根轨迹的概念和系统阐述
自动控制原理 第四章根轨迹
第四章根轨迹法4-1 根轨迹法的基本概念4-2 常规根轨迹的绘制法则4-3 广义根轨迹4-1 根轨迹法的基本概念一、根轨迹的概念根轨迹：系统中某个参数从零到无穷变化时，系统闭环特征根在s平面上移动的轨迹。
根指的是闭环特征根(闭环极点)。
根轨迹法是根据开环传递函数与闭环传递函数的关系，通过开环传递函数直接分析闭环特征根及系统性能的图解法。
K =0 s 1=0 s 2=-40 < K <1s 1 s 2为不等的负实根K =1s 1=-2 s 2=-21 < K < ∞s 1s2 实部均为-2由根轨迹可知：1）当K =0时,s 1=0,s 2=-1,这两点恰是开环传递函数的极点,同时也是闭环特征方程的极点.2）当0<K < 1 时,s 1,2都是负实根,随着k 的增长,s 1从s 平面的原点向左移,s 2从-1点向右移。
3) 当K = 1时, s 1,2= -2,两根重合在一起,此时系统恰好处在临界阻尼状态。
4) 1 <K <∞,s 1,2为共轭复根,它们的实部恒等于-2，虚部随着K 的增大而增大,系统此时为欠阻尼状态。
★在s平面上,用箭头标明K增大时,闭环特征根移动的方向,以数值表明某极点处的增益大小。
有了根轨迹图就可以分析系统的各种性能：(1)稳定性:根轨迹均在s的左半平面,则系统对所有K>0都是稳定的。
(2)稳态性能:如图有一个开环极点(也是闭环极点)s=0。
说明属于I型系统，阶跃作用下的稳态误差为0。
在速度信号V0t作用下,稳态误差为V0/K，在加速度信号作用下,稳态误差为∞。
(3)动态性能：过阻尼临界阻尼欠阻尼K越大，阻尼比ξ越小,超调量σ%越大。
由此可知：1、利用根轨迹可以直观的分析K的变化对系统性能的影响。
2、根据性能指标的要求可以很快确定出系统闭环特征根的位置；从而确定出可变参数的大小，便于对系统进行设计。
由以上分析知：根轨迹与系统性能之间有着密切的联系,但是,高阶方程很难求解，用直接解闭环特征根的办法来绘制根轨迹是很麻烦的。
根轨迹的概念和系统分析
ih1(Tis 1)
K2r
l
(s
j1
Z
j
)
h
(s
i 1
Pi
)
（6-3）
式中 K1 为前向通路增益，K1r 为前向通路根轨 迹增益；K2 为反馈通路增益，K2r为反馈通路根轨迹 增益。
9
系统的开环传递函数为
G(s)H(s)
K
m
j1
(
js
1)
s
n
i 1
(Tis
1)
Kr
m
(s
j1
Z
j
)
(6-4)
s
n
i 1
本章主要介绍根轨迹的概念，绘制根轨迹的 基本规则和用根轨迹法分析自动控制系统的方法。
2
§6–1 根轨迹的概念
一﹑根轨迹图
根轨迹图是开环系统某一参数由零变化到无 穷时，闭环系统特征方程的根（即闭环极点）在 S平面上的变化轨迹。
例6-1 已知单位负反馈系统的开环传递函数为
G(s) H(s) K r s(s 2)
(s
Pi
)
K K1 K2 为系统的开环增益，
Kr K1r K2r 为开环系统的根轨迹增益；
m=f+L
为开环系统的零点数，
n q h 为开环系统的极点数。
将式（6-2）和（6-4）代入（6-1）可得
(s)
s
K1r
f
(s
i 1
Zi
n
i 1
(s
Pi
)
)
h
j1
(s
Pj
)
K
r
m
(s
j1
Zi
)
（6-5）10
自动控制第五章根轨迹法资料
8
绘制根轨迹的基本条件
根轨迹的幅值条件：
n
s pj
j 1
负反馈根轨迹的相角条件：
m
n
(s z j ) (s pi ) (2q 1)
j 1
i 1
满足此式的根轨迹，称为1800根轨迹；
正反馈根轨迹的相角条件：
m
n
(s z j ) (s pi ) (2q)
j 1
i 1
满足此式的根轨迹，称为00根轨迹；
9
绘制根轨迹的基本条件
n
s pi
i 1 m
K1
s zj
j 1
m
n
(s z j ) (s pi ) (2q 1)
j 1
i 1
➢ 根轨迹的幅值条件不仅取决于系统开环零极点的分 布，同时还取决于开环根轨迹的增益K1。
➢ 根轨迹的相角条件仅仅取决于系统开环零极点的分 布，与开环根轨迹的增益K1无关。
2
第一章根轨迹的基本概念
根轨迹的概念的提出 反馈控制系统的性质取决于闭环传函。只要求解
出闭环系统的根，系统的响应就迎刃而解。但是对于 3阶以上的系统求根比较困难。如果系统中有一个可 变参数时，求根更困难了。
1948年，伊凡思提出了一种确定系统闭环特征根 的图解法——根轨迹法。在已知开环零极点分布的基 础上，当某些参数变化时确定闭环极点的一种简单的 图解方法。
12
第二节 绘制根轨迹的基本规则
当K1 时，① s z j ( j 1 ~ m) ，上式成立。 z j 是开环传递
函数有限值的零点，有m个。故n阶系统有m支根轨迹的终点在
利用这一方法可以分析系统的性能，确定系统应 有的结构和参数。
3
第一节 根轨迹的基本概念
自动控制原理 第四章 根轨迹法
第4章 根 轨 迹 法根轨迹法是分析和设计线性控制系统的图解方法，使用简便，在控制工程上得到了广泛应用。
本章首先介绍根轨迹的基本概念，然后重点介绍根轨迹绘制的基本法则，在此基础上，进一步讨论广义根轨迹的问题，最后介绍控制系统的根轨迹分析方法。
4.1 根轨迹的基本概念4.1.1 根轨迹概念所谓根轨迹，就是系统开环传递函数的某一参数从零变化到无穷时，闭环特征根在s 平面上变化的轨迹。
例如某控制系统的结构图如图4.1所示。
图4.1 控制系统其开环传递函数为()K (0.51)KG s s s =+其闭环传递函数为22()22Ks s s KΦ=++式中：K 为系统开环增益。
于是闭环特征方程可写为2220s s k ++=对上式求解得闭环特征根为1,21s =−令开环增益K 从零变化到无穷，利用上式求出闭环特征根的全部数值，将这些值标注在s 平面上，并连成光滑的粗实线，如图4.2所示，该粗实线就称为系统的根轨迹。
箭头表示随K 值增加根轨迹的变化趋势。
这种通过求解特征方程来绘制根轨迹的方法，称之为解析法。
画出根轨迹的目的是利用根轨迹分析系统的各种性能。
通过第3章的学习知道，系统第4章 根轨迹法·101··101·特征根的分布与系统的稳定性、暂态性能密切相关，而根轨迹正是直观反应了特征根在复平面的位置以及变化情况，所以利用根轨迹很容易了解系统的稳定性和暂态性能。
又因为根轨迹上的任何一点都有与之对应的开环增益值，而开环增益与稳态误差成反比，因而通过根轨迹也可以确定出系统的稳态精度。
可以看出，根轨迹与系统性能之间有着比较密切的联系。
图4.2 控制系统根轨迹4.1.2 根轨迹方程对于高阶系统，求解特征方程是很困难的，因此采用解析法绘制根轨迹只适用于较简单的低阶系统。
而高阶系统根轨迹的绘制是根据已知的开环零、极点位置，采用图解的方法来实现的。
下面给出图解法绘制根轨迹的根轨迹方程。
自动控制原理根轨迹法
21
二、根轨迹绘制的基本法则（4）
法则2
根轨迹的分支数和对称性 根轨迹的分支数与开环极点数n相等（n>m），或与开
环有限零点数m相等（n<m)。 根轨迹连续：根轨迹增益是连续变化导致特征根也连
续变化。 实轴对称：特征方程的系数为实数，特征根必为实数
或共轭复数。
22
二、根轨迹绘制的基本法则（5）
法则3
s(s 2.5)( s 0.5 j1.5)( s 0.5 j1.5)
试绘制该系统概略根轨迹。
解：将开环零、极点画在后面图中。按如下典型步骤
1）确定实轴上的根轨迹。本例实轴上区域
和
为轨迹。
0，－1.5
2）确定－根2.轨5，迹－的渐 近线。本例n＝4，m＝3，故只有
一条 的渐近线。 180
36
K均* 有关。
15
一、 根轨迹法的基本概念（13）
4 -1- 4 根轨迹方程
1、系统闭环特征方程
由闭环传函可得系统闭环特征方程为：
(s)
G(s)
1 G(s)H(s)
1 G(s)H (s) 0
2 、根轨迹方程
当系统有m个开环零点和n个开环极点时，下式称为
根轨迹方程
m
(s z j )
K * j1 n
i 1
j 1
n
n
n
(s si ) sn ( si )sn1 ... (si ) 0
i 1
i 1
i 1
式中，s i 为闭环特征根。
31
二、根轨迹绘制的基本法则（14）
当n m 2 时，特征方程第二项系数与K * 无关，无
论 K * 取何值，开环n个极点之和总是等于闭环特征方程n
根轨迹法的基本概念
(2k 1)
3
,k 31
0,1 1
, 2
2
2
0231 2 31
4、求分离点：
1
1
d1 d
d
2.47
1 d2
1 d3
j
2.47 3 2 1 0
6、根轨迹的起始角和终止角：
根轨迹的起始角是根轨迹离开开环复数极点处 切线与正实轴的夹角：
m
n
p1 (2k 1) ( p1 zi ) ( p1 p j )
m
(s zi )
1 G(s)H(s) 0
G(s)H(s) K*
i1 n
m
(s pj )
(s zi )
j 1
K * i1 n
1
(s pj )
j 1
m
n
模值条件： (s zi ) (s pj ) (2k 1)
i1
j1
n
s pj
相角条件： K *
j 1 m
s zi
i 1
相角条件是确定根轨迹的充分必要条件。相角条件满足(2k 1) 称为180º根轨迹。
j 1
i 1
n
n
n
(s si ) sn ( si )sn1 (si )
i 1
i 1
i 1
an1s an
n
n
当n m 2 时， si p j
i 1
j 1
4-3 广义根轨迹法
一、参数根轨迹
以非开环增益K*为可变参数的根轨迹，称为参数根 轨迹。
引入等效开环传递函数的概念
G(s)H (s) K * (s z1 ) s(s 2 2s 2)
z1是附加的开环实数零点，其值可在s左半平面内任意选择， 当 z1→∞时，表明不存在有限零点。
线性系统的根轨迹法
法则7. 根轨迹与虚轴的交点
交点和临界根轨迹增益的求法：
解： 方法一
例8.
，试求根轨迹与虚轴的交点。
K*=0 w =0 舍去(根轨迹的起点)
与虚轴的交点:
闭环系统的特征方程为：
s=jw
劳斯表：
01
s2的辅助方程：
02
K* =30
03
当s1行等于0时，特征方程可能出现纯虚根。
04
等效的开环传递函数为：
参数根轨迹簇
二、附加开环零、极点的作用
试验点s1点
例1.设系统的开环传递函数为： 试求实轴上的根轨迹。
解：
零极点分布如下：
p1=0，p2=-3，p3=-4，z1=-1，z2=-2
实轴上根轨迹为：[-1，0]、[-3，-2]和 (- ∞ ，-4]
jw
-2
-1
1
2
-1
-2
s
.
.
.
.
.
.
.
.
三、闭环零极点与开环零极点的关系
反馈通路传函：
前向通路传函：
典型闭环系统结构图
KG*--前向通路根轨迹增益 KH*--反馈通路根轨迹增益
K*--开环系统根轨迹增益
1
闭环传递函数：
2
开环传递函数：
01
04
02
03
闭环系统根轨迹增益，等于开环系统前向通路根轨迹增益。 对于单位反馈系统，闭环系统根轨迹增益等于开环系统根轨迹益。
(5)用(s-s1)去除Q(s)，得到余数R2 ；
(6)计算s2 =s1-R1/R2 ；
(7)将s2 作为新的试探点重复步骤(4)~(6)。
例4.试用牛顿余数定理法确定例3的分离点。
根轨迹法基本概念
KG0 (s)
则闭环特征方程为:
1 K num 0 den
特征方程旳根随参数K旳变化而变化,即为闭环根轨迹.
项目1:已知系统旳开环传递函数模型为：
K Gk (s) s(s 1)(s 2) KG0(G)
利用下面旳ＭＡＴＬＡＢ命令可轻易地绘制出系统旳根轨迹 >>G=tf(1,[conv([1,1],[1,2]),0]);
引言
A.闭环系统旳稳定性和动态性能 取决于闭环极点特征方程旳根。
B.当待定参数变化时特征根随之变 化，这个根旳变化轨迹就形成根轨迹。
C.用来研究根轨迹旳变化规律以及 和闭环系统性能间旳关系旳措施，称为 控制系统根轨迹分析法。
§4.2 根轨迹旳概念
要求： 1)掌握根轨迹旳概念 2)掌握根轨迹幅值条件和相角条件
2)相角条件是决定根轨迹旳充要条件， s平面上一点若满足相角条件,即为根轨迹 上旳一点。
3)幅值方程用于拟定根轨迹上一点旳K值;
根轨迹点
幅值方程
四. 根轨迹与系统性能
1.稳定性 假如系统特征方程旳根都位于S平面 旳左半部，系统是稳定旳，不然是不稳定旳。若
根轨迹穿越虚轴进入右半S平面，根轨迹与虚轴交
另一种问题是，经过解方程求得旳闭环 极点，是在系统参数一定旳情况下求得旳。 但当系统中旳参数变化时，如开环增益K变化 时，又得重新解方程求根，因而很不以便。
为了处理以上问题，1948年，伊万斯提 出了控制系统分析设计旳根轨迹法。
这种措施是根据反馈控制系统旳开环、闭 环极点传递函数之间旳关系，根据一定旳准 则，直接由开环传递函数旳零、极点，求出 闭环极点。从而，比较轻易旳得到系统旳性能.
要点： 1)根轨迹旳概念 2)闭环系统旳特征根旳根轨迹与开环 传递函数旳关系
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当 K r 0 时, s10 ,s2 2; 当0 Kr 1时，s 1 与 s 2为不相等的两个负实根； 当 K r 1 时，s1s21为等实根；
当1Kr 时，s1,21j Kr1为一对共 轭复根，其实部都等于-1，虚部随 K r 值的增加 而增加；
如果要研究系统参数的变化对闭环系统特征 方程根的影响，需要大量反复的计算。
1948年伊万斯（W·R·EVANS）提出了根轨迹 法。该方法不需要求解闭环系统的特征方程，只 需依据开环传递函数便可会绘制系统的根轨迹图。
二、开环零、极点与闭环零、极点之间的关系
通常系统的开环零、极点是已知的，因此建立
开环零、极点与闭环零、极点之间的关系，有助于闭 环系统根轨迹的绘制，并由此引导出根轨迹方程。设 控制系统如图6-2所示，闭环传递函数为
i 1
i 1
开环系统的根轨迹增益 K r 与开环系统的增 益K之间仅相差一个比例常数，这个比例常数只 与开环传递函数中的零点和极点有关。
根轨迹法的基本任务：由已知的开环零、
极点的分布及根轨迹增益，通过图解的方法 找出闭环极点, 一旦闭环极点被确定，闭环 传递函数的形式便不难确定，因为闭环零点 可由式（6-5）直接得到。在已知闭环传递 函数的情况下，闭环系统的时间响应可利用 拉氏反变换的方法求出，或利用计算机直接 求解。
三、根轨迹增益 K r与开环系统增益K的关系 系统的开环增益（或开环放大倍数）为
第六章 根轨迹法
• §6–1 根轨迹的概念 • §6–2 绘制根轨迹的规则 • §6–3 广义根轨迹 • §6–4 系统性能分析
根轨迹法是一种图解方法，它是古典控制理
论中对系统进行分析和综合的基本方法之一。由 于根轨迹图直观地描述了系统特征方程的根（即 系统的闭环极点）在S平面上的分布，因此，用根 轨迹法分析控制系统十分方便，特别是对于高阶 系统和多回路系统，应用根轨迹法比用其他方法 更为方便，因此在工程实践中获得了广泛应用。
m=f+L
为开环系统的零点数，
nqh为开环系统的极点数。
将式（6-2）和（6-4）代入（6-Z i)K j hr1j(m s1(sP j)Zi)
（6-5）
比较式（6-4）和式（6-5），可得以下结论：
试分析该系统的特征方程的根随系统参数K r 的变 化在S平面上的分布情况。
解 系统的闭环传递函数
(s C R ) ( ( 1 s s G G ) )H ( (s s ( s 2 ) ) s2 K s ) r K r
系统的特征方程为 s22 sK r0
特征方程的根是
H (s)K 2ji h l1 1 ((T ijs s 1 1 ))K 2rj i l h 1 1 ((s s P Z ij)) （6-3）
式中 K 1 为前向通路增益，K1r 为前向通路根轨 迹增益；K 2 为反馈通路增益，K2r为反馈通路根轨迹 增益。
系统的开环传递函数为
当系统参数 K r为某一确定的值时，闭环系 统特征方程的根在S平面上变化的位置便可确定， 由此可进一步分析系统的性能。 值的K r变化对闭 环系统特征方程的影响可在根轨迹上直观地看到， 因此系统参数对系统性能的影响也一目了然。所 以用根轨迹图来分析自动控制系统是十分方便的。 上例中，根轨迹图是用解析法作出的，这对于二 阶系统并非难事，但对于高阶系统，求解特征方 程的根就比较困难了。
K lis m G (s)H (s) （6-6） s 0
式中 是开环传递函数中含积分环节的个数，
由它来确定该系统是零型系统（ 0）,Ⅰ型系统
（ 1）或Ⅱ型系统（2）等。
将（6-4）代入（6-6）可得
m
m
( sZj) (Zj)
Ks l i0 s m νG(H s)( ss l i)0K m rn j 1 ν( sP i)K rn j 1 ν(P i)
本章主要介绍根轨迹的概念，绘制根轨迹的 基本规则和用根轨迹法分析自动控制系统的方法。
§6–1 根轨迹的概念
一﹑根轨迹图
根轨迹图是开环系统某一参数由零变化到无 穷时，闭环系统特征方程的根（即闭环极点）在 S平面上的变化轨迹。
例6-1 已知单位负反馈系统的开环传递函数为
G(sH) s() Kr s(s2)
(s) G(s) 1G(s)H(s)
(6-1)
R(s)
-
G(s)
C(s)
H(s)
图6-2 控制系统
前向通路传递函数G(s)和反馈通路传递函数H(s) 可分别表示 G (s)K 1s j fi1 q (1 (T jsis 1 1 ))K 1rsj f1 i q (1 s(s Z P ji)（)6-2）
G (s)H (s)K s jm n i1 ( 1 (jT si s 1 )1 )K rs jm n i1 (1 s( s Z P j)i()6-4)
K K 1K 2 为系统的开环增益，
Kr K1rK2r 为开环系统的根轨迹增益；
当 K r→∞时， s 1 、s 2 的实部都等于-1，是常
数，虚部趋向无穷远处 。
该系统特征方程的根随开环系统参数从零变到 无穷时在S平面上变化的轨迹如图6-1所示。
Kr
j
[s]
P1 K r 0
-2
K r 1
-1
P2 K r 0
0
Kr
图6-1 例6-1的根轨迹
⑴闭环系统根轨迹增益，等于开环系统前向通 路根轨迹增益 K1r ；对于单位反馈系统，闭环系统 根迹增益就等于开环系统根轨迹增益。
⑵闭环零点由开环前向通路传递函数零点和反 馈通路传递函数极点所组成；对于单位反馈系统， 闭环零点就是开环零点。
⑶闭环极点与开环零点、开环极点以及根轨迹 增益K r 均有关。