反馈系统(线性时不变系统)的稳定性由其闭环极点唯一确定。

零点:即传递函数分子为零,即让传递函数最小

极点:即传递函数分母为零,即让传递函数最大

下面这篇博客有详细的介绍。

根轨迹法

为什么要画根轨迹?反馈系统的闭环极点就是该系统特征方程的根。最简单的判稳方法就是求特征方程的特征根,如果所有特征根都是负的,那么系统肯定稳定。因为对于一阶二阶系统,求根根式无法直接求出。根轨迹法,它不直接求解特征方程,而是用图解法来确定系统的闭环特征根。所谓根轨迹就是系统的某个参数连续变化时,闭环特征根在复平面上画出的轨迹,也就是是开环系统某一参数从零变化到无穷时,闭环特征根在复平面[s]上变化的轨迹。如果这个参数是开环增益,在根轨迹上就可以根据已知的开环增益找到相应的闭环特征根,也可以根据期望的闭环特征根确定开环增益。

根轨迹法研究系统的一个可调参数对闭环极点的影响,最常见的可调参数就是开环增益K。

基本规则:

(1)根轨迹一定开始于开环极点,终止于开环零点。

因为根轨迹是闭环特征方程的根,当K=0时方程的根就是它的n个开环极点,当K→∞时方程的根就是它的m个开环零点。根轨迹的起点和终点是根轨迹的特殊点。当n=m时,开始于n个开环极点的n支根轨迹,正好终止于 个开环零点。

n>m时,开始于n个开环极点的n支根轨迹,有m支终止于开环零点,有n-m支终止于无穷远处。

解释:终点就是K→∞的点,要K→∞只有两种情况:一是s=zl(l=1,2,…,m);二是s→∞。这时,无穷远处也称为‘无穷远零点’。

n<m时,终止于m个开环零点m支根轨迹,有 支来自个开环极点,有m-n支来自无穷远处。必需指出,实际系统极少有n<m的情况,但是在处理特殊根轨迹时,常常将系统特征方程变形,变形后的等价系统可能会出现这种情况。

(2)分支数和对称性

根轨迹一定对称于实轴,并且有max(n,m)支。

因为根轨迹是闭环特征方程的根,无论K如何变化特征方程始终有max(n,m)个根,即使出现重根,当K从零到无穷大连续变化时重根不可能始终为重根,所以根轨迹一定有max(n,m)支。

特征方程的根要么是实根(在实轴上)要么是共轭复根(对称于实轴),所以根轨迹一定对称于实轴。

(3)实轴上的根轨迹

实轴上的开环零点和开环极点将实轴分为若干段,对于其中任一段,如果其右边实轴上的开环零、极点总数是奇数,那么该段就一定是根轨迹的一部分。

(4)渐近线

根轨迹的渐近线。当开环有限极点数n大于有限零点数m时,有n-m条根轨迹分支沿着与实轴交角为 \varthetaa,交点为 \varphia的一组渐近线趋向无穷远处,且有

5)会和分离点与分离角

会和分离点的意思就是根轨迹会在这里会和和分离,也就是说有重根。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,称为根轨迹的分离点,分离点的坐标d是下列方程的解:

式中,zj为各开环零点的数值;pi为各开环极点的数值;分离角为(2k+1)π/l

6)起始角与终止角

根轨迹的起始角与终止角。只有当出现复数零极点时,才会考虑用此规则!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;根轨迹进入开环复数零点处的切线与正实轴的夹角,称为终止角。这两个角度都是通过相角条件求的。

相角条件?n-m>2时分子的角度之和减去分母的角度之和=(2K+1)*pai(180度根轨迹)就是零点的角度之和减去极点的角度之和。那么,接下来在列式子时,只需要将同类型的角度放在一块就好了。这样就可以避免出错!

7)与虚轴的交点

根轨迹与虚轴的交点。若根轨迹与虚轴相交,则交点上的值和ω值可用劳斯判据确定,也可令闭环特征方程中的s=jω,然后分别令其实部和虚部为零而求得。

8)根之和

n-m>2时:开环极点之和=闭环极点之和。

系统性能分析

绘制根轨迹可以总结为三句话:

依据的是开环零极点分布,

遵循的是不变的相角条件,

画出的是闭环极点的轨迹。

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