自动控制原理自学必备自动控制.ppt
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1、自动控制原理自动控制原理 第四章第四章 线性系统的时域分析线性系统的时域分析 1 绘制根轨迹的两个条件绘制根轨迹的两个条件 2 绘制根轨迹的基本规则绘制根轨迹的基本规则 3 参数根轨迹参数根轨迹 退出退出退出退出p 根轨迹法根轨迹法概述概述研究自动控制系统的主要问题之一,是研究自动控制系统的主要问题之一,是确定闭环系统的零点、极点的分布与开确定闭环系统的零点、极点的分布与开环传递函数零点、极点的关系,其次是环传递函数零点、极点的关系,其次是研究分析系统参数的变化对系统特征根研究分析系统参数的变化对系统特征根的影响。根轨迹是一种图解法,它是根的影响。根轨迹是一种图解法,它是根据系统开环传递函数的
2、零点、极点分布据系统开环传递函数的零点、极点分布情况,用作图法简便的求得闭环系统的情况,用作图法简便的求得闭环系统的特征根与系统参数值(如开环增益)间特征根与系统参数值(如开环增益)间的关系。的关系。退出退出退出退出p 根轨迹法根轨迹法概述概述研究自动控制系统的主要问题之一,是研究自动控制系统的主要问题之一,是确定闭环系统的零点、极点的分布与开确定闭环系统的零点、极点的分布与开环传递函数零点、极点的关系,其次是环传递函数零点、极点的关系,其次是研究分析系统参数的变化对系统特征根研究分析系统参数的变化对系统特征根的影响。的影响。根轨迹是一种图解法根轨迹是一种图解法,它是根,它是根据系统开环传递函
3、数的零点、极点分布据系统开环传递函数的零点、极点分布情况,用作图法简便的求得闭环系统的情况,用作图法简便的求得闭环系统的特征根与系统参数值(如开环增益)间特征根与系统参数值(如开环增益)间的关系。的关系。退出退出p 绘制根轨迹的两个条件绘制根轨迹的两个条件当系统的特征方程式为:当系统的特征方程式为:其中:其中:“+”号对应负反馈,号对应负反馈,“-”号对应正反馈。号对应正反馈。将将式式改写成改写成 式式和式和式便是用来绘制反馈系统的根轨迹方便是用来绘制反馈系统的根轨迹方程。其中式程。其中式为绘制负反馈系统的根为绘制负反馈系统的根轨轨迹方程,迹方程,式式为绘制正反馈系统的根轨迹方程。为绘制正反馈
4、系统的根轨迹方程。退出退出另外,应用根轨迹方程式另外,应用根轨迹方程式和式和式绘制根轨绘制根轨迹之前,需将开环传递函数迹之前,需将开环传递函数 G(s)化成通过化成通过极点与零点表达的标准形式,即极点与零点表达的标准形式,即式中:式中:k绘制根轨迹的可变参数,称为参变量绘制根轨迹的可变参数,称为参变量;pj(j=1,2,n)为系统的开环极点为系统的开环极点;zi(i=1,2,m)为系统的开环零点为系统的开环零点;退出退出p 绘制根轨迹的两个条件(续)绘制根轨迹的两个条件(续)由式由式得:得:式式和式和式是负反馈系统根轨迹上每个点都是负反馈系统根轨迹上每个点都应同时满足的两个公式。应同时满足的两
5、个公式。由式由式得:得:退出退出p 绘制根轨迹的两个条件(续)绘制根轨迹的两个条件(续)式式和式和式是正反馈系统根轨迹上每个是正反馈系统根轨迹上每个点都应同时满足的两个关系式。式点都应同时满足的两个关系式。式、式、式称为称为幅值条件幅值条件,式,式、式、式称为称为相角条件相角条件。退出退出p 绘制根轨迹的两个条件(续)绘制根轨迹的两个条件(续)幅值条件和相角条件幅值条件和相角条件是用图解法求系统特征是用图解法求系统特征根的基本关系式,它表明当根的基本关系式,它表明当 s 平面的点在平面的点在同时满足这两个条件时,就是所研究系统在同时满足这两个条件时,就是所研究系统在给定参数值(例如开环增益)下
6、对应的特征给定参数值(例如开环增益)下对应的特征根,所以,在根,所以,在 s 平面上系统的参数平面上系统的参数k k从零到从零到无穷大变化时,凡是满足相角条件的点所构无穷大变化时,凡是满足相角条件的点所构成的图形就是根轨迹图。然后,根据幅值条成的图形就是根轨迹图。然后,根据幅值条件定出这些点所对应的参数值。件定出这些点所对应的参数值。参数参数k k可以是系统的可以是系统的开环增益开环增益,也可以是系也可以是系统的统的其它参量其它参量。退出退出p 绘制根轨迹的基本规则绘制根轨迹的基本规则反馈系统的根轨迹是根据根轨迹方程的相角反馈系统的根轨迹是根据根轨迹方程的相角条件绘制的,但相角条件因为正反馈和
7、负条件绘制的,但相角条件因为正反馈和负反反馈而有两个,于是对应的根轨迹也有两种形馈而有两个,于是对应的根轨迹也有两种形式。按相角条件式式。按相角条件式绘制的根轨迹称为绘制的根轨迹称为180180根轨迹根轨迹,而按照相角条件式,而按照相角条件式绘制的绘制的根轨迹称为根轨迹称为0根轨迹根轨迹。退出退出绘制绘制180180根轨迹的基本规则根轨迹的基本规则(1 1)根轨迹的分支数)根轨迹的分支数根轨迹在根轨迹在s平面上的分支数等于控制系统特征方程平面上的分支数等于控制系统特征方程的阶数的阶数n,换句话说,根轨迹的分支数与闭环极,换句话说,根轨迹的分支数与闭环极点的数目相同。点的数目相同。退出退出(2
8、2)根轨迹的起点与终点)根轨迹的起点与终点根轨迹起始于开环极点,终于开环零点。如果开根轨迹起始于开环极点,终于开环零点。如果开环极点数目环极点数目n 大于开环零点数目大于开环零点数目m 时,则有时,则有 n-m 条根轨迹终止于无穷远处。条根轨迹终止于无穷远处。退出退出(3 3)根轨迹的连续性与对称性)根轨迹的连续性与对称性根轨迹是连续且对根轨迹是连续且对称称于实轴的曲线。于实轴的曲线。退出退出(4 4)实轴上的根轨迹)实轴上的根轨迹实轴上根轨实轴上根轨迹是那些在迹是那些在其右侧的开其右侧的开环实极点数环实极点数与开环实零与开环实零点数的总数点数的总数为奇数的线为奇数的线段。段。简记为简记为“奇
9、是偶不是奇是偶不是”。退出退出(5)根轨迹的渐近线根轨迹的渐近线如果控制系统的开环零点书如果控制系统的开环零点书m 少于开环极点数少于开环极点数n 时,渐近线有时,渐近线有n-m 条,这些渐近线在实轴上交于条,这些渐近线在实轴上交于一点。渐近线与实轴交点坐标为一点。渐近线与实轴交点坐标为 渐近线与实轴正方向的夹角为渐近线与实轴正方向的夹角为 退出退出退出退出做长除法并取高次项,得做长除法并取高次项,得退出退出退出退出 (6 6)根轨迹与实轴的交点(分离点与会合)根轨迹与实轴的交点(分离点与会合点)根轨迹与实轴的交点(分离点与会合点)根轨迹与实轴的交点(分离点与会合点)是当开环传递函数为点)是当
10、开环传递函数为 退出退出根轨迹与实轴的交点是下述方程的根根轨迹与实轴的交点是下述方程的根 (1111)或分离点或分离点d d为下述方程的解为下述方程的解 (1212)说明:说明:说明:说明:若在实轴上两个相邻的开环极点或两个相邻的若在实轴上两个相邻的开环极点或两个相邻的若在实轴上两个相邻的开环极点或两个相邻的若在实轴上两个相邻的开环极点或两个相邻的开环零点之间的区域为根轨迹区间,则在这区间内至开环零点之间的区域为根轨迹区间,则在这区间内至开环零点之间的区域为根轨迹区间,则在这区间内至开环零点之间的区域为根轨迹区间,则在这区间内至少有一个分离点。少有一个分离点。少有一个分离点。少有一个分离点。分
11、离点方程的解并不都是分离点的分离点方程的解并不都是分离点的分离点方程的解并不都是分离点的分离点方程的解并不都是分离点的坐标,若为实分离点,则应位于实轴上的根轨迹区间坐标,若为实分离点,则应位于实轴上的根轨迹区间坐标,若为实分离点,则应位于实轴上的根轨迹区间坐标,若为实分离点,则应位于实轴上的根轨迹区间内,若为复分离点,则应满足内,若为复分离点,则应满足内,若为复分离点,则应满足内,若为复分离点,则应满足2k2k的相角条件。的相角条件。的相角条件。的相角条件。退出退出退出退出退出退出退出退出退出退出(7 7)根轨迹复数极点(或零点)的)根轨迹复数极点(或零点)的出射角(或入射角)出射角(或入射角
12、)根轨迹离开复数极点处的切线方向与实根轨迹离开复数极点处的切线方向与实轴正方向的夹角称为出射角,而其进入轴正方向的夹角称为出射角,而其进入开环复数零点处的切线方向与实轴正方开环复数零点处的切线方向与实轴正方向的夹角称为入射角。向的夹角称为入射角。退出退出退出退出出射角为出射角为 (简记(简记“加零去余极加零去余极”)入射角为入射角为 (简记为(简记为“加极去余零加极去余零”)式中:式中:所考虑的极点的出射;所考虑的极点的出射;所考虑的零点的入射角。所考虑的零点的入射角。退出退出(8 8)根轨迹与虚轴的交点)根轨迹与虚轴的交点根轨迹与虚轴交点说明该系统有部分根是纯虚根轨迹与虚轴交点说明该系统有部
13、分根是纯虚根根 ,因此,将,因此,将 代入代入 特征方程式就可得出实部和虚部方程组:特征方程式就可得出实部和虚部方程组:(1515)从方程组中解出从方程组中解出 就是根轨迹与虚轴交点坐就是根轨迹与虚轴交点坐标,同时还可以求出与此交点相应参数标,同时还可以求出与此交点相应参数 k 的临界的临界值值kc。说明:如果根轨迹与虚轴有交点,则劳斯计算表说明:如果根轨迹与虚轴有交点,则劳斯计算表中必出现全为零行,由辅助方程确定交点,进而中必出现全为零行,由辅助方程确定交点,进而求得求得kc。退出退出(9 9)闭环极点的和与积)闭环极点的和与积设闭环控制系统的特征方程式为设闭环控制系统的特征方程式为 假设它
14、的根为假设它的根为 则则 根据代数方程根与系数间的关系,可得根据代数方程根与系数间的关系,可得退出退出(1010)开环增益)开环增益K 的求取的求取对应根轨迹上每一点系统参数,可按下式计算:对应根轨迹上每一点系统参数,可按下式计算:开环传递函数在绘制根轨迹中的标准式为开环传递函数在绘制根轨迹中的标准式为 退出退出 开环增益的定义为开环增益的定义为 ,得得开环效益可按式(开环效益可按式(1818)到式()到式(2121)按需求求取)按需求求取 退出退出例题:例题:1 1.(教材例教材例4-4)4-4)系统开环传递函数系统开环传递函数 试绘制系统根轨迹。试绘制系统根轨迹。退出退出退出退出解:解:1
15、.1.按规则按规则1 1,由于上述系统的特征方程的最高,由于上述系统的特征方程的最高阶次为四,因此其根轨迹有四个分支。阶次为四,因此其根轨迹有四个分支。2.2.按规则按规则2 2,根轨迹的四个分支起始于四个开,根轨迹的四个分支起始于四个开环极点,即环极点,即当当k时,它们均伸向无穷远。时,它们均伸向无穷远。因为因为,开环零点数开环零点数m0,nm4。3.3.按规则按规则3 3,根轨迹的四个分支连续且对称于,根轨迹的四个分支连续且对称于实轴。实轴。退出退出4.4.作出开环零,极点分布图如图所示。按规则作出开环零,极点分布图如图所示。按规则4 4,对该系统来说,实轴上属于根轨迹的线段,只能对该系统
16、来说,实轴上属于根轨迹的线段,只能是是0 2.73。5.5.按规则按规则5 5,可由式,可由式,即,即 来求根轨迹与实轴的交点,本题只有分离点,用来求根轨迹与实轴的交点,本题只有分离点,用凑试法求得分离点凑试法求得分离点-2.05。退出退出退出退出6.6.按规则按规则6 6,该系统当,该系统当k时,由于时,由于nm4 4,则渐近线共有四条。这些渐近线与实轴正方向则渐近线共有四条。这些渐近线与实轴正方向的夹角由公式的夹角由公式求得为求得为 这些渐近线与实轴这些渐近线与实轴的交点坐标,可由公式:的交点坐标,可由公式:求得,求得,代入已知数据,求得代入已知数据,求得 ,渐近线与实轴,渐近线与实轴的交
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