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|实验四 用MATLAB 绘制根轨迹图 （The Root Locus Using MATLAB ）一、绘制系统的根轨迹在绘制根轨迹之前，先把系统的特征方程整理成标准根轨迹方程r num(s)1+G(s)H(s)=1+K =0den(s)⋅其中：rK为根轨迹增益；num(s)为系统开环传递函数的分子多项式；den(s)为系统开环传递函数的分母多项式。
绘制根轨迹的调用格式有以下三：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； [K,p]=rlocfind(G ) 确定所选定处的增益和对应的特征根。
例4.1 已知某系统的开环传递函数为s s s s K s r 424)(23+++⋅=G试绘制该系统的根轨迹。
解： 在Matlab 命令窗口键入 num=[1 4];den=[1 2 4 0]; rlocus(num,den)可得如图4-1的结果。
-5-4-3-2-11-10-8-6-4-20246810Real AxisI m a g i n a r y A x i sRoot Locus图4-1由于采用rlocus()函数绘制根轨迹时，不同的根轨迹分支之间只区分颜色而不区分线形，所以打印时是不容易分辨各个分支的，需要在运行Matlab 程序时注意观察曲线的颜色。
■例4-2 若要求例4-1中的r K 在1到10之间变化，绘制相应的根轨迹。
解 在MATLAB 命令窗口键入 num=[1 4];den=[1 2 4 0];k=[1:0.5:10]; rlocus(num,den,k)可得如图4-2.的结果。
-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.5Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s图4-2例4-3 设系统的开环传递函数为)22)(3(()(2+++=s s s K s s rs H G ）试绘制其闭环系统的根轨迹图并在图上找出几点的相关数据。
第4章 利用MATLAB 绘制系统根轨迹一、 利用MATLAB 绘制系统根轨迹相关知识假设闭环系统中的开环传递函数可以表示为：)()())(()())(()(021********s KG p s p s p s z s z s z s K den numK a s a s a s b b s b s K s G n m nn n n m m m m k =+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++==++⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅++=----则闭环特征方程为：01=+dennumK特征方程的根随参数K 的变化而变化，即为闭环根轨迹。
控制系统工具箱中提供了rlocus()函数，可以用来绘制给定系统的根轨迹，它的调用格式有以下几种：rlocus(num ，den) rlocus(num ，den ，K) 或者 rlocus(G) rlocus(G ，K)以上给定命令可以在屏幕上画出根轨迹图，其中G 为开环系统G 0(s)的对象模型,K 为用户自己选择的增益向量。
如果用户不给出K 向量，则该命令函数会自动选择K 向量。
如果在函数调用中需要返回参数，则调用格式将引入左端变量。
如[R ，K]=rlocus(G)此时屏幕上不显示图形，而生成变量R 和K 。
R 为根轨迹各分支线上的点构成的复数矩阵，K 向量的每一个元素对应于R 矩阵中的一行。
若需要画出根轨迹，则需要采用以下命令：plot(R ，¹¹)plot()函数里引号内的部分用于选择所绘制曲线的类型，详细内容见表1。
控制系统工具箱中还有一个rlocfind()函数，该函数允许用户求取根轨迹上指定点处的开环增益值，并将该增益下所有的闭环极点显示出来。
这个函数的调用格式为：[K ，P]=rlocfind(G)这个函数运行后，图形窗口中会出现要求用户使用鼠标定位的提示，用户可以用鼠标左键点击所关心的根轨迹上的点。
这样将返回一个K 变量，该变量为所选择点对应的开环增益，同时返回的P 变量则为该增益下所有的闭环极点位置。
实验五利用MATLAB绘制系统根轨迹一、实验目的（1）熟练掌握使用MATLAB绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法；（2）熟练使用根轨迹设计工具SISO；（2）学会分析控制系统根轨迹的一般规律；（3）利用根轨迹图进行系统性能分析；（4）研究闭环零、极点对系统性能的影响。
二、实验原理及内容1、根轨迹与稳定性当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入s右半平面，那么系统对所有的K值都是稳定的；若根轨迹越过虚轴进入s右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的K值，就是临界开环增益。
应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。
2、根轨迹与系统性能的定性分析1）稳定性。
如果闭环极点全部位于s左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。
2）运动形式。
如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。
3）超调量。
超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。
4）调节时间。
调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。
5）实数零、极点影响。
零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提前，超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调量减小。
而且这种影响将其接近坐标原点的程度而加强。
【自我实践5-1】在实验内容（2）中控制系统的根轨迹上分区段取点，构造闭环系统传递函数，分别绘制其对应系统的阶跃响应曲线，并比较分析。
1：阻尼比=，k=2：阻尼比=,k=3：阻尼比= k=4：阻尼比=,k=0,3855：阻尼比=（无此阻尼，取）,k=将数据填入实验数据记录表中。
阻尼比闭环极点p开环增益K自然频率n超调量%调节时间t s = + 1e+03 = += + =1 + 0 =+194\3、基于SISO 设计工具的系统根轨迹设计用根轨迹法进行系统校正过程中，分析补偿增益和附加实数（或复数）零极点之间匹配的规律。
实验三利用MATLAB进行根轨迹分析实验三利用MATLAB进行根轨迹分析一、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。
二、实验原理1、绘制系统的根轨迹rlocus()2、确定闭环根位置对应增益值K的函数rlocfind()该函数的调用格式为：[k,r]=rlocfind(num,den)三、实验内容请绘制下面系统的根轨迹曲线①、G(s)=k/s*(s^2+2*s+2)*(s^2+6*s+13)K:从0到无穷大时的根轨迹，x轴、y轴和标题。
②、G(s)=k*(s+12)/(s+1)*(s^2+12*s+100)*(s+10)K:从0到1000时的根轨迹曲线。
③、G(s)=k*(0.05+1)/s*(0.0714+1)*(0.012*s^2+0.1*s+1) K:从0到无穷大时的根轨迹曲线，图形窗口任选一点，确定系统稳定性。
程序：①num=[1];>> den=conv(conv([1,0],[1,2,2]),[1,6,13]);>> tf(num,den)Transfer function:1------------------------------------s^5 + 8 s^4 + 27 s^3 + 38 s^2 + 26 s>> num=[0,0,1];>> den=[1,8,27,38,26];>> rlocus(num,den)>> grid>> xlabel('Real Axis'),ylabel('Imaginary Axis')>> title('Root Locus')②num=[1,12];den=conv(conv([1,1],[1,12,100]),[1,10]); >> tf(num,den) Transfer function:s + 12--------------------------------------s^4 + 23 s^3 + 242 s^2 + 1220 s + 1000 >> num=[1,12]; >> den=[1,23,242,1220,1000];>> k=1:0.5:1000;>> rlocus(num,den)>> grid③num=[0.05 1];den=conv(conv([1,0],[0.0714 1]),[0.012 0.1 1]); rlocus(num,den)r=rlocus(num,den)[r,k]=rlocus(num,den)G=tf(num,den);rlocus(G);[k,r]=rlocfind(G)G_c=feedback(G,1);step(G_c)gridxlabel('Real Axis'),ylabel('Imaginary Axis')title('Root Locus')从k的取值可以知道系统是稳定的。
4.1某系统的结构如题4-1图所示，试求单位阶跃响应的调节时间t s ，若要求t s =0.1秒，系统的反馈系数应调整为多少？解:(1)由系统结构图可知系统闭环传递函数为:100()100()1001()()1001*G s s s G s H s s aa sΦ===+++ 在单位阶跃函数作用下系统输出为：12100()()()(100)100k k C s R s s s s a s s a=Φ==+++为求系统单位阶跃响应，对C(s)进行拉斯反变换：1021001001001001lim ()lim1001001lim (100)()lim 11()(100)1()(1)s s s as a at k sC s s a ak s a C s s aC s as a s a c t e a→→→-→--===+=+==-=-+=-根据定义调节时间等于响应曲线进入5%误差带，并保持在此误差带内所需要的最短时间，且根据响应系统单位阶跃响应的函数表达式可以看出系统单位阶跃响应的稳态值为1a,因此: 10010011()(1)0.950.051ln 201001=0.1ln 20=0.3s 10s s at s at s s c t e a a e t a a t --=-=⇒=⇒==因为题中，所以(2)若要求t s =0.1秒,则有:1ln 20=0.1100=0.3s t aa =⇒ 即:若要求调节时间缩小为0.1秒,则需将反馈环节的反馈系数调整为0.3。
4.2已知二阶系统的阶跃响应曲线如题4.2图所示，该系统为单位负反馈系统，试确定其开环传递函数。
解：根据系统阶跃响应曲线可以看出： 峰值时间=0.1s p t ，超调量 1.3-1%=100%30%1σ⨯=； 根据课本中对典型二阶系统222()2nn ns s s ωζωωΦ=++暂态性能指标的推导计算可知：%p t e σ-==结合本题已知阶跃响应曲线可知：0.1(1)%30%(2)p t e σ-====由式(2)可知：0.3ln 0.30.3832cot =0.3832=arccot 0.3832=69.0332=cos =0.3578eζϕζϕζϕ-=⇒-=⇒==即：将ζ带入式(1)中可得：0.1p n t ω==回顾题意对于典型二阶系统其闭环传递函数为222()2nn ns s s ωζωωΦ=++，且系统为单位负反馈系统，所以系统开环传递函数和闭环传递函数之间满足如下关系：222222222211()()121211211131.8851===224.0753n n n nn n n n n G s s s s G s s G s s G G s s s sωζωζωωωζωωωζωΦ==Φ==+++++++++，因为：所以：，4.3单位反馈控制系统开环传递函数为()(1)KG s s Ts =+,若116s =0.25s K T -=、,试求(1)动态性能指标%(0.05)s t σ∆=、.(2)欲使%=16%σ,当T 不变时，K 应取何值。
解：(1)对于单位反馈控制系统，已知开环传递函数可求出其闭环传递函数，并将其化为标准形式为：22()(1)()1()1(1)1180.25n n n K KG s K s Ts T s K s K G s Ts s K s s Ts T T T Tωζωζω+Φ====+++++++===⇒==即：；22 所以根据动态性能指标的计算公式将上述两参数带入后可得：0.2511ln( 1.5142%44.43%s n t s e e ζωσ--=-=-====(2)由于T=0.25s,所以可知: 1n n T ωζωζ==⇒=2将阻尼比带入超调量的计算公式中:%16%0.16ln 0.16ln 0.16 3.9388e e K σζπ--==⇒=⇒-==⇒=将阻尼比带入可得：4.4设控制系统如题4-4图所示，其中图(a)为无速度反馈系统，图(b)为带速度反馈系统，试确定系统阻尼比为0.5时K t 的值，并比较图(a)和图(b)系统阶跃响应的动态性能指标。
解:(1)根据系统结构图可求得两系统的闭环传递函数为:2210()101(1)(),101()()1021(1)10()10(1)(),101()()10101(1)(1)1+100.21622a n n b t tt n t n G s s s s G s H s s s s s G s s s s G s H s s s K s K s s s K K ωζωωζω+Φ=====++++++Φ===+++++++===所以所以因此(2)根据已经求得的两系统的阻尼比和无阻尼自然振荡角频率可分别计算两系统的动态性能指标:0.55351.0053%60.47%1ln( 6.0168ra pa a sa nt s t s e t sσζω-=======-=0.76481.1471%16.3%1ln( 1.9827rb pb b sb nt s t s e t sσζω-=======-=经对比可看出:采用速度反馈的b 系统虽然上升时间和峰值时间稍有延长,但超调量存在明显下降,系统振荡剧烈程度下降,另外调节时间也显著降低,即使说系统能够在较快的时间内达到稳定,系统动态性能得到了提高。
4.5某系统结构如题4-5图所示，试判断系统的稳定性。
解：根据系统结构图可利用梅森公式求解其传递函数，结构图中前向通道有一条，回路有两个，且两回路相关，因此有：2212111321010(+1)20101(2)1(1)(1)11011010()21101s s s s s s s sP s P s s s s s ∆=--⋅-=+++++=∆=∆+Φ==∆+++因此可得系统特征方程为：32211010s s s +++=列写其劳斯表为：3211021120902111s s s根据劳斯判据可知，劳斯表第一列系数符号均未发生变化，因此系统稳定。
4.6已知系统特征方程如下，用劳斯判据判断系统的稳定性，如不稳定求在s 右半平面的根数及虚根值。
另外用MATLAB 软件直接求其特征跟加以验证。
(1)5432543224312243248011232324484160124800480,148s=2js s s s s s s s s s +++++=+=±2劳斯表中出现全零行，根据上一行数据列写辅助方程为12s 对其求导得到全零行的新系数为：240，求解辅助方程可得通过分析劳斯表中第一列系数可知并没有符号变化，所以不存在位于s 右半平面的特征根，另外由于系统劳斯表中出现全零行,所以系统不稳定，存在对称于原点的根为s=2j ±用MATLAB 软件中函数roots 求特征方程根可得，系统特征方程根为如下所示，进一步验证了上述求解结果的正确性。
(2)5432543210312203525011235320251680(16)(80)033525000250,125s=s s s s s s s s s s +++++=+=±2同时乘以非正系数3可简化计算劳斯表中出现全零行，根据上一行数据列写辅助方程为5s 对其求导得到全零行的新系数为：100，求解辅助方程可得通过分析劳斯表中第一列系数可知并没有符号变化，所以不存在位于s 右半平面的特征根，另外由于系统劳斯表中出现全零行,所以系统不稳定，存在对称于原点的根为s=±用MATLAB 软件中函数roots 求特征方程根可得，系统特征方程根为如下所示，进一步验证了上述求解结果的正确性。
(3)6543265432(-20)(10)24447810014710448055100005100,510s=1290110s s s s s s s s s s s s s -+-+--+=------+=-±-4劳斯表中出现全零行，根据上一行数据列写辅助方程为-5s 对其求导得到全零行的新系数为：-20-10，求解辅助方程可得通过分析劳斯表中第一列系数符号变化两次，所以有两个位于s 右半平面的特征根，另外由于系统劳斯表中出现全零行,所以系统不稳定，存在对称于原点的根为s=1±±用MATLAB 软件中函数roots 求特征方程根可得，系统特征方程根为如下所示，进一步验证了上述求解结果的正确性。
(4)65432(4)(6)212741340134000340,34s=j,s=2250314s s s s s s s ----------=--±±--4劳斯表中出现全零行，根据上一行数据列写辅助方程为s 对其求导得到全零行的新系数为：4-6，求解辅助方程可得通过分析劳斯表中第一列系数符号变化1次，所以有1个位于s 右半平面的特征根，另外由于系统劳斯表中出现全零行,所以系统不稳定，存在对称于原点的根为s=j,s=2±±用MATLAB 软件中函数roots 求特征方程根可得，系统特征方程根为如下所示，进一步验证了上述求解结果的正确性。
4.7已知单位反馈系统的开环传递函数为2(0.51)()(+1)(0.51)K s G s s s s s +=++，试确定系统稳定时的K 值范围。
解：根据已知单位反馈系统开环传递函数可知系统特征方程为：4320.5 1.52(0.51)0s s s K s K +++++=，对系统列写劳斯表可得：4320.521.50.5100.51234.50.516(0.51)1s Ks K K s KK s K K K++-+--+欲使系统稳定则需满足：0.5120103K K +->⇒<4.50.510556(0.51)KK K K +->⇒--<<-+-+0K >汇总得：05 1.708K <<-+=4.8已知系统的特征方程为321340400s s s K +++=，试确定系统稳定时的K 值范围，若要求闭环系统极点均位于s=-1垂线之左，K 值该如何调整。
解：(1)对系统列写劳斯表为：321401340404013140s s K K s K-欲使系统稳定则需满足：40400;40013KK ->>，即：013K <<。
(2)将1s s =-带入系统原特征方程中得：323210174028011710402819.8414028s s s K s s K s K K +++-=---欲使系统稳定则需满足：19.840 4.95K K ->⇒<；402800.7K K ->⇒>；即0.7 4.95K <<4.9已知系统稳定，求2()1()2t r t t t =++的系统稳态误差。
