自动控制原理与应用根轨迹法.pptx
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1、4.1 4.1 根轨迹与根轨迹方程根轨迹与根轨迹方程4.2 4.2 绘制根轨迹的基本法则绘制根轨迹的基本法则4.3 4.3 控制系统的根轨迹分析法控制系统的根轨迹分析法本章小结本章小结思考题与习题思考题与习题第第4 4章章 根轨迹法根轨迹法第1页/共34页4.1 根轨迹与根轨迹方程根轨迹与根轨迹方程 4.1.1 4.1.1 根轨迹根轨迹 当系统的某个参数变化时,特征方程的根随之在当系统的某个参数变化时,特征方程的根随之在 S S平面上移动,系统的性能也跟着变化。研究平面上移动,系统的性能也跟着变化。研究S S 平面上平面上根的位置随参数变化的规律及其与系统性能的关系是根根的位置随参数变化的规律
2、及其与系统性能的关系是根轨迹分析法的主要内容。轨迹分析法的主要内容。三大分析校正方法之一三大分析校正方法之一系统开环传递函数的某一参数从系统开环传递函数的某一参数从00变化时,闭环变化时,闭环特征根在特征根在s s平面上移动的轨迹,称为根轨迹。一般取平面上移动的轨迹,称为根轨迹。一般取开环增益开环增益K K为可变参数。为可变参数。特点特点:(:(1 1)图解方法,直观、形象。)图解方法,直观、形象。(2 2)适用于研究当系统中某一参数变化时,)适用于研究当系统中某一参数变化时,系统性能的变化趋势。系统性能的变化趋势。(3 3)近似方法,不十分精确。)近似方法,不十分精确。第2页/共34页R(s
3、)C(s)则闭环特征方程0.5s2+s+K=0的特征根为 当当K K=0=0时,时,s s1=01=0,s s2=-22=-2当当K K=0.5=0.5时,时,s s1=-11=-1,s s2=-12=-1当当K K=1=1时,时,s s1=-1+j1=-1+j,s s2=-1-j2=-1-j当当K K时,时,s s1=-1+j1=-1+j,s s2=-1-j2=-1-j第3页/共34页 将以上计算结果标注在将以上计算结果标注在s s平面上,并用平滑曲线将其连接起来,便平面上,并用平滑曲线将其连接起来,便得到得到K K从从00变化时闭环特征根变化时闭环特征根s s1,21,2在在s s平面上移
4、动的轨迹。平面上移动的轨迹。如图所示粗实线,即为该系统的根轨迹。箭头表示如图所示粗实线,即为该系统的根轨迹。箭头表示K K值增加时,根轨迹值增加时,根轨迹的变化趋势。的变化趋势。(1)(1)开环增益开环增益K K从从00变化时,根轨迹均在变化时,根轨迹均在s s平面平面左侧,故闭环系统对所有左侧,故闭环系统对所有K K大于零的值都是稳定大于零的值都是稳定的。的。(2)0(2)0K K0.50.50.5,系统呈欠阻尼状态,阶跃响应具有振荡衰减特系统呈欠阻尼状态,阶跃响应具有振荡衰减特性。性。K K=1=1,系统处于最佳阻尼状态。,系统处于最佳阻尼状态。(3)(3)K K越大,共轭复根离实轴越远。
5、越大,共轭复根离实轴越远。根轨迹图直观反映了参数根轨迹图直观反映了参数K K与特征根的分布与特征根的分布关系,由此可得如下分析结果。关系,由此可得如下分析结果。-1-20K=0j-1-2-1-2SKK-K=0第4页/共34页4.1.24.1.2根轨迹方程根轨迹方程描述闭环特征根随参数描述闭环特征根随参数K K变化的轨迹其关系的闭环特征方程变化的轨迹其关系的闭环特征方程就是根轨迹方程。就是根轨迹方程。开环传递函数分子、分母多项式方程根的因式可表示为开环传递函数分子、分母多项式方程根的因式可表示为(mn)称为开环传递函数的零、极点表达式。式中称为开环传递函数的零、极点表达式。式中z zj j是分子
6、多是分子多项式的根,又称开环零点项式的根,又称开环零点(在在s s平面内用平面内用“”表示表示);p pi i是分母多项式的根,又称开环极点是分母多项式的根,又称开环极点(在在s s平面内用平面内用“”表示表示);K K*称做根轨迹增益称做根轨迹增益(系统开环传递函数中将分子、系统开环传递函数中将分子、分母分母s s多项式最高阶阶系数换算为多项式最高阶阶系数换算为1 1后的总传递系数后的总传递系数),与开环增益与开环增益K K成正比。成正比。第5页/共34页由系统的闭环特征方程由系统的闭环特征方程1+1+G G(s s)H H(s s)=0)=0 可得可得G G(s s)H H(s s)=-1
7、 )=-1 则则:根轨迹上的点都满足该方程,根轨迹上的点都满足该方程,被称为根轨迹方程。被称为根轨迹方程。也可用幅值、相角的形式表示,称为模方程和相方程。也可用幅值、相角的形式表示,称为模方程和相方程。式中:式中:K K=0=0、11、22、从这两个方程可以看出,模方程和增益从这两个方程可以看出,模方程和增益K K*有关,而相方有关,而相方程和增益程和增益K K*无关。所以无关。所以s s平面上的某个点只要满足相方程,平面上的某个点只要满足相方程,则该点必在根轨迹上。因此,相方程是决定则该点必在根轨迹上。因此,相方程是决定s s平面上一点是平面上一点是否在根轨迹上的充分必要条件。否在根轨迹上的
8、充分必要条件。第6页/共34页4.2 4.2 绘制根轨迹基本法则绘制根轨迹基本法则根据根轨迹方程,无需对闭环特征方程式求解,只需根据根轨迹方程,无需对闭环特征方程式求解,只需寻找所有满足相角方程的寻找所有满足相角方程的s s ,便可得到闭环特征方程,便可得到闭环特征方程式根的轨迹。同时,可由幅值方程来确定根轨迹所对式根的轨迹。同时,可由幅值方程来确定根轨迹所对应的应的K K*值。值。根据根轨迹的基本特征和关键点,就能比较方便地近根据根轨迹的基本特征和关键点,就能比较方便地近似绘制出根轨迹曲线。似绘制出根轨迹曲线。根轨迹绘制的基本法则必须满足两个条件:根轨迹绘制的基本法则必须满足两个条件:系统为
9、负系统为负反馈系统;反馈系统;开环增益开环增益K K从从00变化时系统的根轨迹变化时系统的根轨迹(其其他参数变化,经适当变换才可用基本法则他参数变化,经适当变换才可用基本法则)。第7页/共34页绘制根轨迹的基本法则绘制根轨迹的基本法则4.2.34.2.3根轨迹的起点和终点根轨迹的起点和终点4.2.24.2.2根轨迹的对称性根轨迹的对称性4.2.44.2.4实轴上的根轨迹实轴上的根轨迹4.2.54.2.5根轨迹的渐近线根轨迹的渐近线4.2.74.2.7根轨迹的分离点根轨迹的分离点d d 4.2.64.2.6根轨迹的起始角和终止角根轨迹的起始角和终止角4.2.94.2.9根轨迹与虚轴的交点根轨迹与
10、虚轴的交点4.2.104.2.10闭环特征方程根之和闭环特征方程根之和4.2.1 4.2.1 根轨迹的个数根轨迹的个数4.2.84.2.8根轨迹的分离角与会合角根轨迹的分离角与会合角 第8页/共34页4.2.1 4.2.1 根轨迹的个数根轨迹的个数(支路支路数数)法则一法则一:n n阶系统有阶系统有n n条根轨迹条根轨迹 n n阶系统的特征方程有阶系统的特征方程有n n个特征根,当开环增个特征根,当开环增益益K K从从00变化时,变化时,n n个特征根随着变化,在个特征根随着变化,在s s平平面上出现面上出现n n条根轨迹。条根轨迹。即即:根轨迹的条数等于特征方程的阶次,即等根轨迹的条数等于特
11、征方程的阶次,即等于闭环极点数,亦等于开环极点数。于闭环极点数,亦等于开环极点数。4.2.24.2.2根轨迹的对称性根轨迹的对称性法则二法则二:根轨迹对称于实轴根轨迹对称于实轴闭环极点若为实数,则位于闭环极点若为实数,则位于s s平平面实轴上;若为复数则共轭出现,面实轴上;若为复数则共轭出现,所以所以s s平面上的根轨迹必然对称平面上的根轨迹必然对称于实轴于实轴j0s1s2s3s4s5s6第9页/共34页4.2.34.2.3根轨迹的起点和终点根轨迹的起点和终点1.起点起点根轨迹方程:根轨迹方程:则则K=0s=pi 根轨迹起始于开环传递函数的根轨迹起始于开环传递函数的极点极点 即即Krs(s+2
12、)G(s)=例:例:j0-2 p1 p2=K1-j=1m(s-zj)i=1n(s-pi)=j=1m(s-zj)i=1n(s-pi)=0j=1n(s-pi)法则三法则三:根轨迹的起于开环极点,终于开环零点及无穷根轨迹的起于开环极点,终于开环零点及无穷远远(其中其中m条终于开环零点,条终于开环零点,n-m条终于无穷远条终于无穷远)。第10页/共34页2.终点终点s=zjK8=0j=1m(s-zj)m条根轨迹终止于开环传递函数的零点条根轨迹终止于开环传递函数的零点 s8n-m条根轨迹终止于无穷远条根轨迹终止于无穷远根轨迹方程根轨迹方程:=Kr1-j=1m(s-zj)i=1n(s-pi)则则即即另:另
13、:=0j=1m(s-zj)i=1n(s-pi)=0sn-m1j=1m(s-zj)i=1n(s-pi)第11页/共34页4.2.44.2.4实轴上的根轨迹实轴上的根轨迹法则四法则四:实轴上根轨迹所在区段的右侧,开环零、极点实轴上根轨迹所在区段的右侧,开环零、极点数目之和为奇数数目之和为奇数。【例例4.14.1】某负反馈系统的开环传递函数为某负反馈系统的开环传递函数为试绘制实轴上的根轨迹。试绘制实轴上的根轨迹。解:解:(1)5(1)5阶系统有阶系统有5 5条根轨迹;条根轨迹;(2)(2)根轨迹必对称于实轴;根轨迹必对称于实轴;(3)(3)系统开环极点为:系统开环极点为:p1=p2=0,p3=-2,
14、p4=-5,p5=-10;开环零开环零点为:点为:z1 1=-1。5条根轨迹分别起于条根轨迹分别起于p1,p2,p3,p4,p5,终于终于z1 1及无穷远。及无穷远。第12页/共34页(4)(4)区间区间 2 2,11右侧开环零、极点个数之和为右侧开环零、极点个数之和为3 3,区间,区间-10-10,-5-5右侧开环零、极点个数之和为右侧开环零、极点个数之和为5 5,故实轴上的根,故实轴上的根轨迹在上述两区间,如图所示。轨迹在上述两区间,如图所示。实轴上某些开区间的右侧,开环零、极点个数之和实轴上某些开区间的右侧,开环零、极点个数之和为奇数,则该段实轴必为根轨迹。通过此法则,可为奇数,则该段实
15、轴必为根轨迹。通过此法则,可以很快确定在以很快确定在s s平面的实轴上哪些区段有根轨迹。平面的实轴上哪些区段有根轨迹。第13页/共34页4.2.54.2.5根轨迹的渐近线根轨迹的渐近线法则五法则五:根轨迹的渐近线的方位。根轨迹的渐近线的方位。如果系统开环零点数如果系统开环零点数m m小于开环极点数小于开环极点数n n,则趋于无穷远,则趋于无穷远的应有的应有n-m条,条,这些趋于无穷远的根轨迹的方位,由渐近这些趋于无穷远的根轨迹的方位,由渐近线的两个参数线的两个参数渐近线的倾角和渐近线与实轴的交点渐近线的倾角和渐近线与实轴的交点来确定。来确定。(1)(1)渐近线的倾角:是指渐近线与实轴正方向的夹
16、角渐近线的倾角:是指渐近线与实轴正方向的夹角(用用a a表示表示)。a(2)(2)渐近线与实轴的交点渐近线与实轴的交点(用用a a表示表示)。第14页/共34页趋于无穷远的根轨迹的渐近线由下式确定趋于无穷远的根轨迹的渐近线由下式确定渐近线与实轴的夹角渐近线与实轴的夹角:渐近线与实轴的交点渐近线与实轴的交点:K=0,1,2,3nj=1mi=1n-m=pj-zi+n-m(2k+1)=第15页/共34页例例 已知系统的开环传递函数,试确定已知系统的开环传递函数,试确定 系统的根轨迹图。系统的根轨迹图。s(s+1)(s+2)KG(s)H(s)=解:解:1)开环零、极点:开环零、极点:2)实轴上的根轨迹
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- 自动控制 原理 应用 轨迹
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