实验六-线性系统的根轨迹教学提纲

1、实验六- 线性系统的根轨迹精品文档实验六 线性系统的根轨迹一、实验目的1. 熟悉 MATLAB 用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。2. 利用 MATLAB 语句绘制系统的根轨迹。3. 掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。4. 掌握系统参数变化对特征根位置的影响。二、基础知识及MATLAB函数根轨迹是指系统的某一参数从零变到无穷大时，特征方程的根在 s 平面上的变化轨迹。这个参数一般选为开环系统的增益 K 。课本中介绍的手工绘制根轨迹的方法，只能绘制根轨迹草图。而用 MATLAB 可以方便地绘制精确的根轨迹图，并可观测参数变化对特征根位置的影响。假设系统的对象模型可以表示为G(s) KG0

2、 (s)K b1 smb2 sm 1bms bm 1sna1sn 1bn 1s an系统的闭环特征方程可以写成1KG 0 ( s)0对每一个 K 的取值，我们可以得到一组系统的闭环极点。如果我们改变K 的数值，则可以得到一系列这样的极点集合。若将这些K 的取值下得出的极点位置按照各个分支连接起来，则可以得到一些描述系统闭环位置的曲线，这些曲线又称为系统的根轨迹。1）绘制系统的根轨迹rlocus （）MATLAB 中绘制根轨迹的函数调用格式为：rlocus(num,den)开环增益 k 的范围自动设定。rlocus(num,den,k)开环增益 k 的范围人工设定。rlocus(p,z)依据开环

3、零极点绘制根轨迹。r=rlocus(num,den)不作图，返回闭环根矩阵。r,k=rlocus(num,den)不作图，返回闭环根矩阵r 和对应的开环增益向量 k。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档其中， num,den 分别为系统开环传递函数的分子、分母多项式系数，按 s 的降幂排列。 K 为根轨迹增益，可设定增益范围。例 3-1 ：已知系统的开环传递函数 G ( s)K(s1)，绘制系统的s34s22s 9根轨迹的 MATLAB 的调用语句如下：num=1 1;%定义分子多项式den=1 4 2 9;%定义分母多项式rlocus (num,den)%绘制系统的根轨迹grid%画

4、网格标度线xlabel( Real Axis),ylabel(Imaginary Axis ) %给坐标轴加上说明title( Root Locus)%给图形加上标题名则该系统的根轨迹如图3-1 所示：图 3-1 系统的完整根轨迹图 图 3-2 特定增益范围内的根轨迹若上例要绘制 K 在（ 1， 10）的根轨迹图，则此时的 MATLAB 的调用格式如下，对应的根轨迹如图3-2 所示。num=1 1;den=1 4 2 9;k=1:0.5:10;rlocus (num,den,k)2）确定闭环根位置对应增益值K 的函数 rlocfind（）收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档在 MATL

5、AB 中，提供了 rlocfind函数获取与特定的复根对应的增益K 的值。在求出的根轨迹图上，可确定选定点的增益值K 和闭环根 r （向量）的值。该函数的调用格式为：k,r=rlocfind(num,den)执行前，先执行绘制根轨迹命令rlocus （num,den），作出根轨迹图。执行 rlocfind 命令时，出现提示语句“Select a point in the graphicswindow”，即要求在根轨迹图上选定闭环极点。将鼠标移至根轨迹图选定的位置，单击左键确定，根轨迹图上出现“ +”标记，即得到了该点的增益 K 和闭环根r 的返回变量值。例 3-2 ：系统的开环传递函数为 G

6、( s) Ks25s6，试求：（ 1）38s23ss25系统的根轨迹；（ 2）系统稳定的 K 的范围；（ 3）K=1时闭环系统阶跃响应曲线。则此时的 MATLAB的调用格式为：G=tf(1,5,6,1,8,3,25);rlocus (G);%绘制系统的根轨迹k,r=rlocfind(G)%确定临界稳定时的增益值k和对应的极点 rG_c=feedback(G,1);%形成单位负反馈闭环系统step(G_c)%绘制闭环系统的阶跃响应曲线则系统的根轨迹图和闭环系统阶跃响应曲线如图3-2 所示。其中，调用 rlocfind（）函数，求出系统与虚轴交点的K 值，可得与虚轴交点的 K 值为 0.0264

7、，故系统稳定的K 的范围为 K(0.0264,) 。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档（a）根轨迹图形（b）K=1 时的阶跃响应曲线3）绘制阻尼比和无阻尼自然频率 n 的栅格线 sgrid( )当对系统的阻尼比和无阻尼自然频率 n 有要求时，就希望在根轨迹图上作等或等n 线。 MATLAB 中实现这一要求的函数为sgrid( ) ，该函数的调用格式为：sgrid(,n )已知 和 n 的数值，作出等于已知参数的等值线。sgrid( new ) 作出等间隔分布的等和 n 网格线。1，由 rlocfind 函数找例 3-3 ：系统的开环传递函数为 G ( s)s(s 1)( s 2)出能

8、产生主导极点阻尼=0.707 的合适增益，如图3-3(a) 所示。G=tf(1,conv(1,1,1,2),0);zet=0.1:0.2:1;wn=1:10;说明： sgrid ：在现存的屏幕根轨迹或零极点图上绘制出自然振荡频率 wn、阻尼比矢量 z 对应的格线。sgrid( new) ：是先清屏，再画格线。sgrid(z,wn)：则绘制由用户指定的阻尼比矢量z、自然振荡频率wn的格线添加： sgrid(new);或 clesgrid(zet,wn);hold on;rlocus(G)k,r=rlocfind(G)Select a point in the graphics window收集于

9、网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档selected_point =-0.3791 + 0.3602ik =0.6233r =-2.2279-0.3861 + 0.3616i-0.3861 - 0.3616i同时我们还可以绘制出该增益下闭环系统的阶跃响应，如图3-3(b) 所示。事实上，等或等n 线在设计系补偿器中是相当实用的，这样设计出的增益K=0.6233 将使得整个系统的阻尼比接近0.707 。由下面的 MATLAB语句可以求出主导极点，即 r(2.3)点的阻尼比和自然频率为G_c=feedback(G,1);step(G_c)dd0=poly(r(2:3,:);wn=sqrt(dd0

10、(3);zet=dd0(2)/(2*wn);zet,wnans =0.72990.5290我们可以由图 3-3(a) 中看出，主导极点的结果与实际系统的闭环响应非常接近，设计的效果是令人满意的。（a）根轨迹上点的选择（b）闭环系统阶跃响应收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档4）基于根轨迹的系统设计及校正工具rltoolMATLAB中提供了一个系统根轨迹分析的图形界面，在此界面可以可视地在整个前向通路中添加零极点（亦即设计控制器），从而使得系统的性能得到改善。实现这一要求的工具为rltool，其调用格式为：rltool或 rltool(G)例 3-4 ：单位负反馈系统的开环传递函数s0.

11、125G (s)s2 (s5)( s20)(s50)输入系统的数学模型，并对此对象进行设计。den=conv(1,5,conv(1,20,1,50),0,0;num=1,0.125;G=tf(num,den);rltool(G)该命令将打开 rltool工具的界面，显示原开环模型的根轨迹图，如图3-4（ a）所示。单击该图形菜单命令 Analysis 中的 Response to Step Command复选框，则将打开一个新的窗口，绘制系统的闭环阶跃响应曲线，如图3-4（ b）所示。可见这样直接得出的系统有很强的振荡，就需要给这个对象模型设计一个控制器来改善系统的闭环性能。a）原对象模型的根

12、轨迹（b）闭环系统阶跃响应收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档单击界面上的零点和极点添加的按钮，可以给系统添加一对共轭复极点，两个稳定零点，调整它们的位置，并调整增益的值，通过观察系统的闭环阶跃响应效果，则可以试凑地设计出一个控制器GC ( s)181307.29(s38.31)(s10.26)(s61.3j 0.84)(s61.3j 0.84)在此控制器下分别观察系统的根轨迹和闭环系统阶跃响应曲线。可见，rltool可以作为系统综合的实用工具，在系统设计中发挥作用。三、实验内容1请绘制下面系统的根轨迹曲线KG (s)s(s22s2)( s26s13)G ( s)K ( s 12)21

13、2s100)(s 10)( s 1)( sG ( s)K (0.05s1)1)(0.012s20.1s 1)s(0.0714 s同时得出在单位阶跃负反馈下使得闭环系统稳定的K 值的范围。KG (s)s(s2 2s 2)(s2 6s 13) 的根轨迹曲线程序如下：den=conv(1,2,2,1,6,13),0;num=1;G=tf(num,den);rlocus (G) k,r=rlocfind(G)Select a point in the graphics windowselected_point =收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档0.0082 - 0.9683ik =29.0

14、271r =-2.8187 + 2.1687i -2.8187 - 2.1687i -2.3403 -0.0111 + 0.9902i -0.0111 - 0.9902i波形图如下：Root Locus108642System: GsGain: 31.9iPole: 0.0203 - 1.02ixADamping: -0.02yr0aOvershoot (%): 106nigFrequency (rad/sec): 1.02amI-2-4-6-8-10-12-10-8-6-4-20246Real Axis图一：根轨迹图形系统与虚轴交点的 K 值，可得与虚轴交点的 K 值为 29.0271 ，故

15、系统稳定的 K的范围为 K(0,29.0271) 。G (s)K (s12)的根轨迹曲线程序如下：1)( s212s100)( s 10)( s收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档den=conv(1,1,conv(1,12,100,1,10);num=1 12;G=tf(num,den);rlocus (G) k,r=rlocfind(G)Select a point in the graphics windowselected_point =-0.0023 +10.0000ik =1.0914e+003r =-0.0260 +10.0202i-0.0260 -10.0202i-11

16、.4740 + 2.9577i-11.4740 - 2.9577i波形图如下：收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档Root Locus20System: G15Gain: 1.09e+003Pole: -0.0364 + 10iDamping: 0.00364Overshoot (%): 98.9Frequency (rad/sec): 10105sixArya0nigamI-5-10-15-20-25-20-15-10-50510Real Axis图二：根轨迹图形系统与虚轴交点的 K 值，可得与虚轴交点的 K 值为 1.0914e+003，故系统稳定的 K 的范围为 K (0,1.0

17、914e + 003) 。G (s)K (0.05s 1)的根轨迹曲线程序如下：s(0.0714 s1)(0.012s2 0.1s 1)den=conv(0.0714,1,0.012,0.1,1),0;num=0.05 1;G=tf(num,den);rlocus (G) k,r=rlocfind(G)Select a point in the graphics windowselected_point =0.0272 + 8.4444ik =收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档7.8378r =-0.0319 + 8.5187i-0.0319 - 8.5187i-11.1376 +

18、1.4182i-11.1376 - 1.4182i波形图如下：Root Locus40302010sixAyra0nigamI-10-20-30System: GGain: 7.83Pole: -0.0336 + 8.52iDamping: 0.00395Overshoot (%): 98.8Frequency (rad/sec): 8.52-40-40-30-20-1001020Real Axis图三：根轨迹图形系统与虚轴交点的K 值，可得与虚轴交点的K 值 7.8378 ，故系统稳定的K 的范围为 K( 0,7.8378) 。2. 在系统设计工具 rltool 界面中，通过添加零点和极点方

19、法，试凑出上述系统，并观察增加极、零点对系统的影响。、K对于 G (s)s( s2 2s 2)( s2 6s 13) 程序如下：den=1,6,13;收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档num=1;G=tf(num,den);rltool(G)1 原对象模型的根轨迹2闭环系统阶跃响应图四：根轨迹设计工具界面及阶跃响应分析对于 G (s)K ( s12)程序如下：12s100)(s 10)(s 1)( s2den=1,12,100;num=1;G=tf(num,den);rltool(G)经过添加零极点后显示的图形为：收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档1 原对象模型的根轨迹2闭环系统阶跃响应图五：根轨迹设计工具界面及阶跃响应分析K (0.05s 1)程序如下：对于 G (s)s(0.0714s 1)(0.012s20.1s 1)den=0.012,0