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文档简介
2022/12/22自动控制原理--根轨迹法1§1.绪论部分
由第三章可知,闭环极点完全决定了系统的稳定性,闭环极点和零点则决定了系统的品质。所以,如能确定闭环极点在S平面上的位置,则对控制系统的性能分析则意义重大。由于闭环极点是特征方程的根,随着特征方程阶数的增大,求解困难(试探求法)。而开环传函由简单环节串联组成,零极点易确定,若能用开环极零点确定闭环极点在S平面的位置,并通过调节开环极零点位置改善闭环极零点位置,将使问题更加简单。该方法为:
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法1§1.绪论部分2022/12/22自动控制原理--根轨迹法2
根轨迹法:根据开环极零点分布,当系统某参数由零变到无穷大,绘制出闭环特根在S平面上的相应的变化轨迹,由此来分析,系统的暂态响应,参数对暂态响应的影响,以及系统的综合与校正。这是一种图解方法。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法2根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法3§2.根轨迹法的基本概念与绘制条件
基本概念
根轨迹的绘制条件
根轨迹的分类
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法3§2.根轨迹法2022/12/22自动控制原理--根轨迹法4一、基本概念特征方程:s²+2s+k*=0特征根:例1:单位反馈二阶系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法4一、基本概念特2022/12/22自动控制原理--根轨迹法5
欠阻尼-1-jK*-1-1+jK*-1(1,+∞)↑临界阻尼-1-11过阻尼S2右移〈0S1左移〈0(0,1)↑-200响应闭开S2S1K*2022/12/20自动控制原理--根轨迹法5欠阻尼-1-2022/12/22自动控制原理--根轨迹法6结论:
1、开环传函参数K*影响着闭环极点的分布。
2、随着K*的增大,系统响应经历着过阻尼、等阻尼、欠阻尼。
3、K*与闭环极点,一一对应,进而可分析系统稳定性及其它各项性能指标。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法6结论:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法7二、根轨迹的绘制条件
特征方程:1+Wk(s)=0
根轨迹方程:Wk(s)=-1(*)凡满足(*)式的s都是根轨迹上的点,反之,根轨迹上的点也都满足(*)式。(曲线与方程一一对应关系)则绘制其根轨迹条件应为:
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法7二、根轨迹的绘2022/12/22自动控制原理--根轨迹法8
代入(*)式根:s=δ+jω则有
若用1、幅值条件:2、相角条件:注意:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法8代入(*)式2022/12/22自动控制原理--根轨迹法9
S
L3l1L2L1
β3α1β2β1-P2-Z1-P1P0
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法92022/12/22自动控制原理--根轨迹法10
根轨迹以根轨迹放大系数Kg绘制p110,例4--1或Ⅱ若则根轨道放大倍数与开环放大倍数的关系为:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法10根轨迹以2022/12/22自动控制原理--根轨迹法11
主根轨迹:0<=Kg<∞的根轨迹(180°根轨迹)辅根轨迹:-∞<=Kg<0的根轨迹广义根轨迹:以除Kg外的某一其它系统参数绘制的根轨迹零度根轨迹:幅角条件是±360的根轨迹根轨迹族:几个系统参数同时变化构成的的根轨迹§3.根轨迹的绘制法则一、根轨迹分类:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法11主根轨迹:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法12二、绘制根轨迹的一般法则(*)1根轨迹的起始点和终止点2根轨迹数和它的对称数3实轴上的根轨迹4分离点和会合点5根轨迹的渐近线
6根轨迹出射角和入射角7根轨迹与虚轴交点8根轨迹的走向9放大系数求取值10分离角与会合角
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法12二、绘制根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法131.根轨迹的起始点和终止点
起点
Kg=0,由根轨迹方程(↓)可知起点应从开环极点(或s=-pj)开始
终点
Kg=∞,同理,终点应在s=-zi(开环零点处),有多少个开环极点就有多少个起点,零点也一样,只不过由于n-m>0,所以零点将有n-m个在无穷远处.2022/12/20自动控制原理--根轨迹法131.根轨迹的2022/12/22自动控制原理--根轨迹法142.根轨迹数(分支数)和它的对称数分支数等于开环极点数n(特征方程阶数).由实系数特征方程知,特征根不是实根,就是共轭复根,故根轨迹一定对称于实轴.2022/12/20自动控制原理--根轨迹法142.根轨迹数2022/12/22自动控制原理--根轨迹法15
3.实轴上的根轨迹由轴上某个区段,若它的右侧开环零极点总数为奇数,则该区段为一根轨迹分支由辐角条件可知:特征根S左侧开环零极点对开环传函的幅角没有贡献P112,而右侧的每个开环零极点都引起180°的辐角变化,所以右侧零极点总数为奇数个时恰好能满足辐角条件。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法153.实轴上2022/12/22自动控制原理--根轨迹法16
4.分离点和会合点分离点:由实轴分离进入复平面的点。两极点间会合点:复平面汇合进入实轴上的点。两零点间这时的特征方程出现重根。重根即代表了分离点,会合点的位置(1)解析法设闭环系统特征方程为:法1
,其根为;若有重根将使2022/12/20自动控制原理--根轨迹法164.分离点2022/12/22自动控制原理--根轨迹法17由此可知代入特征方程有:可求出重根:法2实根中的对应的是从零到中最大的,故也可通过对求导求得分离点和会合点。(求后验证)。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法17由此可知2022/12/22自动控制原理--根轨迹法18
验证:由于不存在根轨迹,故不是分离点。而不仅属于[-1,0]且能使,使注:此方法对求复平面上的分离,会合点也有效。例2.试求实轴上的分离点。根轨迹方程即求得2022/12/20自动控制原理--根轨迹法18验证:由于2022/12/22自动控制原理--根轨迹法19(2)图解法:[-p2,-p3]中有一分离点d,满足相角条件:设三阶系统零极点分布图如下图-z2-p3-p2-z1-p1s1jwS1为靠近d轨迹上一点,满足相角条件:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法19(2)图解法2022/12/22自动控制原理--根轨迹法20二式比较得:如上例有更一般的:验证后,d1为真2022/12/20自动控制原理--根轨迹法20二式比较得:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法21
5、根轨迹的渐近线
时系统有n-m条根轨迹趋于无穷远处,成为一条直线,即根轨迹渐近线。(1)倾角:开环有限零极点到无穷远特征根矢量辐角都相等,即由幅角条件
只有n-m个,以后重复出现(2)与实轴交点:开环有限零极点到无穷远处的特征,根Sk的矢量长度相等,对Sk而言开环零极点汇集成一点,即2022/12/20自动控制原理--根轨迹法215、根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法22根轨迹渐近线方程为:Wk(s)=1证明:s→∞时原式趋近于其中即整理上式为:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法22根轨迹渐近线2022/12/22自动控制原理--根轨迹法23
令S=σ+jω代入得于是记为令ω=0则有2022/12/20自动控制原理--根轨迹法23令S=σ+2022/12/22自动控制原理--根轨迹法24
起终点:0,-1,-2,-∞实轴分支:[-1,0][-2,-∞]分离点:σd=-0.422渐近线:σa=(0+(-1)+(-2)-0)/(3-0)=-1,θa=(2k+1)π/(3-0)=60°,180°,300°,-60°例32022/12/20自动控制原理--根轨迹法24起终点:02022/12/22自动控制原理--根轨迹法25
出射角:根轨迹离开开环复极点的切线方向与实轴正向夹角。入射角:根轨迹进入开环复零点的切线方向与实轴正向夹角。6、根轨迹出射角和入射角(1)定义2022/12/20自动控制原理--根轨迹法252022/12/22自动控制原理--根轨迹法26
开环(零)极点-pl,(-zl)附近的根轨迹上取一点s1,则当s1→-pl时,s1与-pl所构成的矢量相角就是-pl的出射角βsc,对应零点为入射角αsr。由相角条件:(2)计算并用代替则
出射角2022/12/20自动控制原理--根轨迹法262022/12/22自动控制原理--根轨迹法27
-zl入射角例4、绘制根轨迹2022/12/20自动控制原理--根轨迹法27-zl入射2022/12/22自动控制原理--根轨迹法28
法一:有特征方程:1+Wk(s)=0有Re(1+Wk(s))=0Im(1+Wk(s))=0若令s=jω代入上二式便可求解ω,Kg.如例2,特征方程为7、根轨迹与虚轴交点:令s=jω代入得2022/12/20自动控制原理--根轨迹法28法一:有特2022/12/22自动控制原理--根轨迹法29
法二:由劳斯表中知,若有根为纯虚根,表中某行全为零。令由辅助方程得:8.根轨迹的走向
当特征方程阶次n-m>=2时,根轨迹呈现发散性质,一些分支右行时,另一些分支必左行,偏向S平面右半部分。这一点可由根的特性说明:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法29法二:由劳2022/12/22自动控制原理--根轨迹法30
9.放大系数求取值由幅值条件,根轨迹上某点放大系数为:特征方程它与开环放大系数的关系为各特征根之和为常数!2022/12/20自动控制原理--根轨迹法309.放大2022/12/22自动控制原理--根轨迹法31
108°36°
-180°-108-36°
10、分离角与汇合角分离角:根轨迹离开分离点的切线方向与实轴正向夹角。汇合角:根轨迹进入汇合点的切线方向与实轴正向夹角。为分离点根轨迹数。例52022/12/20自动控制原理--根轨迹法3110、分离2022/12/22自动控制原理--根轨迹法32解:(1)分支数:4个(2)起点:-p1=0,-p2=-1+j,-p3=-1-j,-p4=-3
终点:全在无穷远处。
(3)实轴上根轨迹:[-3,0]
(4)渐近线例6
绘制根轨迹2022/12/20自动控制原理--根轨迹法32解:(1)分2022/12/22自动控制原理--根轨迹法33matlab绘制根轨迹图2022/12/20自动控制原理--根轨迹法33matlab2022/12/22自动控制原理--根轨迹法34
(5)分离点1/d+1/(d+3)+1/(d+1-j)=0试探得
:(6)出射角
(7)与虚轴交点:由特征方程s(s+3)(s²+2s+2)+k=0代入s=jω得(8)走向(9)放大系数(10)分离角:±90°2022/12/20自动控制原理--根轨迹法34(5)分离2022/12/22自动控制原理--根轨迹法35
例7
绘制右图以Kp为参变量的根轨迹
解:KP(1+0.6s)R(s)Y(s)令Kg=0.6Kp
开环(1)起点,-0.25,-1
终点:-1.67,-∞(2)分支数:2(3)实轴根轨迹:[-1,-0.25],[-∞,-1.67](4)渐近线:(2k-1)π/(2-1)=180°jw2022/12/20自动控制原理--根轨迹法35例72022/12/22自动控制原理--根轨迹法36(5)实轴交点:(6)走向:复平面根轨迹是一以开环零点-1.67为圆心,以-1.67为分离点-0.695的距离为半径的圆证:用s=σ+jω代入特征方程由相角条件:整理后得(σ+1.67)²+ω²=0.9514结论;任意带一开环零点的二阶系统,若复平面存在根轨迹,则它一定是一个以开环零点为圆心的圆或圆的一部分。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法36(5)实轴交2022/12/22自动控制原理--根轨迹法37二阶系统三阶系统具有复极点的四阶系统延迟环节(时滞环节)系统三、典型自控系统根轨迹
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法37二阶系统三2022/12/22自动控制原理--根轨迹法381.二阶系统
其中Kg=Kk/T
标准二阶系统:(1)起终点(2)实轴(3)分离点:-1/2T
(4)渐近线:±90°,-1/2T由(2)式知二阶系统特征根在S平面的位置
WK2022/12/20自动控制原理--根轨迹法381.二阶系统2022/12/22自动控制原理--根轨迹法39
由幅值条件2.开环具有零点二阶系统复平面根轨迹可由幅角条件证明是个圆,这样增加零点改变了系统品质。等ξ线等频线对(1)式若要工程最佳2022/12/20自动控制原理--根轨迹法39由幅值条件2022/12/22自动控制原理--根轨迹法402022/12/20自动控制原理--根轨迹法402022/12/22自动控制原理--根轨迹法41
3.三阶系统
二阶系统再加一个极点
(1)起终点
(2)分支数
(3)实轴上
(4)分离点a=4时
(5)渐近线a=4时
(6)与虚轴交点
结论;二阶系统附加极点Kg↑根轨迹将穿过虚轴系统趋于不稳定2022/12/20自动控制原理--根轨迹法413.三阶系2022/12/22自动控制原理--根轨迹法422022/12/20自动控制原理--根轨迹法422022/12/22自动控制原理--根轨迹法43
(1)起终点,分支数,实轴(2)渐近线:±90°(3)取τd=4T,ξ=1/2作ξ=1/2的阻尼线
与根轨迹交点:
由代数方程:R1+R2+R3=p1=1/T得-R3=-1/(2T)4.开环具有零点三阶系统:
二阶加一极点一零点其中Kg=K/TiT
z1=1/τdp1=1/T2022/12/20自动控制原理--根轨迹法43(1)起终2022/12/22自动控制原理--根轨迹法44线渐进线三阶工程最佳(4)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法44线渐进线三阶2022/12/22自动控制原理--根轨迹法45(1)起终点,分支数,实轴上(2)渐近线φ=-60°,180°,-σk=-1
(3)出射角βsc1=-26.6°(4)与虚轴交点s=±j1.61,(5)由根与系数关系:5.具有复极点的四阶系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法45(1)起终点2022/12/22自动控制原理--根轨迹法46
对系统稳定性不利
(τ!=0滞后时间常数)
根轨迹方程特征根幅值条件:
辐角条件:
特点:特征根无限多个,根轨迹分支数无限多条。6.延迟环节(时滞环节)系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法462022/12/22自动控制原理--根轨迹法47(1)当|τs|很小时
绘制方法同前(2)当|τs|较大时
①起点:–pi,-∞,终点;-zi,+∞
②分支数:无穷多条,对称性:对称于实轴。③实轴上;由ω=0可知绘制规则不变④分离汇合点;仍可按dKg/ds=0计算⑤渐近线:当Kg→∞时σ→∞,所有有限开环零极点到σ的矢量幅角都等于0,故渐近线为水平线。由幅角条件知(2k+1)π-τω=0与虚轴交于ω=(2k+1)π/τ2022/12/20自动控制原理--根轨迹法47(1)当|τ2022/12/22自动控制原理--根轨迹法48⑥出射角与入射角
⑦与虚轴交点:令s=jω由幅角条件求得ωl
当Kg=0时σ→-∞所有有限开环零极点到σ矢量幅角都等于π,故渐近线仍为水平线只是交点由
(2k+1)π-τω=(m-n)π,,|m-n|为奇数,|m-n|为偶数2022/12/20自动控制原理--根轨迹法48⑥出射角2022/12/22自动控制原理--根轨迹法49
⑧复平面上的根轨迹(作图法);
ⅰk=0时如一阶系统jw-1/T或取ω=ω1时,从-1/T点做一倾角为斜线,交于水平线,交点为一特征根,取全ω>0区间得一组特征根并画出一支根轨迹,对称实轴画出另一支2022/12/20自动控制原理--根轨迹法49⑧复平面2022/12/22自动控制原理--根轨迹法50ⅱk=1时,渐近线不同2022/12/20自动控制原理--根轨迹法50ⅱk=2022/12/22自动控制原理--根轨迹法51四、零度根轨迹1,概念:
非最小相位系统:凡是在S平面右半平面有开环零极点的系统,与之相反称为最小相位系统。产生零度根轨迹原因:①非最小相位系统中包含有最高次幂的系数为负的环节②系统中有正反馈内环。幅角条件满足2kπ(k属于Z)的根轨迹称为零度根轨迹。其幅值条件不变。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法51四、零度根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法52绘制规则(与常规根轨迹相比)
①实轴上根轨迹只能出现在其右侧开环零极点总数为偶数的区段上
②渐近线θ=2kπ/(n-m)k=1,2,…,n-m-1③出射角
入射角2022/12/20自动控制原理--根轨迹法52绘制规则(与2022/12/22自动控制原理--根轨迹法53④分离角
其他规则不变,例8汇合角WkR(s)Y(s)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法53④2022/12/22自动控制原理--根轨迹法54例92022/12/20自动控制原理--根轨迹法54例92022/12/22自动控制原理--根轨迹法55五、广义根轨迹它是指以某非Kg作为系统参数变化时得到的根轨迹。具体的做法为:由闭环系统特征方程式KgN(s)+D(s)=1整理出研究的参数根轨迹方程式
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法55五、广义根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法56
关于Ta的根轨迹方程为
则新的开环传函应为5(1+TaS)1/s(5s+1)例10
闭环极点保持不变而零点变了。Ta↑闭环极点左移2022/12/20自动控制原理--根轨迹法56关2022/12/22自动控制原理--根轨迹法57例112022/12/20自动控制原理--根轨迹法57例112022/12/22自动控制原理--根轨迹法58§4.用根轨迹方法分析系统的暂态特性
在根轨迹上确定特征根用根轨迹法分析系统的暂态特性
在根轨迹上由性能指标确定调整参数2022/12/20自动控制原理--根轨迹法58§4.用根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法59一、在根轨迹上确定特征根试探法:已知Kg,先找一试点So求得它的Kgˊ=(L1L2…Ln)/(L1L2…lm),使Kgˊ=kg,便定出So。
n-m<=3系统,先找到实根(实轴上),再用韦达定理去求复根.实根仍要用作图法.
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法59一、在根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法60二、用根轨迹法分析系统的暂态特性
1,闭环主导极点:暂态过程主要决定于离虚轴较近的极点,当极点实部相差5倍以上时,远离虚轴的极点可被忽略.(对零点也适合)2,闭环极点位置变化时对暂态过程的影响(P135①-p1,-p2负实闭环极点②一对复极点,ωn不变ξ变,ξ不变σ不变ωn变)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法60二、用根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法61②θ不变,ωn↑,极点沿失径延伸,|-ξωn|↑加快系统响应速度快速达到稳态阻尼振荡频率①ωn不变,θ=0,ξ=arccosθ对极点汇合于实轴,有实数重根,系统工作在临界阻尼状态,无超调
θ=90°,ξ=0有共轭虚根,等幅振荡.,一对共轭复根,系统衰减振荡θ↓,ξ↑,δ%↓。P135F4_322022/12/20自动控制原理--根轨迹法61②θ不变,ω2022/12/22自动控制原理--根轨迹法62
3,增加开环零点对系统性能的影响:增加开环零点将影响根轨迹形状(见上节),改善了系统稳定性和暂态品质.但将增大超调.
开环零点开环极点4,增加开环极点对系统性能影响:这时将使根轨迹向右偏移.降低了系统稳定性,减小了ξ,增大了ts性能指标下降.5,偶极子对系统性能影响:
偶极子:左边一个零点右边一个极点相距很近,作用相抵消,却可提高开环增益提高稳态精度.
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法623,增加开2022/12/22自动控制原理--根轨迹法63三、在根轨迹上由性能指标确定调整参数
例12
试根据系统根轨迹分析稳定性(阶跃响应)
并计算使闭环主导极点具有ξ=0.5时的Kg值.解:1,画根轨迹如右图2022/12/20自动控制原理--根轨迹法63三、在根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法64
2、稳定性分析①0<Kg<0.385时系统闭环主导极点在负实轴上呈现过阻尼状态(ξ>1)非周期单调上升过程,稳定.②Kg=0.385重实极点临界阻尼状态(ξ=1)稳定③0.385<Kg<6,共轭复极点,欠阻尼状态(0<ξ<1)稳定.④Kg=6,ξ=0共轭虚极点等幅振荡,临界稳定状态.⑤Kg>6有两个闭环极点进入S右半平面(ξ<0),不稳定状态.3、求ξ=0.5时的Kg
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法642、稳定性2022/12/22自动控制原理--根轨迹法654、验证闭环主导极点由特征方程证明是主导极点.②①做等ξ线过原点,θ=60°求出与根轨迹交点(幅角条件)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法654、验证闭环2022/12/22自动控制原理--根轨迹法662022/12/20自动控制原理--根轨迹法662022/12/22自动控制原理--根轨迹法67§1.绪论部分
由第三章可知,闭环极点完全决定了系统的稳定性,闭环极点和零点则决定了系统的品质。所以,如能确定闭环极点在S平面上的位置,则对控制系统的性能分析则意义重大。由于闭环极点是特征方程的根,随着特征方程阶数的增大,求解困难(试探求法)。而开环传函由简单环节串联组成,零极点易确定,若能用开环极零点确定闭环极点在S平面的位置,并通过调节开环极零点位置改善闭环极零点位置,将使问题更加简单。该方法为:
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法1§1.绪论部分2022/12/22自动控制原理--根轨迹法68
根轨迹法:根据开环极零点分布,当系统某参数由零变到无穷大,绘制出闭环特根在S平面上的相应的变化轨迹,由此来分析,系统的暂态响应,参数对暂态响应的影响,以及系统的综合与校正。这是一种图解方法。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法2根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法69§2.根轨迹法的基本概念与绘制条件
基本概念
根轨迹的绘制条件
根轨迹的分类
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法3§2.根轨迹法2022/12/22自动控制原理--根轨迹法70一、基本概念特征方程:s²+2s+k*=0特征根:例1:单位反馈二阶系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法4一、基本概念特2022/12/22自动控制原理--根轨迹法71
欠阻尼-1-jK*-1-1+jK*-1(1,+∞)↑临界阻尼-1-11过阻尼S2右移〈0S1左移〈0(0,1)↑-200响应闭开S2S1K*2022/12/20自动控制原理--根轨迹法5欠阻尼-1-2022/12/22自动控制原理--根轨迹法72结论:
1、开环传函参数K*影响着闭环极点的分布。
2、随着K*的增大,系统响应经历着过阻尼、等阻尼、欠阻尼。
3、K*与闭环极点,一一对应,进而可分析系统稳定性及其它各项性能指标。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法6结论:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法73二、根轨迹的绘制条件
特征方程:1+Wk(s)=0
根轨迹方程:Wk(s)=-1(*)凡满足(*)式的s都是根轨迹上的点,反之,根轨迹上的点也都满足(*)式。(曲线与方程一一对应关系)则绘制其根轨迹条件应为:
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法7二、根轨迹的绘2022/12/22自动控制原理--根轨迹法74
代入(*)式根:s=δ+jω则有
若用1、幅值条件:2、相角条件:注意:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法8代入(*)式2022/12/22自动控制原理--根轨迹法75
S
L3l1L2L1
β3α1β2β1-P2-Z1-P1P0
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法92022/12/22自动控制原理--根轨迹法76
根轨迹以根轨迹放大系数Kg绘制p110,例4--1或Ⅱ若则根轨道放大倍数与开环放大倍数的关系为:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法10根轨迹以2022/12/22自动控制原理--根轨迹法77
主根轨迹:0<=Kg<∞的根轨迹(180°根轨迹)辅根轨迹:-∞<=Kg<0的根轨迹广义根轨迹:以除Kg外的某一其它系统参数绘制的根轨迹零度根轨迹:幅角条件是±360的根轨迹根轨迹族:几个系统参数同时变化构成的的根轨迹§3.根轨迹的绘制法则一、根轨迹分类:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法11主根轨迹:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法78二、绘制根轨迹的一般法则(*)1根轨迹的起始点和终止点2根轨迹数和它的对称数3实轴上的根轨迹4分离点和会合点5根轨迹的渐近线
6根轨迹出射角和入射角7根轨迹与虚轴交点8根轨迹的走向9放大系数求取值10分离角与会合角
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法12二、绘制根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法791.根轨迹的起始点和终止点
起点
Kg=0,由根轨迹方程(↓)可知起点应从开环极点(或s=-pj)开始
终点
Kg=∞,同理,终点应在s=-zi(开环零点处),有多少个开环极点就有多少个起点,零点也一样,只不过由于n-m>0,所以零点将有n-m个在无穷远处.2022/12/20自动控制原理--根轨迹法131.根轨迹的2022/12/22自动控制原理--根轨迹法802.根轨迹数(分支数)和它的对称数分支数等于开环极点数n(特征方程阶数).由实系数特征方程知,特征根不是实根,就是共轭复根,故根轨迹一定对称于实轴.2022/12/20自动控制原理--根轨迹法142.根轨迹数2022/12/22自动控制原理--根轨迹法81
3.实轴上的根轨迹由轴上某个区段,若它的右侧开环零极点总数为奇数,则该区段为一根轨迹分支由辐角条件可知:特征根S左侧开环零极点对开环传函的幅角没有贡献P112,而右侧的每个开环零极点都引起180°的辐角变化,所以右侧零极点总数为奇数个时恰好能满足辐角条件。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法153.实轴上2022/12/22自动控制原理--根轨迹法82
4.分离点和会合点分离点:由实轴分离进入复平面的点。两极点间会合点:复平面汇合进入实轴上的点。两零点间这时的特征方程出现重根。重根即代表了分离点,会合点的位置(1)解析法设闭环系统特征方程为:法1
,其根为;若有重根将使2022/12/20自动控制原理--根轨迹法164.分离点2022/12/22自动控制原理--根轨迹法83由此可知代入特征方程有:可求出重根:法2实根中的对应的是从零到中最大的,故也可通过对求导求得分离点和会合点。(求后验证)。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法17由此可知2022/12/22自动控制原理--根轨迹法84
验证:由于不存在根轨迹,故不是分离点。而不仅属于[-1,0]且能使,使注:此方法对求复平面上的分离,会合点也有效。例2.试求实轴上的分离点。根轨迹方程即求得2022/12/20自动控制原理--根轨迹法18验证:由于2022/12/22自动控制原理--根轨迹法85(2)图解法:[-p2,-p3]中有一分离点d,满足相角条件:设三阶系统零极点分布图如下图-z2-p3-p2-z1-p1s1jwS1为靠近d轨迹上一点,满足相角条件:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法19(2)图解法2022/12/22自动控制原理--根轨迹法86二式比较得:如上例有更一般的:验证后,d1为真2022/12/20自动控制原理--根轨迹法20二式比较得:2022/12/22自动控制原理--根轨迹法87
5、根轨迹的渐近线
时系统有n-m条根轨迹趋于无穷远处,成为一条直线,即根轨迹渐近线。(1)倾角:开环有限零极点到无穷远特征根矢量辐角都相等,即由幅角条件
只有n-m个,以后重复出现(2)与实轴交点:开环有限零极点到无穷远处的特征,根Sk的矢量长度相等,对Sk而言开环零极点汇集成一点,即2022/12/20自动控制原理--根轨迹法215、根轨迹2022/12/22自动控制原理--根轨迹法88根轨迹渐近线方程为:Wk(s)=1证明:s→∞时原式趋近于其中即整理上式为:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法22根轨迹渐近线2022/12/22自动控制原理--根轨迹法89
令S=σ+jω代入得于是记为令ω=0则有2022/12/20自动控制原理--根轨迹法23令S=σ+2022/12/22自动控制原理--根轨迹法90
起终点:0,-1,-2,-∞实轴分支:[-1,0][-2,-∞]分离点:σd=-0.422渐近线:σa=(0+(-1)+(-2)-0)/(3-0)=-1,θa=(2k+1)π/(3-0)=60°,180°,300°,-60°例32022/12/20自动控制原理--根轨迹法24起终点:02022/12/22自动控制原理--根轨迹法91
出射角:根轨迹离开开环复极点的切线方向与实轴正向夹角。入射角:根轨迹进入开环复零点的切线方向与实轴正向夹角。6、根轨迹出射角和入射角(1)定义2022/12/20自动控制原理--根轨迹法252022/12/22自动控制原理--根轨迹法92
开环(零)极点-pl,(-zl)附近的根轨迹上取一点s1,则当s1→-pl时,s1与-pl所构成的矢量相角就是-pl的出射角βsc,对应零点为入射角αsr。由相角条件:(2)计算并用代替则
出射角2022/12/20自动控制原理--根轨迹法262022/12/22自动控制原理--根轨迹法93
-zl入射角例4、绘制根轨迹2022/12/20自动控制原理--根轨迹法27-zl入射2022/12/22自动控制原理--根轨迹法94
法一:有特征方程:1+Wk(s)=0有Re(1+Wk(s))=0Im(1+Wk(s))=0若令s=jω代入上二式便可求解ω,Kg.如例2,特征方程为7、根轨迹与虚轴交点:令s=jω代入得2022/12/20自动控制原理--根轨迹法28法一:有特2022/12/22自动控制原理--根轨迹法95
法二:由劳斯表中知,若有根为纯虚根,表中某行全为零。令由辅助方程得:8.根轨迹的走向
当特征方程阶次n-m>=2时,根轨迹呈现发散性质,一些分支右行时,另一些分支必左行,偏向S平面右半部分。这一点可由根的特性说明:2022/12/20自动控制原理--根轨迹法29法二:由劳2022/12/22自动控制原理--根轨迹法96
9.放大系数求取值由幅值条件,根轨迹上某点放大系数为:特征方程它与开环放大系数的关系为各特征根之和为常数!2022/12/20自动控制原理--根轨迹法309.放大2022/12/22自动控制原理--根轨迹法97
108°36°
-180°-108-36°
10、分离角与汇合角分离角:根轨迹离开分离点的切线方向与实轴正向夹角。汇合角:根轨迹进入汇合点的切线方向与实轴正向夹角。为分离点根轨迹数。例52022/12/20自动控制原理--根轨迹法3110、分离2022/12/22自动控制原理--根轨迹法98解:(1)分支数:4个(2)起点:-p1=0,-p2=-1+j,-p3=-1-j,-p4=-3
终点:全在无穷远处。
(3)实轴上根轨迹:[-3,0]
(4)渐近线例6
绘制根轨迹2022/12/20自动控制原理--根轨迹法32解:(1)分2022/12/22自动控制原理--根轨迹法99matlab绘制根轨迹图2022/12/20自动控制原理--根轨迹法33matlab2022/12/22自动控制原理--根轨迹法100
(5)分离点1/d+1/(d+3)+1/(d+1-j)=0试探得
:(6)出射角
(7)与虚轴交点:由特征方程s(s+3)(s²+2s+2)+k=0代入s=jω得(8)走向(9)放大系数(10)分离角:±90°2022/12/20自动控制原理--根轨迹法34(5)分离2022/12/22自动控制原理--根轨迹法101
例7
绘制右图以Kp为参变量的根轨迹
解:KP(1+0.6s)R(s)Y(s)令Kg=0.6Kp
开环(1)起点,-0.25,-1
终点:-1.67,-∞(2)分支数:2(3)实轴根轨迹:[-1,-0.25],[-∞,-1.67](4)渐近线:(2k-1)π/(2-1)=180°jw2022/12/20自动控制原理--根轨迹法35例72022/12/22自动控制原理--根轨迹法102(5)实轴交点:(6)走向:复平面根轨迹是一以开环零点-1.67为圆心,以-1.67为分离点-0.695的距离为半径的圆证:用s=σ+jω代入特征方程由相角条件:整理后得(σ+1.67)²+ω²=0.9514结论;任意带一开环零点的二阶系统,若复平面存在根轨迹,则它一定是一个以开环零点为圆心的圆或圆的一部分。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法36(5)实轴交2022/12/22自动控制原理--根轨迹法103二阶系统三阶系统具有复极点的四阶系统延迟环节(时滞环节)系统三、典型自控系统根轨迹
2022/12/20自动控制原理--根轨迹法37二阶系统三2022/12/22自动控制原理--根轨迹法1041.二阶系统
其中Kg=Kk/T
标准二阶系统:(1)起终点(2)实轴(3)分离点:-1/2T
(4)渐近线:±90°,-1/2T由(2)式知二阶系统特征根在S平面的位置
WK2022/12/20自动控制原理--根轨迹法381.二阶系统2022/12/22自动控制原理--根轨迹法105
由幅值条件2.开环具有零点二阶系统复平面根轨迹可由幅角条件证明是个圆,这样增加零点改变了系统品质。等ξ线等频线对(1)式若要工程最佳2022/12/20自动控制原理--根轨迹法39由幅值条件2022/12/22自动控制原理--根轨迹法1062022/12/20自动控制原理--根轨迹法402022/12/22自动控制原理--根轨迹法107
3.三阶系统
二阶系统再加一个极点
(1)起终点
(2)分支数
(3)实轴上
(4)分离点a=4时
(5)渐近线a=4时
(6)与虚轴交点
结论;二阶系统附加极点Kg↑根轨迹将穿过虚轴系统趋于不稳定2022/12/20自动控制原理--根轨迹法413.三阶系2022/12/22自动控制原理--根轨迹法1082022/12/20自动控制原理--根轨迹法422022/12/22自动控制原理--根轨迹法109
(1)起终点,分支数,实轴(2)渐近线:±90°(3)取τd=4T,ξ=1/2作ξ=1/2的阻尼线
与根轨迹交点:
由代数方程:R1+R2+R3=p1=1/T得-R3=-1/(2T)4.开环具有零点三阶系统:
二阶加一极点一零点其中Kg=K/TiT
z1=1/τdp1=1/T2022/12/20自动控制原理--根轨迹法43(1)起终2022/12/22自动控制原理--根轨迹法110线渐进线三阶工程最佳(4)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法44线渐进线三阶2022/12/22自动控制原理--根轨迹法111(1)起终点,分支数,实轴上(2)渐近线φ=-60°,180°,-σk=-1
(3)出射角βsc1=-26.6°(4)与虚轴交点s=±j1.61,(5)由根与系数关系:5.具有复极点的四阶系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法45(1)起终点2022/12/22自动控制原理--根轨迹法112
对系统稳定性不利
(τ!=0滞后时间常数)
根轨迹方程特征根幅值条件:
辐角条件:
特点:特征根无限多个,根轨迹分支数无限多条。6.延迟环节(时滞环节)系统2022/12/20自动控制原理--根轨迹法462022/12/22自动控制原理--根轨迹法113(1)当|τs|很小时
绘制方法同前(2)当|τs|较大时
①起点:–pi,-∞,终点;-zi,+∞
②分支数:无穷多条,对称性:对称于实轴。③实轴上;由ω=0可知绘制规则不变④分离汇合点;仍可按dKg/ds=0计算⑤渐近线:当Kg→∞时σ→∞,所有有限开环零极点到σ的矢量幅角都等于0,故渐近线为水平线。由幅角条件知(2k+1)π-τω=0与虚轴交于ω=(2k+1)π/τ2022/12/20自动控制原理--根轨迹法47(1)当|τ2022/12/22自动控制原理--根轨迹法114⑥出射角与入射角
⑦与虚轴交点:令s=jω由幅角条件求得ωl
当Kg=0时σ→-∞所有有限开环零极点到σ矢量幅角都等于π,故渐近线仍为水平线只是交点由
(2k+1)π-τω=(m-n)π,,|m-n|为奇数,|m-n|为偶数2022/12/20自动控制原理--根轨迹法48⑥出射角2022/12/22自动控制原理--根轨迹法115
⑧复平面上的根轨迹(作图法);
ⅰk=0时如一阶系统jw-1/T或取ω=ω1时,从-1/T点做一倾角为斜线,交于水平线,交点为一特征根,取全ω>0区间得一组特征根并画出一支根轨迹,对称实轴画出另一支2022/12/20自动控制原理--根轨迹法49⑧复平面2022/12/22自动控制原理--根轨迹法116ⅱk=1时,渐近线不同2022/12/20自动控制原理--根轨迹法50ⅱk=2022/12/22自动控制原理--根轨迹法117四、零度根轨迹1,概念:
非最小相位系统:凡是在S平面右半平面有开环零极点的系统,与之相反称为最小相位系统。产生零度根轨迹原因:①非最小相位系统中包含有最高次幂的系数为负的环节②系统中有正反馈内环。幅角条件满足2kπ(k属于Z)的根轨迹称为零度根轨迹。其幅值条件不变。2022/12/20自动控制原理--根轨迹法51四、零度根轨2022/12/22自动控制原理--根轨迹法118绘制规则(与常规根轨迹相比)
①实轴上根轨迹只能出现在其右侧开环零极点总数为偶数的区段上
②渐近线θ=2kπ/(n-m)k=1,2,…,n-m-1③出射角
入射角2022/12/20自动控制原理--根轨迹法52绘制规则(与2022/12/22自动控制原理--根轨迹法119④分离角
其他规则不变,例8汇合角WkR(s)Y(s)2022/12/20自动控制原理--根轨迹法53④2022/12/22自动控制原理--根轨迹法120例92022/12/20自动控制原理--根轨迹法54例92022/12/22自动控制原理--根轨迹法121五、
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