2022年自动控制原理实验五利用MATLAB绘制系统根轨迹 .pdf

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1、实验五 利用 MATLAB绘制系统根轨迹一、实验目的（1）熟练掌握使用MA TLAB 绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法；（2）熟练使用根轨迹设计工具SISO；（2）学会分析控制系统根轨迹的一般规律；（3）利用根轨迹图进行系统性能分析；（4）研究闭环零、极点对系统性能的影响。二、实验原理及内容1、根轨迹与稳定性当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入s 右半平面，那么系统对所有的K 值都是稳定的；若根轨迹越过虚轴进入s 右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的K 值，就是临界开环增益。应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。2

2、、根轨迹与系统性能的定性分析1）稳定性。如果闭环极点全部位于s 左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。2）运动形式。如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。3）超调量。超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。4）调节时间。调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。5）实数零、极点影响。零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提

3、前，超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调量减小。而且这种影响将其接近坐标原点的程度而加强。【自我实践5-1】在实验内容（2）中控制系统的根轨迹上分区段取点，构造闭环系统传递函数，分别绘制其对应系统的阶跃响应曲线，并比较分析。1：阻尼比=0.00196，k=5.94名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -2：阻尼比=0.246,k=2.16 3：阻尼比=0.669 k=0.669 4：阻尼比=1.0,k=0,385 5：阻尼比=1.2（无此阻尼，取-0.2）,k=24.5 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6

4、页 -将数据填入实验数据记录表中。阻尼比闭环极点p开环增益 K自然频率n超调量%调节时间ts=0.00196-0.00277+1.41i 5.94 1.41 99.4 1e+03=0.246-0.226+0.892i 2.16 0.92 45.1 16.7=0.694-0.379+0.393i 0.669 0.546 4.83 12.6=1-0.423+9.01e-09i 0.385 0.423 0 15.6=-0.2 0.51+2.42i 24.5 2.47 194 3、基于 SISO 设计工具的系统根轨迹设计用根轨迹法进行系统校正过程中，分析补偿增益和附加实数（或复数）零极点之间匹配的规律

5、。在 MATLAB命令窗口中输入命令【rltool】，然后回车，或者输入【rltool（sys）】函数命令，就可打开系统根轨迹的图形界面。【综合实践】绘制 180 根轨迹。请绘制：（1）12()(1)(1)gKG sT sT s；（2）12(1)()(1)(1)gKasG sTsT s；（3）12()(1)(1)(1)gKG sT sT sps的根轨迹，其中T1=0.2，T2=2，a=0.1，p=1，分析附加零点、极点对根轨迹的影响；固定T 值，分别改变a 和 p 的值看附加零、极点位置的变化对根轨迹形状的影响。将结果填入下表。传递函数根轨迹图零、极点分布的影响分析12()(1)(1)gKG

6、sTsT s1、添加开环零点使得系统根轨迹主要分支左移；添加开环极点使得分支右移；2、通过调节开环极点的位置可以得出结论：开环极点离虚轴越近，极点作用越强根轨迹向右的偏移越多；3、通过调节开环零点的位置可以得出结论：开环零点离虚轴越近，零点作用越强，根轨迹向左的偏移越多12(1)()(1)(1)gKasG sTsT s名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -12()(1)(1)(1)gKG sT sT sps【综合实践】0 根轨迹的绘制及参量分析。分别绘制（1）12(1)()(1)(1)gKasG sT sT s；（2）12()(1)(1)(1)gKG sT s

7、T sps的 0 根轨迹，比较其与180 根轨迹不同。其中T1=0.2，T2=2，a=0.1，p=1。（1）0 根轨迹：180 根轨迹：（2）0 根轨迹：180 根轨迹：对于上面的180 和 0 根轨迹，求系统临界稳定时的Kg值，求 Kg=5 时系统极点的位置（在根轨迹上的小红块上点击鼠标右键显示极点坐标值，该小红块可以用鼠标拖动）；分析此时系统的阶跃动态响应和Bode 图。临界稳定 Kg值Kg=5.01 闭环系统零极点阶跃响应曲线分析说明(与 180比较)传递函数（1）0 根轨迹0 零点：-10 极点：-5，-0.5 曲线对称零度阶跃响应刚好是 180 度响应的相反数名师资料总结-精品资料欢

8、迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -180 根轨迹0 零点：-10 极点：-5，-0.5 传递函数（2）0 根轨迹0 零点：无极点：-6.3-0.11+2.6i-0.11-2.6i 曲线对称零度阶跃响应刚好是 180 度响应的相反数180 根轨迹3.2 零点：无极点：-6.3-0.11+2.6i-0.11-2.6i（注：Kg可取其它值，再求出对应的闭环零、极点响应曲线）伯德图的绘制：传递函数伯德图12(1)()(1)(1)gKasG sT sT s；12()(1)(1)(1)gKG sTsT sps名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -三、思考题1

9、)附加开环零点总对系统的稳定性是否有利？不一定，引入负的零点会使系统更加稳定，但是引入一个负的零点可能会破坏系统的稳定性2)附加开环极点总对系统的稳定性是否不利？不一定，引入负的极点会使系统更加稳定，但是引入一个负的极点可能会破坏系统的稳定性3)对实际系统，如何通过附加零点和极点来改善系统性能？举例说明。对传递函数12(1)()(1)(1)gKasG sTsT s；通过增加一阶惯性环节来增加系统的极点，通过增加一阶微分环节来增加系统零点，即可增加系统的稳定性。4)如何绘制系统等效根轨迹？绘制根轨迹主要通过引入开环传递函数G 等效，在G 等效将参数变量置于常规根轨迹所对应的开环传递函数G 中 K 的位置上，然后按照常规根轨迹的作图法进行作图。四、实验能力要求（1）熟练掌握使用MA TLAB 绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法。（2）通过根轨迹图能够确定有用的参数，比如：分离点坐标及相应参数、临界开环增益点及相应参数、任意一点对应的开环增益K 值和闭环极点。（3）利用根轨迹图进行系统性能分析，以阻尼比为依据分区段比较不同闭环极点对应系统性能的变化。能够确定系统稳定的开环增益范围。（4）了解闭环零、极点对系统性能的影响。（5）学会使用根轨迹设计工具校验系统的动态性能和稳态性能。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -