幅角原理
自动控制原理 第五章(第四和五次)
6
5-5 频域稳定判据（奈氏判据）
自动控制原理
G(s)H(s)
K
(10s 1)(2s 1)(0.2s 1)
Im
K=100
P=0; R=-2;
Z=0-(-2)=2 闭环系统在 s 右半平面有两个 极点，系统不稳定
-1
+∞
ω=0
Re
闭环传递函数在复平面右半平面有Z个极点
Z PR
R(>0)为Nyquist曲线逆时针包围（-1，j0）点的圈数; R(<0)为Nyquist曲线顺时针包围（-1，j0）点的圈数;
➢只要在这个闭合曲线 内没有F(s)的零点，系 统即为稳定的。
+∞ Im ∞
O Re
-∞
3
5-5 频域稳定判据（奈氏判据）
自动控制原理
➢对于真有理分式，s等于无穷
大的时候，|G(s)H(s)|=0，在
+∞ Im
G(s)H(s)曲线中对应坐标原点。
∞
➢我们只需考察S在虚轴上取值
O
的情况
Re
➢ s j 在复平面上的
自动控制原理
(2)开环传递函数含ν 个积分环节 ν型系统
Ga (S )
K S (TS 1)
Im
-1
0
(a)ν=1,从 0 点逆时针
0 Re
补画半径为无穷大的1/4圆。
0
P=0, N=0，Z=0，
所以，闭环系统稳定。
22
5-5 频域稳定判据（奈氏判据）
自动控制原理
Im
0 -1 0
＝0
曲线G，( j就)是HN( jyq)uist曲线
-∞
4
5-5 频域稳定判据（奈氏判据）
机械工程控制基础 第五章
第五章简介：本章介绍了单输入单输出控制系统稳定性的定义及其判定依据。
对于不同的系统，稳定性的定义不同。
系统的稳定性指标是控制系统设计过程中需要考虑的众多性能指标中最重要的指标,不稳定的系统是无法使用的。
主要包括赫尔维茨判据、劳斯判据、幅角原理、奈奎斯特稳定性判据等概念.重点是赫尔维茨稳定性判据和劳斯稳定性判据及其在系统分析中的应用.难点是应用复变函数的幅角原理推导奈奎斯特稳定性判据和对稳定裕度的理解。
随堂测试：一、知识点名称1：控制系统稳定性的基本概念1。
是保证控制系统正常工作的先决条件。
（）A．稳定性B．快速性C．准确性D．连续性正确答案：A解析：不稳定的系统是无法使用的。
2。
是控制系统最重要的性能指标。
（）A．稳定性B．快速性C．准确性D．连续性正确答案:A解析：稳定性是控制系统最重要的性能指标知识点名称2：单输入单输出控制系统稳定的条件1.单输入单输出控制系统稳定的条件为(）A 特征方程根具有副实部B特征方程根具有副实部C极点位于复平面的右半部D极点位于虚轴上正确答案:A解析：单输入单输出控制系统稳定的充分必要条件为特征方程根全部具有副实部2。
某单位反馈系统的开环传递函数为,则该系统稳定的K值范围为（) A.K〉0 B。
K>1 C。
0〈K<10 D K〉-1正确答案:A解析:其特征方程为,根据二阶螺丝准则和朱里准则，该系统稳定条件为;所以的K的取值范围为K〉0知识点名称3：赫尔维茨稳定性判据1。
赫尔维茨矩阵的各项主子式行列式的值全部为正,是线性系统稳定的条件。
(）A.充分 B 必要C充要 D 即不充分也不必要正确答案:C解析：线性系统稳定的充要条件赫尔维茨矩阵的各项主子式行列式的值全部为正。
2。
如果满足主子式前提下，若所有次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正，则所有次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正。
（）A BC D正确答案：B解析：如果满足条件,若所有奇次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正，则所有偶次顺序赫尔维茨矩阵的主子式必为正；反之亦然。
自动控制原理第五章-2
稳定。
Im
1 Kg
wg
Re
(wc )
wc
w
开环对数幅相曲线上的幅值裕度和相角裕度
-Kg(dB)
Kg(dB)>0
K g (dB) 20 lg
1 20 lg G ( jwg ) H ( jwg ) G ( jwg ) H ( jwg )
若系统稳定，则：Kg>1(K(dB)>0)，r>0。 一般，为确定系统的相对稳定性，描述系统的稳定程度， 需要同时给出幅值裕度和相位裕度两个量，缺一不可。 工程上，一般取：
1 T w 1
2 2
(w) arctanTw
M (0) 1, M r 1, wr 0, wb 1/ T ts 3T 3 / wb , tr 2.20T 2.20 / wb
( 0.05)
T 2
2、二阶系统 R(s)
_
2 wn s( s 2wn )
K g (dB) 10dB r 300 ~ 600
(K g (dB) 6dB)
判断系统稳定的又一方法
0
h(dB) 0
h 1
180 G( jc )H ( jc )
h 20 log G ( j g ) H ( j g )
1 h G( j g ) H ( j g )
2. 带宽频率b
当系统闭环幅频特性的幅值M()降到零频率幅值的0.707(或零分贝值以下3dB) 时，对应的频率b称为截止频率。0～b的频率范围称为带宽，它反映系统的快速 性和低通滤波特性。
幅角基本知识及其应用
f (z) z a g(z)
g(z)
由此，a为 f '(z) 一阶极点且Res[ f '(z) ，a] = n。
f (z)
f (z)
4
引例2 设b为f (z)的m阶零点，证明：b 为 f '(z) 一阶极点
f (z) 且Res[ f '(z) ，a] = -m。
f (z)
证明 b为f(z)的m级极点，则在b的去心邻域内有
2 i
d ln
C
f (z)
1
2 i
[ dln
C
|
f
(z)
| i d arg
C
f
(z)]
C arg f (z)
2
7
二、幅角原理
定理2 设C一条周线，f(z)符合条件：1 f(z)在C内是亚纯的； 2 f(z)在C上解析且不为零，则有
N( f ,C) P( f ,C) C arg f (z)
零点数为： N f ,C 3
6
定理1 设C一条周线，f(z)符合条件：1 f(z)在C内是亚纯的； 2 f(z)在C上解析且不为零，则有
另一dz f (z)
N( f ,C) P(
f ,C)
1
2 i
C
f '(z) dz f (z)
1
2 i
d
C
dz
[lnf
(
z)]dz
1
arg P iy n
y( )
9
10
三、儒歇（Rouché）定理
z在C上时有：(z) f (z)
11
儒歇定理
(z) f (z)
注：儒歇定理的 典型用途之一是将一个复杂的解析函数g同
幅角定理的数学原理及应用
幅角定理的数学原理及应用一、幅角定理的数学原理幅角定理是数学中与复数相关的重要定理，它描述了复数的乘法运算中幅角的变化规律。
幅角定理的具体表述如下：在复数相乘时，幅角相加。
1.1 复数的表示在讨论幅角定理之前，我们首先需要了解复数的表示方法。
一般情况下，复数写作 a + bi 的形式，其中 a 和 b 分别表示复数的实部和虚部，i 是虚数单位。
1.2 幅角的定义在复平面上，以复数所在点与实轴的正半轴之间的角度为幅角，记作arg(z)。
幅角一般取值为 [-π, π]，即范围为半开区间。
1.3 幅角定理的表述幅角定理指出，当两个复数相乘时，它们的幅角相加。
具体地，设复数 z1 和z2 分别表示为 z1 = a + bi 和 z2 = c + di，则它们的乘积 z = z1 * z2 的幅角为arg(z) = arg(z1) + arg(z2)。
二、幅角定理的应用幅角定理在数学以及工程学科中具有广泛的应用，下面我们将介绍几个常见的应用场景。
2.1 信号处理在信号处理领域中，幅角定理被广泛应用于对信号的频谱分析。
对于一个复数序列，我们可以将它映射到复平面上，然后计算每个复数的幅角。
通过对幅角进行进一步的处理，我们可以得到信号的相位谱。
2.2 电路分析幅角定理在电路分析中也有重要的应用。
当电路中存在多个元件连接时，我们可以将每个元件的阻抗或电导映射为复数，并使用幅角定理计算整个电路的幅角。
这可以帮助工程师分析电路的相位特性，从而设计出更好的电路。
2.3 控制系统在控制系统中，幅角定理被用于稳定性分析和控制器设计。
通过将控制系统中的传递函数表示为复数形式，并利用幅角定理计算系统的相位裕度，可以判断系统是否稳定。
此外，幅角定理还可以帮助工程师设计合适的控制器来调节系统的相位响应。
2.4 图像处理在图像处理领域中，幅角定理被用于图像的频域分析。
通过将图像转换为频域信号，我们可以计算每个频率分量的幅角。
这有助于识别图像中的边缘和纹理等特征，并用于图像增强、图像压缩和图像识别等应用。
复变函数-幅角原理及其应用
f (z) z a g(z)
g(z)
由此，a为 f '(z) 一阶极点且Res[ f '(z) ，a] = n。
f (z)
f (z)
4
引例2 设b为f (z)的m阶零点，证明：b 为 f '(z) 一阶极点
f (z) 且Res[ f '(z) ，a] = -m。
f (z)
证明 b为f(z)的m级极点，则在b的去心邻域内有
零点数为： N f ,C 3
6
定理1 设C一条周线，f(z)符合条件：1 f(z)在C内是亚纯的； 2 f(z)在C上解析且不为零，则有
另一方面
1
2 i
C
f '(z) dz f (z)
N( f ,C) P(
f ,C)
1
2 i
C
f '(z) dz f (z)
1
2 i
dCdz来自[lnf(z)]dz
1
arg P iy n
y( Z )
9
10
三、儒歇（Rouché）定理
z在C上时有：(z) f (z)
11
儒歇定理
(z) f (z)
注：儒歇定理的 典型用途之一是将一个复杂的解析函数g同
零点已知的解析函数比较，推出关于零点的一些信息。
例4 证明多项式 g(z) z4 3z+1 的全部4个零点都位 于 z 2 内。 例5 证明: 满足条件 at | a0 | | a1 | L | at1 | | at1 | | an|
4
8
在自动控制中，一些技术的稳定性归结为要求常系 数线性微分方程解的稳定性，而这类问题要求该方 程的特征多项式
P z a0zn a1zn1 L an
复变函数--幅角原理
§3 辐角原理及其应用一、教学目标或要求：掌握幅角原理的准确叙述及其应用二、教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容：对数留数 幅角原理 例题 重点：幅角原理 例题 难点: 幅角原理 例题 三、教学手段与方法： 讲授、练习思考题、讨论题、作业与练习： 11－14§3 辐角原理及其应用1．对数留数留数定理的另一个应用的考虑形如 的复变函数在极点处的留数,以之导出辐角原理,提供确定解析函数零点个数的一个有效工具。
积分dzz f z f i C ⎰)()('21π称为)(z f 的对数留数。
引理 6.4（1）设为的级零点，则必为的一级极点，且 ；（2）设为的级极点，则必为的一级极点，且 。
证 （1）若设为的级零点，则在的邻域内，，其中在的邻域内解析,且,于是, 从而。
由于在是邻域内解析,故可在的邻域内展开成Taylor级数,必定不含的负幂项，因此必为的一级极点，且。
（2）设为的级极点，则必为的级零点，由（1）的结论,必为的一级极点，且。
定理6.9设为一条围线，满足条件：（1）在的内部除可能有极点外是解析的；（2）在上解析且不为零，则，其中与分别表示在内部的零点与极点的个数(一个级零点算作个零点，一个级极点算作个极点)。
证由第五章(二)习题14知,在内部至多只有有限个零点和极点。
设为在内部的不同零点，其级相应地为,为在内部的不同极点,其级相应为。
根据引理 6.4，、都是的一级极点，于是，在内部及上除去、，外均解析，故由留数定理2. 辐角原理辐角原理 在定理6.9的条件下，函数)(z f 在C 内部的零点个数与极点个数之差，等于当z 沿C 之正向绕行一周后的改变量)(arg z f C ∆除以π2，即π2)(arg ),(),(z f C f P C f N C ∆=- (6.27)特别地，如果在围线C 上及C 之内部均解析，且在C 上不为零，则π2)(arg ),(z f C f N C ∆=(6.28)证（大意）根据定理6.9，注 定理6.9（2）可减弱为“连续到边界,且沿,”，围线也可以是复围线。
自控原理中的幅角原理
为了更好地理解幅角原理，我们可以以一个简单的例子来说明。假设我们有一个加法器，它的输入信号是两个正弦波，一个具有幅度A和相位差为0度，另一个具有幅度B和相位差为180度。输出信号的幅度和相位差如何取决于输入信号的幅度和相位差呢？
幅角原理在电子电路设计和信号处理中具有重要的应用。通过调整幅度和相位差，可以优化系统的性能和稳定性。在自动控制系统中，幅角原理是保持系统稳定的关键原则之一。
总结起来，幅角原理指出当反馈增益大于零且相位差小于180度时，系统将保持稳定。通过控制幅度和相位差，可以优化自控系统的性能。幅角原理在自动控制、电子电路设计和信号处理等领域中具有重要意义。
自控原理中的幅角原理
自控原理中的幅角原理是指当系统通过负反馈进行调节时，系统的稳定性取决于系统的幅度和相位的特性。在稳定的自控系统中，系统的稳定性可以通过幅度和相位的特性来衡量。
首先，我们先来了解什么是幅度和相位。在频率域中，幅度是指输入信号和输出信号之间的幅值的比值，通常用dB来表示。相位是指输出信号的相位与输入信号之间的差值，通常用角度来表示。
假设相位差为180度，即φ= -180度。这意味着输出信号的相位与输入信号的相位差为180度。在这种情况下，输出信号将随时间变化，系统无法达到稳定状态。
因此，幅角原理告诉我们，系统的稳定性取决于输入信号的幅度和相位。当反馈增益大于零时，反馈信号能够减小系统的幅度差和相位差，从而使系统保持稳定。只有当幅度差小于零且相位差小于180度时，系统才能有效地进行调节。
我们知道加法器的输出信号等于两个输入信号的和。因此，输出信号的幅度将是两个输入信号幅度之和：A + B。相位差取决于两个输入信号的相位之间的差值：φ= 0 - 180 = -180度。
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一幅角原理
1.亚纯函数
定义1设 在区域内除了有极点外处处解析，则称为亚纯函数
例如，有理函数，
全纯函数可看作亚纯函数的特例。
引理1，设 在环线 上解析且不为零，在 内部亚纯，则 在 内部只有有限个零点与极点。
引理2.设a为f的n级零点，则 必是 的一级极点，且
授课题目
§3幅角原理及其应用
授课类型
理论课
首次授课时间
2009年12月10日
学时
2
教学目标
掌握复变函数积分的概念,积分存在的条件及积分计算法和性质.
重点与难点
重点：复变函数积分存在的条件及其计算法和性质.
难点：复变函数计算法和性质.
教学手段与方法
黑板
讲授
教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）
（2.）令 ，则
所以 = = =
推论：若 在 内部解析，则
注:辐角原理中的条件2）可减弱为： 连续到 上，且 在 上
例8：设 ： 试验试辐角原理
解： 满足辐角原理条件。又
3.儒歇定理
定理6.2设 为围线， 与 满足：1）它们在 内解析，且连续到 ，
2）在 上 ，则
证明：由已知条件， 与 都在 内部解析，且连续到
2） 在 上解析，且不取零，则
.
（其中 与 分别表示 在 内部零点个数与极点个数几级算几个）
证明：（1）由已知条件知， 在内至多只能有有限个零点与有限个极点，设 为 在 内部不同的零点，其级分别为 ， 为 在 内部不同的极点，其级分别为 ，由引理知， 在 上解析。在 内部除了一级极点， 与 处均解析.由留数定理，得
2）设b是f的m级极点，则b必是 的一级极点，且 .
证：由所设，1）在 的某个领域内，有 .其中 在 的领域内解析，且 .
即 ,由 在 点解析便知： 是 的一级极点，且 .
2)由所设在 的某去心领域内，有 ,其中 在 的某去心领域内解析，且 ,于是 .
由于 在 点解析,故 为 的一级极点，且
定理6.1设 为围线， 满足1） 在 内除可能极点外解析;
6.证明方程 的所有根都在圆环 内。
教学后记
在 上， ，
要证明 即可
但
故只要证明
记 ，它把 变为 平面上曲线
但 故 不会绕平面原点 .
从而
例9：求 在内根个数
解：设 ，则它们在 内解析连续到 ： ，在 上，
由儒歇定理，
例10：判断 在 有几个根
解：设=a0zn+a1zn-1+…+an=0(a0≠0）
在虚轴上没有零点， ， 为虚轴上从 指向 的路径，
证明它的全部零点在左半平面Rez<0内
3.设 内解析，且 ，证明 在 内必有不动点。
4.证明： 在右半平面恰好有一个根。
5n次方程(p(z)=)a0zn+a1zn-1+…+an=0(a0≠0）
在复数域内有且仅有n个根（几重根就算几个根
首先证明存在R>0，方程在圆|z|<R内恰有n个根
其次证明，对z0 |z0|=R0≥R，均有|p(z0)|>0