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第四章 自动控制原理-根轨迹法
4.1 根轨迹法的基本概念 例4-1 某单位负反馈系统的开环传递函数为 图4-1 例4-1的根轨迹 Q1:由图可得什么结论? Q2:高阶系统的根轨迹如何绘制? 根轨迹方程 由根轨迹的定义可知系统的特征方程便是绘制根轨迹的依据。图示系统的特征方程为: 1+G(s)H(s)=1+KP(s)=0 或写作: G(s)H(s)=KP(s)=-1 (4-1) 满足式(4-1)的所有s值都是根轨迹上的点,故方程(4-1)又称为根轨迹方程。 设系统的开环传递函数为: 综上分析,可以得到如下结论: ?相角条件与开环根轨迹增益值K无关。所有满足相角条件点的集合构成系统的根轨迹图。即相角条件是绘制根轨迹的主要依据。 ?幅值条件与开环根轨迹增益K值有关。即K值的变化会改变系统的闭环极点在s平面上的位置。 ?在系数参数全部确定的情况下,凡能满足相角条件和幅值条件的s值,就是对应给定参数的特征根,或系统的闭环极点。 ?由于相角条件和幅值条件只与系统的开环传递函数有关,因此,已知系统的开环传递函数便可绘制出根轨迹图。 4.2 根轨迹的绘制法则 通常,我们把以开环根轨迹增益K为可变参数绘制的根轨迹叫做普通根轨迹(或一般根轨迹),其绘制规则主要有: 根轨迹的起点、终点与分支数; 根轨迹的连续性与对称性; 实轴上的根轨迹; 根轨迹的渐近线; 根轨迹在实轴上的分离点; 根轨迹的起始角(出射角)和终止角(入射角); 根轨迹与虚轴的交点。 Rule 1:根轨迹的起点、终点与分支数 当K=0时闭环极点的位置即根轨迹的起点;而当K=∞时闭环极点的位置即根轨迹的终点。 根轨迹起始于开环极点(起点),终止于开环零点(终点) 根轨迹的分支数即根轨迹的条数。一个特征根(闭环极点)由起点移到终点的轨迹叫做根轨迹的一条分支。显然,分支数=max(n,m),即等于系统的闭环极点数。 Rule 2:根轨迹的连续性和对称性 根轨迹是连续且对称于实轴的曲线。故可以只绘制上(或下)半平面根轨迹! 【为什么】 Rule 4:根轨迹的渐近线 当n>m时,将有n-m条分支终止于无穷远零点并分别趋于各自的渐近线。渐近线与实轴的交点位置sa和与实轴正方向的夹角ja分别为: Rule 5:根轨迹的的分离及会合点 当参数K取某些值时,闭环特征方程出现重根,在根轨迹图上,就是根轨迹分支在该点相遇或分开,分别称为会合点和分离点【分离点与会合点可位于s平面的任何位置】。 设系统的开环传递函数 例: 设系统 试求该系统根轨迹在实轴上的会合点。 解:系统的开环传递函数: 求得: 代入特征方程1+G(s)H(s)=0检验:s1代入,求得: K<0,故舍去; s2代入,求得K>0 。所以s2会合点。 检验K1只要得到的符号即可,不必出具体的数值。 一般来说:如果根轨迹位于实轴上两相邻的开环极点(零点) 之间;则必有分离点(会合点) 。如果根轨迹位于实轴上一个 开环极点与一个开环零点之间,则或者既不存在分离点,也 不存在会合点,或者既存在分离点,又存在会合点。 另外两种表达形式: (1) 因为 令 , 即得到 (2) 因为 即 其中 即 所以 由上面分析可知,根轨迹的分离/会合点,实质上就是系统特征方程的重根,根据代数方程重根存在定理可知: G0’(s)=0 (4-6) 解方程(4-6),即可得特征方程的重根d,如果与重根d对应的根轨迹增益K>0,则此根即为系统的分离或会合点。 式(4-6)还可写为以下的等价形式: Rule 6:根轨迹的起始角与终止角 根据定义,利用相角条件求得复数极点pr处起始角(出射角)qpr和复数零点zq处终止角(入射角) qzq为: Rule 7:根轨迹与虚轴的交点 根轨迹与虚轴的交点就是闭环系统特征方程的纯虚根(实部为零)。这时,用s=jw代入特征方程可得: Re[1+G(jw)H(jw)]=0 Im[1+G(jw)H(jw)]=0 解上述方程组可得根轨迹与虚轴的交点坐标wC以及系统开环根轨迹增益的临界稳定值KC【KC的物理含义是使系统由稳定(或不稳定)变为不稳定(或稳定)的系统开环根轨迹增益的临界值】。它对如何选择合适的系统参数、使系统处于稳定的工作状态有重要意义。 根轨迹绘制规则 根轨迹绘制规则 例4-2:试绘制根轨迹,已知系统的开环传函为 ?在区间[-5,0]存在分离点。分离点d满足方程:K’(s)|s=d=(d+5)(d+10
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