自动控制原理根轨迹综合题

自动控制原理根轨迹综合题一 根 的作用 根 与系统中的 极点 相同 拿一阶系统为例 则 令 即 得根为 对 x s 进行 Laplace 逆变换 可得时间函数为 其中 a 就是函数的 根 若 a gt 0 则函数图像为指数衰减的形式 对于一般的一阶系统而言

一、“根”的作用

        “根”与系统中的“极点”相同。


        拿一阶系统为例:

         则:

                x(s)=\frac{1}{s+a}

       令:

                x(s)=0

        即,得根为:

                p=-a

        对x(s)进行Laplace逆变换,可得时间函数为:

                x(t)=e^{-at},其中-a就是函数的“根”。

        若a>0,则函数图像为指数衰减的形式:

         对于一般的一阶系统而言,若用复平面表示其系统的根,那一定落在实数轴上。

        一阶系统中很多指标与“根”都息息相关,如时间常数、稳态时间等。

       


        再拿二阶系统为例:

        

 其中:固有频率:

        \omega _{n}=\sqrt{\frac{k}{m}}

        阻尼比:

        \varrho =\frac{b}{2\sqrt{km}}

        x(s)输出为

令分母为0,则:

 分类讨论:

i.

 其系统图像:可看作两个一阶系统相加,有收敛程度缓的P_{1}决定最终图像。


ii.

其系统图象:以\omega为频率的振荡图像


iii.

 其系统图像:以e^{-\varrho \omega_{n}t}为渐近线的振荡图像

复平面图像:

 



二、“根”的手绘技巧

重点:

 根轨迹的基本形式:

其传递函数表示为:其中我们研究的便是传递函数中的分母“1+KG (s)=0”时的根,当k从0到+\infty时,闭环系统根位置变化的规律。

其中,我们是通过研究G(s)开环函数来对 1+KG (s)=0的根进行分析。


对以下:


规则一:若m>n,则有m条根轨迹,

               若n>m,则有n条根轨迹。

Eg:


规则二:当m=n时,随着k从0到+\infty,根轨迹从G(s)的极点向零点移动。即:

 Eg:


规则三:实轴上的根轨迹存在于从右向左数第奇数个极点/零点的左边

Eg:


规则四:若复数根存在,则一定是共轭的,所以根轨迹通过实轴对称。


规则五:若n>m,则有n-m个极点指向\infty

              若n<m,则有m-n条根轨迹从\infty指向零点

Eg:


规则六:根轨迹沿渐近线移动,渐进性与实轴的交点\sigma =\frac{\sum p-\sum z}{n-m}

              渐近线与实轴的夹角\theta =\frac{2q+1}{n-m}\pi,其中q=0,1,,,,,n-m-1/m-n-1

Eg:

 用MATLAB绘制根轨迹:

 成功列出关于g的函数后,用rlocus()语句进行根轨迹的绘制,如:

 则,根轨迹绘制图像:



三、分离点/汇合点&根轨迹的几何性质

分离点/汇合点

定义:根轨迹在实轴上的汇合/分离的点则为汇合/分离点。

可通过求得系统中的极值来求得汇合点/分离点,其中最大值对应的是分离点,最小值对应的是汇合点。


根轨迹的几何性质

看以下例子:

其中:L_{1}为零点长度,L_{2}L_{3}为极点长度,\theta _{1}为零点幅角,\theta _{2}\theta _{3}为极点幅角(复数图像与x轴正方向形成的角度)。

G(s)的模为:

 r=(所有零点长度的积)/(所有极点长度的积)

G(s)的幅角为:

\theta=所有零点幅角的和 - 所有极点幅角的和

如以上的例子中:

以上就是根轨迹的几何性质,可用于一个根轨迹中,判断一个根在根轨迹上,亦可以设定一个根加到这个根轨迹上。

知秋君
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