根轨迹的基本条件和规则
：系统闭环极点的和与积
自动控制原理 题库 第四章 线性系统根轨迹 习题
4-1将下述特征方程化为适合于用根轨迹法进行分析的形式，写出等价的系统开环传递函数。 （1）210s cs c +++=，以c 为可变参数。 （2）3(1)(1)0s A Ts +++=，分别以A 和T 为可变参数。 （3）1()01I D P k k s k G s s s τ?? ++ + =? ?+? ? ，分别以P k 、I K 、T 和τ为可变参数。 4-2设单位反馈控制系统的开环传递函数为 (31)()(21) K s G s s s += + 试用解析法绘出开环增益K 从0→+∞变化时的闭环根轨迹图。 4-2已知开环零极点分布如下图所示，试概略绘出相应的闭环根轨迹图。 4-3设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试概略绘出相应的闭环根轨迹图（要求确定分离点坐标）。 （1）()(0.21)(0.51)K G s s s s = ++ （2）(1)()(21) K s G s s s +=+ （3）(5)()(2)(3) K s G s s s s += ++ 4-4已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试概略绘出相应的闭环根轨迹图（要求算出起始角）。 （1）(2) ()(12)(12) K s G s s s j s j += +++- （2）(20) ()(1010)(1010) K s G s s s j s j +=+++-
4-5设单位反馈控制系统开环传递函数如为 * 2 ()()(10)(20) K s z G s s s s += ++ 试确定闭环产生纯虚根1j ±的z 值和*K 值。 4-6已知系统的开环传递函数为 * 2 2 (2)()()(49) K s G s H s s s += ++ 试概略绘出闭环根轨迹图。 4-7设反馈控制系统中 * 2 ()(2)(5) K G s s s s = ++ （1）设()1H s =，概略绘出系统根轨迹图，判断闭环系统的稳定性 （2）设()12H s s =+，试判断()H s 改变后的系统稳定性，研究由于()H s 改变所产生的影响。 4-8试绘出下列多项式的根轨迹 （1）322320s s s Ks K ++++= （2）323(2)100s s K s K ++++= 4-9两控制系统如下图所示，试问： （1）两系统的根轨迹是否相同？如不同，指出不同之处。 （2）两系统的闭环传递函数是否相同？如不同，指出不同之处。 （3）两系统的阶跃响应是否相同？如不同，指出不同之处。 4-10设系统的开环传递函数为 12 (1)(1) ()K s T s G s s ++= （1）绘出10T =，K 从0→+∞变化时系统的根轨迹图。 （2）在（1）的根轨迹图上，求出满足闭环极点阻尼比0.707ξ=的K 的值。 （3）固定K 等于（2）中得到的数值，绘制1T 从0→+∞变化时的根轨迹图。 （4）从（3）的根轨迹中，求出临界阻尼的闭环极点及相应的1T 的值。 4-11系统如下图所示，试 （1）绘制0β=的根轨迹图。 （2）绘制15K =，22K =时，β从0→+∞变化时的根轨迹图。 （3）应用根轨迹的幅值条件，求（2）中闭环极点为临界阻尼时的β的值。
自动控制原理(系统根轨迹分析)
武汉工程大学自动控制原理实验报告 专业班级：指导老师： 姓名：学号： 实验名称：系统根轨迹分析 实验日期：2011-12-01 第三次试验 一、实验目的 1、掌握利用MATLAB精确绘制闭环系统根轨迹的方法； 2、了解系统参数或零极点位置变化对系统根轨迹的影响； 二、实验设备 1、硬件：个人计算机 2、软件：MATLAB仿真软件（版本6.5或以上） 实验内容
1．根轨迹的绘制 1） 将系统特征方程改成为如下形式：1 + KG ( s ) = 1 + K ) () (s q s p =0， 其中，K 为我们所关心的参数。 2） 调用函数 r locus 生成根轨迹。 关于函数 rlocus 的说明见图 3.1。 不使用左边的选项也能画出根轨迹，使用左边的选项时，能 返回分别以矩阵和向量形式表征的特征根的值及与之对应的增益值。 图3.1 函数rlocus 的调用 例如，图 3.2 所示系统特征根的根轨迹及其绘制程序见图 3.3。 图3.2 闭环系统一
图3.3 闭环系统一 的根轨迹及其绘制 程序 注意：在这里，构成系统s ys 时，K 不包括在其中，且要使分子和分母中s最高
次幂项的系数为1。 当系统开环传达函数为零、极点形式时，可调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys = zpk([zero],[pole],1); 当系统开环传达函数无零点时，[zero]写成空集[]。 对于图 3.2 所示系统， G(s)H(s)= )2()1(++s s s K *11+s =) 3)(2() 1(+++s s s s K . 可如下式调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys=zpk([-1],[0 -2 -3],1) 若想得到根轨迹上某个特征根及其对应的 K 的值，一种方法是在调用了函数 rlocus 并得到了根 轨迹后调用函数 r locfind 。然后，将鼠标移至根轨迹图上会出现一个可移动的大十字。将该十字的 中心移至根轨迹上某点，再点击鼠标左键，就可在命令窗口看到该点对应的根值和 K 值了。另外一种 较为方便的做法是在调用了函数 rlocus 并得到了根轨迹后直接将鼠标移至根轨迹图中根轨迹上某点 并点击鼠标左键，这时图上会出现一个关于该点的信息框，其中包括该系统在此点的特征根的值及其 对应的 K 值、超调量和阻尼比等值。图 3.4 给出了函数 r locfind 的用法。 2．实验内容 图3.5 闭环系统二 1） 对于图 3.5 所示系统，编写程序分别绘制当 （1） G(s)= )2(+s s K , （2） G(s)= ) 4)(1(++s s s K ,
自动控制原理Matlab实验3(系统根轨迹分析)
《自动控制原理》课程实验报告 实验名称系统根轨迹分析 专业班级 *********** ********* 学 号 姓名** 指导教师李离 学院名称电气信息学院 2012 年 12 月 15 日
一、实验目的 1、掌握利用MATLAB 精确绘制闭环系统根轨迹的方法； 2、了解系统参数或零极点位置变化对系统根轨迹的影响； 二、实验设备 1、硬件：个人计算机 2、软件：MATLAB 仿真软件（版本6.5或以上） 三、实验内容和步骤 1．根轨迹的绘制 利用Matlab 绘制跟轨迹的步骤如下： 1） 将系统特征方程改成为如下形式：1 + KG ( s ) = 1 + K ) () (s q s p =0， 其中，K 为我们所关心的参数。 2） 调用函数 r locus 生成根轨迹。 关于函数 rlocus 的说明见图 3.1。 不使用左边的选项也能画出根轨迹，使用左边的选项时，能 返回分别以矩阵和向量形式表征的特征根的值及与之对应的增益值。 图3.1 函数rlocus 的调用 例如，图 3.2 所示系统特征根的根轨迹及其绘制程序见图 3.3。
图3.2 闭环系统一 图3.3 闭环系统一的根轨迹及其绘制程序
图 3.4 函数 rlocfind 的使用方法 注意：在这里，构成系统 s ys 时，K 不包括在其中，且要使分子和分母中 s 最高次幂项的系数为1。 当系统开环传达函数为零、极点形式时，可调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys = zpk([zero],[pole],1); 当系统开环传达函数无零点时，[zero]写成空集[]。 对于图 3.2 所示系统， G(s)H(s)= )2()1(++s s s K *11+s =) 3)(2() 1(+++s s s s K . 可如下式调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys=zpk([-1],[0 -2 -3],1) 若想得到根轨迹上某个特征根及其对应的 K 的值，一种方法是在调用了函数 rlocus 并得到了根 轨迹后调用函数 rlocfind 。然后，将鼠标移至根轨迹图上会出现一个可移动的大十字。将该十字的 中心移至根轨迹上某点，再点击鼠标左键，就可在命令窗口看到该点对应的根值和 K 值了。另外一种 较为方便的做法是在调用了函数 rlocus 并得到了根轨迹后直接将鼠标移至根轨迹图中根轨迹上某
第4章根轨迹分析法习题解答
第四章根轨迹分析法 4.1 学习要点 1根轨迹的概念； 2 根轨迹方程及幅值条件与相角条件的应用； 3根轨迹绘制法则与步骤； 4 应用根轨迹分析参数变化对系统性能的影响。 4.2 思考与习题祥解 题4.1 思考与总结下述问题。 （1）根轨迹的概念、根轨迹分析的意义与作用。 （2）在绘制根轨迹时，如何运用幅值条件与相角条件？ （3）归纳常规根轨迹与广义根轨迹的区别与应用条件。 （4）总结增加开环零、极点对系统根轨迹的影响，归纳系统需要增加开环零、极点的情况。 答：（1）当系统某一参数发生变化时，闭环特征方程式的特征根在S复平面移动形成的轨线称为根轨迹。根轨迹反映系统闭环特征根随参数变化的走向与分布。 根轨迹法研究当系统的某一参数发生变化时，如何根据系统已知的开环传递函数的零极点，来确定系统的闭环特征根的移动轨迹。因此，对于高阶系统，不必求解微分方程，通过根轨迹便可以直观地分析系统参数对系统动态性能的影响。 应用根轨迹可以直观地分析参数变化对系统动态性能的影响，以及要满足系统动态要求，应如何配置系统的开环零极点，获得期望的根轨迹走向与分布。 （2）根轨迹上的点是闭环特征方程式的根。根轨迹方程可由闭环特征方程式得到，且为复数方程。可以分解为幅值条件与相角条件。运用相角条件可以确定S复平面上的点是否在根轨迹上；运用幅值条件可以确定根轨迹上的点对应的参数值。 （3）归纳常规根轨迹与广义根轨迹的区别与应用条件。 考察开环放大系数或根轨迹增益变化时得到的闭环特征根移动轨迹称为常规根轨迹。除开环放大系数或根轨迹增益变化之外的根轨迹称为广义根轨迹，如系统的参数根轨迹、正反馈系统根轨迹和滞后系统根轨迹等。 绘制参数根轨迹须通过闭环特征方程式等效变换，将要考察的参数变换到开环传递函数中开环放大系数或根轨迹增益的位置上，才可应用根轨迹绘制规则绘制参数变化时的根轨迹图。 正反馈系统的闭环特征方程0 H s G与负反馈系统的闭环特征方程 -s ) ( 1= ( ) +=存在一个符号差别。因此，正反馈系统的幅值条件与负反馈系统1()()0 G s H s 的幅值条件一致，而正反馈系统的相角条件与负反馈系统的相角条件反向。负反馈系统的相角条件（π πk2 +）是180 根轨迹，正反馈系统的相角条件（πk2 0+）是0 根轨迹。因此，绘制正反馈系统的根轨迹时，凡是与相角有关的绘制法则，如实轴上的根轨迹，根轨迹渐近线与实轴的夹角，根轨迹出射角和入射角等等，都要变π πk2 +角度为πk2 0+。 （4）由于开环零、极点的分布直接影响闭环根轨迹的形状和走向，所以增
自动控制原理简答题要点
47、传递函数 ：传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉式变换与系统输入量的 拉式变换之比。 48、系统校正 ：为了使系统达到我们的要求，给系统加入特定的环节，使系统达到我们 的要求，这个过程叫系统校正。 49、主导极点 ：如果系统闭环极点中有一个极点或一对复数极点据虚轴最近且附近没有 其他闭环零点，则它在响应中起主导作用称为主导极点。 50、香农定理 ：要求离散频谱各分量不出现重叠 , 即要求采样角频率满足如下关系： s ≥ 2 ω max 。 51、状态转移矩阵 ： （t ） e At ，描述系统从某一初始时刻向任一时刻的转移。 52、峰值时间 ：系统输出超过稳态值达到第一个峰值所需的时间为峰值时间。 53、动态结构图 ：把系统中所有环节或元件的传递函数填在系统原理方块图的方块中， 并把相应的输入、输出信号分别以拉氏变换来表示，从而得到的传递函数方块图就称为 动态结构图。 54、根轨迹的渐近线 ：当开环极点数 n 大于开环零点数 m 时，系统有 n-m 条根轨迹终 止于 S 平面的无穷远处，且它们交于实轴上的一点，这 n-m 条根轨迹变化趋向的直线 叫做根轨迹的渐近线。 55、脉冲传递函数 ：零初始条件下，输出离散时间信号的 z 变换 C z 与输入离散信号的 56、Nyquist 判据（或奈氏判据） ：当ω由 - ∞变化到 +∞时， Nyquist 曲线（极坐标 图） 逆时针包围（ -1，j0 ）点的圈数 N ，等于系统 G （s ）H （s ） 位于 s 右半平面的极点数 P ，即 N=P ，则闭环系统稳定；否则（ N ≠ P ）闭环系统不稳定，且闭环系统位于 s 右半平面的极 点数 Z 为： Z=∣P-N ∣ 57、程序控制系统 : 输入信号是一个已知的函数，系统的控制过程按预定的程序进行， 要求被控量能迅速准确地复现输入，这样的自动控制系统称为程序控制系统。 58、稳态误差 ：对单位负反馈系统，当时间 t 趋于无穷大时，系统对输入信号响应的实 际值与期望值（即输入量）之差的极限值，称为稳态误差，它反映系统复现输入信号的 （稳态）精度。 59、尼柯尔斯图（ Nichocls 图）：将对数幅频特性和对数相频特性画在一个图上，即以 （度）为线性分度的横轴，以 l （ ω）=20lgA （ ω）（db ）为线性分度的纵轴，以ω为参变 量绘制的 φ（ ω） 曲线，称为对数幅相频率特性，或称作尼柯尔斯图（ Nichols 图） 60、零阶保持器 ：零阶保持器是将离散信号恢复到相应的连续信号的环节，它把采样时 刻的采样值恒定不变地保持（或外推）到下一采样时刻。 61、状态反馈 设系统方程为 x& Ax Bu,y cx ，若对状态方程的输入量 u 取 u r Kx ， 则称状态反馈控制。 . 名词解释 z 变换 R z 之比，即 G z Cz Rz
绘制根轨迹的基本法则
4.2 绘制根轨迹的基本法则 本节讨论根轨迹增益? K （或开环增益K ）变化时绘制根轨迹的法则。熟练地掌握这些法则，可以帮助我们方便、快速地绘制系统的根轨迹，这对于分析和设计系统是非常有益的。 法则1 根轨迹的起点和终点：根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点；如果开环零点个数少于开环极点个数，则有m n )(m n ?条根轨迹终止于无穷远处。 根轨迹的起点、终点分别是指根轨迹增益和时的根轨迹点。将幅值条件式（4-9）改写为 0=? K K ? →∞ ∏∏∏∏==?==? ? = ??= m i i n j j m n m i i n j j s z s p s z s p s K 1 1 1 1*|1|| 1|| )(||)(| (4-11) 可见，当=时，；当=时，；当||s j p 0* =K s i z ∞→* K s ∞→且时，。 m n ≥∞→* K 法则2 根轨迹的分支数、对称性和连续性：根轨迹的分支数与开环零点数、开环极点数中的大者相等，根轨迹连续并且对称于实轴。 m n 根轨迹是开环系统某一参数从零变到无穷时，闭环极点在平面上的变化轨迹。因此，根轨迹的分支数必与闭环特征方程根的数目一致，即根轨迹分支数等于系统的阶数。实际系统都存在惯性，反映在传递函数上必有。所以一般讲，根轨迹分支数就等于开环极点数。 s m n ≥实际系统的特征方程都是实系数方程，依代数定理特征根必为实数或共轭复数。因此根轨迹必然对称于实轴。 由对称性，只须画出平面上半部和实轴上的根轨迹，下半部的根轨迹即可对称画出。 s 特征方程中的某些系数是根轨迹增益? K 的函数。? K 从零连续变到无穷大时，特征方程的系数是连续变化的，因而特征根的变化也必然是连续的，故根轨迹具有连续性。 法则 3 实轴上的根轨迹：实轴上的某一区域，若其右边开环实数零、极点个数之和为奇数，则该区域必是根轨迹。 设系统开环零、极点分布如图4-5 所示。图中，是实轴上的点，0s )3,2,1(=i i ?是各开环零点到点向量的相角，0s )4,3,2,1(=j j θ是各开环极点到点向量的相角。由图4-5可见，复数共轭极点到实轴上任意一点（包括点）的向量之相角和为0s 0s π2。对复数共轭零点，情况同样如此。因此，在确定实轴上的根轨迹时，可以不考虑开环复数零、极点的影响。图4-5中，点左边的开环实数零、极点到点的向量之相角均为零，而点右边开环实数 0s 0s 0s
自动控制原理总经典总结
《自动控制原理》总复习
第一章自动控制的基本概念 一、学习要点 1.自动控制基本术语：自动控制、系统、自动控制系统、被控量、输入量、干扰量、受控对 象、控制器、反馈、负反馈控制原理等。 2.控制系统的基本方式： ①开环控制系统；②闭环控制系统；③复合控制系统。 3.自动控制系统的组成：由受控对象和控制器组成。 4.自动控制系统的类型：从不同的角度可以有不同的分法，常有： 恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统等。 5.对自动控制系统的基本要求：稳、快、准。 6.典型输入信号：脉冲、阶跃、斜坡、抛物线、正弦。 二、基本要求 1.对反馈控制系统的基本控制和方法有一个全面的、整体的了解。 2.掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成、分类，理解对自动控制 系统稳、准、快三方面的基本要求。 3.了解控制系统的典型输入信号。 4.掌握由系统工作原理图画方框图的方法。 三、内容结构图
四、知识结构图 第二章 控制系统的数学模型 一、学习要点 1．数学模型的数学表达式形式 （1）物理系统的微分方程描述；（2）数学工具—拉氏变换及反变换； （3）传递函数及典型环节的传递函数；（4）脉冲响应函数及应用。 2．数学模型的图形表示 （1）结构图及其等效变换，梅逊公式的应用；（2）信号流图及梅逊公式的应用。 二、基本要求 1、正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静态模型、输入变 量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。 2、了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法。 3、掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入 响应、零状态响应等概念有清楚的理解。 4、正确理解传递函数的定义、性质和意义。熟练掌握由传递函数派生出来的系统开环传递函 数、闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数等概念。（＃） 5、掌握系统结构图和信号流图两种数学模型的定义和绘制方法，熟练掌握控制系统的结构图 及结构图的简化，并能用梅逊公式求系统传递函数。（＃＃）
2绘制根轨迹的基本法则
绘制根轨迹的基本法则 本节讨论根轨迹增益K (或开环增益K)变化时绘制根轨迹的法则。熟练地掌握这些法则，可以帮助我们方便快速地绘制系统的根轨迹，这对于分析和设计系统是非常有益的。 法则1根轨迹的起点和终点：根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点；如果开环零点个数m少于开环极点个数n ,则有(n m)条根轨迹终止于无穷远处。 根轨迹的起点、终点分别是指根轨迹增益 式(4-9)改写为 K 0和时的根轨迹点。将幅值条件 * K -n l(S P j)| j 1 m l(s Z i) | i 1 可见当s= p j时，K* 0 ；当s= z i时，K* 法则2根轨迹的分支数, 对称性和连续性 n m P j | s |1 1 j 1 s (4-11) m z i |1 -| i 1 s ;当|s| 且n m时， * K 。根轨迹的分支数与开环零点数m、开环 极点数n中的大者相等，根轨迹连续并且对称于实轴。 根轨迹是开环系统某一参数从零变到无穷时，闭环极点在s平面上的变化轨迹。因此, 根轨迹的分支数必与闭环特征方程根的数目一致，即根轨迹分支数等于系统的阶数。实际系统都存在惯性，反映在传递函数上必有n m。所以一般讲，根轨迹分支数就等于开环极点数。 实际系统的特征方程都是实系数方程，依代数定理特征根必为实数或共轭复数。因此根轨迹必然对称于实轴。 由对称性，只须画出s平面上半部和实轴上的根轨迹，下半部的根轨迹即可对称画出。 特征方程中的某些系数是根轨迹增益K的函数，K从零连续变到无穷时，特征方程 的系数是连续变化的，因而特征根的变化也必然是连续的，故根轨迹具有连续性。 法则3实轴上的根轨迹：实轴上的某一区域，若其右边开环实数零、极点个数之和为奇数，则该区域必是根轨迹。 设系统开环零、极点分布如图4-5所示。图中，S o是实轴上的点，i(i 1,2,3)是各开 环零点到S o点向量的相角，j (j 1,2,3,4)是各开环极点到S o点向量的相角。由图4-5可见，复数共轭极点到实轴上任意一点（包括S）点）的向量之相角和为2 。对复数共轭零点, 情况同样如此。因此，在确定实轴上的根轨迹时，可以不考虑开环复数零、极点的影响。图
根轨迹步骤
2.9 1) 0.7 x ++C(s) 0.4 x x + 0.5 +-Ks -a b 对a 和b 两点进行合并有 合并点变为0.16 1.22s -+，即有 0.7 x R(s) ++C(s) x -Ks -c d 在对c 和d 位置做相同变换，有 320.60.9 1.180.52s s s s ++++
0.7 +C(s) x Ks - f e 再对e ，f 两点进行变换可得 R(s) C(s) 即有 320.70.42 G(s)(0.90.7)(1.180.42)0.52s s k s k s += +++++ 2）对上述传递函数有特征方程为32 (0.90.7)(1.180.42)0.52s k s s +++++ 其对应的劳斯表为 323221 (0.90.7)(1.180.42)0.52 1 1.180.420.90.70.522.9413.0410.12 790.52 s k s s s k s k k k s k s ++++++++++ 由此可得 790k +>且 2 2.941 3.0410.120k k ++>时，系统稳定。 3）给定K=？ 根据系统开环特性绘制闭环系统根轨迹的一般步骤 第一步： 1）确认开环特性：n=？ m=？ 零点Z j 和极点P i ，在图上分别用“o ”和“x ”标出 2）据规则二判断：m 条由极点指向零点；n-m 条由极点指向无穷远处 据规则三判断：实轴存在根轨迹的线段 第二步： 3）据规则四确定：n-m 条渐近线的相角：°180(2q+1)a n m ?= -
据规则五确定：n-m条渐近线与实轴的交点： j 1j1 p+Z n n i i a n m σ== = - ∑∑ 当 ° 180 a ?=时，由规则三可确定位于实轴上的根轨迹 第三步 4）确定根轨迹与实轴的分离点，即实轴上根轨迹上线段的分离点，从该点对称 的离开实轴，据规则六，由 1 d K ds = 得s值，由 (2q+1) l π 得分离角，l为分离 点处的根轨迹条数第四步 5）据根轨迹七确定极点出射角 ° p =180 ?? + 零点出射角 ° Z =180 ?? - 而对应的 = Z p ?θθ - ∑∑ 通常，选根轨迹上的点为当前极点或零点 第五步 6）据规则八确定与虚轴的交点，将S=jw代入特征方程求解w或用劳斯判据（临界状态）。 7）据规则一的连续性和对称性可先画出实轴以上根轨迹，再对称画出负虚部即可。