background image

Metoda linii pierwiastkowych 

 

Program ćwiczenia. 
 
1. Analiza układów regulacji z wykorzystaniem metody linii pierwiastkowych. 

1.1. Wpływ położenia biegunów. 
Dla układu regulacji przedstawionego na rys.1 składającego się z elementu III-go rzędu: 

 

( )

K s

k

w(t)

e(t)

y(t)

                     

(

)(

)(

)

( )

s p

s p

s p

=

1

2

1

K s

                                     (1) 

3

 
przebadaj zależność przebiegu linii pierwiastkowych od charakteru 
biegunów układu otwartego (zespolone, rzeczywiste, wielokrotne). 
Zaznacz kąt nachylenia asymptot 

a

ϕ

oraz centroid 

a

σ

Obiekt (1) powinien być stabilny. 
 

Rys.1. Schemat blokowy układu  
           regulacji. 
 

1.2. Wpływ położenia zera. 
Wprowadź do obiektu (1) zero „ ”: 

1

z

(

)(

)(

)

1

1

2

( )

s z

K s

s p

s p

s p

3

=

,                                                                 (2) 

a następnie przeanalizuj wpływ położenia zera transmitancji układu otwartego na przebieg linii 
pierwiastkowych. 
 

1.3. Wpływ wzmocnienia w pętli sprzężenia zwrotnego. 
W układzie z rys. 1 przyjmij transmitancję układu otwartego (stabilnego) w postaci: 

 

(

)(

)

( )

.

K s

s s p

s p

=

1

2

1

 

   

         (3) 

Wyrysuj linie pierwiastkowe układu zamkniętego oraz dobierz wzmocnienie   tak aby: 

k

a) odpowiedź stabilnego układu zamkniętego na skok jednostkowy była aperiodyczna, 
b) odpowiedź układu zamkniętego na skok jednostkowy była oscylacyjna, 
c) układ zamknięty znalazł się na granicy stabilności Æ 

gr

k k

=

d) układ zamknięty był niestabilny Æ 

gr

k k

>

Znajdź wszystkie pierwiastki równania charakterystycznego przy wybranym wzmocnieniu. Narysuj 
charakterystykę amplitudowo-fazową układu oraz odpowiedź układu zamkniętego na skokową zmianę wartości 
zadanej 

( )

w t

 
2. Korekcja układów regulacji automatycznej. 

2.1. Układ bez korekcji. 
Dla układu regulacji z rys.1 o transmitancji obiektu takiej jak w punkcie 1.3 wykreśl przebieg linii 

pierwiastkowych. Wybierz wzmocnienie:  

• 

gr

k

k

<

1

 - takie, że układ zamknięty nie spełnia wymagań przed nim stawianych (rys.3 - przed 

korekcją), takich jak: stopień stabilności, stopień oscylacyjności (np.: 

o

η η

> , 

o

µ µ

<

);  

• 

gr

k

k

<

2

 - takie, że układ zamknięty spełnia powyższe wymagania (jeśli jest to możliwe). 

Znajdź wszystkie pierwiastki odpowiadające danemu wzmocnieniu  k

i

 

(

,

i

= 1 2) oraz zaznacz „obszar 

niedozwolony”. Wprowadź wyznaczone wzmocnienie 

i

k

 do układu, a następnie wykreśl odpowiedź skokową 

układu zamkniętego. 
  

background image

Po korekcji

( )

K s

w(t)

e(t)

y(t)

k

Korektor

           

Im s

i

Re s

i

Im s

i

Re s

i

- pierwiastki równania charakterystycznego

Przed korekcją

Po korekcji

1

k

2

k

,    ,

 

 
Rys.2. Schemat układu regulacji  

Rys.3. Przykład rozkładu pierwiastków 

po korekcji. 

równania charakterystycznego układu zamkniętego  
z rys.2. przed korekcją i po korekcji. 

 

2.2. Układ z korekcją. 
Dobierz szeregowo dołączony człon korekcyjny typu PD (rys. 2) o transmitancji: 

 

( )

1

,    

1

1

k

k

k

sT

K s

s T

α

α

+

=

<

+

  

 

(4) 

poprawiający działanie układu. Dobierz jego parametry wykorzystując metodę „skreślania zer i biegunów”. 
Wyrysuj linie pierwiastkowe układu zamkniętego i wybierz wzmocnienie   tak aby układ spełniał  
wymagania z pkt.2.1. Zaznacz pierwiastki równania charakterystycznego układu zamkniętego dla tego 
wzmocnienia. Wykreśl odpowiedź skokową zamkniętego układu regulacji po korekcji i porównaj ją z 
odpowiedziami układu bez korektora (pkt.2.1).   

3

 

3. Wpływ stałej czasowej. 

W układzie przedstawionym na rys. 1 przyjmij obiekt regulacji w postaci: 

 

( )

(

)(

)

1

1

1

o

sT

K s

s

s

sT

+

=

+

+

;       ,      dane

o

k T

  

(5) 

Przeprowadź analizę wpływu stałej czasowej na własności układu zamkniętego. Wykorzystując metodę linii 
pierwiastkowych przedstaw rozkład pierwiastków równania charakterystycznego układu zamkniętego  
w zależności od wartości parametru T
 
Wskazówka: Doprowadź równanie charakterystyczne układu zamkniętego do następującej postaci:  

 

 

 

 

( )

TG s

1

0

+

=

  

   

 

 

 

                     (6) 

  
4. Sprawozdanie. 
Sprawozdanie powinno zawierać: 

•  teoretyczne wyliczenia wartości poszczególnych wielkości charakterystycznych linii pierwiastkowych: 

kąty nachylenia asymptot, parametry środka ciężkości 

•  w pełni opisane rysunki z przebiegami linii pierwiastkowych (zaznaczone środki ciężkości, asymptoty) i 

odpowiedzi skokowych 

•  poszukiwane wartości wzmocnień oraz odpowiadające im pierwiastki równania charakterystycznego 

układu zamkniętego 

•  przebieg linii pierwiastkowych, odczytane wartości pierwiastków układu zamkniętego oraz odpowiedzi 

skokowe układu przed oraz po korekcji 

•  analityczne przekształcenia dla wpływu stałej czasowej umożliwiające zastosowanie metody linii 

pierwiastkowych 

•  szczegółowe omówienie uzyskanych rezultatów oraz wnioski  

background image

 
Polecenia Matlab’a:

 

rlocus(G,k) – zaznacza pierwiastki równania charakterystycznego układu zamkniętego dla wzmocnienia k. 
 
Zadania kontrolne przed przystąpieniem do ćwiczenia:

  narysować linie pierwiastkowe dla układu 

przedstawionego na rys.1.   
Przykładowe transmitancje obiektu 

( )

K s

1) 

(

)

(

) (

)(

)

2

4

( )

1

3

s

K s

s

s

s

+

=

2

+

+

+

 2) 

(

)(

)

(

)

2

3

( )

1

s

s

K s

s s

+

+

=

+

 

3) 

(

)

(

)

2

4

( )

5

4

s

K s

s s

+

=

+

+

 

4) 

(

)(

)

(

)

(

)

2

2

4

( )

2

2

3

s

s

K s

s

s

s

+

+

=

+

+

+