控制系統(tǒng)根軌跡解析課件

1、控制系統(tǒng)仿真 -基于MATLAB語言主講教師：張磊中國海洋大學 工程學院2022/7/262022/7/26控制系統(tǒng)仿真MATLAB基礎基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真MATLAB的數(shù)學運算MATLAB的程序設計MATLAB的圖形圖像MATLAB的基本命令交互式仿真工具simulink系統(tǒng)的時域分析頻域分析根軌跡分析使用MATLAB建?？刂葡到y(tǒng)的校正與綜合根軌跡分析系統(tǒng)的時域分析2022/7/265根軌跡分析例1：已知單位負反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，分析開環(huán)參數(shù)K的變化對系統(tǒng)的影響。（簡單起見設a=4）系統(tǒng)沒有開環(huán)零點，兩個開環(huán)極點分別為s=0和s=-4，閉環(huán)傳遞函數(shù)、系統(tǒng)特征方程為系統(tǒng)特征方程的

2、根(系統(tǒng)閉環(huán)極點)為1.1. 根軌跡法基礎-分析的基本原理2022/7/261.K=0時，兩個特征根為s=0和s=-4，開環(huán)極點。2.0K4時，系統(tǒng)的兩個根離開實軸，其實部保持常數(shù)-2，對應于系統(tǒng)欠阻尼狀態(tài)。K值越高振蕩頻率越高，系統(tǒng)振蕩加劇。5根軌跡分析K=00K4柵格：等阻尼系數(shù)和等自然振蕩角頻率2022/7/26如果系統(tǒng)具有可變的環(huán)路增益，則閉環(huán)極點的位置取決于所選擇的環(huán)路增益，因此分析增益的變化和閉環(huán)極點在S平面的移動關系（根軌跡）不僅可以判斷穩(wěn)定性還可以協(xié)助分析時域響應特性，對系統(tǒng)的分析和設計有較大意義。優(yōu)點：分析的結(jié)果直接、方便。缺點：分析過程計算量大，對高階系統(tǒng)較難實現(xiàn)（需求解高

3、階特征方程）。計算機仿真技術的發(fā)展MATLAB/圖形界面工具的應用本次課程的主要內(nèi)容1、根軌跡法基礎2、用根軌跡法分析系統(tǒng)3、MATLAB在根軌跡分析中的綜合應用(rltool)1）什么是根軌跡和根軌跡法2）MATLAB函數(shù)繪制根軌跡1）根軌跡繪圖和基本分析方法2）系統(tǒng)暫態(tài)特性的分析5根軌跡分析1）圖形分析工具rltool2）綜合分析應用實例2022/7/265根軌跡分析1.1. 根軌跡法基礎-分析的基本原理 根軌跡是指當開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變化到無窮大時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根在S平面上的軌跡。通常這一參數(shù)選作開環(huán)系統(tǒng)的增益K，而在無零極點對消時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根就是閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點。如

4、何根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡，并確定增益 根軌跡法由開環(huán)傳遞函數(shù)直接尋求閉環(huán)特征根軌跡的變化規(guī)律，而無需求取高階系統(tǒng)特征根的方法。是一種由分析開環(huán)系統(tǒng)零、極點在復平面上的分布出發(fā)，用圖解表示特征方程的根與開環(huán)系統(tǒng)某個參數(shù)（增益K ）之間全部關系的方法。利用此方法可以在參數(shù)確定的情況下，分析系統(tǒng)的性能；在系統(tǒng)及性能指標已知的情況下，確定系統(tǒng)的參數(shù)。2022/7/265根軌跡分析分析上例所示的典型二階系統(tǒng)，1.K在0正無窮整個變化范圍內(nèi)取值，特征根均位于左半S平面，K取任何值系統(tǒng)均穩(wěn)定。2.根軌跡的起點是開環(huán)極點，開環(huán)系統(tǒng)有一個位于坐標原點的極點，階躍信號作用下系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為0。

5、3.K的增加使系統(tǒng)阻尼系數(shù)減小，階躍響應由過阻尼到臨界阻尼，再到欠阻尼狀態(tài)。4.對于要求的系統(tǒng)性能，將其變換為期望的閉環(huán)極點位置，由根軌跡圖可以確定出對應的參數(shù)取值。K=0K=42022/7/265根軌跡分析1、判斷穩(wěn)定性 如果當開環(huán)增益K從零變化到無窮大時，圖中的根軌跡不會越過虛軸進入右半S平面上，因此該環(huán)系統(tǒng)對所有的增益K都是穩(wěn)定的。而根軌跡越過虛軸進入右半S平面，則其交點的K值為臨界穩(wěn)定開環(huán)增益。2、確定系統(tǒng)參數(shù) 對于要求的系統(tǒng)性能，將其變換為期望的閉環(huán)極點位置，由根軌跡圖可以確定出對應的參數(shù)取值。2022/7/265根軌跡分析1、根軌跡圖的規(guī)則 1)連續(xù)性 增益K連續(xù)變化時，特征方程的

6、根也連續(xù)變化，根軌跡是復平面上連續(xù)變化的直線或曲線； 2)對稱性 特征方程的根為實數(shù)或共軛復數(shù)，根軌跡對稱于實軸； 3)根軌跡支數(shù) n階系統(tǒng)有n個根，有n支根軌跡，都將隨K的變化而變化，； 4)根軌跡的起點和終點 分別為系統(tǒng)的開環(huán)極點和系統(tǒng)開環(huán)零點。通常將系統(tǒng)的開環(huán)極點和系統(tǒng)開環(huán)零點分別在根軌跡圖上標記為和； 5)根軌跡和虛軸的交點 系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界參數(shù)取值為臨界增益K。1.1. 根軌跡法基礎根軌跡是閉環(huán)特征方程的根，K=0時根為n個極點；K=無窮大時根為m個開環(huán)零點。n=m時，根軌跡開始于n個極點終止于m個零點；nm時，n支軌跡開始于n個極點并終止于m個零點，有n-m支

7、終止于無窮遠處nm時，m支軌跡終止于m個零點，其中有n支開始于n個極點，有m-n支來自于無窮遠處（除系統(tǒng)特征方程變形等特殊情況外較少存在）2022/7/265根軌跡分析1.2. MATLAB函數(shù)繪制根軌跡圖1、零極點圖的繪制 （1）pzmap(sys)直接在S平面上繪制零極點位置 （2）p,z=pzmap(sys)不繪圖，通過函數(shù)的返回值得到相應的零、極點2、根軌跡圖的繪制 （1）rlocus(sys)繪制SISO系統(tǒng)的根軌跡曲線 （2）rlocus(sys,k)繪制增益為k時的閉環(huán)極點 （3）rlocus(sys1,r,sys2,y:,)在同一復平面上繪制多個SISO系統(tǒng)的根軌跡，可以用顏色

8、及線段區(qū)分 （4）r,k= rlocus(sys)或r= rlocus(sys,k)不繪圖，通過函數(shù)的返回值得到閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根矩陣r，開環(huán)增益k。2022/7/265根軌跡分析1.2. MATLAB函數(shù)繪制根軌跡圖3、根軌跡對應增益 （1）k,ploes=rlocfind(sys)在對象根軌跡圖中顯示光標，記錄由用戶選擇點所對應的增益和極點并記錄于k,ploes 。 （2）k,ploes=rlocfind(sys,p)指定要得到增益的根向量p，得到該根對應的增益和其他根。4、根軌跡網(wǎng)格（等阻尼系數(shù)和等自然振蕩角頻率線）（1）sgrid()在連續(xù)系統(tǒng)的根軌跡圖上繪出網(wǎng)格線，由等阻尼系數(shù)和等

9、自然振蕩角頻率線組成，阻尼線范圍從0到1，間隔為0.1；自然振蕩角頻率線范圍從0到10，間隔為1rad/s。注意在繪制前必須有根軌跡圖。（2）sgrid(z,wn)可以指定阻尼系數(shù)和自然振蕩角頻率進行繪制。2022/7/265根軌跡分析例2：單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，繪制根軌跡圖，并求出與實軸分離點、虛軸的交點及對應的增益。num=1den=conv(1 0,conv(1 2.73, 1 2 2)rlocus(num,den) %繪制根軌跡圖k,p=rlocfind(num,den) %給出指定點所對應的增益和極點MATLAB操作演示2022/7/265根軌跡分析例3、系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函

10、數(shù)如下，繪制根軌跡圖，尋找系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時的增益K，并繪制系統(tǒng)的脈沖響應進行驗證。 num=1den=conv(1 1,1 6 10)rlocus(num,den) %繪制根軌跡圖gridk,p=rlocfind(num,den) %給出指定點所對應的增益和極點%繪制不同k值下的脈沖響應曲線k=50 100 101 102 103 200n = length(k)den=conv(1 1,1 6 10)i=1for T=k num=T num1,den1=feedback(num,den,1,1) subplot(1,n,i); impulse(num1,den1); title(strcat(

11、k=,num2str(T); i=i+1end脈沖響應驗證演示2022/7/265根軌跡分析例4：已知帶有延遲環(huán)節(jié)的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如下，繪制根軌跡圖，并選擇系統(tǒng)穩(wěn)定時給出的根軌跡增益，最后求系統(tǒng)k=0.5時的階躍響應曲線。num=1den=conv(1 0,conv(1 1,0.5 1)sys1=tf(num,den)num1,den1=pade(1,3)%延時環(huán)節(jié)sys=sys1*tf(num1,den1)rlocus(sys) %繪制根軌跡圖gridk,p=rlocfind(sys) %給出指定點所對應的增益和極點k=0.5 70 200n = length(k)denk=conv(1

12、0,conv(1 1,0.5 1)i=1for T=k numk=T num1,den1=pade(1,3)%延時環(huán)節(jié) num,den=series(numk,denk,num1,den1) nums,dens=feedback(num,den,1,1) subplot(1,n,i); impulse(nums,dens); i=i+1end2022/7/265根軌跡分析2.1. 增加開環(huán)零極點對根軌跡的影響1、附加開環(huán)零點對根軌跡的影響 例5：設二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，增加開環(huán)零點s=-z、分析增加該零點后對系統(tǒng)的影響。i=1;den=conv(1 0,1 2 2);for z=real

13、max 3 2 0%取一組零點值(最大可用正實數(shù)1.7977e+308) num=1 z; subplot(2,2,i);%使用子圖功能 rlocus(num,den);%繪制根軌跡圖 title(strcat(Root Locus z=,num2str(z); i=i+1 %設定被描畫的子圖位置end2022/7/265根軌跡分析Z=正無窮Z=3Z=2Z=0增加零點使根軌跡左移，漸近線夾角增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，性能變好。常使用增加零點的方式改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。所附加的零點越靠近坐標原點，其作用也越強。2022/7/265根軌跡分析i=1;den=conv(1 0,1 2 2);for z=

14、8 3 2 0 %增加不同零點用較大正實數(shù)代替 num=1 z; %分子系數(shù)的設定 num1,den1=cloop(num,den);%求單位負反饋 subplot(2,2,i);%使用子圖功能 impulse(num1,den1);%繪制脈沖響應 title(strcat(Root Locus z=,num2str(z); %axis(0 20 -0.5 1)%設置繪圖區(qū)坐標比例 i=i+1 end繪制脈沖響應曲線，分析增加零點后對系統(tǒng)的影響。2022/7/265根軌跡分析2、附加開環(huán)極點對根軌跡的影響 例6：設系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，增加開環(huán)極點s=-p、分析增加該極點后對系統(tǒng)的影響。i=

15、1;num=1;for p=4 0%設置所增加的極點 den=conv(1 0,conv(1 2,1 p)%定義傳遞函數(shù)分子系數(shù) subplot(1,2,i);%使用子圖功能 rlocus(num,den); %繪制根軌跡 title(strcat(Root Locus p=,num2str(p); i=i+1;%指定子圖位置end2022/7/265根軌跡分析p=4p=0增加極點后系統(tǒng)階次變高，使根軌跡支數(shù)增加，漸近線夾角減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，性能變壞。所附加的極點越靠近坐標原點，其作用也越強。2022/7/265根軌跡分析i=1;num=1;%定義參數(shù)Tp=8 4 0;%設定增加的極點n

16、=length(Tp)%求增加的極點個數(shù)for p=Tp%極點個數(shù)循環(huán) den=conv(1 0,conv(1 2,1 p)%定義分母系數(shù) num1,den1=cloop(num,den);%求閉環(huán)系統(tǒng)系數(shù) subplot(1,n,i);%使用子圖功能 impulse(num1,den1);%繪制脈沖響應曲線 title(strcat(Root Locus p=,num2str(p); axis(0 25 -0.5 1)%設置坐標 i=i+1;end繪制脈沖響應曲線，分析增加不同極點后對系統(tǒng)的影響。2022/7/265根軌跡分析3、同時附加開環(huán)極點和零點對根軌跡的影響 例7：設系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函

17、數(shù)如下，同時增加開環(huán)極點和零點s=-p、s=-z。分析比較不同p、z值下，增加零極點后對系統(tǒng)的影響。 1) zp; 3)z,p值比較相近; 4) p值遠大于z值（5倍以上）%暫定零點z=1,%分別取p=z,pz,pz,pz,pz,pz繪制根軌跡圖i=1;num=1;z=1;for p=1 5 2 0 num=1 z; den=conv(1 0,conv(1 2,conv(1 4,1 p) num1,den1=cloop(num,den); subplot(2,2,i); impulse(num1,den1); title(strcat(Root Locus z=,num2str(z), p=,

18、num2str(p); axis(0 30 -0.3 0.15); i=i+1end2）繪制脈沖響應曲線，分析增加不同零極點后對系統(tǒng)的影響。2022/7/265根軌跡分析z=p=1z=1,p=5z=1,p=0z=1,p=22022/7/265根軌跡分析2.2.利用根軌跡法分析系統(tǒng)的暫態(tài)特性1、若已知閉環(huán)零極點分布，則其系統(tǒng)特性就可以唯一確定，對于給定的輸入，可以求出其輸出響應和性能指標；2、若極點均分布于S平面虛軸左側(cè)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；3、穩(wěn)定系統(tǒng)的特性主要取決于主導極點的位置，該極點與虛軸的距離是其他零點與虛軸距離的5倍以上；4、在主導極點的基礎上，增加極點，系統(tǒng)響應速度降低、超調(diào)量減少5、

19、在主導極點的基礎上，增加零點，系統(tǒng)響應速度增高、超調(diào)量增大增加零極點的作用隨該點與虛軸的距離減小而增強6、一對靠近的零極點（零極點與虛軸的距離是該對零極點之間距離的10倍以上）的作用可以忽略2022/7/265根軌跡分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定于閉環(huán)極點Pi，極點相對于虛軸的位置決定了系統(tǒng)的暫態(tài)性能1、左右分布決定終值：Pi在虛軸左側(cè)暫態(tài)分量最終衰減到0；Pi在右側(cè)則暫態(tài)分量一定發(fā)散；Pi在虛軸上則暫態(tài)分量等幅振蕩；2、虛實分布決定振型：Pi在實軸暫態(tài)分量非周期，Pi在虛軸暫態(tài)分量周期；3、遠近分布決定快慢：Pi距虛軸越遠衰減越快閉環(huán)極點的共軛2022/7/265根軌跡分析3.1.圖形界面工具rl

20、toolMATLAB提供的系統(tǒng)根軌跡分析與設計的圖形界面工具，可以利用它很方便的繪制系統(tǒng)的根軌跡，并可以對系統(tǒng)進行校正。步驟：1.建立系統(tǒng)的數(shù)學模型sys2.在命令窗口中輸入：rltool(sys) 3.在菜單中選中：import 在工作空間或Mat-file中選擇系統(tǒng)導入系統(tǒng)模型4.點擊選擇分析選項，操作功能豐富的菜單5.配置零極點，實現(xiàn)對系統(tǒng)的校正設計根軌跡編輯器根軌跡設計界面C：補償器描述F：前置濾波器H：反饋環(huán)節(jié)G：被控對象rltool操作演示2022/7/265根軌跡分析3.1.圖形界面工具rltoolnum=1;den=conv(1 0, 1 2 2);sys=tf(num,den)例8、設系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，使用rltool生成根軌跡分析圖形界面，試增加零點或極點并判斷增加零點或極點后對系統(tǒng)的影響。rltool示例演示2022/7/265根軌跡分析3.2.綜合應用實例例9：單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)