自控控制原理第4章课件.ppt
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- 自控 控制 原理 课件
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1、第四章第四章 控制系统根轨迹分析法控制系统根轨迹分析法第一节第一节 根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念第二节第二节 绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则第三节第三节 系统根轨迹的绘制系统根轨迹的绘制第四节第四节 参量根轨迹参量根轨迹第五节第五节 系统性能的根轨迹分析系统性能的根轨迹分析1第一节第一节 根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念一、问题的提出一、问题的提出 在前一章控制系统的时域分析的讨论中已经知道,只要在前一章控制系统的时域分析的讨论中已经知道,只要能求得系统微分方程的特征方程的根即系统闭环传递函数的极能求得系统微分方程的特征方程的根即系统闭环传递函数的极点,则系统
2、的稳定性和动态性能就可以确定。但是在高阶系统点,则系统的稳定性和动态性能就可以确定。但是在高阶系统中,求解特征根的根是一件很困难的事,在实际工作中难以应中,求解特征根的根是一件很困难的事,在实际工作中难以应用。用。1948年伊文思根据反馈系统开环和闭环传递函数之间的年伊文思根据反馈系统开环和闭环传递函数之间的关系,提出了求解特征方程根的图解方法关系,提出了求解特征方程根的图解方法根轨迹法。根轨根轨迹法。根轨迹法是分析、设计线性定常系统的一种图解方法。迹法是分析、设计线性定常系统的一种图解方法。2 二、根轨迹的概念二、根轨迹的概念 定义定义:G:Gk k(s)(s)的某个参数由的某个参数由0 0
3、时,系统的闭环特征根在时,系统的闭环特征根在S S平面上的变化轨迹。平面上的变化轨迹。例例 已知系统的结构图如下图所示,请绘出已知系统的结构图如下图所示,请绘出K K由由0 0时的时的根轨迹。根轨迹。R(s)2(ssK-Y(s)根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念3解解:闭环传递函数为:闭环传递函数为 系统特征方程为系统特征方程为 KsKsssDKssKssKssKs1102)(2)2(1)2()(2,122K01/2123s10-0.29-1-1+j-1+2j-1+js2-2-1.7-1-1-j-1-2j-1-jj根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念4有了根轨迹图,可以立即分析系统的各种性能有了根轨
4、迹图,可以立即分析系统的各种性能(1 1)稳定性稳定性 开环增益开环增益K K从零变到无穷时,根轨迹不会越过虚轴进从零变到无穷时,根轨迹不会越过虚轴进入右半入右半s s平面,因此系统对所有的平面,因此系统对所有的K K值都是稳定的。值都是稳定的。(2 2)稳态特性稳态特性 开环系统在坐标原点有一个极点,所以属于一型开环系统在坐标原点有一个极点,所以属于一型系统。因此根轨迹是的系统。因此根轨迹是的K K值就是静态速度误差系数。如果给定系统值就是静态速度误差系数。如果给定系统稳态误差要求,则由根轨迹图可以确定闭环极点位置的允许范围。稳态误差要求,则由根轨迹图可以确定闭环极点位置的允许范围。(3 3
5、)动态特性动态特性 由图中可见,当由图中可见,当0K10K1时,所有闭环极点都位于实时,所有闭环极点都位于实轴上,系统为过阻尼系统,单位阶跃响应为非周期过程;当轴上,系统为过阻尼系统,单位阶跃响应为非周期过程;当K=1K=1时,时,闭环两个实数极点相重合,系统为临界阻尼系统,单位阶跃仍为闭环两个实数极点相重合,系统为临界阻尼系统,单位阶跃仍为非周期过程,但响应速度较非周期过程,但响应速度较0K10K1K1时,闭环极点时,闭环极点为复数极点,系统为欠阻尼系统,单位阶跃响应为阻尼震荡过程,为复数极点,系统为欠阻尼系统,单位阶跃响应为阻尼震荡过程,且超调量将会随且超调量将会随K K值的增大而加大。值
6、的增大而加大。上述分析表明,根轨迹与系统性能之间有着比较密切的关系。上述分析表明,根轨迹与系统性能之间有着比较密切的关系。根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念5 一般而言,绘制根轨迹时的可变参量可以是系统的任意参量。一般而言,绘制根轨迹时的可变参量可以是系统的任意参量。但最常用的可变参量是系统的开环传递函数但最常用的可变参量是系统的开环传递函数KgKg(也称为根轨迹增(也称为根轨迹增益)。益)。KgKg常规根轨迹常规根轨迹 KgKg以外的参数以外的参数参量根轨迹参量根轨迹以上二阶系统的根轨迹可以用解析法来求得,但对于高阶系统来说,以上二阶系统的根轨迹可以用解析法来求得,但对于高阶系统来说,解析法就
7、不适用了,工程上常采用图解的方法来绘制。解析法就不适用了,工程上常采用图解的方法来绘制。根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念6第二节第二节 绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则本节重点本节重点:掌握根轨迹的绘制方法掌握根轨迹的绘制方法本节难点:本节难点:根轨迹的出射角和入射角,以及根轨迹和虚轴的交点根轨迹的出射角和入射角,以及根轨迹和虚轴的交点 一、根轨迹的一、根轨迹的幅值条件幅值条件和和相角条件相角条件 一般的闭环系统结构框图如图所示,其特征方程为一般的闭环系统结构框图如图所示,其特征方程为其开环传递函数其开环传递函数由等式两边幅角和相角分别相等的条件可得由等式两边幅角和
8、相角分别相等的条件可得在在S平面上的任一点,凡能满足以上幅角和相角条件的,就是系统平面上的任一点,凡能满足以上幅角和相角条件的,就是系统特征方程的根,就必定在根轨迹上。特征方程的根,就必定在根轨迹上。0)()(1sHsG1)()()(sHsGsGk,2,1,0)12(180)()(1)()(kksHsGsHsG7开环传递函数通常又可以写为开环传递函数通常又可以写为其中其中 开环传递函数开环传递函数 开环零点、极点开环零点、极点即即其中其中 开环零点到开环零点到S的矢量角的矢量角 开环极点到开环极点到S的矢量角的矢量角1)()()()(11niimjjgpszsKsHsGijgpzK2,1,0)
9、12(180)()(1111111kkpszsniimjjgmjniijmjniijpszsKij在测量相角时,规定以在测量相角时,规定以逆时针方向为正逆时针方向为正。绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则8例例 已知开环系统的传递函数为已知开环系统的传递函数为 ,设,设 为该闭环为该闭环系统的一个极点,求其对应的传递系数系统的一个极点,求其对应的传递系数 。式中。式中 为开环有限零为开环有限零点;点;为开环极点。为开环极点。解解:在右图,各相角必满足:在右图,各相角必满足按幅值条件求得该点的根轨按幅值条件求得该点的根轨迹传递系数迹传递系数)()()(211pspsszs
10、KsGgK0s0gK1z21,0pp)12(1803211k13210lLLLKg基本思想基本思想:根据幅值条件确定根轨迹根据幅值条件确定根轨迹上某一点对应的增益,由上某一点对应的增益,由相角条件确定根轨迹上的相角条件确定根轨迹上的某点位置。某点位置。绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则9二、根轨迹绘制法则二、根轨迹绘制法则1.连续性连续性 特征方程为代数方程,当特征方程为代数方程,当Kg从从0连续变化时,代数方程的根连续变化时,代数方程的根即特征根也连续变化。即特征根也连续变化。2.对称性对称性 因为特征根必为实数或为共轭复数,故根轨迹对称于实轴因为特征根必为实数或为
11、共轭复数,故根轨迹对称于实轴3.起点起点(Kg=0)和终点()和终点(Kg=)由式(由式(4-8)可得:)可得:当当Kg=0,有,有 ,(i=1,2,n)。为开环极点,故根轨迹从为开环极点,故根轨迹从开环极点出发。开环极点出发。还是由(还是由(4-8)可得开环零点(有限,无限)为根轨迹终点。)可得开环零点(有限,无限)为根轨迹终点。设设N(s)为为m阶,有阶,有m个个有限开环零点有限开环零点,还有,还有n-m个个无限零点无限零点。gKzspsmjjnii11)()(ipSip绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则104.根轨迹数根轨迹数条数:开环极点数条数:开环极点数n
12、n,n n条条5.实轴上的根轨迹实轴上的根轨迹 在在S S平面实轴上的线段存在根轨迹的条件是:线段平面实轴上的线段存在根轨迹的条件是:线段右右侧开环零侧开环零点(有限零点)和开环极点数之和为点(有限零点)和开环极点数之和为奇奇数。数。6.分离点和会合点分离点和会合点 分离点:根轨迹相遇后又分开的点。分离点:根轨迹相遇后又分开的点。分离角:离开分离点的角度。分离角:离开分离点的角度。会合点:根轨迹相会合的点。会合点:根轨迹相会合的点。会合角:进入会合点的角度。会合角:进入会合点的角度。一般来说,两个开环极点之间会有一个分离点,两个有限开环一般来说,两个开环极点之间会有一个分离点,两个有限开环零点
13、之间会有一个会合点。零点之间会有一个会合点。计算分离点和会合点的公式:计算分离点和会合点的公式:求出的重根要代入原方程,只有当求出的重根要代入原方程,只有当KgKg为正,才是分离点和会合点。为正,才是分离点和会合点。j0)()()()(sNsDsDsN绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则11例例 已知系统的开环传递函数为已知系统的开环传递函数为 ,求根轨迹的分,求根轨迹的分离点和会合点。离点和会合点。解解:系统有一个开环零点为:系统有一个开环零点为-1-1,有两个开环极点分别为,有两个开环极点分别为-0.1-0.1和和-0.5-0.5。根据根轨迹绘制原则可知,根轨迹与实
14、轴相重合的区间为根据根轨迹绘制原则可知,根轨迹与实轴相重合的区间为 -0.1-0.1,-0.5,-0.5,(-,-1-1。求根轨迹的分离点和会合点:求根轨迹的分离点和会合点:)5.0)(1.0()1()(sssKsGgk33.067.1055.02)()()()(6.02)(05.06.0)5.0)(1.0()(1)(1)(2122sssssNsDsDsNssDsssssDsNssN绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则12求对应分离点、会合点的求对应分离点、会合点的KgKg:7.渐近线渐近线(1 1)渐近线条数:)渐近线条数:n-mn-m条,根轨迹沿渐近线倾角方向趋向无
15、穷远条,根轨迹沿渐近线倾角方向趋向无穷远(2 2)渐近线交点:与实轴交于一点)渐近线交点:与实轴交于一点 坐标为(坐标为(-,j0j0)06.074.206.020)()(21ggggKKKssNKsDmnk)12(180mnzpnimjj110)()(jS1=-0.33Kg1=0.06S1=-1.67Kg1=2.74绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则13例例 已知系统的开环传递函数如下所示,请求出根轨迹的渐近线。已知系统的开环传递函数如下所示,请求出根轨迹的渐近线。解解:系统没有开环零点,有三个开环极点分别为:系统没有开环零点,有三个开环极点分别为0,-2和和-4。
16、8.与虚轴的交点与虚轴的交点 方法一:代数法方法一:代数法 将将s=jw代入系统特征方程,求出代入系统特征方程,求出w的值。的值。方法二:劳斯判据方法二:劳斯判据)4)(2()(sssKKsGggk)1(180)0(603)12(18023420kkk绘制根轨迹的基本条件和基本规则绘制根轨迹的基本条件和基本规则14例例 已知系统的开环传递函数为已知系统的开环传递函数为 ,请求出根轨迹与,请求出根轨迹与虚轴的交点。虚轴的交点。解解:系统的特征方程为:系统的特征方程为:方法一:将方法一:将 代入特征方程代入特征方程经整理得经整理得)2)(1()(sssKKsGggk0230)2)(1(23ggKs
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