自动控制原理-第4章-课件.pptx
《自动控制原理-第4章-课件.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自动控制原理-第4章-课件.pptx(58页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、4.1 根轨迹法的基本概念 一一根轨迹图根轨迹图根根轨轨迹迹简简称称根根迹迹,它它是是开开环环系系统统某某一一参参数数由由零零变变化化到到无无穷穷大大时时,闭闭环环系系统统特特征征方方程程的的根根(即即闭闭环环极极点点)在在S S平平面面上上变变化化的的轨轨迹。迹。例例4-1 4-1 已知一单位负反馈系统的开环传递已知一单位负反馈系统的开环传递函数为函数为试分析该系统的特征方程的根随系统参数试分析该系统的特征方程的根随系统参数KrKr 的变化在的变化在s s平面上的分布情况。平面上的分布情况。第1页/共58页 解解 系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数系统的特征方程为特征方程的根是设Kr的变化
2、范围是0,,当 时,;当 时,与 为不相等的两个负实根;当 时,为等实根;第2页/共58页 该系统特征方程的根随开环系统参数该系统特征方程的根随开环系统参数 从零从零变到无穷时在变到无穷时在S S平面上变化的轨迹如图平面上变化的轨迹如图4-14-1所示。所示。当当1 1 11时时,特特征征方方程程有有一一对对共共轭轭复复根根,系系统统为为欠欠阻阻尼尼系系统统,单单位位阶阶跃跃响响应应为为阻阻尼尼振振荡荡过过程程,振振荡荡幅幅度度或或超超调调量量随随KrKr值值的的增增加加而而加加大大,但但调调节节时时间间不不会会有显著变化。有显著变化。第6页/共58页由由根根轨轨迹迹可可见见:KrKr值值的的
3、变变化化对对闭闭环环系系统统特特征征方方程程的的影影响,系统参数对系统性能的影响。响,系统参数对系统性能的影响。上上例例中中,根根轨轨迹迹图图是是用用解解析析法法作作出出的的,二二阶阶系系统统易易于于用用解解析析法法求求解解,但但求求解解高高阶阶系系统统特特征征方方程程的的根根就就较较为为困困难难。若若要要研研究究高高阶阶系系统统参参数数的的变变化化对对闭闭环环系系统统特特征征方程根的影响,需进行大量反复的计算。方程根的影响,需进行大量反复的计算。19481948年年伊伊文文斯斯(WREVANSWREVANS)解解决决了了这这个个问问题题,提提出出了了根根轨轨迹迹法法。该该方方法法是是根根据据
4、系系统统的的开开、闭闭环环传传递递函函数数之之间间的的关关系系,根根据据一一些些准准则则,直直接接由由开开环环传传递递函函数数的零、极点求出闭环极点(闭环特征根)。的零、极点求出闭环极点(闭环特征根)。第7页/共58页三、闭环零、极点与开环零、极点之间的关系三、闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 通通常常系系统统的的开开环环零零、极极点点是是已已知知的的,因因此此建建立立开开环环零零、极极点点与与闭闭环环零零、极极点点之之间间的的关关系系,有有助助于于闭闭环环系系统根轨迹的绘制。统根轨迹的绘制。设控制系统如图设控制系统如图4-24-2所示,其闭环传递函数为所示,其闭环传递函数为 图图4-2
5、4-2 控制系统控制系统第8页/共58页前前 向向 通通 路路 传传 递递 函函 数数G(s)G(s)前向通路增益前向通路根轨迹增益反馈通路增益反馈通路根轨迹增益反馈通路传递函数反馈通路传递函数H(s)H(s)第9页/共58页系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为 为开环系统的根轨迹增益;为开环系统的根轨迹增益;为开环系统的极点数。为开环系统的极点数。为开环系统的零点数,为开环系统的零点数,将式(将式(4-24-2)和()和(4-44-4)代入()代入(4-14-1)可得)可得 第10页/共58页比较式(比较式(4-44-4)和式()和式(4-54-5),可得以下结论:),可得以下结论:(1
6、)(1)闭闭环环系系统统根根轨轨迹迹增增益益,等等于于开开环环系系统统前前向向通通路根轨迹增益。路根轨迹增益。(2)(2)闭闭环环零零点点由由开开环环前前向向通通路路传传递递函函数数的的零零点点和和反反馈馈通通路路传传递递函函数数的的极极点点组组成成;对对于于单单位位反反馈系统闭环零点就是开环零点。馈系统闭环零点就是开环零点。(3)(3)闭闭环环极极点点与与开开环环零零点点、开开环环极极点点以以及及根根轨轨迹迹增益增益 均有关。均有关。第11页/共58页 根根轨轨迹迹法法的的基基本本任任务务在在于于:如如何何由由已已知知的的开开环环零零、极极点点的的分分布布及及根根轨轨迹迹增增益益,通过图解的
7、方法找出闭环极点通过图解的方法找出闭环极点,并根据闭环极点的分布对系统性能进行分析。并根据闭环极点的分布对系统性能进行分析。第12页/共58页根轨迹是系统所有闭环极点的集合。根轨迹是系统所有闭环极点的集合。系统的闭环特征方程为系统的闭环特征方程为即即 根轨迹方程是向量方程,可用模和相角的形式表示根轨迹方程是向量方程,可用模和相角的形式表示4 4、根轨迹方程第13页/共58页设系统的开环传递函数为设系统的开环传递函数为模值条件模值条件相角条件相角条件第14页/共58页 综上分析,可以得到如下结论:综上分析,可以得到如下结论:绘绘制制根根轨轨迹迹的的相相角角条条件件与与系系统统开开环环根根轨轨迹迹
8、增增益益 值值 的的大大小小无无关关。即即在在s s平平面面上上,所所有有满满足足相相角角条条件件点点的的集集合合构构成成系系统统的的根根轨轨迹迹图图。即即相相角角条条件件是是绘绘制制根根轨轨迹迹的的充充分必要条件分必要条件 。绘绘制制根根轨轨迹迹的的模模值值条条件件与与系系统统开开环环根根轨轨迹迹增增益益K K*值值的的大大小小有有关关。即即K K*值值的的变变化化会会改改变变系系统统的的闭闭环环极极点点在在s s平平面上的位置。面上的位置。若若系系数数参参数数全全部部确确定定,则则凡凡能能满满足足相相角角条条件件和和模模值值条条件件的的s s值值,就就是是对对应应给给定定参参数数的的特特征
9、征根根,或或系系统统的的闭闭环极点。环极点。由由于于相相角角条条件件和和模模值值条条件件只只与与系系统统的的开开环环传传递递函函数数有有关关,因因此此,已已知知系系统统的的开开环环传传递递函函数数便便可可绘绘制制出出根根轨轨迹图。迹图。第15页/共58页一、常规根轨迹的绘制法则一、常规根轨迹的绘制法则以以开开环环根根轨轨迹迹增增益益K K*为为可可变变参参数数绘绘制制的的根根轨轨迹迹叫叫做做普普通通根轨迹根轨迹(或一般根轨迹)。(或一般根轨迹)。绘制普通根轨迹的基本规则主要有绘制普通根轨迹的基本规则主要有7 7条:条:根轨迹的起点与终点;根轨迹的起点与终点;根轨迹的分支数;根轨迹的分支数;实轴
10、上的根轨迹;实轴上的根轨迹;根轨迹的渐近线;根轨迹的渐近线;根轨迹在实轴上的分离点;根轨迹在实轴上的分离点;根轨迹的起始角和终止角;根轨迹的起始角和终止角;1.1.根轨迹与虚轴的交点。根轨迹与虚轴的交点。4.2 常规根轨迹的绘制法则常规根轨迹的绘制法则第16页/共58页 规则一规则一 根轨迹的起点和终点。根轨迹的起点和终点。第17页/共58页结论:结论:根轨迹起始于开环极点(根轨迹起始于开环极点(K K*=0=0),终止于开环零点(),终止于开环零点(K K*);如果如果nmnm,则有,则有n-mn-m条根轨迹终止于条根轨迹终止于s s平面的无穷远处平面的无穷远处(无限零点无限零点),如果如果
11、 nmn m m时时,系系统统有有n-mn-m条条根根轨轨迹迹终终止止于于S S平平面面的的无无穷穷远远处处,这这n-mn-m条条根根轨轨迹迹变变化化趋趋向向的的直直线线叫叫做做根轨迹的渐近线。根轨迹的渐近线。渐近线有渐近线有n-mn-m条,且它们交于实轴上的一点。条,且它们交于实轴上的一点。渐近线与实轴的渐近线与实轴的交点位置交点位置 和与和与实轴正方向实轴正方向的交的交角角 分别为分别为第20页/共58页 在例在例4-14-1中,开环传递函数为中,开环传递函数为 开环极点数开环极点数n=2,n=2,开环零点数开环零点数m=0,n-m=2,m=0,n-m=2,两条渐两条渐近线在实轴上的交点位
12、置为近线在实轴上的交点位置为它们与实轴正方向的交角分别为它们与实轴正方向的交角分别为 和和 ,两条渐近线正好与,两条渐近线正好与 时的根轨迹重合。时的根轨迹重合。第21页/共58页例例4-2 4-2 已知单位负反馈系统的开环传递函数已知单位负反馈系统的开环传递函数为为 试画出该系统根轨迹的渐近线。试画出该系统根轨迹的渐近线。解解 对对于于该该系系统统有有n=4n=4,m=1m=1,n-m=3n-m=3;三三条条渐近线与实轴交点位置为渐近线与实轴交点位置为 它们与实轴正方向的交角分别是它们与实轴正方向的交角分别是第22页/共58页图4-3 根轨迹的渐近线第23页/共58页 规则四规则四 实轴上的
13、根轨迹实轴上的根轨迹 实实轴轴上上某某一一区区域域,若若其其右右边边开开环环零零、极极点点的的个个数数之之和和为为奇奇数数,则则该该区区域域是是实实轴轴上上的的根轨迹。根轨迹。第24页/共58页分离点的坐标分离点的坐标d d是下列方程的解是下列方程的解 式中,式中,Z Zj j为开环零点的值,为开环零点的值,P Pi i为开环极点的值。为开环极点的值。当开环系统无有限零点时,应取当开环系统无有限零点时,应取 。此时,分离点方程即为此时,分离点方程即为只有那些在根轨迹上的解才是根轨迹的分离点。只有那些在根轨迹上的解才是根轨迹的分离点。规则五规则五 根轨迹的分离点与分离角根轨迹的分离点与分离角 分
14、离点:分离点:两条或两条以上根轨迹两条或两条以上根轨迹分支在分支在s s平面上相遇又立即分开平面上相遇又立即分开的点,称为根轨迹的分离点。的点,称为根轨迹的分离点。第25页/共58页26分离角为分离角为分离角:根轨迹进入分离点的切线方向与离开分离角:根轨迹进入分离点的切线方向与离开分离点的切线方向之间的夹角。分离点的切线方向之间的夹角。l 为根轨迹进入并离开分离点的分支数,一般为根轨迹进入并离开分离点的分支数,一般l=2,分离角为直角。分离角为直角。第26页/共58页常见的根轨迹分离点是位于实轴上两条根轨迹分常见的根轨迹分离点是位于实轴上两条根轨迹分支的分离点。支的分离点。若根轨迹位于实轴上两
15、个相邻的开环极点之间若根轨迹位于实轴上两个相邻的开环极点之间(其中一个可以是无限极点),则在这两个极点(其中一个可以是无限极点),则在这两个极点之间至少存在一个分离点;若根轨迹位于实轴上之间至少存在一个分离点;若根轨迹位于实轴上两个相邻的开环零点之间(其中一个可以是无限两个相邻的开环零点之间(其中一个可以是无限零点),则在这两个零点之间也至少有一个分离零点),则在这两个零点之间也至少有一个分离点。如点。如图图4-54-5上的分离点上的分离点d d1 1和和d d2 2 。分离点也可能以共轭形式成对出现在复平面上,分离点也可能以共轭形式成对出现在复平面上,如如图图4-64-6中的分离点中的分离点
16、A A和和B B。第27页/共58页图4-5 实轴上根轨迹的分离点 图4-6 复平面上的分离点 第28页/共58页例例4-4 4-4 已知单位负反馈系统的开环传递函数为已知单位负反馈系统的开环传递函数为试求出系统根轨迹与实轴的交点。试求出系统根轨迹与实轴的交点。解:本系统无有限开环零点,解:本系统无有限开环零点,可得可得 或令或令 解出解出 由规则四知,实轴上的根轨迹为由规则四知,实轴上的根轨迹为-1-1到到-2-2线段和线段和-3-3到到-线段。线段。不在上述两线段上,应舍去。不在上述两线段上,应舍去。是实轴根轨迹上的点,所以是根轨迹在实是实轴根轨迹上的点,所以是根轨迹在实轴上的分离点。轴上
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动控制 原理 课件
限制150内