卷绕平面的原点次，而。这里和分别是函数在围道内的零点数和极点数。注意这里我们在数平面内的卷绕数时是和围道的方向一致的，从而反向的卷绕会被计为负数。

奈奎斯特于1932年发表最初的论文时没有采用辐角原理，相比之下他所用的方法并不那么简洁优美。这里介绍的方法类似于Leroy MacColl（《伺服系统的基础理论》，1945年）和亨德里克·波特（《网络分析和反馈放大设计》，1945年）所用的方法，他们两人都在贝尔实验室工作过。同时这也是当代大多数有关控制理论的教科书上所介绍的方法。

[编辑]奈奎斯特判据

我们首先建立一条奈奎斯特围道，这条围道包围了复平面的右半部分：

• 一条沿虚轴的路径，范围从到。

• 一条半径的半圆弧，从起始顺时针转到。

奈奎斯特围道通过开环传递函数的映射即为函数的奈奎斯特图。根据辐角原理，顺时针为正的情况下卷绕原点的次数等于函数在右半平面中零点的个数减去右半平面中极点的个数。如果我们考察围道卷绕（-1, j0）这一点而非原点的次数，则我们可得知函数在右半平面中零点的数量与右半平面中极点的数量之差。由于方程的根就是闭环传递函数的极点，并注意到方程和方程具有相同的根的数量，我们可以得到奈奎斯特稳定判据：

对于给定的奈奎斯特围道，假设是开环传递函数在围道内部的极点数量，是特征方程在围道内部的根数量——因而也是对应的闭环传递函数在围道内部的极点数量，从而奈奎斯特围道在平面内的映射，即函数的奈奎斯特图将卷绕(-1 + j0)次，其中。对于一个稳定系统，我们要求。也就是说，闭环传递函数在右半平面上的极点数必须为零，为此开环传递函数的奈奎斯特图逆时针卷绕(-1 + j0)这一点的次数必须等于在右半平面上的极点数量。

[编辑]极点位于虚轴上的情形

上面的讨论都假定了开环传递函数在虚轴上没有任何极点（即没有任何极点具有形式）。这个假定来自于辐角原理中围道不能经过映射函数上任何一个极点的要求。但事实上某些传递函数的极点确实是位于虚轴上的，最常见的例子是积分器（极点在原点上）。

若要分析这类极点在虚轴上的系统，需要对奈奎斯特围道的路径进行修改，使其绕过极点。一种方法是在极点附近建立一个很小的半圆弧，其半径，起始于并经逆时针绕到。这一修改意味着在这一极点处，的相矢量在一段无限远为半径的圆弧上转了角度，其中是虚轴上这一极点的重数。

[编辑]总结

• 如果开环传递函数在原点上有重极点，则奈奎斯特图在频率有不连续性。在进一步分析中，应当假设相矢量在极点附近沿着一个半径无限大的半圆转了次。通过附加这一条件，这些位于原点上的极点可以被忽略掉，也就是说，如果系统中没有其他不稳定的极点，开环传递函数应被认为是稳定的。

• 如果开环传递函数在右半平面内没有极点，则它是稳定的，而若其对应的闭环传递函数对（-1+j0）点没有卷绕，则闭环传递函数也是稳定的，否则会是不稳定的。

• 如果闭环传递函数对（-1+j0）点有顺时针卷绕，则它是不稳定的；如果对（-1+j0）点有逆时针卷绕，且逆时针卷绕数等于开环传递函数在右半平面内的极点数，则闭环系统是稳定的，否则会是不稳定的。

引自：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A5%88%E5%A5%8E%E6%96%AF%E7%89%B9%E7%A8%B3%E5%AE%9A%E5%88%A4%E6%8D%AE