物理根轨迹分析学习教案.pptx
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1、会计学1物理物理(wl)根轨迹分析根轨迹分析第一页,共69页。4-1 根轨迹(guj)的基本概念一.根轨迹的定义:1、定义:当系统某个参数变化时,闭环特征根在 s 平面(pngmin)上移动的轨迹。2、根轨迹法:根轨迹法是在已知系统的开环零、极点条件下,绘制出系统闭环特征根在 s 平面(pngmin)上随参数变化时运动的轨迹。第第4章章 根轨迹根轨迹(guj)第1页/共69页第二页,共69页。4-1 根轨迹(guj)的基本概念例例1:已知如图已知如图 系统系统(xtng).R(s)C(s)-第第4章章 根轨迹根轨迹(guj)其中,K为开环放大系数,Kg叫根轨迹增益,Kg=2K。可见:开环传递函
2、数的极点是:-p1=0,-p2=2,没有 零点。解:系统开环传函:第2页/共69页第三页,共69页。Kg01/41/2125 s10-0.13-0.29-1-1+j-1+2j -1+j s2-2-1.866-1.707-1-1-j-1-2j-1-j 根轨迹根轨迹(guj)(guj)的基本概念的基本概念(续续)第第4章章 根轨迹根轨迹(guj)闭环传函:特征方程:特征(tzhng)根:Kg由0 时时描点法第3页/共69页第四页,共69页。j0123-11p1p2根轨迹根轨迹(guj)的基本概念的基本概念(续续)2-2可见:根轨迹图全面可见:根轨迹图全面(qunmin)的描的描述了述了K对对S1,
3、2分布的影响。分布的影响。第4页/共69页第五页,共69页。(1 1)KgKg从从根轨迹均在根轨迹均在 s s 左半平面,所以系统对左半平面,所以系统对 所有所有(su(su y y u)u)的的KgKg值都稳定。值都稳定。(2 2)0 0KgKg1 1,特征根为实数,过阻尼,无超调。,特征根为实数,过阻尼,无超调。(3 3)Kg=1Kg=1,特征根为重实数,临界阻尼,也无超调。,特征根为重实数,临界阻尼,也无超调。(4 4)KgKg1 1,共轭复数根,欠阻尼,衰减振荡。,共轭复数根,欠阻尼,衰减振荡。(5 5)在)在GkGk中,有一个零值极点,系统为中,有一个零值极点,系统为1 1 型,阶跃
4、型,阶跃 下下essess0 0。根轨迹根轨迹(guj)的基本概念的基本概念(续续)这种方法虽直观(zhgun),但高阶系统先求特征根再画根轨迹不太现实,应通过闭环特征方程找特征根。第5页/共69页第六页,共69页。绘制根轨迹的实质还是寻找绘制根轨迹的实质还是寻找(xnzh(xnzh o)o)特征方程特征方程1+GK=01+GK=0的的 根,所以满足根,所以满足GK(s)=-1GK(s)=-1的的s s值,都必定在根轨值,都必定在根轨 迹上,则根轨迹方程为:迹上,则根轨迹方程为:GK(s)=-1.GK(s)=-1.由于由于GK(s)GK(s)是复数是复数s s的函数的函数(hnsh)(hnsh
5、),故上式为一矢量方程,故上式为一矢量方程二、根轨迹二、根轨迹(guj)方程:方程:第6页/共69页第七页,共69页。幅值方程幅值方程(fngc(fngchng)hng):相角相角(xin jio)方程:方程:根轨迹根轨迹(guj)的基本概念的基本概念(续续)相角方程是决定闭环根轨迹的充要条件。相角方程是决定闭环根轨迹的充要条件。确定根轨迹上某点对应的Kg值确定某点是否是根轨迹上的点第7页/共69页第八页,共69页。例2:单位(dnwi)反馈系统的 ,试判断s1(-1,j1)、s2(-0.5,-j1)是否是根轨迹上的点。幅值条件幅值条件(tiojin)和相角条件和相角条件(tiojin)的应用
6、的应用解解:系统开环极点(jdin)为:-p1=0,-p2=-1无开环零点。由相角方程得:故s1不是根轨迹上的点。第8页/共69页第九页,共69页。例2:单位(dnwi)反馈系统的 ,试判断s1(-1,j1)、s2(-0.5,-j1)是否是根轨迹上的点。幅值条件幅值条件(tiojin)和相角条和相角条件件(tiojin)的应用的应用解解:由相角(xin jio)方程得:故s2是根轨迹上的点。第9页/共69页第十页,共69页。例3:求上例中 s2(-0.5,-j1)对应(duyng)的Kg值。幅值条件和相角幅值条件和相角(xin jio)条条件的应用件的应用解解:由幅值方程(fngchng)得:
7、第10页/共69页第十一页,共69页。4-2 绘制根轨迹的基本(jbn)法则1 1、根轨迹的连续性、根轨迹的连续性根轨迹是连续变化的曲线或直线根轨迹是连续变化的曲线或直线(zhxin)(zhxin)2 2、根轨迹的对称性、根轨迹的对称性根轨迹位于复平面实轴或对称于实轴根轨迹位于复平面实轴或对称于实轴3 3、根轨迹的分支数、根轨迹的分支数根轨迹的分支数等于系统阶数根轨迹的分支数等于系统阶数4 4、根轨迹的起点与终点、根轨迹的起点与终点起点:起点:n n个开环极点个开环极点终点:终点:m m个开环零点和个开环零点和n-mn-m个无穷大零点个无穷大零点第11页/共69页第十二页,共69页。证明证明(
8、zhngmng)(zhngmng):根轨迹的起点是指:根轨迹的起点是指Kg=0Kg=0的根轨迹点,而的根轨迹点,而终点终点 是指是指KgKg的根轨迹点。的根轨迹点。1)当)当Kg=0时,有时,有s=-pi;则根轨迹则根轨迹(guj)必起始于开环极点。必起始于开环极点。绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)第12页/共69页第十三页,共69页。2 2)当)当KgKg时,即终止于开环零点或无穷时,即终止于开环零点或无穷(wqing)(wqing)远处。远处。绘制根轨迹的基本绘制根轨迹的基本(jbn)(jbn)法则法则(续续)第13页/共69页第十四页,共69页。5、实
9、轴上的根轨迹(guj):实轴上根轨迹(guj)区段的右侧,实轴上的开环零、极点数目之和应为奇数。绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)第14页/共69页第十五页,共69页。6、根轨迹的渐近线:若nm,当Kg时,有(n-m)条趋于无穷远 处,它们趋向(qxing)的方位由渐近线决定:渐近线与实轴正方向渐近线与实轴正方向(fngxing)(fngxing)夹角:夹角:(k k=0,1,2,=0,1,2,n n-m m)渐近线与实轴交点渐近线与实轴交点(jiodin)的坐标:的坐标:绘制根轨迹的基本法则绘制根轨迹的基本法则(续续)第15页/共69页第十六页,共69页。有
10、有3 3条趋于无穷条趋于无穷(wqing)(wqing)远处远处;例例 1:已知:已知 求渐近线求渐近线.绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)渐近线方位角:渐近线截距:第16页/共69页第十七页,共69页。7 7、根轨迹的分离、根轨迹的分离(fnl)(fnl)点点(汇合点汇合点)及分离及分离(fnl)(fnl)角:角:几条根轨迹在几条根轨迹在s s平面上相遇又分开平面上相遇又分开-汇合点或分离汇合点或分离(fnl)(fnl)点。点。绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)若根轨迹位于实轴上两相邻开环极点间则至少有一个(y)分离点(包括
11、无穷远的极点);若根轨迹位于实轴上两相邻开环零点间则至少有一个(y)汇合点(包括无穷远的点);由于根轨迹的对称性,分离点多位于实轴上,也可能是一些共轭点(此情况少)。第17页/共69页第十八页,共69页。分离点的计算分离点的计算(j sun)(j sun):绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)则点第18页/共69页第十九页,共69页。2 2、极值法:在分离点、极值法:在分离点sdsd的的Kg(d)Kg(d)值不是值不是(b shi)(b shi)过阻尼的极过阻尼的极大值就是欠阻尼的极小值或相反。大值就是欠阻尼的极小值或相反。可见可见(kjin):与重根法结果相同
12、。:与重根法结果相同。绘制根轨迹的基本绘制根轨迹的基本(jbn)(jbn)法则法则(续续)第19页/共69页第二十页,共69页。3 3、牛顿、牛顿(ni dn)(ni dn)余数定理法余数定理法 绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)2 2、分析根轨迹,找出一个试探点、分析根轨迹,找出一个试探点s s1 1;第20页/共69页第二十一页,共69页。绘制根轨迹绘制根轨迹(guj)(guj)的基本法则的基本法则(续续)点。点。重根法或极值(j zh)法第21页/共69页第二十二页,共69页。绘制根轨迹的基本绘制根轨迹的基本(jbn)(jbn)法则法则(续续)牛顿(ni
13、 dn)余数定理法判断(pndun)是否为分离点的两方法:(1)作图,舍弃不在根轨迹上的点;(2)带入特征方程,舍弃令Kg=2时,闭环极点之和=开环极点之和=常数(chngsh)。且与Kg无关。闭环极点(jdin)的和与积(续)第31页/共69页第三十二页,共69页。因此,Kg时(或Kg时),若一部分闭环极点在 s平面上向右移(yu y),则另一部分闭环极点必向左移;对于任一Kg,闭环极点之和保持不变。(用以判断 根轨迹在s平面上的走向)。应用:在n-m2时(1)根之和可以确定根轨迹走向,且在已知部分闭环极点时,用来(yn li)求其余的闭环极点。(2)根之积用来(yn li)求对应的Kg值。
14、闭环极点(jdin)的和与积(续)第32页/共69页第三十三页,共69页。闭环极点(jdin)的和与积(续)或第33页/共69页第三十四页,共69页。4 3 控制系统(kn zh x tn)根轨迹的绘制例4-15 已知系统(xtng)开环传函为试绘制Kg由0+变化时的根轨迹草图解(1)系统有4个开环极点:无开环零点(ln din),即n=4,m=0,有4条根轨迹分支。(2)实轴上的根轨迹区域为-3 0(3)n-m=4,故有4条渐近线,其截距和夹角分别为:第34页/共69页第三十五页,共69页。4 3 控制系统(kn zh x tn)根轨迹的绘制(4)根轨迹(guj)在实轴上的分离点(5)根轨迹
15、(guj)在开环极点-p3,4处的岀射角为:(6)根轨迹与虚轴之交点令实部虚部等于0得:第35页/共69页第三十六页,共69页。结论:当系统仅有两个开环极点-p1、-p2和一个开环零点-z时,其根轨迹要么是直线要么是圆弧;且圆弧的圆心 (-z,0),半径控制系统控制系统(kn zh x tn)根轨迹的绘制(续)根轨迹的绘制(续)例例4-16:已知:已知画根轨迹。画根轨迹。解解(1)系统有两个开环极点)系统有两个开环极点 0,-2,一个,一个(y)开环零点开环零点-4;(2)实轴上的根轨迹)实轴上的根轨迹(guj)区:区:-2,0,(-,-4;第36页/共69页第三十七页,共69页。控制系统根轨
16、迹控制系统根轨迹(guj)的绘制(续)的绘制(续)例例4-16:已知:已知画根轨迹画根轨迹(guj)。(3)平面上的轨迹是圆,圆心为平面上的轨迹是圆,圆心为(-4,0),半半径为径为 根轨迹根轨迹(guj)如右图所示,可知它与实轴的两分离点为:如右图所示,可知它与实轴的两分离点为:第37页/共69页第三十八页,共69页。二、参量二、参量(cnling)(cnling)根轨根轨迹迹l l参量根轨迹定义:参量根轨迹定义:l l在控制系统中,除开环增益在控制系统中,除开环增益(zngy)Kg(zngy)Kg和开环放大系数和开环放大系数K K以外,以外,其它参量变化时绘制出的根轨迹被称为参量根轨迹。其
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