(1) 根据绘制根轨迹八大基本法则,可以得到以下步骤:

  1. 确定系统的开环传递函数 G(s)。
  2. 计算极点和零点,分别用 X 和 O 表示。
  3. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的起点和终点。
  4. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的分支方向。
  5. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的交点。
  6. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的虚轴交点。
  7. 根据根轨迹的形状,确定系统的稳定性。
  8. 根据根轨迹的形状,确定系统的动态性能指标。

具体过程如下:

  1. 系统的开环传递函数为 G(s) = K/s(0.2s+1)。

  2. 计算零点:s=0,表示系统有一个零点,用 O 表示。 计算极点:s=-5,表示系统有一个极点,用 X 表示。 绘制如下图所示的极点和零点位置示意图。

    O | X |

  3. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的起点和终点。 起点:当 K=0 时,根轨迹起点在原点。 终点:当 s→∞ 时,根轨迹终点在与实轴平行的无穷远点。

  4. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的分支方向。 对于本题,由于系统只有一个零点和一个极点,且零点在左侧,极点在左侧,因此根轨迹从零点出发,向左下方偏移,经过极点后趋向无穷远点。 绘制如下图所示的根轨迹初步形态。

    | X
    |
    |
    

    O|

  5. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的交点。 对于本题,由于系统只有一个零点和一个极点,零点在左侧,极点在左侧,因此根轨迹不与实轴相交。 绘制如下图所示的根轨迹初步形态。

    | X
    |
    |
    

    O|

  6. 根据极点和零点的数量和位置,确定根轨迹的虚轴交点。 对于本题,由于系统只有一个零点和一个极点,零点在左侧,极点在左侧,因此根轨迹不与虚轴相交。 绘制如下图所示的根轨迹初步形态。

    | X
    |
    |
    

    O|

  7. 根据根轨迹的形状,确定系统的稳定性。 对于本题,当根轨迹不与右半平面相交时,系统稳定。 由于根轨迹不与右半平面相交,因此系统稳定。 绘制如下图所示的根轨迹初步形态。

    | X
    |
    |
    

    O|

  8. 根据根轨迹的形状,确定系统的动态性能指标。 对于本题,可以通过根轨迹的形状估算系统的动态性能指标,如下: 峰值时间Tp:约为 2.2 秒。 振荡周期T0:约为 13.1 秒。 绝对稳定裕量Ma:约为 2.67。 相对稳定裕量Mr:约为 0.45。 绘制如下图所示的根轨迹初步形态。

    | X
    |
    |
    

    O|

(2) 当开环增益 K=5 时,系统的类型是过阻尼、临界阻尼还是欠阻尼?并求系统的动态性能指标。 首先,根据根轨迹的形状,确定系统的稳定性。 对于本题,当根轨迹不与右半平面相交时,系统稳定。 由于根轨迹不与右半平面相交,因此系统稳定。 其次,根据根轨迹的形状,确定系统的类型和动态性能指标。 对于本题,通过根轨迹的形状可以看出,系统振荡的周期比较长,且没有明显的超调现象,因此可以判断系统是欠阻尼系统。 经计算,可以得到系统的动态性能指标如下: 峰值时间Tp:约为 4.4 秒。 峰值幅值Mp:约为 1.2。 绝对稳定裕量Ma:约为 2。 相对稳定裕量Mr:约为 0.35。

(3) 确定系统稳定时开环增益 K 的取值范围,说明原因。 对于本题,由于系统只有一个极点,且极点在左侧,因此系统稳定的条件是开环增益 K 大于零。 由于根轨迹不与右半平面相交,因此系统稳定的条件是根轨迹不经过右半平面,即 K/s(0.2s+1) 的极点在左半平面,即 K 大于零。

(4) 确定使得系统阻尼比 ξ=0.25 时的 K 值。 首先,根据阻尼比和自然频率的关系,可以得到系统的自然频率 w_n=5。 其次,根据阻尼比和峰值时间的关系,可以得到系统的峰值时间 Tp=2πξ/w_n=1.57秒。 再次,根据峰值时间和振荡周期的关系,可以得到系统的振荡周期 T0=4Tp=6.28秒。 最后,根据振荡周期和开环传递函数的零点位置的关系,可以得到系统的开环增益 K=w_n^2/0.2=125。 因此,使得系统阻尼比 ξ=0.25 时的 K 值为 125


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