根轨迹分析法 参考答案

P( s )Q( s ) P( s )Q( s ) 0
即 其中
P( s ) Q( s ) P( s ) Q( s )
d [ln P(s)] d [ln Q(s)]
ds
ds
P(s) (s z1 )(s z2 ) (s zm )
Q(s)- (s p1 )(s p2 ) (s pn )
的 j 值。工作在此点时，系统处于临界稳定状态。
介绍二种常用的求交点的方法。 (1) 利用特征方程求取。用 j 替代s，令虚部、实部分别等
于 零，求得 和对应的K1。 (2) 利用劳斯表求取。将劳斯表中s2行系数构造的辅助方程
求得。若根轨迹与虚轴的交点多于两个，则应取劳斯 阵列中大于2的偶次方行的系数构造的辅助方程求得。
i1
ib
8 虚轴交点 （1）满足特征方程 1 G( j)H( j) 0 的 j 值；
（2）由劳斯判据求临界稳定时的特征根；
9
根之和与 根之积
n
pcj
n
p
j
j 1
j 1
n
j 1
pcj
1
n
n
j 1
pj
K1
m
i 1
zi
19
例1: 系统的开环传递函数 试画根轨迹。
G(s)H(s)
K1
s(s 4)(s 6)
ω4 -36ω2 K0 jω80 - 8ω2 0
ω4 -36ω2 K0 0
jω80 - 8ω2 0
求得 ω 10 , K0 260
( (4)出射角
极点-p3的出射角 ： 3 180 (2k 1) (2 90 180 2 ) 90
同理不难求得极点-p4处的出射角： 4 90

第四章 根轨迹法一、填空选择题（每题2分）1、根轨迹起于开环 点，终于开环 点。

2、根轨迹对称于s 平面 轴。

3、控制系统的根轨迹是指系统中某一或某些参数变化时，系统的 在s 平面上运动后形成的轨迹。

4、假设某一单位负反馈控制系统的开环传递函数为1)2()(++=s s K s G ，若此时闭环极点为－1.5时，试问此时对应的开环放大系数是 。

5、如果闭环系统的极点全部分布在s 平面的 平面，则系统一定稳定。

6、系统的开环传函为G(s)H(s)=)4(3+s s K，则实轴上的根轨迹范围是（ ）。

A.[-∞, -4] B.[-4, 0] C.[0, 4] D.[4, ∞]根轨迹填空题答案1、根轨迹起于开环 极 点，终于开环 零 点。

2、根轨迹对称于s 平面的 实 轴。

3、控制系统的根轨迹是指系统中某一或某些参数变化时，系统的 特征方程的根 或 系统闭环极点 在s 平面上运动后形成的轨迹。

4、假设某一单位负反馈控制系统的开环传递函数为1)2()(++=s s K s G ，若此时系统的闭环极点为－1.5时，试问此时对应的开环放大系数是 1 。

5、如果闭环系统的极点全部分布在s 平面的 左半 平面，则系统一定稳定。

6、B二、综合计算题及参考答案a1、（8分）设系统结构图与开环零、极点分布图如下图所示，试绘制其概略根轨迹。

解：8’(按规则分解)a2、（12分）已知某系统开环零、极点分布如下图所示，试概略绘出相应的闭环根轨迹图。

cbad解：每项三分cbadb1、（10分）单位负反馈控制系统的开环传递函数为15.0)15.0()(2+++=s s s K s G 试绘制闭环系统的根轨迹。

并求分离点或会合点。

解：G(s)的零、极点标准形式为)1)(1()2()(j s j s s K s G -++++=因此该系统的开环零点为（－2，0）、开环极点为（－1，j ±），因此该系统有两条根轨迹分支，并且起于两个开环极点，终于开环零点（－2，0）和无限零点。

令实部和虚部分别为零，有
σ(25σk5)1k0k。 00
解得
k5,5
由图可知，当k=5时直线OB与圆相切，系统的阻尼比
特征根为
5 j5
，
1 2
（3）对于分离点-2.93，由幅值条件可知
k1
2.9 3|52.93| 0.858 |102.93|
对于会合点-17.07，有
由根轨迹图可知，当
k21.70 |1 70 |5 1.7 1 0.7 7 |07 |2.914
四、开环极点对系统根轨迹的影响
设系统的开环传递函数
GK(s)s(sK gp1) (p10)
其对应的系统根轨迹如图 a）所示。
若系统增加开环极点，开环传递函数变为
G K(s)s(spK 1)gs(p2) (p2p1)
其相应的根轨迹如图 b）所示。
五、控制系统的稳态性能分析
系统的稳态误差大小与系统的开环增益成反比，开环增益与根轨迹增益之 间又有确定的比例关系，即
jω
3
10
-1 0
σ
-3
若在该区域内没有合适的根轨迹，则应在系统中加入极点、零点合适的校正 装置以改变根轨迹的形状，使根轨迹进入该区域。然后确定满足要求的闭环极点
例：单位反馈控制系统的开环传递函数为
K G(s)
K s(s4)(s6)
若要求闭环系统单位阶跃响应的最大超调量 σ%≤18%，试确定系统的开环增益。 解：绘出 K由零变化到∞时系统的根轨迹如图所示。当K＝17时，根轨迹在实轴
% 12 10% 0
3 t
s
n
可得到系统工作在该点的暂态性能。反过来，我们也可以根据系统暂态指标的
要求，确定系统特征根的位置。

4. 牛顿余数定理
（1）求出表达式 Ps D(s)N(s) N(s)D(s)
（2）分析根轨迹，估计在其分离点（或会合点）可能出现的实轴 坐标附件找一个试探点 s1。
（3）用 s s1 去除 Ps ，得出商多项式 Qs 及余数，该余数记
为 R1 ；
（4）再用 s s1 去除商多项式 Qs，得第二个余数，定义为 R2 ；
s2 3
k gp
s1 6-kgp 3
s0 kgp
令 6-kgp 3
0 kgp
6
由辅助方程求交点坐标：
3s2 Hale Waihona Puke 6 0s1,2 2 j
法则10 闭环极点的和与积
若n-m>=2，则有
n
n
(sj ) ( pj ) const
j1
j1
证明：
开环传递函数：
m
根轨迹的入射角：终止于开环零点的根轨迹在终点出的切线同正 实轴的夹角。
j
[s]
p1 p1 z1
z1
0 z2
z2 p2 p2
m
n
先求出射角： (s zi ) (s pj ) 180o (2k 1)
i 1
j 1
• s1 →-p1则 0, (s1 pa ) a
1802k 1 (180 arctan1) arctan 1 90 71.6
j
2
p4 p3 71.6
7) 根轨迹同虚轴的交点：
-p3
1.1j
p3
j
特征方程 s4 5s3 8s2 6s kg 0
令s j
-p2 s1
-3

方程求得。
k* 2 3 3
2
1
2 3 2 2 3 1
解得： k* 3(3 3)
1 3
特征根s=0处对应的 k * 值也利用模值方程求得：
k* 3 2 2 1
1
k*
4 3
满足稳定性时，k* 4 要使系统的三个根均为负
实根，则：
3
k* 4 3
0 k* 3(3 3) 1 3
0 k*
另一个闭环极点为 S3 ，则
(S S3 )(S 1)2 S (S 3)2 4
则解得：
(S S3 )(S 1)2 S (S 1)2 4(S 1)2 (S 4)(S 1)2
则 (S S3) S 4 S3 4 （另外一个闭环极点） 临界阻尼时的闭环传递函数为
(S)
(S
4(S 1) 4)(S 1)2
(2
j) (2 3
j)
4 3
渐近线与实轴正方向夹角
a
(2k 1)
nm
,
3
分离点： 1 1 1 0
d d 2 j d 2 j
整理得：3d 2 8d 5 0
解得：d1,2
8 6
2
d1 1 d2 1.67
分离角
l
180 l
180 2
900
把 S j 代入特征方程：
1
k*
n
m
a
i 1
Pi Zi
i 1
nm
(3) (3) 3
2
渐近线与实轴正方向夹角：
a
(2k 1)
nm
, ,
33
分离点： 1 1 1 0
d d 3 d 3
解得：d 1, a S (S 3)2 (1) 4 4

奇数个π，无论如何加减组合，总能 使（2k＋1) π(k=0, ±1, ±2,…)成立。
规则四、实轴上的根轨迹：在实轴上某线段右侧的实数 开环零、极点个数之和为奇数，则该线段为根轨迹。
对于例题，在实轴上的根轨迹： G(s)H(s) K(s 5)
一条始于开环极点，止于开环零点，
s(s 1)(s 2)
p3
)
k
0,
1,
2,
要判断 p3和 z1之间的线段是否存
在根轨迹，取实验点 S0 ,
× P4
开环共轭极点和零点提供的相角
4
相互抵消，G(s0)的相角由实轴上的 开环零极点决定。
● ● × ××
﹣5 S 0 ﹣2 ﹣1 0
处在G(s0)左边的开环零极点提供的角度 ×5 均为零， 相角条件由其右边的零极点决定。 P5
(s pn)]
(2k 1)1800
k 0, 1, 2,
幅值条件 （积的模等于模的积，商的模等于模的商）
K s p1 s p2 s pn s z1 s z2 s zm
相角条件 [(s z1) (s z2 ) (s zm )]
[(s p1) (s p2 ) (s pn )] (2k 1)1800
总结：
－
1
K
s(s 1)
G(s)H(s) K
s(s 1)
这是个？2 阶系统，有两个闭环极点，有2条根轨迹。
根轨迹是从开环极点出发点。
根轨迹上的点与K值一一对应。根轨迹是连续的。
Im
通过选择增益K，可使闭环极点落 在根轨迹的任何位置上。
如果根轨迹上某一点满足动态特 性要求，可以计算该点的K值实现 设计要求。
闭环特征方程1 G(s)H(s) 1 K (s 5) 0 s(s 1)(s 2)

第四章 根轨迹法习题及答案4-1 系统的开环传递函数为)4)(2)(1()()(*+++=s s s K s H s G 试证明点311j s +−=在根轨迹上，并求出相应的根轨迹增益*K 和开环增益K 。

解 若点在根轨迹上，则点应满足相角条件1s 1s π)12()()(+±=∠k s H s G ，如图解4-1所示。

对于31j s +−=，由相角条件=∠)()(11s H s G=++−∠−++−∠−++−∠−)431()231()131(0j j jππππ−=−−−632满足相角条件，因此311j s +−=在根轨迹上。

将代入幅值条件：1s 1431231131)(*11=++−⋅++−⋅++−=j j j K s H s G ）（解出 ： 12*=K ， 238*==K K4-2 已知开环零、极点如图4-22所示，试绘制相应的根轨迹。

1（ｅ） （ｆ） （ｇ） （ｈ） 题4-22图 开环零、极点分布图解 根轨如图解4-2所示：4-3 已知单位反馈系统的开环传递函数，试概略绘出系统根轨迹。

⑴ )15.0)(12.0()(++=s s s Ks G⑵ )3)(2()5()(*+++=s s s s K s G⑶ )12()1()(++=s s s K s G2解 ⑴ )2)(5(10)15.0)(12.0()(++=++=s s s Ks s s K s G系统有三个开环极点：,01=p 22−=p ,53−=p① 实轴上的根轨迹：,(]5,−∞−[0,2−]② 渐近线： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧±=+=−=−−=πππϕσ,33)12(373520k a a③ 分离点：021511=++++d d d 解之得：，(舍去)。

88.01−=d 7863.32−d ④ 与虚轴的交点：特征方程为010107)(23=+++=k s s s s D 令 ⎩⎨⎧=+−==+−=010)](Im[0107)](Re[32ωωωωωj D k j D 解得⎩⎨⎧==710k ω 与虚轴的交点（0，j 10±）。

nm =3
p3 -2
p2 -1
σα
0
p1
故三条根轨迹趋向无穷远处，其渐近线与实 -60° 轴交点的坐标为 (0) +(1) +(2) (0) σα = =1 3 (2k + 1)π 取 k = 0, α = 60° α = 渐近线与实轴正方向的夹角 3 k = 1, α = 180° k = 1, α = 60° 三条渐近线如图所示。
自动控制原理
利用以上原则求例 8-1 的根轨迹图： 已知开环极点为0，-2。首先应用幅角条件，即
(∠s + ∠(s + 2)) = ±180°(2k + 1)
用试探的方法可找出满足上述条件的 s 点。 由幅角条件分析可知，实轴上根轨迹位于（-2，0）区间，实 轴之外根轨迹为0，-2两点的中垂线。 用幅值条件可算出根轨迹上各点对应的 K* 值。 如对(-1+j) 点，有 K = s i s + 2 / 2 = ( 2i 2)/ 2 = 1 得 K* = 2
自动控制原理
五、根轨迹的渐近线
* 如果开环零点数 m 小于开环极点数 n，则K → ∞ 时，趋向无 穷远处的根轨迹共有 (n-m) 条，这些根轨迹趋向于无穷远处的方向 角可由渐近线决定。
渐近线与实轴交点坐标公式 该式的分子是开环极点之和减零点之 和，分母是开环极点数减零点数。
∑ p ∑z
σα =
i =1 i j =1
∏ (s z )
由根轨迹方程知，
m
∏ (s p )
j =1 i
i =1 n
i
=
1 K*
K * → ∞ 时，s – zi = 0
所以，根轨迹终止于开环零点。 又，若 n>m ，则 s →∞ 时，上式可写成 即有 (n-m) 条根轨迹趋向于无穷远处。

习题4.1 已知下列负反馈的开环传递函数，应画零度根轨迹的是：(A)A *(2)(1)K s s s -+B *(1)(5)K s s s -+C *2(31)K s s s -+D *(1)(2)K s s s --4.2 若两个系统的根轨迹相同，则有相同的：(A)A 闭环零点和极点B 开环零点C 闭环极点D 阶跃响应4.3 己知单位负反馈控制系统的开环传递函数为*()()(6)(3)K G s H s s s s =++(1) 绘制系统的根轨迹图(*0K <<∞)；(2) 求系统临界稳定时的*K 值与系统的闭环极点。

解：系统有三个开环极点分别为10p =、23p =-、36p =-。

系统有3条根轨迹分支，分别起始于开环极点，并沿渐进线终止于无穷远。

实轴上的根轨迹区段为(],6-∞-、[]3,0-。

根轨迹的渐近线与实轴交点和夹角分别为()()36 33a σ-+-==-，() (0)321 (1)3 (2)3a k k k k πϕππ⎧=⎪+⎪===⎨⎪⎪-=⎩求分离点方程为111036d d d ++=++ 经整理得2660d d ++=，解方程得到1 4.732d =-、2 1.268d =-。

显然分离点位于实轴上[]3,0-间，故取2 1.268d =-。

求根轨迹与虚轴交点，系统闭环特征方程为32*()9180D s s s s K =+++=令j s ω=，然后代入特征方程中，令实部与虚部方程为零，则有[][]2*3Re (j )(j )190Im (j )(j )1180G H K G H ωωωωωωω⎧+=-+=⎪⎨+=-+=⎪⎩ 解之得 *00K ω=⎧⎨=⎩、*162K ω⎧=±⎪⎨=⎪⎩显然第一组解是根轨迹的起点，故舍去。

根轨迹与虚轴的交点为s =±，对应的根轨迹增益*162K =为临界根轨迹增益。

根轨迹与虚轴的交点为临界稳定的2个闭环极点，第三个闭环极点可由根之和法则求得1233036λλλλ--=++=+解之得39λ=-。

1第四章 根轨迹法习题及答案1系统的开环传递函数为)4)(2)(1()()(*+++=s s s K s H s G试证明点311j s +-=在根轨迹上，并求出相应的根轨迹增益*K 和开环增益K 。

解 若点1s 在根轨迹上，则点1s 应满足相角条件π)12()()(+±=∠k s H s G ，如图解4-1所示。

对于31j s +-=，由相角条件=∠)()(11s H s G=++-∠-++-∠-++-∠-)431()231()131(0j j jππππ-=---6320满足相角条件，因此311j s +-=在根轨迹上。

将1s 代入幅值条件：1431231131)(*11=++-⋅++-⋅++-=j j j K s H s G ）（解出 ： 12*=K ， 238*==K K 2 已知开环零、极点如图4-22所示，试绘制相应的根轨迹。

2解根轨如图解4-2所示：3已知单位反馈系统的开环传递函数，要求：（1）确定)20)(10()()(2+++=*ssszsKsG产生纯虚根为1j±的z值和*K值；（2）概略绘出)23)(23)(5.3)(1()(jsjssssKsG-+++++=*的闭环根轨迹图（要求3确定根轨迹的渐近线、分离点、与虚轴交点和起始角）。

解（1）闭环特征方程020030)()20)(10()(2342=++++=++++=***z K s K s s s z s K s s s s D有 0)30()200()(324=-++-=**ωωωωωK j z K j D令实虚部分别等于零即： ⎪⎩⎪⎨⎧=-=+-**0300200324ωωωωK z K 把1=ω代入得： 30=*K ， 30199=z 。

（2）系统有五个开环极点：23,23,5.3,1,054321j p j p p p p --=+-=-=-==① 实轴上的根轨迹：[],5.3,-∞- []0,1-② 渐近线： 1 3.5(32)(32) 2.15(21)3,,555a a j j k σπππϕπ--+-++--⎧==-⎪⎪⎨+⎪==±±⎪⎩③ 分离点：02312315.31111=+++-++++++j d j d d d d 解得： 45.01-=d , 4.22-d (舍去) , 90.125.343j d ±-=、 (舍去)④ 与虚轴交点：闭环特征方程为0)23)(23)(5.3)(1()(=+-+++++=*K j s j s s s s s D把ωj s =代入上方程，整理，令实虚部分别为零得：⎪⎩⎪⎨⎧=+-==-+=*05.455.43 )Im(05.795.10)Re(3524ωωωωωωωj K j解得：⎩⎨⎧==*00K ω ，⎩⎨⎧=±=*90.7102.1K ω，⎩⎨⎧-=±=*3.1554652.6K ω（舍去）⑤ 起始角：根据法则七（相角条件），根轨迹的起始角为74..923..1461359096..751804=----=p θ由对称性得，另一起始角为74.92，根轨迹如图解4-6所示。

第五章 根轨迹分析方法 自测题__参考答案5-1 设闭环系统的开环传递函数为2(5)()0(48)K s G s K s s s +=>++，请用相位条件检验下列S 平面上的点是不是根轨迹上的点，如果是根轨迹上的点，则用幅值条件计算该点所对应的K 值。

（1）（－1，j0）；（2）（-1.5，j2）；（3）（－6，j0）；（4）（－4，j3）；（5）（－3，j2.37）解： （1）是; K ＝5/4（2）是; K ＝5/4（3）不是根轨迹上的点。

（4）不是根轨迹上的点。

（5）是; K ＝7。

5-2 单位负反馈系统的开环传递函数为：()0(1)KG s K s Ts =>+，，若希望闭环系统所有特征根实部均小于-2，请绘制根轨迹草图确定T 的取值范围。

若再要求系统阻尼比ζ不小于0.5，请画出期望的特征根在S 平面上的分布范围。

解：分离点的位置是： 0<T<1/45-3 控制系统结构如图5-3所示，试由根轨迹的方法确定使闭环系统稳定的KK t 的取值范围。

解：系统开环传递函数为：()(0.251)t KG s s s KK =-+有2个开环极点：120, 4(1)t s s KK ==-由于K>0，故欲保证闭环系统稳定，只需要2个开环极点均位于S 左半平面即可 故101t t KK KK -<⇒>R (s )s )图5-3 控制系统示意图即只要满足条件 1t KK >。

5-4 单位负反馈系统的开环传递函数为：123()()()()()K s z G s s p s p s p +=+++其零、极点分布如图5-4所示，试采用根轨迹方法确定使系统稳定的K 的范围。

解：可以绘制根轨迹的概略图。

从+1、－1出发的2条根轨迹相向而行，在分离点离开实轴进入复域。

由已知的零极点分布容易判断，分离点一定是在左半平面。

渐近线与实轴的交点：－0.5，为平行于虚轴的垂直线容易看出，当一个极点从s=1出发，往S 左半平面移动，过原点为系统稳定与否的分界点。

第四章 根轨迹分析法学习要点1根轨迹的概念；2 根轨迹方程及幅值条件与相角条件的应用； 3根轨迹绘制法则与步骤；4 应用根轨迹分析参数变化对系统性能的影响。

思考与习题祥解题 思考与总结下述问题。

（1）根轨迹的概念、根轨迹分析的意义与作用。

（2）在绘制根轨迹时，如何运用幅值条件与相角条件？ （3）归纳常规根轨迹与广义根轨迹的区别与应用条件。

（4）总结增加开环零、极点对系统根轨迹的影响，归纳系统需要增加开环零、极点的情况。

答：（1）当系统某一参数发生变化时，闭环特征方程式的特征根在S 复平面移动形成的轨线称为根轨迹。

根轨迹反映系统闭环特征根随参数变化的走向与分布。

根轨迹法研究当系统的某一参数发生变化时，如何根据系统已知的开环传递函数的零极点，来确定系统的闭环特征根的移动轨迹。

因此， 对于高阶系统，不必求解微分方程，通过根轨迹便可以直观地分析系统参数对系统动态性能的影响。

应用根轨迹可以直观地分析参数变化对系统动态性能的影响，以及要满足系统动态要求，应如何配置系统的开环零极点，获得期望的根轨迹走向与分布。

（2）根轨迹上的点是闭环特征方程式的根。

根轨迹方程可由闭环特征方程式得到，且为复数方程。

可以分解为幅值条件与相角条件。

运用相角条件可以确定S 复平面上的点是否在根轨迹上；运用幅值条件可以确定根轨迹上的点对应的参数值。

（3）归纳常规根轨迹与广义根轨迹的区别与应用条件。

考察开环放大系数或根轨迹增益变化时得到的闭环特征根移动轨迹称为常规根轨迹。

除开环放大系数或根轨迹增益变化之外的根轨迹称为广义根轨迹，如系统的参数根轨迹、正反馈系统根轨迹和滞后系统根轨迹等。

绘制参数根轨迹须通过闭环特征方程式等效变换，将要考察的参数变换到开环传递函数中开环放大系数或根轨迹增益的位置上，才可应用根轨迹绘制规则绘制参数变化时的根轨迹图。

正反馈系统的闭环特征方程0)()(1=-s H s G 与负反馈系统的闭环特征方程1()()0G s H s +=存在一个符号差别。

i 1
其余n m,
m
(s zi )
i 1 n
(s pj )
m
(1
m
i 1
pj
(1 s)
zi
n
s
) (s
p
j
)
1 Kg
j 1
j 1
j m 1
此时s ，即无穷远处
8/63
五.实轴上的根轨迹
在实轴上，右方的实数开环极点和实数开环零 点的总和为奇数时，此为根轨迹上点。
GK (s)
m
n
闭环系统特征方程 或根轨迹方程
4/63
GK (s) GK (s) e jGK (s) 1
幅值条件: GK (s) 1 相角条件: GK (s) 180o (2k 1) k 0,1, 2,
或:
m
(s zi )
充要条
K i1 gn
1
件
(s pi )
m
n
j 1
s zi s p j 180o (2k 1) k 0,1,2,
当 nm2
n
n
an1 ( pj ) (sj ) s j 为系统的闭环极点
j 1
j 1
随着根轨迹增益的变化，若一些闭环极点向右移动，则另一些
必向左移动
n
(sj )=(-1)n (a0 Kgb0) j 1
22/63
十条法则：
1.连续性 2.对称性 3.分支数 4.起点、终点 5.实轴上的根轨迹 6.渐近线 7.分离点、会合点 8.出射角、入射角 9.虚轴交点 10.闭环极点的和与积
D(s)N(s) N(s)D(s) 0,3s2 6s 2 0
ss21
0.423 1.577

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。

第4章　根轨迹法4-1 根轨迹法适用于哪类系统的分析？答：根轨迹法适用于分析高阶系统。

4-2 为什么可以利用系统开环零点和开环极点绘制闭环系统的根轨迹？答：绘制根轨迹的依据是幅角条件，而系统的幅角关系为式中：；为开环有限零点－z i 到s 的矢量幅角；为开环极点－p j 到s 的矢量幅角。

由此可知，可以利用系统开环零点和开环极点来绘制闭环系统的根轨迹。

4-3 绘制根轨迹的依据是什么？答：绘制根轨迹的依据是幅角条件，即幅角的和总等于。

4-4 为什么说幅角条件是绘制根轨迹的充分必要条件？答：由根轨迹的定义可知，根轨迹由特征方程式的幅值条件和幅角条件决定，但因为K g 在0→∞范围内连续变化，总有一个K g 能满足幅值条件，所以，绘制根轨迹的依据是幅角条件。

4-5 系统开环零、极点对根轨迹形状有什么影响？答：（1）增加开环零点将使系统的根轨迹向左弯曲，并在趋向于附加零点的方向发生变形。

（2）增加开环极点将使系统的根轨迹向右弯曲，使对应同一个K g值的复数极点的实数部分和虚数部分数值减小，从而系统的调节时间加长，振荡频率减小。

4-6 求下列各开环传递函数所对应的负反馈系统的根轨迹。

解：（1）①起点：两个开环极点为－p1＝－1，－p2＝－2；终点：系统有一个开环有限零点为－z＝－3。

②实轴上的根轨迹区间为（－∞，－3]，[－2，－1]。

③根轨迹的分离点、会合点计算。

即因为根轨迹在（－∞，－3]和[－2，－1]上，所以，分离点为－1.58，会合点为－4.42。

根轨迹如图4-1所示。

图4-1 题4-6（1）根轨迹图（2）①起点：三个开环极点－p1＝0，－p2＝－3，－p3＝－2；终点：系统有一个开环有限零点－z＝－5。

②实轴上根轨迹区间为[－5，－3]，[－2，0]。

③渐近线倾角及交点计算。

由公式求得根轨迹的渐近线倾角和渐近线与实轴的交点为④求分离点N'（s）D（s）－D'（s）N（s）＝0。

第七次作业 根轨迹方法6.2 （根轨迹图，临界稳定增益）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为)52)(8)(4()2()(2+++++=s s s s s s K s G ，0≥K试画出系统的根轨迹，并求系统临界稳定时的增益K .解：(1) 根轨迹图特征数据： ·分离会合点：216012461142345+++++-=s s s s s s K ，0d d =s K03204964902345242345=+++++s s s s s ，040.1 j 544.0,256.1 j 717.2,4776.6±-±--=s ， 取4776.6-=s 。

·出射角：︒⨯+=---︒---180)12(72arctan 32arctan 9012arctan 12arctan 1k ϕ，︒-=8.121ϕ。

·渐近线与实轴交点和夹角：︒±︒±=135,45γ，3-=a σ。

·根轨迹与虚轴的交点：闭环特征方程02)160(12461142345=++++++K s k s s s s ，以ωj =s 代入特征方程，可得实部和虚部方程021241424=+-K ωω，0)160(6135=+--ωωωk 。

由实部和虚部方程消去K ，可得032021224=--ωω，解得2480.52=ω，2908.2=ω，5857.1321606124=-+-=ωωK 。

(2) 根轨迹图：2-4-σωj 1j 2j 1 j -2j -6-8-048.6-(3) 临界开环增益。

5857.132=K6.5 （根轨迹图，增益和动态性质的关系）已知系统如图6.E.1所示，其中0>K . 试作该系统根轨迹图, 并说明K 在什么范围内取值时系统为过阻尼系统? K 在什么范围内为欠阻尼系统?解：(1) 根轨迹图：1-3-σωj由根轨迹图可知K 很大与很小时均为过阻尼系统。