零极点对系统的性能影响分析
频率响应零极点
频率响应零极点频率响应是指系统对不同频率的输入信号的响应情况。
在信号处理和控制系统设计中，频率响应的分析对于了解系统的稳定性、幅频特性、相频特性等非常重要。
频率响应的零极点是指系统传递函数的分母和分子中的零点和极点。
零点是使得系统的传递函数分子为零的频率，极点是使得系统的传递函数分母为零的频率。
通过分析系统的零极点，可以获得关于系统的重要信息，如系统的稳定性、滤波特性、频率选择性等。
1. 零点（Zeros）：零点是使得系统传递函数的分子为零的频率。
在频率域中，零点对应于使系统的频率响应为零的点。
具体地说，零点是导致系统传递函数的分子项为零的频率值。
零点的位置对系统的频率响应有很大的影响。
当输入信号的频率接近零点时，系统的频率响应会增强，因为分子为零，从而增加输出信号的幅度。
零点的位置也决定了系统的频率选择性能，即系统对特定频率的放大或抑制程度。
2. 极点（Poles）：极点是使得系统传递函数的分母为零的频率。
在频率域中，极点对应于使系统的频率响应趋于无穷大的点。
具体地说，极点是导致系统传递函数的分母项为零的频率值。
极点的位置对系统的频率响应同样具有重要影响。
当输入信号的频率接近极点时，系统的频率响应会出现共振或者不稳定的现象，因为此时传递函数的分母为零，导致输出信号无限增大或者趋于无穷大。
3. 频率响应的稳定性：零极点的位置对系统的稳定性有着直接的影响。
稳定系统的所有极点都位于左半平面，即实部为负。
如果系统的极点位于右半平面（实部为正），那么系统将是不稳定的，可能导致输出信号的增长或震荡。
4. 频率响应的滤波特性：零极点的位置还决定了系统的滤波特性。
通过控制零极点的位置，可以实现对不同频率成分的滤波。
零点对应于系统的传递函数分子的零点，可以用于增强特定频率的信号成分。
极点对应于系统的传递函数分母的零点，可以用于抑制特定频率的信号成分。
5. 频率响应的相频特性：零极点的位置还决定了系统的相频特性。
分析零点,极点,偶极子对系统性能的影响
一． 高阶系统暂态性能分析
1.1.当闭环系统的零极点都位于 s 平面的左半部分时，则闭 环系统是稳定的。但当闭环极点距离虚轴的距离不同时，对系 统的暂态性能影响不同 高阶系统闭环传递函数：
高阶系统单位阶跃响应：
高阶系统单位阶跃响应：
1.2 设闭环传递函数 原闭环传递函数 1.1 φ s = 5/(s ∗ s + 2 ∗ s + 2)(s + 3) 增加零点传递函数 1.2 φ1 s = 5(s + 1)/(s ∗ s + 2 ∗ s + 2)(s + 3) 增加极点传递函数 1.3 φ2 s = 5/(s ∗ s + 2 ∗ s + 2)（s + 10）(s + 3) 增加偶极子传递函数 1.4 φ3 s = 5(s + 0.95)/(s ∗ s + 2 ∗ s + 2)（s + 1）(s + 3) 1.3 系统单位阶跃响应曲线如图 1-1 所示 实线������(������ ) 虚线 -----------------������1(������ ) 点画线 ������2（s ） 1.4 1.3 1.2����� ������������ 主要取决这些极点所对应的分量。
增加较远的零点图 1-2 1.4.2 增加极点 对比图 1-1 中������(������ ) ，������2(������ ) 对应的响应曲线，发现二者十分接近， 其暂态性能指标 ������������ 2 = 2.85������������ 2 = 3.66������������2 = 4.45 与������1(������ ) 的性能指标几乎相等。增加的极点为 s=-10,离虚轴较远，对系 统的暂态性能较小。 增加极点的距离虚轴的距离不同对系统的动态性 能影响也不同。图 1-3 增加的极点为 s=-1,离虚轴较近，对系统的暂态 性能影响较大。其动态性能指标如下
系统的零极点
系统的零极点在探讨系统的特性和行为时，零极点是一个重要的概念。
零极点是指系统的传递函数中使得分子或分母为零的点，它们直接影响系统的稳定性、响应速度和频率特性等方面。
本文将详细介绍系统的零极点及其对系统行为的影响。
一、什么是零极点？在控制系统中，传递函数是描述输入和输出之间关系的数学表达式。
传递函数通常写成分子和分母多项式的比值形式。
其中，分子多项式的根称为零点，分母多项式的根称为极点。
零极点的个数和位置直接决定了系统的特性。
零点是使得系统传递函数的分子为零的点。
当输入信号通过系统时，零点能够消除或减弱某些频率成分，从而改变系统的频率响应特性。
例如，一个一阶系统的传递函数为H(s)=s+1/s+2，其中s为复变量。
该系统有一个零点为-1，当输入信号中包含频率为1的成分时，系统的输出将为零。
极点是使得系统传递函数的分母为零的点。
极点的位置可以决定系统的稳定性和响应速度。
例如，一个一阶系统的传递函数为H(s)=1/s+2，该系统有一个极点为-2。
当输入信号经过该系统时，极点的位置将决定系统的阻尼特性和响应速度。
二、零极点对系统行为的影响1. 系统的稳定性系统的稳定性是指系统在受到扰动后是否能够回到稳定的状态。
在控制系统中，极点的位置直接影响系统的稳定性。
当所有极点的实部为负时，系统是稳定的；当存在极点的实部为正时，系统是不稳定的。
2. 响应速度零极点的位置也会影响系统的响应速度。
当零点和极点的实部越大，系统的响应速度越快。
如果极点的实部接近于零点的实部，系统的阻尼特性将减弱，导致系统的超调和振荡现象。
3. 频率特性零点和极点的位置还决定了系统的频率特性。
零点和极点的位置决定了系统的增益和相位响应。
当零点和极点靠近虚轴时，系统的频率响应会出现共振现象；当零点和极点离虚轴越远，系统的频率响应越平坦。
三、如何设计系统的零极点设计系统的零极点是控制系统设计的重要任务之一。
通过合理布置零极点的位置，可以实现所需的系统特性。
零极点对系统性能的影响分析_课程设计报告
设计任务书学生XX ：梅浪奇 专业班级：自动化1002班指导教师： 肖纯 工作单位： 自动化学院题 目: 零极点对系统性能的影响分析 初始条件：系统开环传递函数为1)s (s 1)(s/a 21+++=(s)G 或1)s 1](s [(s/p)122+++=(s)G ，其中G 1（s ）是在阻尼系数5.0=ξ的归一化二阶系统的传递函数上增加了一个零点得到的，G 2（s ）是在阻尼系数5.0=ξ的归一化二阶系统的传递函数上增加了一个极点得到的。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 当开环传递函数为G 1（s ）时，绘制系统的根轨迹和奈奎斯特曲线； （2） 当开环传递函数为G 1（s ）时，a 分别取0.01，1，100时，用Matlab 计算系统阶跃响应的超调量和系统频率响应的谐振峰值，并分析两者的关系；（3） 画出(2)中各a 值的波特图；（4） 当开环传递函数为G 2（s ）时，绘制系统的根轨迹和奈奎斯特曲线； （5） 当开环传递函数为G 2（s ）时，p 分别取0.01，1，100时，绘制不同p 值时的波特图；（6） 对比增加极点后系统带宽和原二阶系统的带宽，分析增加极点对系统带宽的影响；（7） 用Matlab 画出上述每种情况的在单位反馈时对单位阶跃输入的响应； （8） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1综述12增加零极点对系统稳定性的影响12.1增加零点对系统稳定性的影响22.1.1开环传递函数G1（s）的根轨迹曲线22.1.2开环传递函数G1（s）的奈奎斯特曲线32.2增加极点对系统稳定性的影响42.2.1开环传递函数G2（s）的根轨迹曲线42.2.2开环传递函数G2（s）的奈奎斯特曲线7 3增加零极点对系统暂态性能的影响83.1增加零点对系统暂态性能的影响83.1.1零点a=0.01时的阶跃响应和伯德图93.1.2零点a= 1时的阶跃响应和伯德图103.1.3零点a= 100时的阶跃响应和伯德图123.1.4原系统的阶跃响应和伯德图133.1.5综合分析153.2增加极点对系统暂态性能的影响153.2.1极点p=0.01时的阶跃响应和伯德图163.2.2极点p=1时的阶跃响应和伯德图173.2.3极点p=100时的阶跃响应和伯德图183.2.4综合分析204增加零极点对系统稳态性能的影响214.1增加的零极点在s的左半平面214.2增加的零极点在s的虚轴上255设计心得体会286参考文献29附录1：课程设计中所用到的程序30附录2：本科生课程设计成绩评定表42零极点对系统性能的影响分析1综述在自动控制系统中，对系统各项性能如稳定性，动态性能和稳态性能等有一定的要求，稳定性是控制系统的本质，指的是控制系统偏离平衡状态后自动恢复到平衡状态的能力。
零极点对系统的影响
MATLAB各种图形结论1对稳定性影响错误!增加零点不改变系统的稳定性；错误!增加极点改变系统的稳定性，不同的阻尼比下即使增加的是平面左侧的零点系统也有可能不稳定。
2对暂态性能的影响错误!增加的零点离虚轴越近,对系统暂态性影响越大，零点离虚轴越远，对系统的影响越小。
分析表1可以发现,增加零点会对系统的超调量、调节时间、谐振峰值和带宽产生影响,且增加的零点越大，对系统的暂态性能影响越小。
当a增加到100时,系统的各项暂态参数均接近于原系统的参数。
增加的极点越靠近虚轴，其对应系统的带宽越小.同时还可以发现，时域中的超调量和频域中的谐振峰值在数值上亦存在一定的关系。
具体表现为超调量减小时，谐振峰值也随之减小。
错误!增加的极点离虚轴越近,对系统暂态性影响越大，极点离虚轴越远,对系统的影响越小。
①增加零点，会使系统的超调量增大，谐振峰值增大,带宽增加。
②增加极点，会使系统的超调量减小，谐振峰值减小,带宽减小.③增加的零极点离虚轴越近，对系统暂态性影响越大；零极点离虚轴越远，对系统的暂态性影响越小。
3 对稳态性能的影响①当增加的零极点在s的左半平面时，不改变系统的类型，使系统能跟踪的信号类别不变，但跟踪精度会有差别。
②当增加的零点在s的虚轴上时,系统的型别降低，跟踪不同输入信号的能力下降。
③当增加的极点在s的虚轴上时,系统的型别升高，跟踪不同输入信号的能力增强。
1、绘制G1（s）的根轨迹曲线（Ｍ２＿１．ｍ)%画G1（s)的根轨迹曲线n=［1,0］; ％分子d=［1，1,2］; %分母figure1 = figure（’Color’，［1 1 1］）；％将图形背景改为白色rlocus(n，d); %画G1（s）根轨迹曲线title（'G1（s)的根轨迹’）； %标题说明2、绘制G1（s）的奈奎斯特曲线(Ｍ２＿２．ｍ）％画G1(s）的奈奎斯特曲线figure1 = figure（’Color'，［1 1 1］); ％将图形背景改为白色for a=1：10 ％a取1,2,3……10，时，画出对应的奈奎斯特曲线G=tf（［1/a，1],[1，1,1］)；nyquist（G）；hold onendtitle('G1（s）的奈奎斯特曲线’)；％标题说明3、绘制G2(s）的根轨迹曲线（Ｍ２＿３．ｍ)％画G2(s）的根轨迹曲线n=[1,1，1,0］ ; %分子d=［1,1，2] ; %分母figure1 = figure（'Color'，[1 1 1］）；％将图形背景改为白色g2=tf(n,d） %求G2(s）的传递函数rlocus(g2）； %画G2(s）根轨迹曲线title(’G2(s)的根轨迹')； %标题说明4、绘制ξ=0.1，0.3,1，1。
极点对系统性能的影响闭环零
• 全部零点仅影响幅度和相位，对波形无影响； • 若有重根，则时间函数可能具有t,t2,……与 指数相乘的形式，同样满足上述结论
第四章 线性系统的根轨迹法
13
4－4－1 闭环零、极点对系统性能的影响
相距很近的一对闭环零、极点可以相消， 不会影响系统的动态性能
-1
-0.1-0.995j
进行等效变换
s 1 Ta s(s 0.2) 1 0
Ta变化时的根轨迹
其等效开环传递函数为
G1 ( s) H1 ( s)
Ta
s(s
s 0.2)
1
有两个开环极点,一个开环零点
第四章 线性系统的根轨迹法
3
2 附加开环零点的作用
j ×
G(
s)
H
(s)
K* s(s2
j 1
பைடு நூலகம்
i1
( ji)
第四章 线性系统的根轨迹法
8
3 零度根轨迹…
零度根轨迹绘制法则(续)
7 根轨迹于虚轴的交点 8 根之和
根轨迹与虚轴交点的K*值和 值,
可用劳思判据确定.
n
n
si pi
i 1
i 1
第四章 线性系统的根轨迹法
9
3 零度根轨迹…
R(s)
例9:
正反馈,K*>0为零度根轨迹
近原点，其模值较大则影响系统增益，从而 影响稳定性。
第四章 线性系统的根轨迹法
25
第四章 线性系统的根轨迹法
21
4－4－2 根据闭环零、极点分布求系统动态性能
系统闭环零、极点分布根轨迹图图 解法求极点上的留数拉氏变换求系统 动态响应
零极点对消
零极点对消1、系统函数的零极点对系统频率特性有何影响？极点会使调节时间变短，是系统反应更快，但是也会使系统的稳定性变差，零点一般是使得稳定性增加，但是会使调节时间变长；极点主要影响频率响应的峰值，极点愈靠近单位圆，峰值愈尖锐；零点主要影响频率特性的谷值，零点愈靠近单位圆，谷值愈深（当零点在单位圆上时，频率特性为零）。
2、系统函数的零极点对系统冲激响应有何影响？(1)冲激响应波形是指指数衰减还是指数增长或等幅振荡，主要取决于极点位于s左半平面还是右半平面或在虚轴上。
(2)冲激响应波形衰减或增长快慢，主要取决于极点离虚轴的远近。
(3)冲激响应波形振荡的快慢，主要取决于极点离实轴的远近。
零点分布只影响冲激响应函数的幅度和相位，不影响响应模式。
3、若某因果系统不稳定，有哪些主要措施可使之稳定？答：对于结构不稳定系统，改变系统结构后，只要适当选配参数就可使系统稳定。
这是一个积分器，积分器是指系统的输出为输入号的积分，在离散系统来说则是求和。
以离散号为例，当输入为单位冲激号时，积分器的输出为一个单位阶跃号。
阶跃号的Z变换可以很容易计算得到，为1/(1-z-1)。
很显然，这个系统只有一个零点，其值为z=0；有一个极点，其值为z=1。
在零极图上可以很方便地看出，这个系统在频率为0处响应最大，随着频率逐步增加，响应逐步减小，这显然可以看做是一个低通滤波器。
其次，从直观上理解，积分器是把前面很多个输入值进行累加。
在这个过程中，积分器不同输入值之间的一些比较大的抖动被钝化了,也即是说变化比较大的抖动被平均掉了，也即是相当于高频部分被抑制了，这正好就是低通滤波器的功能。
零极点对消指的是当零点与极点十分接近时（一般两点距离小于这两点与其他零点或极点的距离的1/10~1/5），称该两点对消。
ps：其实就类似分子与分母一样的时候相消，分子零点，分母级点。
电路中零极点
电路中零极点
在电路分析中，零极点是描述电路频率特性的重要概念。
零点是指系统函数在某个特定频率处的值为零的点，而极点则是系统函数在某个特定频率处的一阶导数为零的点。
在分析电路的频率响应时，零极点可以提供重要的信息，包括系统的稳定性、增益和相位等。
在电路中，零极点的存在会影响系统的频率响应。
具体来说，一个电路系统的传递函数可以表示为一系列的零点和极点的形式。
当输入信号的频率接近零点或极点时，系统的输出信号会受到较大的影响，可能会产生幅度跳跃、相位失真等现象。
因此，通过分析电路中的零极点，可以了解系统在不同频率下的响应特性，从而优化电路设计。
在分析电路中的零极点时，通常需要使用电路分析方法和数学工具。
例如，使用交流等效电路分析方法可以得到系统函数的具体形式，然后根据数学工具求解零极点的位置。
此外，还可以使用计算机仿真软件进行电路的频域分析和参数优化。
综上所述，零极点是描述电路频率特性的重要概念，通过分析零极点的位置和特性，可以深入了解电路在不同频率下的响应特性，优化电路设计，提高系统的性能。
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零极点对系统性能的影响分析
1任务步骤
1.分析原开环传递函数G0（s）的性能，绘制系统的阶跃响应曲线得到系
统的暂态性能（包括上升时间，超调时间，超调量，调节时间）；
2.在G0（s）上增加零点，使开环传递函数为G1（s），绘制系统的根轨迹,
分析系统的稳定性；
3.取不同的开环传递函数G1（s）零点的值，绘制系统的阶跃响应曲线得
到系统的暂态性能（包括上升时间，超调时间，超调量，调节时间）；
4.综合数据，分析零点对系统性能的影响
5.在G0（s）上增加极点，使开环传递函数为G2（s），绘制系统的根轨迹，
分析系统的稳定性；
6.取不同的开环传递函数G2（s）极点的值，绘制系统的阶跃响应曲线得
到系统的暂态性能（包括上升时间，超调时间，超调量，调节时间）；
7.综合数据，分析极点对系统性能的影响。
8.增加一对离原点近的偶极子和一对距离原点远的偶极子来验证偶极子
对消的规律。
2原开环传递函数G0（s）的性能分析
2.1 G0（s）的根轨迹
取原开环传递函数为：
Matlab指令：
num=[1];
den=[1,0.8,0.15];
rlocus(num,den);
得到图形：
图1 原函数G0(s)的根轨迹
根据原函数的根轨迹可得：系统的两个极点分别是-0.5和-0.3，分离点为-0.4，零点在无限远处，系统是稳定的。
2.2 G0（s）的阶跃响应
Matlab指令：
G=zpk([],[-0.3,-0.5],[1])
sys=feedback(G,1)
step(sys)
得到图形：
图2 原函数的阶跃响应曲线
由阶跃响应曲线分析系统暂态性能： 曲线最大峰值为1.12，稳态值为0.87， 上升时间tr=1.97s
超调时间tp=3.15s
调节时间ts=9.95s ，2=∆
超调量%p σ=28.3%。