根轨迹绘制举例课件.ppt
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1、根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(1)l例例1 1已知单位反馈系统已知单位反馈系统的开环传递函数,试绘的开环传递函数,试绘制根轨迹的大致形状。制根轨迹的大致形状。0j1j-j1-1-2-3p3p1p2p4-1.2545o开环极点:开环极点:p1=0,p2=-3、p3=-1+j、p4=-1-j无开环零点无开环零点n-m=4实轴上实轴上00,-3-3为根轨迹为根轨迹渐近线与实轴交点:渐近线与实轴交点:解:解:渐近线与实轴正方向的夹角:渐近线与实轴正方向的夹角:根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(2)l例例1 1已知单位反馈系统已知单位反馈系统的开环传递函数,试绘的开环传递函数,试绘制根轨迹的大致形状。制根轨
2、迹的大致形状。0j1j-j1-1-2-3p3p1p2p4-1.2545o根轨迹实轴的分离点根轨迹实轴的分离点(舍去)(舍去)根轨迹在开环极点根轨迹在开环极点-p3处的出射角处的出射角-2.3-71.3o71.3o根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(3)l根轨迹与虚轴的交点(劳斯法)。根轨迹与虚轴的交点(劳斯法)。0j1j-j1-1-2-3p3p1p2p4-1.2545o-2.3-71.3o71.3o解得临界稳定的条件:解得临界稳定的条件:K1=8.16-j1.1j1.1l例例2:画出开环传递函数对:画出开环传递函数对应的闭环根轨迹。应的闭环根轨迹。解解(1)根轨迹增益)根轨迹增益K1=3K。(2 2
3、)根轨迹对称于实轴,有四条)根轨迹对称于实轴,有四条根轨迹分支分别起始于开环极点根轨迹分支分别起始于开环极点0 0,3 3,1 1j j,终止于零点终止于零点2 2和另外三个无限远零点。和另外三个无限远零点。(3)(3)实轴上区段实轴上区段0 -2和和-3 -为为根轨迹。根轨迹。(4)(4)根轨迹有三条渐近线根轨迹有三条渐近线(nm3),与,与实轴的倾角为实轴的倾角为根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(4)(5)(5)渐近线与实轴交点坐标为渐近线与实轴交点坐标为(6)(6)系系统特征方程统特征方程根轨迹与虚轴的交点根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(5)(7)(7)两条根轨迹分支起始于共轭复数极点两条根轨
4、迹分支起始于共轭复数极点11j j(8)(8)各各闭环极点之和为闭环极点之和为5 5 当当实轴上根轨迹分支向左趋向于实轴上根轨迹分支向左趋向于无限零点时,两个从复数极点无限零点时,两个从复数极点出发的根轨迹分支趋向于右边出发的根轨迹分支趋向于右边无限零点。无限零点。交点处的交点处的K K1 12.342.34(9)(9)根根轨迹与虚轴两个交点轨迹与虚轴两个交点根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(6)根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(7)l常见的根轨迹常见的根轨迹的形状的形状根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(8)l课堂练习课堂练习1 1根轨迹绘制举例根轨迹绘制举例(9)l课堂练习课堂练习2 22.分别绘B=4
5、 4、9 9、1212、时闭环系统的根轨迹的大致形状。1.分别绘如下闭环系统的根轨迹的大致形状。n-m=3 负实轴为根轨迹渐近线渐近线与虚轴交于j4.61出射角出射角与虚轴交点:与虚轴交点:临界临界K K1 1=136=136将将K=136K=136、s=js=j 代入代入D(s)=0D(s)=0=4.1234.123分离点(或会合点):分离点(或会合点):n-m=3n-m=3 负实轴为根轨迹负实轴为根轨迹分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角与虚轴交于与虚轴交于 4.614.61临界临界K K1 1=256=256将将K K1 1=256=2
6、56、s=js=j 代入代入D(s)=0D(s)=0 =5.665.66d d=-2.67=-2.67 j1.89j1.89!舍去!舍去n-m=3n-m=3 负实轴为根轨迹负实轴为根轨迹分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角与虚轴交于与虚轴交于 3.463.46临界临界K K1 1=72=72将将K K1 1=72=72、s=js=j 代入代入D(s)=0D(s)=0 =3.463.46!三条轨迹重合!三条轨迹重合B=B=n-m=1实轴-1,-)为根轨迹分离点(或会合点):分离点(或会合点):K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚
7、轴不相交与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角B=B=n-m=1 实轴-1,-)为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角分离点(或会合点):分离点(或会合点):B=4B=4n-m=2实轴-1,-4为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角!舍去!舍去B=4B=4n-m=2实轴-1,-4为根轨迹K K1 1:0:0 故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚
8、轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角!舍去!舍去B=9B=9n-m=2实轴-1,-9为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角!三条轨迹重合!三条轨迹重合B=9B=9n-m=2 实轴-1,-9为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角!三条轨迹重合!三条轨迹重合B=12B=12n-m=2 实轴-1,-12为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与
9、虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角B=12B=12n-m=2实轴-1,-12为根轨迹K K1 1:0:0故根轨迹与虚轴不相交故根轨迹与虚轴不相交分离点(或会合点):分离点(或会合点):与虚轴交点:与虚轴交点:渐近线渐近线出射角出射角控制系统的根轨迹分析控制系统的根轨迹分析l 系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系l 系统阶跃响应的根轨迹分析系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l阶跃响应阶跃响应设n阶闭环系统的传递函数为-zi闭环零点-si闭环极点对于阶跃输入的输出为:对于阶跃输入的输出为:系统闭环零
10、、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l其中:其中:可见:系统的单位阶跃响应由闭环极点可见:系统的单位阶跃响应由闭环极点sk及系及系数数Ak决定,而系数决定,而系数Ak也是与零极点分布有关的。也是与零极点分布有关的。系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l阶跃响应定性关系阶跃响应定性关系 一个控制系统,总是希望它的输出尽可能复一个控制系统,总是希望它的输出尽可能复现给定的输入,并且希望动态过程的快速性和平现给定的输入,并且希望动态过程的快速性和平稳性尽可能好。因此,要满足稳准快的三大要求,稳性尽可能好。因此,要满足稳准快的三大要求,零极
11、点应该如何分布呢?零极点应该如何分布呢?1.要求系统稳定,则必须使所有的闭环极点要求系统稳定,则必须使所有的闭环极点-si均分布在均分布在s平面平面的左半部。的左半部。2.要求系统快速性好,应使阶跃响应中的每个分量要求系统快速性好,应使阶跃响应中的每个分量eskt 衰减得快,衰减得快,则闭环极点应远离虚轴。则闭环极点应远离虚轴。3.要求系统平稳性好,则复数极点应设置在要求系统平稳性好,则复数极点应设置在s平面中与负实轴平面中与负实轴成成45o夹角线附近夹角线附近。4.要求动态过程尽快消失,要求系数要求动态过程尽快消失,要求系数Ak要小,因为要小,因为Ak小,对应暂小,对应暂态分量小。态分量小。
12、系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l主导极点与偶极子主导极点与偶极子 离虚轴最近的闭环极点离虚轴最近的闭环极点(复数极点或者实数复数极点或者实数极点极点)对系统动态过程性能的影响最大,起着主对系统动态过程性能的影响最大,起着主导的决定性的作用,我们称它导的决定性的作用,我们称它(们们)为主导极点。为主导极点。一般其他极点的实部绝对值比主导极点的实一般其他极点的实部绝对值比主导极点的实部绝对值大部绝对值大6倍以上时,则那些闭环极点可以忽倍以上时,则那些闭环极点可以忽略,有时甚至比主导极点的实部绝对值大略,有时甚至比主导极点的实部绝对值大2-3倍倍的极点也可以
13、忽略不计。的极点也可以忽略不计。工程上,往往只用主导极点估算系统的动态工程上,往往只用主导极点估算系统的动态性能,即将系统看成一阶的或二阶的处理。性能,即将系统看成一阶的或二阶的处理。工程上,当闭环零极点之间的距离比他们的模值小工程上,当闭环零极点之间的距离比他们的模值小一个数量级,就可以认为他们是一对偶极子。一个数量级,就可以认为他们是一对偶极子。我们把一对靠得很近的闭环零极点称为偶极子,偶我们把一对靠得很近的闭环零极点称为偶极子,偶极子对系统输出的影响可忽略。极子对系统输出的影响可忽略。系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l主导极点与偶极子主导极点与偶极
14、子 离虚轴最近的闭环极点离虚轴最近的闭环极点(复数极点或者实数极点复数极点或者实数极点)对对系统动态过程性能的影响最大,起着主导的决定性的作系统动态过程性能的影响最大,起着主导的决定性的作用,我们称它用,我们称它(们们)为主导极点。为主导极点。当某一闭环极点当某一闭环极点(复数极点或者实数极点复数极点或者实数极点)与某零点与某零点靠得很近时,它们之间的模值很小,暂态分量也很小,靠得很近时,它们之间的模值很小,暂态分量也很小,故输出中这个分量的影响可忽略不计。故输出中这个分量的影响可忽略不计。系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l利用主导极点估算系统的性能指标
15、利用主导极点估算系统的性能指标某系统的闭环传递函某系统的闭环传递函数如下式,试估算:数如下式,试估算:系统的系统的%,和,和ts解:闭环有解:闭环有3个极点个极点-4j0-1.5主导极点主导极点s1s2s3s1离虚轴最近,可视为系统的主离虚轴最近,可视为系统的主导极点,导极点,s2,s3可忽略不计。此可忽略不计。此时系统近似为一阶系统。时系统近似为一阶系统。系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系l利用主导极点估算系统的性能指标利用主导极点估算系统的性能指标某系统的闭环传递函某系统的闭环传递函数如下式,试估算:数如下式,试估算:系统的系统的%,和,和ts解:闭环
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