系统根轨迹校正
控制系统校正的根轨迹方法
控制系统校正的根轨迹方法用根轨迹法进行校正的基础，是通过在系统开环传递函数中增加零点和极点以改变根轨迹的形状，从而使系统根轨迹在S 平面上通过希望的闭环极点。
根轨迹法校正的特征是基于闭环系统具有一对主导闭环极点，当然，零点和附加的极点会影响响应特性。
应用根轨迹进行校正，实质上是通过采用校正装置改变根轨迹的，从而将一对主导闭环极点配置到期望的位置上。
在开环传递函数中增加极点，可以使根轨迹向右方移动，从而降低系统的相对稳定性，增大系统调节时间。
等同于积分控制，相当于给系统增加了位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。
在开环传递函数中增加零点，可以使根轨迹向左方移动，从而提高系统的相对稳定性，减小系统调节时间。
等同于微分控制，相当于给系统前向通道中增加了零点，因此增加了系统的超调量，并且加快了瞬态响应。
根轨迹超前校正计算步骤如下。
(1)作原系统根轨迹图；(2)根据动态性能指标，确定主导极点i s 在S 平面上的正确位置； 如果主导极点位于原系统根轨迹的左边，可确定采用微分校正，使原系统根轨迹左移，过主导极点。
(3)在新的主导极点上，由幅角条件计算所需补偿的相角差φ； 计算公式为：is s=︒±=(s)][G arg -180o ϕ (1)此相角差φ表明原根轨迹不过主导极点。
为了使得根轨迹能够通过该点，必须校正装置，使补偿后的系统满足幅角条件。
(4)根据相角差φ，确定微分校正装置的零极点位置； 微分校正装置的传递函数为：11++=sTp sTz KcGc (2)例题：已知系统开环传递函数： 试设计超前校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数Kv ≤4.6，闭环主导极点满足阻尼比ζ=0.2，自然振荡角频率ωn=12.0rad/s ，并绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线、单位脉冲响应曲线和根轨迹。
解： 由6.4)(*)(0*lim 0==→s Gc s G s Kv s 得kc=2计算串联超前校正环节的matlab 程序如下： 主函数: close; num=2.3;den=conv([1,0],conv([0.2,1],[0.15,1])); G=tf(num,den) %校正前系统开环传函 zata=0.2;wn=12.0; %要求参数 [num,den]=ord2(wn,zata); %追加系统动态特性 s=roots(den); s1=s(1);kc=2; %增益kc Gc=cqjz_root(G,s1,kc)GGc=G*Gc*kc %校正后系统开环传函 Gy_close=feedback(G,1) %校正前系统闭环传函 Gx_close=feedback(GGc,1) %校正后系统闭环传函 figure(1);step(Gx_close,'b',3.5); %校正后单位阶跃响应 hold onstep(Gy_close,'r',3.5); %校正前单位阶跃响应 grid;gtext('校正前的'); gtext('校正后的'); figure(2);0 2.3s(1+0.2s)(1+0.15s)G =impulse(Gx_close,'b',3.5); %校正后单位冲激响应 hold onimpulse(Gy_close,'r',3.5); %校正前单位冲激响应 grid;gtext('校正前的'); gtext('校正后的'); figure(3);rlocus(G,GGc); %根轨迹图 grid;gtext('校正前的'); gtext('校正后的');为使校正后系统的根轨迹能经过期望闭环主导极点，其闭环特征方程跟必须满足幅值和相角条件，即πθj j e e M Tp s Tz s Kcs G S Gc 111)(0)(0011=++=-，式中，M 0是校正前系统在1s 处的幅值，θ0是对应的相角。
控制系统MATLAB仿真2-根轨迹仿真
Gk ( s)
k g ( s 0.5) s( s 1)( s 2)( s 5)
绘制系统的根轨迹，确定当系统稳定时，参数kg 的取值范围。 num=[1 0.5]; den=conv([1 3 2],[1 5 0]); G=tf(num,den); K=0:0.05:200; rlocus(G,K) [K,POLES]= rlocfind(G) figure(2) Kg=95; t=0:0.05:10; G0=feedback(tf(Kg*num,den),1); step(G0,t)
Root Locus 8
8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -8 x x x
6
4
2
Imaginary Axis
0
-2
-4
-6
-8 -8
-6
-4
-2
0 Real Axis
2
4
6
8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
(a) 直接绘制根轨迹
(b) 返回参数间接绘制根轨迹
图1 例1系统根轨迹
二、MATLAB根轨迹分析实例
用户可以通过Control Architecture窗口进行系 统模型的修改，如图9。
图9 rltool工具Control Architecture窗口
也可通过System Data窗口为不同环节导入已 有模型，如图10。
图10 rltool工具System Data窗口
可以通过Compensator Editor的快捷菜单进行 校正环节参数的修改，如增加或删除零极点、 增加超前或滞后校正环节等，如图11。
Step Response 2 1.8 1.6 1.4 1.2
控制系统的根轨迹分析与校正
MATLAB与控制系统仿真实践， 北京航空航天大学出版社，2009.8.
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13.1 控制系统的根轨迹法分析
MATLAB与控制系统仿真实践， 北京航空航天大学出版社，2009.8.
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13.1.1 根轨迹及根轨迹法概述
以绘制根轨迹的基本规则为基础的图解 法是获得系统根轨迹是很实用的工程方 法。通过根轨迹可以清楚地反映如下的 信息：
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zi )
G(s)H (s)
i 1 n
(s p j )
j 1
系统的闭环传递函数为
(s)
G(s)
1 G(s)H (s)
系统的闭环特征方程为1 G(s)H (s) 0
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13.1.2 MATLAB根轨迹分析的相关函数
MATLAB中提供了 rlocus()函数， 可以直接用于系统的根轨迹绘制。 还允许用户交互式地选取根轨迹上 的值。其用法见表13.1。更详细的 用法可见帮助文档
MATLAB与控制系统仿真实践， 北京航空航天大学出版社，2009.8.
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临界稳定时的开环增益；闭环特征
根进入复平面时的临界增益；选定
开环增益后，系统闭环特征根在根
平面上的分布情况；参数变化时，
系统闭环特征根在根平面上的变化 趋势等。
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例2：若单位反馈控制系统的开环传递函 数为，绘制系统的根轨迹，并据根轨迹 判定系统的稳定性。
控制系统分析与设计王福利答案
控制系统分析与设计王福利答案6.1学习要点1控制系统校正的概念，常用的校正方法、方式;2各种校正方法、方式的特点和适用性；3各种校正方法、方式的一般步骤。
6.2思考与习题祥解题6.1校正有哪些方法？各有何特点？答：控制系统校正有根轨迹方法和频率特性方法。
根轨迹法是一种直观的图解方法，它显示了当系统某一参数（通常为开环放大系数）从零变化到无穷大时，如何根据开环零极点的位置确定全部闭环极点的位置。
因此，根轨迹校正方法是根据系统给定的动态性能指标确定主导极点位置，通过适当配置开环零极点，改变根轨迹走向与分布，使其通过期望的主导极点，从而满足系统性能要求。
频率特性是系统或元件对不同频率正弦输入信号的响应特性。
频域特性简明地表示出了系统各参数对动态特性的影响以及系统对噪声和参数变化的敏感程度。
因此，频率特性校正方法是根据系统性能要求，通过适当增加校正环节改变频率特性形状，使其具有合适的高频、中频、低频特性和稳定裕量，以得到满意的闭环品质。
由于波德图能比较直观的表示改变放大系数和其他参数对频率特性的影响，所以，在用频率法进行校正时，常常采用波德图方法。
系统校正要求通常是由使用单位和被控对象的设计单位以性能指标的形式提出。
性能指标主要有时域和频域两种提法。
针对时域性能指标，通常用根轨迹法比较方便；针对频域性能指标，用频率法更为直接。
根轨迹法是一种直接的方法，常以超调量3% 和调节时间匚作为指标来校正系统。
频域法是一种间接的方法，常以相位裕量和速度误差系数作为指标来校正系统。
题6. 2校正有哪些方式？各有何特点？答：校正有串联校正方式和反馈校正方式。
校正装置串联在系统前向通道中的连接方式称为串联校正。
校正装置接在系统的局部反馈通道中的连接方式称为反馈校正。
题6. 3串联超前、串联滞后与串联滞后_超前校正各有何适应条件？答：C1)串联超前校正通常是在满足稳态精度的条件下，用来提高系统动态性能的一种校正方法。
从波德图来看，为满足控制系统的稳态精度要求，往往需要增加系统的开环增益，这样就增大了幅值穿越频率，相应地减小了相位裕量，易导致系统不稳定。
倒立摆实验报告(根轨迹)
专业实验报告学生姓名学号指导老师实验名称倒立摆与自动控制原理实验实验时间2014年7月5日一、实验内容（1）完成.直线倒立摆建模、仿真与分析；（2）完成直线一级倒立摆根轨迹校正与仿真控制实验：1）理解并掌握根轨迹控制的原理和方法，并应用于直线一级倒立摆的控制；2）在Simulink中建立直线一级倒立摆模型，通过实验的方法调整根轨迹参数并仿真波形；3）当仿真效果达到预期控制目标后，下载程序到控制机，进行物理实验并获得实际运行图形。
二、实验过程1. 实验原理（1）直线倒立摆建模方法倒立摆是一种有着很强非线性且对快速性要求很高的复杂系统，为了简化直线一级倒立摆系统的分析，在实际的建模过程中，我们做出以下假设：1、忽略空气阻力；2、将系统抽象成由小车和匀质刚性杆组成；3、皮带轮和传送带之间无滑动摩擦，且传送带无伸长现象；4、忽略摆杆和指点以及各接触环节之间的摩擦力。
实际系统的模型参数如下表所示：M 小车质量0.618 kgm 摆杆质量0.0737 kgb 小车摩擦系数0.1 N/m/sec0.1225 ml 摆杆转动轴心到杆质心的长度I 摆杆惯量0.0034 kg*m*mg 重力加速度9.8 kg.m/s（2）直线一级倒立摆根轨迹校正控制原理基于根轨迹法校正的基本思想是：假设系统的动态性能指标可由靠近虚轴的一对共轭闭环主导极点来表征，因此，可把对系统提出的时域性能指标的要求转化为一对期望闭环主导极点。
确定这对闭环主导极点的位置后，首先根据绘制根轨迹的相角条件判断一下它们是否位于校正前系统的根轨迹上。
如果这对闭环主导极点正好落在校正前系统的根轨迹上，则无需校正，只需调整系统的根轨迹增益即可；否则，可在系统中串联一个超前校正装置。
常见的校正器有超前校正、滞后校正以及超前滞后校正等。
2. 实验方法（1）直线倒立摆建模、仿真与分析利用牛顿-欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型；依照根轨迹设计的步骤得到系统的控制器，利用MA TLAB Simulink中的工具进行仿真分析。
三阶系统的分析与校正
三阶系统的分析与校正引言：在控制系统中，三阶系统是一种常见且重要的系统。
它具有更高的阶数，因此对于控制系统的性能和稳定性有着更高的要求。
因此，对于三阶系统的分析和校正具有一定的复杂性。
本文将围绕三阶系统的分析和校正展开讨论，并介绍常见的校正方法。
一、三阶系统的基本特点和模型表示三阶系统是一个具有三个自由度的系统，可以用如下的传递函数表示：G(s)=K/(s^3+a*s^2+b*s+c)其中，K为传递函数的增益，a、b、c分别为系统的阻尼、震荡频率和系统自然频率。
二、三阶系统的稳定性分析稳定性是控制系统设计和校正的基本要求。
对于三阶系统的稳定性分析可以采用Bode图和Nyquist图等方法。
1. Bode图分析通过绘制传递函数的幅频响应和相频响应曲线，可以得到系统的幅度余弦曲线和相位余弦曲线。
根据Bode图的特点，可以确定系统的稳定性。
2. Nyquist图分析Nyquist图是对传递函数的极坐标表示。
通过绘制传递函数的Nyquist图，可以分析系统的稳定性。
以上两种方法都可以用来评估系统的稳定性。
如果系统的Bode图和Nyquist图图像均在单位圆内，则系统是稳定的。
三、三阶系统的校正方法校正是为了使控制系统具有所需的性能指标，通过调整系统中的参数和控制器等手段实现。
1.PID控制器的设计PID控制器是最常用的控制器之一，具有简单、稳定、易于实现等特点。
PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
通过调整PID控制器中的三个参数，可以实现对三阶系统的控制。
2.根轨迹法根轨迹法是一种经典的校正方法，通过分析系统的根轨迹来设计合适的校正器。
根轨迹是描述系统根位置随参数变化而变化的曲线。
通过调整参数，可以使根轨迹满足设计要求，进而实现对系统的校正。
3.频率响应方法频率响应方法基于传递函数的幅频响应和相频响应特性进行校正。
根据系统的特性，通过调整增益和相位等参数，可以实现对系统的校正。
以上是常见的三阶系统的校正方法，可以根据实际需求选择合适的方法进行校正。
高国燊《自动控制原理》(第4版)(章节题库 自动控制系统的校正)
第6章 自动控制系统的校正1．在根轨迹校正法中，当系统的动态性能不足时，通常选择什么形式的串联校正网络？网络参数取值与校正效果之间有什么关系？解：（1）可以采用的校正装置的形式如下：单零点校正：，零点－z c在s平面的负实轴上；零极点校正：，零极点均在负实轴上，零点比极点靠近原点（即：超前校正）。
（2）零点越靠近原点、极点越远离原点校正作用越强。
2．试回答下列问题，着重从物理概念说明。
（1）有源校正装置与无源校正装置有何不同特点？在实现校正规律时，它们的作用是否相同？（2）如果Ⅰ系统经过校正之后希望成为Ⅱ型系统，应该采用哪种校正规律才能保证系统的稳定性？（3）串联超前校正为什么可以改善系统的动态性能？（4）从抑制噪声的角度考虑，最好采用哪种校正形式？解：（1）无源校正装置的输出信号的幅值总是小于输入信号的幅值。
即传递过程只能衰减不能放大。
而有源校正装置则可以根据用户要求放大或缩小。
在实现校正规律时，它们的作用是相同的。
（2）为保证加入积分环节后特征方程不出现漏项，一般选择校正装置的形式为（3）适当选取校正装置的参数，可以有效改变开环系统中频段的特性：提高系统的稳定裕量，以减小超调；提高穿越频率，以加快调节速度。
（4）选择滞后校正装置，可以减小系统高频段的幅值，从而削弱高频干扰信号对系统的影响。
3．单位负反馈最小相位系统开环相频特性表达式为（1）求相角裕度为30°时系统的开环传递函数；（2）在不改变截止频率的前提下，试选取参数与T，使系统在加入串联校正环节后，系统的相角裕度提高到60°。
解：（1）系统开环传递函数为整理得解得（2）加入串联校正环节后系统开环传递函数4．设有单位反馈的火炮指挥仪伺服系统，其开环传递函数为若要求系统最大输出速度为12°/s，输出位置的容许误差小于2°，试求：（1）确定满足上述指标的最小K值，计算该K值下系统的相角裕度和幅值裕度；（2）在前向通路中串接超前校正网络计算校正后系统的相角裕度和幅值裕度，说明超前校正对系统动态性能的影响。
根轨迹校正实验报告
根轨迹校正实验报告一、实验目的本实验旨在通过观察系统的根轨迹，对系统进行校正，以达到控制系统的稳定性、快速性和精确性要求。
二、实验原理1. 根轨迹根轨迹是指在极坐标系下，由系统特征方程的根在复平面内的运动轨迹。
2. 根轨迹的性质- 当系统的开环传递函数中，理论上根轨迹的起点是传递函数零点的位置。
- 根轨迹对称于实轴。
- 根轨迹总是从系统的零点出发，逐渐趋向于系统的极点。
3. 根轨迹设计的基本要求- 所有根轨迹应该位于左半平面。
- 根轨迹的密度越大，系统的稳定性越好。
- 根轨迹与虚轴的交点个数为系统开环传递函数的极点数与零点数之差。
- 根轨迹经过的区域越小，系统的快速性越好。
三、实验步骤本次实验使用了MATLAB软件进行根轨迹校正实验，具体步骤如下：1. 给定开环控制系统的传递函数，并画出其对应的零极点分布图。
通过观察零极点的位置，确定系统的初始根轨迹起点。
2. 使用MATLAB的rlocus函数，绘制出开环根轨迹。
通过该函数，我们可以根据系统传递函数的特点，得到根轨迹的形状。
3. 根据根轨迹的形状和性质，校正系统。
可以通过调整控制器的参数或改变系统的结构等方式，来使根轨迹满足系统的要求。
4. 经过多次调整和校正，得到符合要求的根轨迹。
通过观察根轨迹的形状和分布，判断系统是否稳定、快速和准确。
四、实验结果与分析经过根轨迹校正，我们得到了一条符合要求的根轨迹。
通过分析根轨迹的形状和性质，我们可以得出以下结论：1. 系统的稳定性由于根轨迹位于左半平面，且大部分根轨迹较为密集，因此系统的稳定性较好。
没有根轨迹位于右半平面，避免了系统的不稳定性。
2. 系统的快速性根轨迹的起点与旁边的极点较近，根轨迹与虚轴的交点附近也没有极点，因此根轨迹经过的区域较小。
这意味着系统的快速性较好，能够快速响应输入变化。
3. 系统的准确性根轨迹与实轴的交点个数与系统的极点数与零点数之差相符，说明系统的准确性较好。
这样的根轨迹设计使得系统能够准确响应输入信号，实现精确控制。
利用根轨迹的系统校正
当校正后的根轨迹已通过希望的主导极 点，还需要检验相应的开环增益是否满足 稳态要求。若不满足，则需调节开环增益， 同时保持根轨迹仍通过希望的主导极点。
一、时域性能与期望的闭环极点
1.高阶系统转换为标准二阶系统 找到一对主导复极点，忽略其他非主导
极点和零点的影响。 2.期望的动态性能→期望的主导极点
2.校正原理： 在原点附近放置零极点对，提升低频开环 增益，提高稳态精度。
例 单位反馈系统坡输入时，
1.校核原系统： a. 是I型系统，根据斜坡输入时期望的稳 态误差，设计开环增益的初始值：
由Routh判据可知，这是一个不稳定的系统。
2.画原系统跟轨迹，并确定主导极点
若期望的主导极点不在此根轨迹上说明仅靠调整系统的增益不能满足性能指标要求需要增加适当的校正装置改造系统的根轨迹使其通过希望的主导极点
第七章 反馈控制系统的校正
第3小节 利用根轨迹的系统校正
基于根轨迹校正的一般步骤：
根据给定的瞬态性能指标确定主导极点的 位置； 绘制未校正系统的根轨迹。若期望的主导 极点不在此根轨迹上，说明仅靠调整系统的 增益不能满足性能指标要求，需要增加适当 的校正装置改造系统的根轨迹，使其通过希 望的主导极点；
足：
，单位阶跃输入的稳态
误差
。设计串联校正网络。
1.校核原系统：
a. 包含一个积分环节，能达到零稳态误
差条件，无需校正低频段；
b.由闭环特征方程
，
得：
c. 比期望值小，说明 比期望的大，采用 超前校正改善其动态性能。
2.计算期望的主导极点，并比较校正前后的 跟轨迹。
跟轨迹 向左倾斜
3.配置超前校正网络的零极点： a.取零点为： b.设校正后开环传递函数为：
《模块化自控原理》线性系统的根轨迹分析实验
《模块化自控原理》线性系统的根轨迹分析实验模块化自控原理中的线性系统的根轨迹分析实验是探究线性系统的稳定性和动态特性的一种常用方法，通过实验观测和分析系统的根轨迹，可以得到系统的传递函数以及系统的稳定性等重要信息。
下面是对该实验的详细说明和分析。
1.实验目的1.1理解线性系统的根轨迹概念及其重要性；1.2学习使用根轨迹法进行系统的稳定性和动态特性分析；1.3掌握根轨迹分析实验的具体步骤；1.4提高实验操作和数据处理的能力。
2.实验原理2.1根轨迹的概念根轨迹是以参数变化为基础的线性系统稳定性和动态特性的分析方法之一、根轨迹是指在参数变化的范围内，系统传递函数极点的轨迹，可以用来判断系统的稳定性、响应特性和动态响应快慢等重要指标。
2.2根轨迹的画法根轨迹的画法需要先确定系统的开环传递函数，然后通过对传递函数进行拆项和配平，求解极点的位置。
根轨迹的位置可以通过极点的实部和虚部来表示，根据虚轴对称性和极点与零点的关系，可以画出根轨迹的大致形状和方向。
2.3根轨迹分析的应用根据根轨迹的形状、分布和方向可以判断系统的稳定性和动态特性：-根轨迹在左半平面则系统稳定；-根轨迹与虚轴交点奇数个则系统不稳定；-根轨迹的分布越往左上角或右上角，系统的动态特性越好。
3.实验装置和器材3.1实验装置数字控制系统实验台、计算机、示波器、信号发生器、数模转换器等。
3.2实验器材电脑、电源线、连接线、示波器探头等。
4.实验步骤4.1连接实验装置将数字控制系统实验台与计算机、示波器、信号发生器和数模转换器等设备进行连接。
4.2系统参数调整设置合适的实验参数，包括采样频率、控制周期、信号幅值等。
4.3系统根轨迹绘制在计算机上运行相应的根轨迹绘制软件，根据实验所给的开环传递函数和稳定域范围，绘制系统的根轨迹。
4.4根轨迹分析根据根轨迹的形状、位置和分布等信息，分析系统的稳定性和动态特性，并给出相应的结论和解释。
4.5记录实验数据记录实验中所绘制的根轨迹和分析结果，包括根轨迹的形状、交点、分布等重要特征。
经济学根轨迹法
k和开环放大系数K不是一个概念。
k和K的关系
开环传递函数为时间常数表达形式：
K
G(s)
( i s 1)
(
2 j
s
2
2
j
js
1)
(T s 1) (T2s 2 2 T s 1)
则有：
K
k
i
2 j
T T2
6.2绘制根轨迹图的基本规则
• 规则一：根轨迹的分支 • 规则二：根轨迹的连续性和对称性 • 规则三：根轨迹的起点和终点 • 规则四：根轨迹的渐近线 • 规则五：实轴上的根轨迹 • 规则六：根轨迹与实轴的交点 • 规则七：根轨迹的出射角与入射角 • 规则八：根轨迹与虚轴的交点及临界值kc • 规则九：根轨迹系数k的求取
于[s]平面的无穷远处。渐近线是指向无穷远
处的射线。
n
m
Re(Pj ) Re(Zi )
渐近线与实轴的交点： j1
i 1
nm
渐近线与实轴正方向的夹角：
(2l 1)
nm
,
l 0,1,,(n m) 1
根轨迹的渐近线（续）
只要系统的n-m相同，其夹角是相同的，只是 不同的系统σ不同。下面给出常见情况的渐近 线形式。
证明规则五
2 j
P2
3
0
4 0
Z3
P4
2 1 1
s0
Z2
P1
Z1
3
P3
s0 是实轴上的任意测试点；φ是开环零点到s0 的相角；θ是开环极点到s0的相角，所有角度
都是以水平线开始，逆时针方向测得的。
实轴上根轨迹举例
例6.1某负反馈系统实轴上的开环零、极点如 图所示，试确定其实轴上的根轨迹。
MATLAB在控制系统根轨迹校正中的应用
正 。ｓｏｏｌ 图形 化 工 作 界 面使 设 计 工 作 得 以简 ｉｔ 的 ｓ ｏ
化。而相关的计算 由 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ自动完成。并且可 以用 ｓ ｏ ｏ 的 Ｌ Ｉ Ｉ ＷＥ ｉｔｌ ｓｏ ＴＶ Ｅ Ｒ随 时观 察设 计 结果 ， 直 到得到满意 的校正 装置 。
２ ＭＡ Ｌ Ｂ的ห้องสมุดไป่ตู้ｓ ｏ工 具 ＴＡ ｉ ｓ
2008年第2期贵州电力技术总第104期matlab在控制系统根轨迹校正中的应用贵州电力职业技术学院徐东飞5514171引言在设计控制系统时如果要求的是时域形式的则采用根轨迹法来进行设计和校正是很有效的
维普资讯
２０ ０ ８年 第 ２期
《 贵州 电 力技 术 》
泛 应用于数 值分析 和计算 、 工程与科 学绘 图 、 控制 系 统设计 与仿真 、 数字 信号处 理 、 通讯 系统设计 与仿真
等领域 儿 引。 ＭＡ Ｌ Ｂ中包含 的控制 系统工具 箱 以方便 的 图 ＴＡ 形 用户界 面 （ Ｕ ｓ 实 现 了 控制 系统 分 析 、 Ｇ Ｉ） 设计 、 建 ｓ ｏｏｌ 动 后 尚 需 导 人 系 统 的 模 型 。选 择 ｉｔ 启 ｓ ｏ
“ ｉ ” 单 的“ｍ ｏｔ选 项 ， 行 系统 模 型 的导 人 。 Ｆｌ 菜 ｅ Ｉｐｒ ” 进
选择 “ｍ ｏ ” 项后 ， 出“ 人 系统 数 据 ” 话框 Ｉｐｒ 选 ｔ 弹 导 对
如下 图所示 ：
模 等工作 。在控 制 系 统 工具 箱 ｓｏ ｏ 中可 以根据 ｉｔｌ ｓｏ
波 特图 、 轨迹 图 、 科 尔 斯 图对 控 制 系统 进 行 校 根 尼
的传 递 函数 ，
此两行命 令运 行后 ， 在 Ｍ Ｔ Ａ 将 Ａ Ｌ Ｂ的 ｗ ｒｓａｅ ｏｋｐｃ 中建 立两个类 型 为 ｆｂ ｃ 的对象 。其 中 ， 象 Ｇ即 ｏｊ ｔ ｅ 对 为上 述的传递 函数 。
线性系统的校正 实验报告
线性系统的校正实验报告（滞后校正） （超前校正）超前校正：已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为：()(1)(4)KG s S S S =++，使用根轨迹解析法对系统进行超前串联校正设计，使之满足： 1）阶跃响应的超调量%20%σ=2）阶跃响应的调节时间不超过4(0.02)s t s =∆=±一、基于根轨迹法的串联超前校正的校正原理：当系统的性能指标以时域形式提出时，通常用根轨迹法对系统进行校正。
基于根轨迹法校正的基本思想是：假设系统的动态性能指标可由靠近虚轴的一对共轭闭环主导极点来表征，因此，可把对系统提出的时域性能指标的要求转化为一对期望闭环主导极点。
确定这对闭环主导极点的位置后，首先根据绘制根轨迹的相角条件判断一下它们是否位于校正前系统的根轨迹上。
如果这对闭环主导极点正好落在校正前系统的根轨迹上，则无需校正，只需调整系统的根轨迹增益即可；否则，可在系统中串联一超前校正装置1()(1)1C aTsG s a Ts+=>+,通过引入新的开环零点z c =-1/aT 和新的开环极点p c =-1/T 来改变系统原根轨迹的走向,使校正后系统的根轨迹经过这对期望闭环主导极点。
二、超前校正装置及其特性：典型超前校正装置的传递函数可写为1()(0)1C aTs G s a Ts+=>+式中a 为分度系数，T 为时间常数其频率响应1()1C jaT G j jTs ωωω+=+幅频特性：()c A ω=相频特性：11122(1)()1a T tg aT tg T tg aT ωφωωωω----=-=+由于a>1，()φω始终大于0，即超前校正装置始终提供超前相角。
超前装置提供一个极点和一个零点三、校正过程1）做出校正前系统的根轨迹和阶跃响应，如下图MATLAB代码：num=[1];den=[1 5 4 0];G0=tf(num,den) figure(1);rlocus(G0);sys=feedback(G0,1);figure(2);t=0:0.01:30;step(sys,t)grid2）根据21%100%e πςςσ--=⨯，可算出0.4559ς=，考虑到非主导极点和零点对超调量的影响，取0.5ς=又因为0.02∆=时， 4.44.4s nt ςωσ==，可得 2.2, 1.1n ωσ==期望闭环极点的纵坐标为21d ωως=- 1.9053d ω= 综上可得系统的一对希望的闭环主导极点为：1,2 1.1 1.9n d s j ςωω=-±=-±3）根据求得的主导极点，计算超前校正网络在1s 处应提供的超前角：1()(atan(1.9/2.9)*180/pi+180-atan(1.9/0.1)*180/pi+180-atan(1.9/1.1)*180/pi)o G s ∠=-得1()246.3131o G s ∠=-1180()o G s φ=--∠可得：66.3131φ=把()c G s 的零点设置在期望极点的正下方，即 1.1c z =-，从期望极点向左作角60φ=的负实轴交点上，可求得 5.5c p =- 4）校正后系统的开环传递函数为( 1.1)()(1)(4)( 5.5)K s G s s s s s +=+++由根轨迹的幅值条件，求得系统工作于期望极点处的K 值为36.2。
控制系统的根轨迹分析实验报告
控制系统的根轨迹分析实验报告控制系统的根轨迹分析实验报告引言：控制系统是现代工程中非常重要的一部分，它可以帮助我们实现对各种物理过程的自动控制。
而根轨迹分析作为一种重要的分析方法，可以帮助我们了解系统的稳定性和动态响应特性。
本实验旨在通过根轨迹分析方法，对一个控制系统进行分析，并得出相应的结论。
实验目的：1. 学习根轨迹分析方法的基本原理和步骤；2. 通过实验分析，了解控制系统的稳定性和动态响应特性；3. 掌握如何根据根轨迹分析结果进行控制系统设计和优化。
实验步骤：1. 实验准备：a. 搭建好控制系统实验平台，包括传感器、执行器和控制器等；b. 确定实验所需的输入信号和采样频率。
2. 数据采集：a. 将输入信号输入到系统中，并采集输出信号；b. 通过数据采集设备将输出信号转换为数字信号。
3. 数据处理和分析：a. 使用MATLAB等软件，将采集到的数据导入，并进行根轨迹分析；b. 根据根轨迹图，分析系统的稳定性和动态响应特性。
实验结果与讨论：通过根轨迹分析，我们得到了系统的根轨迹图。
根轨迹图是描述系统极点随控制参数变化而轨迹的图形，可以直观地反映系统的稳定性和动态特性。
根据根轨迹图，我们可以得出以下结论：1. 系统的稳定性：根轨迹图上的点都位于左半平面，则系统是稳定的；若存在点位于右半平面，则系统是不稳定的。
2. 系统的阻尼比：根轨迹图上的曲线越靠近实轴，则系统的阻尼比越小；曲线越远离实轴，则系统的阻尼比越大。
3. 系统的自然频率：根轨迹图上的曲线越接近原点，则系统的自然频率越小；曲线越远离原点，则系统的自然频率越大。
根据以上分析，我们可以得出对控制系统的一些优化建议：1. 若系统不稳定，在根轨迹图上找到导致不稳定的点，并调整控制参数，使其移动到左半平面，从而提高系统的稳定性。
2. 若系统的阻尼比过小，可能导致系统的动态响应过度振荡，可以通过调整控制参数来增加阻尼比，从而减小振荡幅度。
3. 若系统的自然频率过大，可能导致系统响应过快，可能引起过冲或不稳定，可以通过调整控制参数来减小自然频率，从而改善系统的响应特性。
自动控制系统校正方法
自动控制系统校正方法
下面将介绍几种常见的自动控制系统校正方法：
1.基于试探法的校正方法：
这种方法通过对控制系统进行试探性的扰动，观察系统的响应来确定
调整参数的大小和方向。
常见的方法有阶跃响应法和斜坡响应法。
阶跃响
应法通过输入一个阶跃信号，观察系统的输出响应，调整参数使输出尽快
收敛到期望值。
斜坡响应法则是通过输入一个斜坡信号，观察系统的输出
响应的斜率，根据斜率的大小和方向调整参数。
2.基于频域分析的校正方法：
这种方法使用频域分析工具来分析系统的幅频特性，从而得到系统的
频率响应函数，进而调整参数使得系统的频率响应函数与期望值尽量接近。
其中最常见的方法是根轨迹法和频率响应曲线法。
根轨迹法通过画出系统
的根轨迹图来分析系统的稳定性和性能，进而调整参数。
频率响应曲线法
通过绘制系统的幅频特性曲线，观察曲线的形状、幅值和相位信息，从而
调整参数。
3.基于模型预测的校正方法：
这种方法通过建立系统的数学模型来进行系统的校正。
常见的方法有
最小二乘法和极大似然法。
最小二乘法通过最小化实际输出与期望输出之
间的平方误差来调整参数。
极大似然法则是通过最大化实际输出的似然函
数来调整参数，从而使系统的输出尽可能接近期望输出。
需要注意的是，不同的自动控制系统校正方法适用于不同的系统和控
制目标。
在进行校正时，需要根据实际情况选择合适的方法，并根据实际
测试结果进行调整和优化。
此外，校正过程中还需考虑系统的非线性特性、外界干扰和噪声等因素的影响，以实现系统的更好性能。
控制系统的根轨迹法分析
可得
s2 20s 50 0
解得
s1,2 10 5 2
因此，分离点为-2.93，会合点为-17.07。
分离角和会合角分别 为 ， 90 根轨迹为圆，如下图所示。
（2）当 2 时，阻尼角
2Hale Waihona Puke 45，表示 45角的直线为OB，其方程为
，
代入特征方程整理后得
(5 k) 10k j(2 2 5 k ) 0
解：（1）起点：有三个开环极点，所以起点为
p1 0, p2 2 j2 3, p3 2 j2 3
（2）终点：因没有有限零点，所以三条根轨迹都将趋于无穷远。
（3）实轴上的根轨迹：根轨迹存在的区间为（－∞，0］。
（4
（5
①渐近线的倾角：根据渐近线计算公式得
φα
180 (1 2μ) 2
60 ,60 ,180
例：单位反馈控制系统的开环传递函数为
K
G (s)
K
s(s 4)(s 6)
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
上有分离点。当K≥240时，闭环极点是不稳定的。根据σ%≤18 %的要求，求得阻尼 角应为β≤60°，在根轨迹图上作β＝60 °的射线，并以此直线和根轨迹的交点A ， B作为满足性能指标要求的闭环系统主导极点，即闭环系统主导极点为
闭环系统的极点为
s 2 1
1, 2
n
n
图中阻尼角β与阻尼比ζ的关 系为
cos1
根据根轨迹我们可以确定系统工作在根轨迹上任一点时所对应的ζ，ωn 值，再根据暂态指标的计算公式
% 12 100%
实验3 控制系统的根轨迹作图
实验3 控制系统的根轨迹作图一、实验目的1.利用计算机完成控制系统的根轨迹作图；2.了解控制系统根轨迹图的一般规律3.利用根轨迹进行系统分析及校正。
二、实验步骤1.在Windows 界面上用鼠标双击matlab 图标，即可打开MATLAB 命令平台。
2.练习相关M 函数根轨迹作图函数：rlocus(sys)rlocus(sys,k)r=rlocus(sys)[r,k]=rlocus(sys)函数功能：绘制系统根轨迹图或者计算绘图变量。
格式1：控制系统的结构图如图所示。
输入变量sys 为LTI 模型对象，k 为机器自适应产生的从0→∞的增益向量， 绘制闭环系统的根轨迹图。
格式2：k 为人工给定的增益向量。
格式3：返回变量格式，不作图。
R 为返回的闭环根向量。
格式4：返回变量r 为根向量，k 为增益向量，不作图。
更详细的命令说明，可键入“help rlocus”在线帮助查阅。
例如：系统开环传递函数为)2)(1()(++=s s s k s G g根轨迹作图程序为k=1; %零极点模型的增益值z=[]; %零点p=[0,-1,-2]; %极点sys=zpk(z,p,k);rlocus(sys) 作出的根轨迹图如图所示。
三、实验内容给定如下各系统的开环传递函数，作出它们的根轨迹图，并完成给定要求。
1. )2)(1()(01++=s s s k s G g要求： （1）准确记录根轨迹的起点.终点与根轨迹的条数（2）确定根轨迹的分离点与相应的根轨迹增益（3）确定临界稳定时的根轨迹增益k gL 。
2. )164)(1()1()(202++-+=s s s s s k s G g要求： 确定根轨迹与虚轴交点并确定系统稳定的根轨迹k g 增益范围。
3.已知系统开环传递函数为()22+=s s k G go ，在分别增加开环零点4-=z ，2-=z ，1-=z 的情况下，绘制系统的根轨迹，作时域仿真验证，分析实验结果。
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自动控制系统的设计--基于根轨迹的串联校正设计与频域法相似，利用根轨迹法进行系统的设计也有两种方法：1）常规方法；2）Matlab方法。
Matlab的根轨迹方法允许进行可视化设计，具有操作简单、界面直观、交互性好、设计效率高等优点。
目前常用的Matlab设计方法有：1）直接编程法；2）Matlab 控制工具箱提供的强大的Rltool工具；3）第三方提供的应用程序，如CTRLLAB等。
本节在给出根轨迹的设计思路的基础上，将重点介绍第一、二种方法。
6.4.1 超前校正关于超前校正装置的用途，在频率校正法中已进行了较详细的叙述，在此不再重复。
利用根轨迹法对系统进行超前校正的基本前提是：假设校正后的控制系统有一对闭环主导极点，这样系统的动态性能就可以近似地用这对主导极点所描述的二阶系统来表征。
因此在设计校正装置之前，必须先把系统时域性能的指标转化为一对希望的闭环主导极点。
通过校正装置的引入，使校正后的系统工作在这对希望的闭环主导极点处，而闭环系统的其它极点或靠近某一个闭环零点，或远离s平面的虚轴，使它们对校正后系统动态性能的影响最小。
是否采用超前校正可以按如下方法进行简单判断：若希望的闭环主导极点位于校正前系统根轨迹的左方时，宜用超前校正，即利用超前校正网络产生的相位超前角，使校正前系统的根轨迹向左倾斜，并通过希望的闭环主导极点。
（一）根轨迹超前校正原理设一个单位反馈系统，G0(s)为系统的不变部分，Gc(s)为待设计的超前校正装置，Kc为附加放大器的增益。
绘制G0(s)的根轨迹于图6—19上，设点Sd为系统希望的闭环极点，则若为校正后系统根轨迹上的一点，必须满足根轨迹的相角条件，即∠Gc(Sd)G0(Sd)=∠Gc(Sd)+G0(Sd)=-π图6-18于是得超前校正装置提供的超前角为：(6-21)显然在Sd已知的情况下，这样的Gc(s)是存在的，但它的零点和极点的组合并不唯一，这相当于张开一定角度的剪刀，以Sd为中心在摆动。
若确定了Zc和Pc的位置，即确定了校正装置的参数。
下面介绍三种用于确定超前校正网络零点和极点的方法。
（二）三种确定超前校正装置参数的方法零极点抵消法在控制工程实践中，通常把Gc(s)的零点设置在正对希望闭环极点Sd下方的负实轴上，或位于紧靠坐标原点的两个实极点的左方，此法一般可使校正后系统的期望闭环极点成为主导极点。
比值α最大化法能使超前校正网络零点和极点的比值α为最大的设计方法。
按照该法去设计Gc(s)的零点和极点，能使附加放大器的增益尽可能地小。
以图6—19上的点O和Sd，以Sd为顶点，线段O 为边，向左作角γ，角γ的另一边与负实轴的交点Zc=-1/T，点Zc就是所求的一个零点。
再以线段ZcSd为边，向左作角∠PcSdZc，该角的另一边与负实轴的交点Pc=-1/αT，点就是所求Gc(s)的一个极点。
根据正弦定理，由图6—18求得:(6-22)(6-23)于是有:(6-24)将夹角γ作为自变量，式（6—24）对γ求导，并令其等于零，即dα/dγ=0由上式解得对应于最大α值时的γ角为(6-25)不难看出，当希望的闭环极点Sd被确定后，式（6—25）中的θ和φ均为已知值，因而由上式可求得γ角，然后由式（6－22）和式（6－23）求得相应的零极点。
幅值确定法设系统的开环传递函数:(6-26)且令超前校正装置的传递函数： (6-27)若要求校正后系统的稳态误差系数K(Kp,Kv,Ka)，则由上式可首先确定k ：(6-28)在开环增益k 确定后，根据根轨迹原理，若Sd 为校正后的闭环极点，则它除必须满足相角条件外，还应满足幅值条件：(6-29)上式中，同样根据平面三角形原理，对于△ZcOSd 有：(6-30)而对于△PcOSd有：(6-31)由上二式消去sinθ，并由式（6－29）可得：(6-32)根据三角函数性质，上式可写成如下形式：(6-33)进而有：(6-34)由于k可由稳态误差系数确定，u由未校正传递函数求出，因此根据上式求出角γ。
最后可用式（6－22）和式（6－23）确定校正装置的零极点和具体参数。
通过上述分析可知，对于超前校正装置的参数确定，可用三种方法进行设计，其中第一法是工程经验方法，第二法则是从抑制高频噪声角度出发进行设计，第三法则先在满足静态性能指标的条件下设计满足动态性能指标的控制器。
但必须指出，上述三法均用于对静态性能要求不高而系统的动态性能需要改善的控制系统，校正后的系统应满足根轨迹的相角条件和幅值条件。
若系统的静态性能指标较高，可能无法设计合适的超前校正装置，此时应采用迟后－超前校正装置。
（三）根轨迹超前校正的步骤综上所述，用根据轨迹法进行超前校正的一般步骤为：１）根据对系统静态性能指标和动态性能指标的要求，分析确定希望的开环增益k闭环主导极点Sd的位置．２）画出校正前系统的根轨迹，判断希望的主导极点位于原系统的根轨迹左侧，以确定是否应加超前校正装置。
３）根据式（６—21）解出超前校正网络在Sd点处应提供的相位超前角φ。
４）选择前面介绍的三种方法之一，求γ，尔后用图解法或根据式（６—22）和式（６—23）求得Gc(s)的零点和极点，进而求出校正装置的参数。
５）画出校正后系统的根轨迹，校核闭环主导极点是否符合设计要求。
６）若采用第一法和第二法，则还须根据根轨迹的幅值条件，确定校正后系统工作在处的增益和静态误差系数。
如果所求的静态误差系数与要求的值相差不大，则可通过适当调整Gc(s)零点和极点的位置来解决；如果所求的静态误差系数比要求的值小得多，则需考虑用别的校正方法，如用迟后—超前校正。
下面举例分别介绍上述三法的使用，进而对根轨迹超前校正步骤进行说明。
例6－5 已知一单位反馈控制系统的开环传递函数为：试设计一超前校正装置，使校正后系统的无阻尼自然频率，阻尼比。
解：（１）这是一个积分环节和惯性环节串联的系统，系统的无阻尼自然频率，阻尼比，闭环极点为以及静态速度误差系数，校正前系统的根轨迹如图６—20虚线所示。
图6-20（２）由和，求得希望的闭环极点为:。
（３）计算超前校正装置在处需提供的相位超前角。
由于未校正系统的在处的相角为：为了使校正后系统的概轨迹能通过希望的极点，超前校正装置必须在该点产生的超前角。
（4）根据根轨迹的相角条件，确定超前校正装置的零点和极点。
因为，，所以。
按照最大α值的设计方法，可计算或作图求出，。
这一校正装置的传递函数。
于是求得由校正网络和附加放大器组成的超前校正装置的传递函数，并得到校正后系统的开环传递函数式中，。
由上式作出校正后系统的根轨迹，如图6—20中的实线所示。
（5）确定系统工作在希望闭环极点处的增益和静态速度误差系数。
由根轨迹的幅值条件解得。
由于，因而。
系统对应的开环传递函数为由上式求得校正后系统的静态速度误差系数校正后系统的闭环传递函数可由Matlab中的G＝feedback(Gc*G, 1)得到：由上式可见，校正后的系统虽上升为三阶系统，但由于所增加的一个闭环极点与其零点靠得很近，因而这个极点对系统瞬态响应的影响就很小，从而说明了确为系统一对希望的闭环主导极点。
由于本例题对系统的静态误差系数没有提出具体的要求，故认为上述的设计是成功的。
例6－6 设一单位反馈控制系统的开环传递函数为试设计一超前校正装置，使校正后的系统能具有下列的性能指标：超调量%，调整时间。
解：（1）作出校正前系统的根轨迹，如图6—21所示。
图6-21（2）根据，解得，考虑到非主导极点和零点对超调量的影响，取。
又由，求得。
进而求得系统的一对希望的闭环主导极点。
（3）根据求得的主导极点，计算超前校正网络在处应提供的超前角为（4）由于的开环极点正好落在希望闭环极点下方的负实轴上，因此可采用第一法进行校正。
把的零点设置在紧靠这个开环极点的左侧。
如设，则的极点落在以为顶点，向左作角的负实轴交点上，，即为所求的极点。
（5）校正后系统的传递函数为由根轨迹的幅值条件，求得系统工作于点处的K值为30.4。
这样，上式便改写为据此，求得校正后系统的静态速度误差系数如果希望值有少量地增大，则可通过适当调整零点和极点的位置来实现，但这种调整有可能会破坏的主导作用。
（6）它的闭环传递函数为：或直接由如下的Matlab命令得到：zpk(feedback(G0*Gc,30.4))Zero/pole/gain:(s+1.2)------------------------------------------(s+6.631) (s+1.347) (s^2 + 1.972s + 4.085)下面检验希望闭环极点是否符合主导极点的条件。
不难看出，由于闭环系统的一个极点与零点靠得很近，故它对系统瞬态响应的影响很小，同时由于另一极点距s平面的虚轴较远，因而这个瞬态分量不仅幅值小，而且衰减的速度也快。
由此得出，上述设计的超前校正装置能使成为系统希望的闭环主导极点。
上面两个例题均对静态误差系数没有特殊要求，否则，宜采用如下方法，即第三法。
例6－7 有一单位反馈系统，其开环传递函数：，设计一超前校正装置，满足如下性能指标：静态误差系数，闭环主导极点位于：处。
解：（1）绘制未校正系统的根轨迹，并根据静态误差系统，确定开环增益：，，（2）根据幅值确定法，并代入：超前校正装置应提供的超前角度：图6-22（3）根据公式（6－34）确定夹角γ：得到：（4）由设计要求，，，，求出校正装置的参数。
，，得到：，。
因而超前校正装置的传递函数：（5）校正后闭环系统的传递函数和主导极点分别为：G=G0*GcTransfer function:576.8 s + 1921------------------------------s^4 + 34 s^3 + 256 s^2 + 384 sGl=feedback(G0＊Gc,1)zpk(Gl)Zero/pole/gain:576.8 (s+3.33)------------------------------------------(s+25.25) (s+4.745) (s^2 + 4.006s + 16.03) 显然，系统静态误差系数为：，主导极点为：，设计基本符合要求。
6.4.2 迟后校正 通过设置校正装置的零极点，使之形成一对在S 平面上靠近原点的偶极子，这样，在基本保持原系统主导极点的前提下，可提高系统的静态误差系数而不致使系统的动态性能变坏。
例如，对于一单位反馈系统，若其开环传递函数：G0(S)=K/s(s+a)(s+b),则静态速度误差系数Kv=K/ab ，因为系统主导极点为Sd ，则K=|Sd|·|Sd+a|·|Sd+b|。
串联迟后校正装置后，开环传递函数：若要求主导极点基本不变，则(6-35)由于设计时选取的-1/τ和-1/βτ均靠近原点，因此,但此时 可见校正后静态误差系数增大了约β倍，而主导极点可基本保持不变。