控制系统设计_根轨迹法

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第四章控制系统的根轨迹法

第四章控制系统的根轨迹法
10
应掌握的内容
180度,0度根轨迹的绘制 参数根轨迹的绘制 增加开环零、极点对根轨迹和系统性能的影响 分析系统的稳定性 分析系统的瞬态和稳态性能 对于二阶系统(及具有闭环主导共轭复数极点的高阶 系统),根据性能指标的要求在复平面上划出满足这一 要求的闭环极点(或高阶系统主导极点)应在的区域。
11
第四章 控制系统的根轨迹法
1
根轨迹概念
根据系统的零极点分布可间接地研究控制系统的性 能。在复平面上由开环零极点确定闭环零极点的图解方 法称为根轨迹法。 根轨迹定义:开环系统某一参数从零变化到无穷大时,
闭环系统特征方程的根在s平面上变化的轨迹。
根轨迹的类型:
常规根轨迹:包括180度等相角根轨迹和零度等相角根 轨迹。轨迹增益kg从0变化到无穷大时的根轨迹称为180度 根轨迹; kg从0变化到负无穷大时的根轨迹称为0度根轨迹。
分别为-2.93和-17.1,
分离(会合)角为90
45
度。根轨迹为圆,如
右图所示。
13

OB,其方程为
2 2
时,阻尼角 45,表示45 角的直线为
,代入闭环特征方程整理后得:
5 k10k j 2 2 5 k 0
令实部和虚部分别为零,有
5 k10k 0
2 5 k 0
增加开环极点对根轨迹的影响 (1)一般可使根轨迹向右半s平面弯曲或移动,降低 系统的相对稳定性,减小系统的阻尼。 (2)改变渐近线的倾角,增加渐近线的条数。
8
利用根轨迹分析系统性能
利用根轨迹可确定使系统稳定的参数范围 根轨迹处于s左半平面部分的系统是稳定的。
瞬态性能分析 闭环系统的零、极点和瞬态响应的关系在前面已讨
9
利用根轨迹分析系统性能(续)

第四章 (1)根轨迹法(基本概念)

第四章 (1)根轨迹法(基本概念)

l
K
* H
(s z j )
H (s)
j 1 h
(s p j )
j 1
K
* H
— 反馈通路的根轨迹增益
f
l
K *
(s zi )
(s z j )
G(s)H (s)
i 1
q
j 1 h
(s pi ) (s p j )
i 1
j 1
K*
K
* G
K
* H
— —开环根轨迹增益
z(i i 1,,f)— 前向通路传递函数的零 点
点处的K值,就是临界稳定的开环增益Kc。 2.稳态性能 开环系统在坐标原点有一个极点,
所以属Ⅰ型系统,因而根轨迹上的K值就是静态
速度误差系数。
如果给定系统的稳态误差要求,则由根轨迹图
确定闭极点位置的允许范围. K
如何分析系统性能?
3.动态性能:当 K>1时,所有闭环极点
均位于实轴上,系统为过阻尼系统,其单位 阶跃响应为单调上升的非周期过程。
另一个问题是,通过解方程求得的闭环 极点,是在系统参数一定的情况下求得的。 但当系统中的参数变化时,如开环增益K变化 时,又得重新解方程求根,因而很不方便。
为了解决以上问题,1948年,伊万斯提 出了控制系统分析设计的根轨迹法。
这种方法是根据反馈控制系统的开环、闭 环极点传递函数之间的关系,根据一定的准 则,直接由开环传递函数的零、极点,求出 闭环极点。从而,比较容易的得到系统的性能.
z j ( j 1,,l) — 反馈通路传递函数的零 点
引言
A.闭环系统的稳定性和动态性能 取决于闭环极点特征方程的根。
B.当待定参数变化时特征根随之变 化,这个根的变化轨迹就形成根轨迹。

自动控制原理第四章-根轨迹分析法

自动控制原理第四章-根轨迹分析法

×
p4 z 2
×
p3
×
×
p 2 z1 p1
σ
规则4:根轨迹的分会点(分离点和会合点)d。 (1)定义:分会点是指根轨迹离开实轴进入复平面的点(分 离点)或由复平面进入实轴的点(汇合点),位于相邻两极点 或两零点之间。
(2)位置:大部分的分会点在实轴上,若出现在复平面内时,则 成对出现。
(3)特点:分会点对应于闭环特征方程有重根的点;根轨迹离开
(4)与虚轴的交点:
方法1:闭环特征方程为s3 + 6s2 + 8s + K*= 0 令s = jω得:-jω3 -6ω2 + j8ω + K* = 0
-6ω2 + K* = 0 即
-ω3 + 8ω= 0
K* = 48 ω= 2.8 s-1
方法2:闭环特征方程为 s3 + 6s2 + 8s + K*= 0 列劳斯表如下:
规则1:根轨迹的起点和终点。 根轨迹起始于开环极点,终止开环零点或无穷远。
m
i 1
s
zi
n
s
l 1
pl
1 K
K
K
0 s pl
s s
zi , m条 (, n
m)条
规则2: 根轨迹的条数和对称性。 n阶系统有n条根轨迹。根轨迹关于实轴对称。
规则3: 实轴上的根轨迹分布。
由实数开环零、极点将实轴分为若干段,如某段右边 开环零、极点(包括该段的端点)数之和为奇数,则该段就 是根轨迹,否则不是。如下图所示。
又因为开环传函的零极点表达式为:
m
GK (s)
G(s)H(s)
K
n
(s

自动控制原理第四章根轨迹法

自动控制原理第四章根轨迹法

i 1
j 1
开环极点到此被测零点 (终点)的矢量相角
8. 根轨迹的平衡性(根之和) ( n-m 2)
特征方程 Qs KPs 0
sn an1sn1 a1s a0 K sm bm1sm1 b1s b0 0
n
Qs KPs s p j sn cn1sn1 c1s c0 0 j 1
i 1
j1
k 0,1,2,
s zoi i 开环有限零点到s的矢量的相角
s poj j 开环极点到s的矢量的相角
矢量的相角以逆时针方向为正。
幅值条件:
s
m
m
s zoi
li
A s
i 1 n
i 1 n
s poj
Lj
j 1
j1
li αi
-zoi
Lj βj
×
-poj
开 环 有 限 零 点 到s的 矢 量 长 度 之 积 开环极点到s的矢量长度之积
, 2 2
c 2k 11800 2
由此可推理得到出射角:
其余开环极点到被测极 点(起点)的矢量相角
n1
m
c 2k 1180o j i
j 1
i 1
有限零点到被测极点
(起点)的矢量相角
同理入射角:
其余开环有限零点到被测 零点(终点)的矢量相角
m1
n
r 2k 1180o i j
1 GsHs 0
m
GsHs
KPs Qs
K
i 1
n
s
s
zoi
poj
j 1
P s sm bm1sm1 b1s b0
Q s sn an1sn1 a1s a0
于是,特征方程

自动控制原理根轨迹法

自动控制原理根轨迹法

自动控制原理根轨迹法自动控制原理是现代工程技术中的重要分支,它涉及到机械、电子、计算机等多个领域。

而根轨迹法则是自动控制原理中的一种重要方法,它可以用来分析和设计控制系统,提高系统的稳定性和性能。

本文将从根轨迹法的基本原理、应用场景和优缺点三个方面进行介绍。

一、基本原理根轨迹法是一种基于极点和零点的控制系统分析方法。

在根轨迹图中,系统的极点和零点被表示为一条曲线,称为根轨迹。

根轨迹图可以用来分析系统的稳定性、响应速度和稳态误差等性能指标。

根轨迹法的基本原理是通过改变系统的参数,使得根轨迹图在复平面上移动,从而实现对系统性能的优化。

二、应用场景根轨迹法可以应用于各种控制系统的设计和分析中。

例如,在电机控制系统中,根轨迹法可以用来分析电机的转速响应和负载扰动对系统的影响。

在飞行控制系统中,根轨迹法可以用来设计飞机的自动驾驶系统,提高飞机的稳定性和飞行性能。

在机器人控制系统中,根轨迹法可以用来设计机器人的运动控制系统,实现机器人的精确控制和运动规划。

三、优缺点根轨迹法的优点是可以直观地表示系统的稳定性和性能指标,便于工程师进行控制系统的设计和分析。

此外,根轨迹法还可以用来分析系统的鲁棒性和鲁棒稳定性,提高系统的抗干扰能力和鲁棒性。

但是,根轨迹法也存在一些缺点,例如对于高阶系统,根轨迹法的计算复杂度较高,需要使用计算机进行计算。

此外,根轨迹法也无法处理非线性系统和时变系统,需要使用其他方法进行分析和设计。

总之,根轨迹法是自动控制原理中的一种重要方法,可以用来分析和设计各种控制系统。

在实际工程中,工程师需要根据具体的应用场景和系统要求,选择合适的控制方法和算法,实现对系统的优化和控制。

第4章 控制系统的根轨迹分析

第4章 控制系统的根轨迹分析

绘制根轨迹如图4-13所示。
第4章 控制系统的根轨迹分析
图4-13 例4-5系统的根轨迹
第4章 控制系统的根轨迹分析
图中根轨迹与虚轴的交点可从系统临界稳定的条件
得到τ=1。τ=1时系统的特征方程为
得与虚轴交点的坐标为jω=±j。从根轨迹得到系统稳定时τ
的取值范围为0<τ<1。
第4章 控制系统的根轨迹分析
θj(j=1,2,3,4)。选取实轴上一点s0,若s0为根轨迹上的点,必满足
相角条件,有
第4章 控制系统的根轨迹分析
图4-5 实轴上根轨迹相角示意
第4章 控制系统的根轨迹分析
下面分别分析开环零、极点对相角条件的影响,进而分
析对实轴上根轨迹的影响。
(1)共轭复数极点p4和p5到点s0的向量的相角和为
φ4+φ5=2π,共轭复数零点到s0点的向量的相角和也为2π。
(2)实轴上,s0点左侧的开环极点p3和开环零点z2到点s0所
构成的向量的夹角φ3和θ2均为零度。
(3)实轴上,s0点右侧的开环极点p1、p2和开环零点z1到点
s0 所构成的向量的夹角φ1、φ2和θ1均为π。
第4章 控制系统的根轨迹分析
第4章 控制系统的根轨迹分析
若系统稳定,由劳斯表的第一列系数,有以下不等式成立:
得0<K* <78.47。
由此可知,当 Kc* =78.47时,系统临界稳定,此时根轨迹穿
过虚轴。K* =78.4ω 值由以下辅助方程确定:
将 K* =78.47代入辅助方程,得
解得s=±j2.16。
第4章 控制系统的根轨迹分析
对于例4-1,其在实轴上的根轨迹一条始于开环极点,止于
开环零点(根轨迹位于-2到-5之间),另两条始于开环极点,止于

第四章 控制系统根轨迹分析法

第四章 控制系统根轨迹分析法
i j 1 j
4.1 根轨迹的概念
模条件与角条件的作用: 1、角条件与k无关,即s平面上所有满足角条件的 点都属于根轨迹。(所以绘制根轨迹只要依据角条 件就足够了)。 2、模条件主要用来确定根轨迹上各点对应的根轨 I 迹增益k值。
m
k

j 1 m
n
s p
j
s Zi
args Z i
1
所以结论:实轴上线段右侧的零、极点数目之和为奇 数时,此区段为根轨迹。


k G0 ( s ) Ts 1
1 T
×
×
×
×
σ
1 p T
j


1 1 T F 1 T 2k 1 1
k' G0 ( s ) s( s 0.5 )
j
p1 0 p2 0.5
k G0 s 举例: 开环传函: ss 1
K为开环增益(因为标准型) 有两个开环极点 无开环零点
rs
k ss 1
C s
k G s 2 闭环传函: s sk
2 D s s sk 0 则闭环特征方程为:
1 1 闭环特征根(即闭环传函的极点): s1 1 4k
0 0 .5 F 0.25 2 2k 1 3 , 2 2 2

-0.5 0
4.2 根轨迹的绘制规则
规则四:根轨迹的渐近线: (1)条数: (n-m)条 (2)与实轴所成角度 当
m n 2k 1
n m
s 时,认为所有开环零极点引向s的角相同
Z1 Z m p1 p n
G 0 s k
m
为m个开环零点

(自动控制)第四章:根轨迹法

(自动控制)第四章:根轨迹法

动态性能:从根轨迹图可以分析出系统的工作状态,
如过阻尼状态、欠阻尼状态……
根轨迹增益、闭环零极点与开环零极点的关系 l f
* G(s)= KG
∏( s-p ) i i=1
f i i 1 H q
q
∏( s-z ) i i=1
;
l
j=1 * H (s)= KH h
f l m
∏(s-zj )
C(s)
C ( s) 2k 2 R ( s ) S 2 S 2k
特征方程(闭环):
S2+2s+2k=0

k s(0.5s+1)
特征根:s1,2= -1±√1-2k k=0时, s1=0, s2=-2
K:0 ~ ∞
0<k<0.5 时,两个负实根 ;若s1=-0.25, s2=? k=0.5 时,s1=s2=-1 0.5<k<∞时,s1,2=-1±j√2k-1 j
注意:一组根对应同一个K;
K一变,一组根变; K一停,一组根停;
-2
-1
0
由以上分析,s1、s2两条根轨迹反映了系统特征根随参 数k变化的规律,组成了系统的根轨迹。 1.二阶系统有两个特征根,它的根轨迹有两条分支; 一个n阶系统的根轨迹则应有n条分支。 2.k=0时的闭环极点,s1=0、s2=-2正好是开环传递函 数的两个极点,因此说,系统开环极点就是它各条根轨 迹的起点。 3. k=∞时的闭环极点,是根轨迹的终点。 4.特征方程的重根点是根轨迹的分支离开负实轴进入复 数平面的分支点。
a.系统响应单调上升(ξ>1)系统具有两个不相等的负实根┈ 过阻尼响应。 b.系统响应衰减振荡(0<ξ<1)系统具有一对负实部的共 轭复根┈欠阻尼响应。
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4
3
2
2
1 Imag A xis
1 0 Imag Axis -5 -4 -3 -2 Real A xis -1 0 1 2 0 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -5 -5
-1
-4 -6
-4
-3
-2 -1 Real A xis
0
1
2
Effects adding poles to G1(s)H1(s)
2011年2月21日 17
q( s ) = s 3 + s 2 + β s + α = 0
s3 + s 2 + α = 0 1+
1+
βs
s + s +α
3 2
=0
α
s ( s + 1)
2
=0
2011年2月21日
18
R(s )
k1 s(s + 2)
Y (s )
k2s
Specifications: 1. 2. 3. Steady-state error for a ramp input ≤ 35% Damping ratio of dominant roots
0
0
-1 -2 -2 -4
-3
-6 -6
-5
-4
-3
-2 Real A xis
-1
0
1
2
-4 -6
-5
-4
-3
-2 -1 Real Axis
0
1
2
3
Effects adding poles to G1(s)H1(s)
-∞<K<∞
Lab #3 Written a M-file to plot the root loci step by step. (rlocfind)
Odd segments
Step 5: Determine the number of separate loci,SL.The number of separate loci is equal to the number of poles
2011年2月21日
10
Step 6: The root loci must be symmetrical with respect to the horizontal real axis. Step 7: The linear asymptotes are centered at a point on the real axis given by σ = ∑ poles − ∑ zeros The angle of the asymptotes with respect to the
| G1 ( s ) H1 ( s ) |s = s1 = ∠G1 ( s ) H1 ( s ) |s = s1 1 = s( s + 2) s = s1
1 =0 s ( s + 2)
s1
2011年2月21日
4
2011年2月21日
5
2011年2月21日
6
The Root Locus Procedure
Step Related equation or Rule F ( s ) = 1 + KG1 ( s ) H 1 ( s ) = 0 1. Write the characteristic equation so that the parameter of interest K appears as a multiplier. m 2. Factor G1 ( s ) H 1 ( s ) in terms of n poles ∏(s + z j ) j =1 and m zeros. G1 ( s ) H 1 ( s ) = n
≥ 0.707
sec.
≤3
Settling time to within 2 % of the final value
sec.
1 + GH ( s ) = s 2 + 2 s + βs + α = 0 β = k2 k1 , α = k1
2011年2月21日
19
2011年2月21日
20
2011年2月21日
∏ ( s + pi )
i =1
3. Locate the open-loop poles and zeros of 5 : poles, : zeros, F (s ) in the s-plane with selected ∆ or : roots of characteristic equation symbols. 4. Locate the segments of the real axis that a). Locus begins at a pole and ends at zero. are root locus. b). Locus lies to left of an odd number of poles and zeros ( K ≥ 0 ). ρ = n , when n ≥ m; 5. The number of branch on the root loci, ρ. n: number of finite poles, m: number of finite zeros 6. The root loci are symmetrical with respect to the horizontal real axis. 7. Intersect of the asymptotes (Centroid) ∑ pi − ∑ z j or σ = ∑ Re( pi ) − ∑ Re( z j ) σ = 8. Angles of asymptotes of the root loci.
dK =0 ds
the tangents to the loci at the breakaway point are equally over 3600
1 + KG1 ( s ) = 1 + K
1 =0 ( s + 2)( s + 4)
2011年2月21日
12
K = −( s + 2)( s + 4) dK = −( 2 s + 6) = 0, s = −3 ds
2011年2月21日
14
Examples
1 F ( s) = 1 + K s ( s + 2)
2
F ( s) = 1 + K
1 s ( s + 2)( s + 3)
6
1.5
4
1 2
0.5 Imag A xis
0
Imag A xis
-2 -1 Real Axis 0 1 2
0
-0.5 -2 -1 -4
A
n−m
real axis is
φA =
(2 q + 1) × 1800 n−m
n = 4, m = 1, φ1 =
(2 q + 1) × 1800 , q = 0,1,2, n − m − 1 4 −1
2011年2月21日
11
Step 8:The actual point at which the root locus crosses the imaginary axis is readily evaluated by utilizing the Routh-Hurwitz criterion. Step 9: Determine the breakaway point
Effects adding zeros to G1(s)H1(s)
2011年2月21日
16
F ( s) = 1 + K
6
1 s 4 + 12 s 3 + 64 s 2 + 32 s
F ( s) = 1 + K
4
1 s ( s + 3)( s 2 + 2 s + 2)
3
4
2
2 Imag Axis
1 Imag Axis
K=
i =1 m i
∏ (s + z j )
j =1
s = si
2011年2月21日
8
2011年2月21日
9
Step 4: The root locus on the real axis always lies in a section of the
real axis to the left of an odd number of poles and zeros.

-2
-1 Real A xis
0
1
2
Effects adding poles to G1(s)H1(s)
2011年2月21日
15
F ( s) = 1 + K
1 s ( s + 2)( s + 3)( s + 4)
5 4 3
F ( s) = 1 + K
s+4 s ( s + 2)( s + 3)
dK ds
2 s -2
2011年2月21日
13
Step 10:Determine the angle of departure of the locus from a pole and the angle of arrival of the locus at a zero,using the phase angle criterion.

G (s )
C(s)
H (s )
| G1 ( s ) H1 ( s ) |=
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