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
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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。

自动控制原理根轨迹法总结

自动控制原理根轨迹法总结

自动控制原理根轨迹法总结
【根轨迹法概述】
-根轨迹法是分析线性时不变系统稳定性和动态性能的一个重要工具。

它通过在复平面上绘制闭环极点随系统参数变化的轨迹来实现。

【根轨迹法的基本原理】
1. 定义与目的:
-根轨迹是系统开环增益变化时,闭环极点在s平面上的轨迹。

-主要用于分析系统稳定性和设计控制器参数。

2. 绘制原则:
-根据系统开环传递函数,确定轨迹的起点和终点,分支点,穿越虚轴的点等。

-利用角度判据和幅值判据确定根轨迹。

【根轨迹法的应用】
1. 系统稳定性分析:
-根据闭环极点的位置判断系统的稳定性。

-极点在左半平面表示系统稳定,右半平面表示不稳定。

2. 控制器设计:
-调整控制器参数(如比例增益、积分时间常数、微分时间常数等),使根轨迹满足性能指标要求。

-确定合适的开环增益,使闭环系统具有期望的动态性能和稳定裕度。

【根轨迹法的优势与局限性】
-优势:直观、便于分析系统特性,特别是在控制器设计中。

-局限性:仅适用于线性时不变系统,对于非线性或时变系统不适用。

【实践中的注意事项】
-在绘制根轨迹时,应仔细考虑系统所有极点和零点的影响。

-必须结合其他方法(如奈奎斯特法、波特法等)进行综合分析。

【结语】
-根轨迹法是自动控制领域中一种非常有效的工具,对于理解和设计复杂控制系统具有重要意义。

-掌握根轨迹法,能够有效地指导实际的控制系统设计和分析。

编制人:_____________________
日期:_____________________。

控制系统的根轨迹法分析

控制系统的根轨迹法分析

令实部和虚部分别为零,有
σ(25σk5)1k0k。 00
解得
k5,5
由图可知,当k=5时直线OB与圆相切,系统的阻尼比
特征根为
5 j5

1 2
(3)对于分离点-2.93,由幅值条件可知
k1
2.9 3|52.93| 0.858 |102.93|
对于会合点-17.07,有
由根轨迹图可知,当
k21.70 |1 70 |5 1.7 1 0.7 7 |07 |2.914
四、开环极点对系统根轨迹的影响
设系统的开环传递函数
GK(s)s(sK gp1) (p10)
其对应的系统根轨迹如图 a)所示。
若系统增加开环极点,开环传递函数变为
G K(s)s(spK 1)gs(p2) (p2p1)
其相应的根轨迹如图 b)所示。
五、控制系统的稳态性能分析
系统的稳态误差大小与系统的开环增益成反比,开环增益与根轨迹增益之 间又有确定的比例关系,即

3
10
-1 0
σ
-3
若在该区域内没有合适的根轨迹,则应在系统中加入极点、零点合适的校正 装置以改变根轨迹的形状,使根轨迹进入该区域。然后确定满足要求的闭环极点
例:单位反馈控制系统的开环传递函数为
K G(s)
K s(s4)(s6)
若要求闭环系统单位阶跃响应的最大超调量 σ%≤18%,试确定系统的开环增益。 解:绘出 K由零变化到∞时系统的根轨迹如图所示。当K=17时,根轨迹在实轴
% 12 10% 0
3 t
s
n
可得到系统工作在该点的暂态性能。反过来,我们也可以根据系统暂态指标的
要求,确定系统特征根的位置。

控制系统中的根轨迹分析与设计

控制系统中的根轨迹分析与设计

控制系统中的根轨迹分析与设计控制系统是现代工程中不可或缺的一部分,它涉及到各个领域的应用,从机械工程到化学工程,从航空航天到电力系统。

控制系统的设计和分析对于系统的稳定性和性能至关重要。

在控制系统中,根轨迹分析和设计是一种常用的方法,它能够帮助工程师评估和改进系统的性能。

根轨迹是一个闭环系统的极点随着控制器增益变化而形成的运动路径。

通过根轨迹分析,我们可以得到有关系统性能和稳定性的重要信息。

根轨迹分析可以帮助我们确定控制器的增益范围,以确保系统稳定。

此外,根轨迹还可以提供关于系统的阻尼比、峰值时间和超调量等性能指标的信息。

在根轨迹分析中,我们需要首先确定系统的传递函数。

传递函数是一个数学模型,它描述了输入和输出之间的关系。

常见的传递函数形式包括一阶系统、二阶系统和高阶系统。

一阶系统的传递函数形式为G(s) = K/(sT+1),其中K表示系统的增益,T表示系统的时间常数。

对于二阶系统,传递函数形式为G(s) = K/(s^2+2ξω_ns+ω_n^2),其中K 表示系统的增益,ξ表示系统的阻尼比,ω_n表示系统的自然频率。

在根轨迹分析中,我们还可以利用极点和零点的特性来确定系统的性能。

极点是传递函数的根,它们决定了系统的稳定性。

当极点位于左半平面时,系统是稳定的;当极点位于右半平面时,系统是不稳定的。

零点是传递函数的分子根,它们决定了系统的频率响应。

通过分析极点和零点的位置,我们可以确定系统的性能,并设计适当的控制器。

根轨迹分析的结果可以用于系统的设计和优化。

在设计控制系统时,我们可以根据根轨迹的形状和位置来调整控制器的增益和参数。

通过改变控制器的增益,我们可以移动根轨迹,使系统的稳定性和性能得到改善。

此外,根轨迹还可以用于确定合适的控制策略,例如比例控制、积分控制和微分控制。

除了根轨迹分析,我们还可以利用根轨迹设计方法来设计控制系统。

根轨迹设计方法是一种基于根轨迹分析的控制器设计方法。

通过在根轨迹上确定一个所期望的闭环系统极点的位置,我们可以确定控制器的增益和参数。

自动控制原理--根轨迹法

自动控制原理--根轨迹法
3
1. 参数根轨迹
以非开环增益为可变参数绘制的根轨 迹为参数根轨迹,以区别以开环增益K*为 可变参数的常规根轨迹。
绘制参数根轨迹的法则与绘制常规根 轨迹的完全相同。只要在绘制参数根轨迹 之前,引入等效单位反馈系统和等效传递 函数概念,则常规根轨迹的所有绘制法则, 均适用于参数根轨迹的绘制。
4
为此,需要对闭环特征方程 1 G(s)H(s) 0 做如下等效变换,变成下面形式:
1 s(5s 1)
C(s)
1
C(s)
5
s(5s 1)
1 Td s
10
11
例:
设单位反馈系统的开环传递函数为
G(s)
K
s(s 1)(Ta s 1)
其中开环增益 K 可自行选定。分析时间常数 Ta 对 系统性能的影响。
解:闭环特征方程
s(s 1)(Ta s 1) K 0 1 Ta s 2 (s 1) 0
s(s 1) K
[s(s 1) K ] Ta s 2 (s 1) 0
G1 (s)

Ta s 2 (s 1) s(s 1) K
12
等效开环极点:
p1,2


1 2

1 K 4
注:若分母多项式为高次时,无法解析求解等效开环极 点,则运用根轨迹法求解。如本例,求解分母特征根的 根轨迹方程为:
G(s)H(s) 5(1 Ta s) 以 Ta 为 变 量 绘 制 s(5s 1) 参数根轨迹。
解: 1 G(s)H(s) 0
(5s 1)s 5(1 Ta s) 0 5s2 s 5 5Tas 0
7
5s2 s 5 5Tas 0
同除 5s2 s 5

Matlab中的控制系统设计方法介绍

Matlab中的控制系统设计方法介绍

Matlab中的控制系统设计方法介绍引言:在工程学中,控制系统设计是一个重要而复杂的领域。

通过控制系统设计,我们可以实现对各种工程系统的稳定性、响应速度和准确性进行调节和优化。

而作为一种强大而灵活的工具,Matlab在控制系统设计中扮演着重要的角色。

本文将介绍Matlab中的一些常用的控制系统设计方法,旨在为控制系统设计者提供一些指导和帮助。

一、传递函数法传递函数法是控制系统设计中常用的一种方法。

在Matlab中,我们可以使用tf 命令来构建传递函数。

例如,若要构建一个传递函数为G(s) = (s+1)/(s^2+s+1)的系统,可以使用以下代码:G = tf([1 1], [1 1 1]);得到的结果G即为所需的传递函数。

通过传递函数,我们可以对系统进行性能分析和优化。

比如,使用step命令可以绘制系统的单位阶跃响应曲线:step(G);二、状态空间法状态空间法是描述线性时不变系统的一种常用方法。

在Matlab中,我们可以使用ss命令来构建状态空间模型。

例如,若要构建一个状态空间模型为x'=Ax+Bu,y=Cx+Du的系统,可以使用以下代码:A = [1 2; 3 4];B = [1; 1];C = [1 0; 0 1];sys = ss(A, B, C, D);通过状态空间模型,我们可以进行系统的稳定性和可控性分析。

比如,使用eig命令可以计算系统的特征值:eig(A);使用ctrb命令可以计算系统的控制能力矩阵:ctrb(A, B);三、PID控制器设计PID控制器是一种常用且有效的控制器设计方法。

在Matlab中,我们可以使用pid命令来设计PID控制器。

例如,若要设计一个PID控制器,可以使用以下代码:Kp = 1;Ki = 0.1;Kd = 0.2;C = pid(Kp, Ki, Kd);通过PID控制器,我们可以对系统的性能进行调节和优化。

比如,使用feedback命令可以构建闭环系统,并使用step命令绘制系统的单位阶跃响应曲线:sys_cl = feedback(G*C, 1);step(sys_cl);四、根轨迹法根轨迹法是一种图形化的控制系统设计方法。

控制系统的根轨迹分析

控制系统的根轨迹分析

控制系统的根轨迹分析引言控制系统是现代工程领域中应用广泛的一个重要概念,它用于调节和控制系统的输出,以使其达到预期的目标。

在控制系统设计中,根轨迹分析是一种重要的工具,用于评估系统的稳定性和性能。

本文将介绍控制系统的根轨迹分析方法,包括其基本原理、应用范围以及如何使用根轨迹分析改进控制系统的性能。

根轨迹分析原理根轨迹分析是一种基于系统传递函数的频域分析方法,它用于研究系统在不同参数情况下的稳定性和性能。

根轨迹是系统传递函数极点随参数变化而形成的轨迹图,通过观察根轨迹可以得到系统的稳定性、阻尼比、过渡过程和稳态误差等性能指标。

根轨迹分析基于以下原理: - 控制系统的稳定性取决于系统传递函数极点的位置,当极点全在左半平面时,系统是稳定的。

- 控制系统的阻尼比可以通过观察根轨迹的形状来判断,当根轨迹越接近实轴,阻尼比越小,系统的过渡过程越激烈。

- 控制系统的稳态误差可以通过观察根轨迹的最后一段来判断,当根轨迹趋于无穷远时,稳态误差为零。

根轨迹分析步骤根轨迹分析一般需要经历以下几个步骤: 1. 给定系统的传递函数,通常是一个比例控制器和一个被控对象的组合。

2. 将传递函数的分子和分母分别表示为多项式的形式。

3. 根据系统传递函数的阶数,求解其特征方程的根。

这些根即为根轨迹的起始点。

4. 在复平面上绘制出根轨迹的起始点以及随参数变化而形成的轨迹。

5. 根据根轨迹的形状和位置,判断系统的稳定性、阻尼比和稳态误差等性能指标。

根轨迹分析的应用根轨迹分析在控制系统设计中有广泛的应用,主要有以下几个方面: 1. 系统稳定性评估:通过观察根轨迹的位置,可以判断系统是否稳定。

如果根轨迹全在左半平面,则系统是稳定的。

2. 控制器设计:根轨迹分析可以帮助工程师选择合适的控制器参数,以实现系统的稳定性和性能要求。

3. 系统性能优化:通过分析根轨迹的形状,可以判断系统的过渡过程、阻尼比和稳态误差等性能指标,从而优化系统的性能。

控制系统根轨迹法

控制系统根轨迹法

控制系统根轨迹法控制系统的设计和分析是现代工程领域中的重要任务。

为了实现系统的稳定性和性能要求,控制系统工程师采用了多种方法和技术。

其中,根轨迹法是一种常用且有效的方法,用于评估和改进系统的动态响应。

1. 系统根轨迹方法概述控制系统根轨迹方法是基于系统的传递函数,通过分析系统在复平面上的极点和零点位置来评估系统的稳定性和动态性能。

在根轨迹图中,系统的极点和零点以及传递函数的增益可以直观地展示出来,从而帮助工程师定量地了解系统的响应特性。

2. 根轨迹图的构造根轨迹图通常由两个主要的部分组成:实部为-1的轴线和虚部为0的轴线。

系统的传递函数通常表示为连续时间的形式,并且可以表示为一个或多个一阶和二阶传递函数的乘积。

根轨迹图的构造基于这些传递函数的极点和零点。

极点和零点对应于根轨迹图上的曲线,其中极点表示系统的稳定性,而零点则表示系统的过渡性能。

3. 根轨迹与稳定性根轨迹图提供了系统稳定性的重要信息。

通过观察根轨迹图,可以确定系统的稳定性。

如果根轨迹图上的所有的极点都位于左半平面,那么系统是稳定的。

相反,如果存在极点位于右半平面,系统是不稳定的。

通过调整参数或者设计控制器,可以将系统的极点移动到左半平面,从而提高系统的稳定性。

4. 根轨迹与动态响应除了稳定性,根轨迹图还提供了关于系统动态响应的信息。

通过观察根轨迹图上的曲线形状,可以了解系统的过渡特性。

例如,当根轨迹密集且靠近虚部为0的轴线时,说明系统的过渡响应非常快。

相反,当根轨迹离散且远离虚部为0的轴线时,说明系统的过渡响应比较慢。

通过分析根轨迹图,工程师可以调整系统参数来改善系统的动态响应性能。

5. 根轨迹的应用根轨迹方法是控制系统分析和设计中常用的工具之一。

它可以用于多个方面,包括控制器的设计、系统的稳定性分析和性能优化。

使用根轨迹方法,工程师可以确定合适的控制器增益、相位补偿器和频率补偿器来满足系统的设计要求。

6. 根轨迹法的局限性尽管根轨迹法在控制系统领域中被广泛应用,但它也有一些局限性。

自动控制原理-线性系统的根轨迹法 (2)

自动控制原理-线性系统的根轨迹法 (2)

閉環控制系統的動態性能與閉環極點在S平面上的 分佈位置是密切相關的,分析系統的性能時,往往要求 確定系統閉環極點的位置.另一方面,在分析和設計系 統時,經常需要研究一個或幾個參量變化時,對系統的 極點和系統性能的影響。
採用分解因式的古典方法求特徵方程式的根通常不容 易,特別是當某一參量發生變化(靈敏度)時,需要反復進 行計算,這時採用上述方法就顯得十分煩瑣,難以在實際 中應用。
K=0.5 K=0
該系統對於所有的K都是穩定的 穩態性能:
-1 0
原點處有一個極點 Ⅰ型系統
根軌跡上的K值就 是靜態誤差係數
0 K 0.5 : 过阻尼系 ,階统 躍回應為非週期過程
動態 K=0.5:临界阻尼 ,階系 躍回统應為非週期過程
性能:
K
0.5:欠阻尼,階系躍统 回應為阻上尼頁振盪下過頁程
返回
根據相角條件,在同一分離點分離的各條根軌跡 分支,它們的切線將均分360度。2條根軌跡在分離 點相隔180度,4條根軌跡在分離點相隔90度。
分離點的座標為:
m
1
n
1
i1 d zi
j1 d p j
分離角:根軌跡進入分離點的切線方向與離開分離點的切 線方向之間的夾角
(2k 1)
l
l-進入並立即離開分離點的 根軌跡條數
根軌跡:當系統某一參數在規定範圍內變化時,相應的系
統閉環特徵方程根在s平面上的位置也隨之變化移動,一個
根形成一條軌跡。
系統特徵根的圖解方法!!!
廣義根軌跡:系統的任意一變化參數形成根軌跡。
狹義根軌跡(通常情況):
變化參數為開環增益K,且其變化取值範圍為0到∞。
自動控制原理
一 根軌跡的概念
根軌跡法:系統某一參數變化時,繪製特徵方程的根在 S平面的位置變化軌跡的圖解方法。 根軌跡法的優點: 1:從已知的開環零、極點的位置及某一變化參數來求 取閉環極點的分佈,即解決閉環特徵式的求根問題。
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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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