根轨迹绘制的基本原则.ppt

4 2绘制根轨迹的基本法则 法则1 根轨迹起源于开环极点 终于开环零点 下面分三种情况讨论 1 m n 即开环零点数与极点数相同时 根轨迹的起点与终点均有确定的值 2 m n 即开环零点数小于开环极点数时 除有m条根轨迹终止于开环零点 称为有限零点 外 还有n m条根轨迹终止于无穷远点 称为无限零点 3 m n 即开环零点数大于开环极点数时 除有n条根轨迹起始于开环极点 称为有限极点 外 还有m n条根轨迹起始于无穷远点 称为无限极点 这种情况在实际物理系统中不会出现 但在参数根轨迹中 有可能出现在等效开环传递函数中 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有限零点数m 开环有限极点数n中的大者相等 连续并对称于实轴 法则3 当n m时 有n m条根轨迹分支沿着与实轴交角为 交点为的一组渐近线趋向无穷远处 根轨迹的渐进线可由下式而定 交点 交角 例 已知 试由已知规则 确定根轨迹的相关数据 解 按根轨迹绘制的规则 规则1 3个极点也是起点 0 1 2 无零点 则终点为无限零点 规则2 分支数 n 3 m 0 有3条根轨迹 对称于实轴 规则3 渐近线 因为本系统中 所以共有n m 3渐近线 渐近线的倾角 取k 0 1 2 得到 渐近线与实轴的交点 三条红色线为渐近线 实轴上的根轨迹 法则4 实轴上的某一区段 若其右边开环实数零点 极点个数之和为奇数 该区段必是条完整的根轨迹分支或是某条根轨迹分支的一部分 证明 例如在实轴上有两个开环极点p1 p2 复平面上有一对共轭极点p3 p4和一对共轭零点z1 z2 有3个试验点S1 S2 S3先看试验点s1点 因为根轨迹应满足相角条件 1 成对出现的共轭极点p3 p4和共轭零点z1 z2对实轴上任意试探点构成的两个向量的相角之和为0 所以s1点满足根轨迹相角条件 而且S1点一直可以左移到P2处 于是 p2 p1 为实轴上的根轨迹 2 试探点左边的极点p2对试探点构成的向量的相角为0 3 试探点右边的极点p1对试探点构成向量的相角为180 再看s2点 不满足根轨迹相角条件 所以不是根轨迹上的点 同样s3点也不是根轨迹上的点 例 设系统的开环传递函数为 试求实轴上的根轨迹 解 零极点分布如下 红线所示为实轴上根轨迹 为 10 5 和 2 1 注意在原点有两个极点 双重极点用 表示 法则5 两条或两条以上根轨迹分支在s平面上相遇又立即分开的点 根轨迹的分离点 分离点的坐标d是下列方程的解 实轴上的分离点有以下两个特点 1 若实轴上两个相邻极点或两个相邻零点之间的区段有根轨迹 则这两相邻点之间必有一个分离点 这两个相邻的极点或两个相邻的零点中有一个可以是无限极点或零点 2 如果实轴上开环零点与开环极点之间有根轨迹 则此区段上要么没有分离点 如有 则不止一个 分离角 在分离点上 根轨迹的切线和实轴的夹角称为分离角 与相分离的根轨迹的支数k有关 例 设系统结构如图 试绘制其概略根轨迹 解 画出s面上的开环零点 1 极点 0 2 3 1 实轴上 3 2 1 0 是根轨迹 2 根轨迹有三条分支 分别始于0 2 3 终于 1和两个无限零点 有两条渐近线 3 实轴上 3 2 内有一分离点d 所以分离点为 d 2 47 该方程可化为d3 4d2 5d 3 0其根为 2 4656 0 7672 j0 7926 按上述法则画出如右根轨迹图 例 设单位反馈系统开环传递函数为 试绘制闭环系统根轨迹 解 在s平面上开环极点有两个 1 j 开环零点 2 1 实轴 2 为根轨迹 2 根轨迹有两条分支 始于 1 j和 1 j终于 2和 3 在 2 上有一分离点 作出该系统的根轨迹如下图所示 2 1 j 1 j 3 414 复数根轨迹图在复平面上是圆的一部分 实际上 在有两个极点 实数极点和复数极点 和一个有限零点组成的开环系统中 只要有限零点没有位于两个实数极点之间 当系数K 从零变到无穷时 闭环根轨迹的复数部分 就是以有限零点为圆心 以有限零点到分离点的距离为半径的一个圆 或圆的一部分 法则6 根轨迹的起始角与终止角 根轨迹离开开环复数极点处的切线与正实轴的夹角 称为起始角 根轨迹进入复数零点处的切线与正实轴的夹角 称为终止角 1 起始角 其中 为零点到此极点连线与正实轴的夹角 为极点到此极点连线与正实轴的夹角 2 终止角 其中 为零点到此零点连线与正实轴的夹角 为极点到此零点连线与正实轴的夹角 例 如图 试确定根轨迹离开复数共轭极点的起始角 解 例 设系统开环传递函数为 解 开环零点为 1 5 2 j 2 j开环极点为0 2 5 0 5 j1 5 0 5 j1 5 1 实轴上 2 5 1 5 0 为根轨迹 2 根轨迹有4条分支 始于0 2 5 0 5 j1 5 0 5 j1 5 终于 1 5 2 j 2 j 3 无分离点 法则7 根轨迹与虚轴的交点 若根轨迹与虚轴相交 则交点上的K 值和 可用劳斯判据确定 也可令闭环特征方程中的s j 然后分别令其实部和虚部为零而求得 例 系统的开环传递函数为试绘制概略根轨迹图解 开环极点 0 3 1 j 1 j开环零点 4个无限零点 1 实轴上的根轨迹 0 3 区间 2 渐近线 应有n m 4 0 4条渐近线 渐近线的倾角 渐近线与实轴的交点 3 分离点 可求得 4 极点 p3的起始角 不难求得极点 p1 p2 p4到 p3的幅角分别 所以同理不难求得极点 p4处的起始角 终止角在无穷远处 5 根轨迹与虚轴的交点 方法一 由特征方程求特征方程 实部方程 虚部方程 解得 舍去 得 方法二 由劳斯阵列求 由特征方程列出劳斯阵列令s1行首项为零 即求K1 8 16得 再根据行s2系数得到辅助方程 令 方法一 闭环系统的特征方程为 将代入得 例 开环传递函数为 试求根轨迹与虚轴的交点和 当时 为根轨迹的起点 开环极点 当时 即根轨迹与虚轴的交点为 方法二 用劳斯稳定判据确定的值 劳斯阵列为 劳斯阵列中某一行全为零时 特征方程可出现共轭虚根 劳斯阵列中可能全为零的行有二 共轭虚根为辅助方程的根 1 令 得临界增益为 2 令 得 开环极点 当n m 2时 即 根据上述8个规则 可以大致画出根轨迹的形状 规则8极点之和 根轨迹作图步骤 一 标注开环极点和零点 纵横坐标用相同的比例尺 二 实轴上的根轨迹 三 n m条渐近线 四 根轨迹的出射角 入射角 五 根轨迹与虚轴的交点 六 根轨迹的分离点 会合点 结合根轨迹的连续性 对称性 根轨迹的支数 起始点和终点 闭环极点与闭环极点之和等性质画出根轨迹 渐近线 例 开环传递函数为 画根轨迹 出射角 求与虚轴的交点 此时特征方程为 解 求出开环零极点 即 实轴上的根轨迹 0 将代入得 求分离会合点 由特征方程 由图知这两点并不在根轨迹上 所以并非分离会合点 这也可将代入得为复数 渐近线 例 开环传递函数为 画根轨迹 出射角 求与虚轴的交点 此时特征方程为 解 求出开环零极点 即 实轴上的根轨迹 0 将代入得 求分离会合点 由特征方程 由图知这点在根轨迹上 所以是分离会合点 而且是三重根点 此时分离角为 小结 需掌握绘制根轨迹的八个准则根轨迹的连续性和对称性 根轨迹的支数 起始点和渐进线 根轨迹实轴上的点 根轨迹的分离点 会合点 根轨迹的出射角 入射角和虚轴的交点 闭环极点之和 作业 4 5 2