教學(xué)第四章根軌跡法課件

第四章

根軌跡法

4-1根軌跡的基本概念

4-2根軌跡的繪制方法

4-3其它形式的根軌跡

4-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響

4-5閉環(huán)零極點分布與系統(tǒng)性能指標(biāo)

第四章根軌跡法

14-1根軌跡的基本概念根軌跡：當(dāng)系統(tǒng)中某個（或幾個）參數(shù)從0到+∞變化時，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的根（即閉環(huán)極點）在根平面（S平面）上描繪的一些曲線。根軌跡方法是一種圖解方法。4-1根軌跡的基本概念2系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)特征方程為:解方程得閉環(huán)特征根為:系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)特征方程為:解方程得閉環(huán)特征根為:3K取不同值對應(yīng)的閉環(huán)根

s1,s2

K01/81/41/2……∞S10-0.146-0.5-0.5+j0.5……-0.5+j∞S2-1-0.854-0.5-0.5+j0.5……-0.5-j∞K=0K=0K=0.25K=0.5K=0.5K=1.25K=1.25K取不同值對應(yīng)的閉環(huán)根s1,s2

K01/84系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般可寫為為系統(tǒng)的m個開環(huán)零點;為系統(tǒng)的n個開環(huán)極點;為系統(tǒng)開環(huán)跟軌跡增益.K為系統(tǒng)的開環(huán)增益;ZeroPoles系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般可寫為為系統(tǒng)的m個開環(huán)零點;為系統(tǒng)的n54-2根軌跡的繪制方法一：幅角條件及幅值條件

控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)一般寫為:

特征方為:

向量形式表示為:

幅值幅角MagnitudePhaseangle4-2根軌跡的繪制方法一：幅角條件及幅值條件控制系統(tǒng)的閉環(huán)6例4-1設(shè)有一反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為::1)利用幅角條件-P1-P3-P2-Z1S126O45O79O120O解:滿足幅角條件的點都是根軌跡上的點,所以檢驗點s1=-1.5+j2.5是否在根軌跡上;

并確定與其相對應(yīng)的

值.

2)由幅值條件求s1相對應(yīng)的

值=12.15例4-1設(shè)有一反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為::1)利用7二、根軌跡的基本規(guī)則

結(jié)論:

由此求得根軌跡的起點為系統(tǒng)的開環(huán)極點;

根軌跡的終點是系統(tǒng)的開環(huán)零點或無窮遠(yuǎn)點1.根軌跡的起點和終點

其二:是在n>m時,只有當(dāng)s→∞時其一:1)當(dāng)

=0時,由幅值條件,必有2)當(dāng)

→∞時,由輻值條件,存在兩種可能:

起點終點二、根軌跡的基本規(guī)則結(jié)論:由此求得根軌跡的起點為系統(tǒng)的開82.根軌跡的分支數(shù)

4.實軸上的根軌跡

根軌跡的分支數(shù)等于開環(huán)極點數(shù).若試探點S1右邊零點極點總數(shù)是奇數(shù)，則S1點所在的線段是根軌跡的一部分.漸近線在實軸上均交于一點,其座為:

漸近線的傾角為:S160oThenumberofseparatelociSymmetry3.根軌跡的對稱性

根軌跡或是在實軸上,或是對稱實軸.5.根軌跡的漸近線

Asymptote2.根軌跡的分支數(shù)4.實軸上的根軌跡根軌跡的分支數(shù)等9會合點Convergingpoint分離點Breakawaypoint(1)重根法(2)用幅角條件6.根軌跡的分離點及會合點

一般情況下,兩個極點間的根軌跡上必有一個分離點,兩個零點間的根軌跡上必有一個會合點.會合點Convergingpoint分離點Breakawa107.根軌跡與虛軸的交點

(1)直接利用特征方程例4-2系統(tǒng)的特征方程為

以s=jw代入

-j3.74j3.74=0=0因此,與虛軸交點的坐標(biāo)為±j3.747.根軌跡與虛軸的交點(1)直接利用特征方程例411(2)利用勞斯判據(jù)將系統(tǒng)特征方程展開為:

=0

K=60

10+K

勞斯陣列表為:

1

14

5

10+K

(2)利用勞斯判據(jù)將系統(tǒng)特征方程展開為:=0K=128.根軌跡的出射角和入射角(1)出射角Theangleoflocusdeparturefromapole(2)入射角Theangleoflocusawivalatcomplexzeros8.根軌跡的出射角和入射角(1)出射角Theangle13例4-3一系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為33.5o63.5o135o90o例4-3一系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為33.5o63.5o135149.閉環(huán)極點之和系統(tǒng)滿足n-m≥2時系統(tǒng)閉環(huán)極點之和等于開環(huán)極點之和。

10.閉環(huán)極點之積

系統(tǒng)的n-m≥２且有開環(huán)零點位于原點時系統(tǒng)閉環(huán)極點之積就等于開環(huán)極點之積。9.閉環(huán)極點之和系統(tǒng)滿足n-m≥2時系統(tǒng)閉環(huán)極點之和153.根軌跡對稱實軸。

5.漸近線6.分離點和會合點4.實軸上的根軌跡分布三、根軌跡繪制舉例解按照繪制根軌跡的基本規(guī)則,有1.畫出開環(huán)零、極點分布圖.-1-2-32.根軌跡有兩條分支。畫極點畫極點畫零點分離點會合點例4-4已知一系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:試?yán)L制根軌跡。

=0.172=5.8183.根軌跡對稱實軸。5.漸近線6.分離點和會合點4.實軸163.根軌跡對稱實軸。

4.實軸上的無根軌跡分布。5.漸近線和實軸的交點。6.分離點和會合點。7.根軌跡與虛軸的交點。例4-5某負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

-12.根軌跡有四條分支。

分離點試?yán)L制根軌跡圖。484-4=0得=121=121-j11.2j11.2=1213.根軌跡對稱實軸。4.實軸上的無根軌跡分布。5.漸17例4-6若一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為求該系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡。

解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

-1-22.實軸上的根軌跡分布。3.漸近線和實軸的交點。4.分離點和會合點。-0.425.根軌跡與虛軸的交點。=0K=6j1.414K=6K=6-j1.414正反饋此時為零度跟軌跡漸近線和實軸方向的夾角為±2/3.實軸上的根軌跡為(-2,-1)及線段及(0,+∞)線段.故-1.58為分離點.-1.58例4-6若一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為求該系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡。184-3其它形式的根軌跡例4-7設(shè)一隨動系統(tǒng)如圖所示。圖中參數(shù)Ks為速度反饋系數(shù)。試?yán)L制以Ks為參變量的根軌跡。

解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

2.實軸上的根軌跡分布。3.分離點和會合點。4．求復(fù)數(shù)極點的出射角90o108o198o4-3其它形式的根軌跡例4-7設(shè)一隨動系統(tǒng)如圖所示。圖中參數(shù)194-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響一:增加零點對根軌跡的影響4-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響一:增加零點對根軌跡的影響20例4-10一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為下式試采取何種措施使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高.解:60oj0.2ω1=0.17Kc=0.778-j0.2ω2=-0.17Kc=0.778ω3=0Kc=0.278ω1=0Kc=0.278-0.06-0.027例4-10一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為下式試采取何種措施使系統(tǒng)21二:增加極點對根軌跡的影響K=0K=0∞←K二:增加極點對根軌跡的影響K=0K=0∞←K224-5閉環(huán)零極點分布與系統(tǒng)性能指標(biāo)典型控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

單位階躍輸入時的瞬態(tài)響應(yīng)為

4-5閉環(huán)零極點分布與系統(tǒng)性能指標(biāo)典型控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函23例4-11一隨動系統(tǒng),其方框圖如下所示.試分析開環(huán)系統(tǒng)增益K值對系統(tǒng)性能的影響,并計算速度誤差系數(shù)Kv=10時系統(tǒng)的性能指標(biāo).最大超調(diào)量sp=37%調(diào)節(jié)時間ts=３秒1.371例4-11一隨動系統(tǒng),其方框圖如下所示.試分析開環(huán)系統(tǒng)增益K24閉環(huán)零極點對系統(tǒng)瞬態(tài)性能的影響1.極點的分布決定了瞬態(tài)響應(yīng)的類型。

2.零極點的分布決定了瞬態(tài)響應(yīng)的曲線的形狀及指標(biāo)。3.遠(yuǎn)離虛軸的極點(或零點)對瞬態(tài)響應(yīng)的影響。4.偶極子對瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

5.主導(dǎo)極點。

6.零點對瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

7.極點對瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

閉環(huán)零極點對系統(tǒng)瞬態(tài)性能的影響1.極點的分布決定了瞬態(tài)響應(yīng)25零極點與系統(tǒng)的定態(tài)品質(zhì)系數(shù)單位反饋系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為:

零極點與系統(tǒng)的定態(tài)品質(zhì)系數(shù)單位反饋系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為:26例4-12已知I型系統(tǒng),為減小系統(tǒng)定態(tài)速度誤差,應(yīng)如何配置零點?解:設(shè)系統(tǒng)具有一對復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點,配置零點位于-z，如圖所示。若取1/z=2z/wn則(1/Kv）=0。即系統(tǒng)定態(tài)誤差趨于零。利用這關(guān)系式,可繪出(1/Kv)=0時,主導(dǎo)極點阻尼比和零點位置間的關(guān)系曲線如圖所示。

應(yīng)用下式,得到定態(tài)速度誤差為:例4-12已知I型系統(tǒng),為減小系統(tǒng)定態(tài)速度誤差,應(yīng)如何配27本章小結(jié):本章介紹了根軌跡的概念、繪制根軌跡的基本規(guī)則，增加系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零、計極點對根軌跡形狀的影響及利用根軌跡對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析的方法。本章小結(jié):本章介紹了根軌跡的概念、繪制根軌跡的基本規(guī)28

第四章

根軌跡法

4-1根軌跡的基本概念

4-2根軌跡的繪制方法

4-3其它形式的根軌跡

4-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響

4-5閉環(huán)零極點分布與系統(tǒng)性能指標(biāo)

第四章根軌跡法

294-1根軌跡的基本概念根軌跡：當(dāng)系統(tǒng)中某個（或幾個）參數(shù)從0到+∞變化時，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的根（即閉環(huán)極點）在根平面（S平面）上描繪的一些曲線。根軌跡方法是一種圖解方法。4-1根軌跡的基本概念30系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)特征方程為:解方程得閉環(huán)特征根為:系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)特征方程為:解方程得閉環(huán)特征根為:31K取不同值對應(yīng)的閉環(huán)根

s1,s2

K01/81/41/2……∞S10-0.146-0.5-0.5+j0.5……-0.5+j∞S2-1-0.854-0.5-0.5+j0.5……-0.5-j∞K=0K=0K=0.25K=0.5K=0.5K=1.25K=1.25K取不同值對應(yīng)的閉環(huán)根s1,s2

K01/832系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般可寫為為系統(tǒng)的m個開環(huán)零點;為系統(tǒng)的n個開環(huán)極點;為系統(tǒng)開環(huán)跟軌跡增益.K為系統(tǒng)的開環(huán)增益;ZeroPoles系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般可寫為為系統(tǒng)的m個開環(huán)零點;為系統(tǒng)的n334-2根軌跡的繪制方法一：幅角條件及幅值條件

控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)一般寫為:

特征方為:

向量形式表示為:

幅值幅角MagnitudePhaseangle4-2根軌跡的繪制方法一：幅角條件及幅值條件控制系統(tǒng)的閉環(huán)34例4-1設(shè)有一反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為::1)利用幅角條件-P1-P3-P2-Z1S126O45O79O120O解:滿足幅角條件的點都是根軌跡上的點,所以檢驗點s1=-1.5+j2.5是否在根軌跡上;

并確定與其相對應(yīng)的

值.

2)由幅值條件求s1相對應(yīng)的

值=12.15例4-1設(shè)有一反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為::1)利用35二、根軌跡的基本規(guī)則

結(jié)論:

由此求得根軌跡的起點為系統(tǒng)的開環(huán)極點;

根軌跡的終點是系統(tǒng)的開環(huán)零點或無窮遠(yuǎn)點1.根軌跡的起點和終點

其二:是在n>m時,只有當(dāng)s→∞時其一:1)當(dāng)

=0時,由幅值條件,必有2)當(dāng)

→∞時,由輻值條件,存在兩種可能:

起點終點二、根軌跡的基本規(guī)則結(jié)論:由此求得根軌跡的起點為系統(tǒng)的開362.根軌跡的分支數(shù)

4.實軸上的根軌跡

根軌跡的分支數(shù)等于開環(huán)極點數(shù).若試探點S1右邊零點極點總數(shù)是奇數(shù)，則S1點所在的線段是根軌跡的一部分.漸近線在實軸上均交于一點,其座為:

漸近線的傾角為:S160oThenumberofseparatelociSymmetry3.根軌跡的對稱性

根軌跡或是在實軸上,或是對稱實軸.5.根軌跡的漸近線

Asymptote2.根軌跡的分支數(shù)4.實軸上的根軌跡根軌跡的分支數(shù)等37會合點Convergingpoint分離點Breakawaypoint(1)重根法(2)用幅角條件6.根軌跡的分離點及會合點

一般情況下,兩個極點間的根軌跡上必有一個分離點,兩個零點間的根軌跡上必有一個會合點.會合點Convergingpoint分離點Breakawa387.根軌跡與虛軸的交點

(1)直接利用特征方程例4-2系統(tǒng)的特征方程為

以s=jw代入

-j3.74j3.74=0=0因此,與虛軸交點的坐標(biāo)為±j3.747.根軌跡與虛軸的交點(1)直接利用特征方程例439(2)利用勞斯判據(jù)將系統(tǒng)特征方程展開為:

=0

K=60

10+K

勞斯陣列表為:

1

14

5

10+K

(2)利用勞斯判據(jù)將系統(tǒng)特征方程展開為:=0K=408.根軌跡的出射角和入射角(1)出射角Theangleoflocusdeparturefromapole(2)入射角Theangleoflocusawivalatcomplexzeros8.根軌跡的出射角和入射角(1)出射角Theangle41例4-3一系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為33.5o63.5o135o90o例4-3一系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為33.5o63.5o135429.閉環(huán)極點之和系統(tǒng)滿足n-m≥2時系統(tǒng)閉環(huán)極點之和等于開環(huán)極點之和。

10.閉環(huán)極點之積

系統(tǒng)的n-m≥２且有開環(huán)零點位于原點時系統(tǒng)閉環(huán)極點之積就等于開環(huán)極點之積。9.閉環(huán)極點之和系統(tǒng)滿足n-m≥2時系統(tǒng)閉環(huán)極點之和433.根軌跡對稱實軸。

5.漸近線6.分離點和會合點4.實軸上的根軌跡分布三、根軌跡繪制舉例解按照繪制根軌跡的基本規(guī)則,有1.畫出開環(huán)零、極點分布圖.-1-2-32.根軌跡有兩條分支。畫極點畫極點畫零點分離點會合點例4-4已知一系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:試?yán)L制根軌跡。

=0.172=5.8183.根軌跡對稱實軸。5.漸近線6.分離點和會合點4.實軸443.根軌跡對稱實軸。

4.實軸上的無根軌跡分布。5.漸近線和實軸的交點。6.分離點和會合點。7.根軌跡與虛軸的交點。例4-5某負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

-12.根軌跡有四條分支。

分離點試?yán)L制根軌跡圖。484-4=0得=121=121-j11.2j11.2=1213.根軌跡對稱實軸。4.實軸上的無根軌跡分布。5.漸45例4-6若一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為求該系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡。

解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

-1-22.實軸上的根軌跡分布。3.漸近線和實軸的交點。4.分離點和會合點。-0.425.根軌跡與虛軸的交點。=0K=6j1.414K=6K=6-j1.414正反饋此時為零度跟軌跡漸近線和實軸方向的夾角為±2/3.實軸上的根軌跡為(-2,-1)及線段及(0,+∞)線段.故-1.58為分離點.-1.58例4-6若一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為求該系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡。464-3其它形式的根軌跡例4-7設(shè)一隨動系統(tǒng)如圖所示。圖中參數(shù)Ks為速度反饋系數(shù)。試?yán)L制以Ks為參變量的根軌跡。

解:畫出開環(huán)零、極點分布圖

2.實軸上的根軌跡分布。3.分離點和會合點。4．求復(fù)數(shù)極點的出射角90o108o198o4-3其它形式的根軌跡例4-7設(shè)一隨動系統(tǒng)如圖所示。圖中參數(shù)474-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響一:增加零點對根軌跡的影響4-4增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響一:增加零點對根軌跡的影響48例4-10一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為下式試采取何種措施使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高.解:60oj0.2ω1=0.17Kc=0.778-j0.2ω2=-0.17Kc=0.778ω3=0Kc=0.278ω1=0Kc=0.278-0.06-0.027例4-10一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為下式試采取何種措施使系統(tǒng)49二:增加極點對根軌跡的影響K=0K=0∞←K二:增加極