Chapter 9 Root Locus Techniques

62
เรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ แกไข 7 มกราคม 2548 หนา 1 240-209 : Root Locus Techniques Chapter 9 Root Locus Techniques

Transcript of Chapter 9 Root Locus Techniques

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 1 240-209 : Root Locus Techniques

Chapter 9

Root Locus Techniques

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 2 240-209 : Root Locus Techniques

Outline

1 Complex variables2 Characteristic equation3 Rule to draw root locus4 example

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 3 240-209 : Root Locus Techniques

Complex variables

s=+j

M=22

s=M∡

=tan−1

When

s=M e j

e j =cos j sin

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 4 240-209 : Root Locus Techniques

Vector representation of complex numbers : s = + j

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 5 240-209 : Root Locus Techniques

Vector representation of complex numbers : (s + a)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 6 240-209 : Root Locus Techniques

Alternate representation of : (s + a)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 7 240-209 : Root Locus Techniques

Vector representation of complex numbers : (s + 7)|s5 + j2

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 8 240-209 : Root Locus Techniques

Characteristic equation

T s =KG s

1KG s H s

R(s) E(s) C(s)KG(s)

H(s)

+-

1KG s H s =0Char. Eq.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 9 240-209 : Root Locus Techniques

1+KG(s)H(s) = 0

KG(s)H(s) = -1

Characteristic Equation

G(s)H(s) is a complex function. We have :

KG s H s =M∡=12k1

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 10 240-209 : Root Locus Techniques

-a-b-c123

s1

js-plane

123=180°

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 11 240-209 : Root Locus Techniques

∡KG s H s =2k1

∣KG s H s ∣=1

K= 1∣G s ∣∣H s ∣

Value of K :

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 12 240-209 : Root Locus Techniques

G s =K∏i=1

m

sz i

∏j=1

n

sp i

=K∣sz1∣∣sz 2∣...∣szm∣∣sp 1∣∣sp 2∣...∣sp n∣

e j 1...m

e j 1...n

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 13 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 14 240-209 : Root Locus Techniques

Vector representationof G(s) at -2+ j3

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 15 240-209 : Root Locus Techniques

12−3−4=56.31°71.57°−90°−108.43°

=−70.55°

Point -2+j3 is not on root locus.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 16 240-209 : Root Locus Techniques

Point -2+j2/2 is on the Root Locus. We have 180 degree of angle of Ch. Eq.

For the gain

K= 1∣G s H s ∣

= 1M =

pole lengths zero lengths

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 17 240-209 : Root Locus Techniques

Sketching the root locus

1. Number of branch The number of branch of the root locus is equals to the number of the open-loop poles.

2. Symmetry The root locus is symmetrical about the real axis.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 18 240-209 : Root Locus Techniques

3. Real-axis segments On the real axis, for K>0, the root locus exists to the left of an odd number of real-axis finite open-loop poles and/or finite open-loop zeros.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 19 240-209 : Root Locus Techniques

Poles and zeros of a general open-loop system with test points, Pj, on the real axis

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 20 240-209 : Root Locus Techniques

From the figure, we observe the following :

1 At each point p1, p2, p3, p4, the angular contribution of a pair of open-loop complex poles or zeros is zero.2 The angular contribution of the open-loop poles and zeros to the left of the respective point is zero.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 21 240-209 : Root Locus Techniques

The angle at each point using only the open-loop, real-axis poles and zeros to the right of each point, we note :

1 The angles on the real axis alternate between 0 and 180 degree.2 the angles 180 degree on the real axis that exist to te left of an odd number of poles and/or zeros.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 22 240-209 : Root Locus Techniques

G s =K s3s4s1s2

Example

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 23 240-209 : Root Locus Techniques

Plot of Real-axis segments of the root locus

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 24 240-209 : Root Locus Techniques

4. Starting and ending points The root locus begins at the finite and infinite poles of G(s)H(s) and ends at the finite and infinite zeros of G(s)H(s).

G s =N G s D G s

H s =N H s D H s

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 25 240-209 : Root Locus Techniques

T s =KG s

1KG s H s

Closed-loop Transfer function :

=KN G sD H s

D G s D H s KN G s N H s

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 26 240-209 : Root Locus Techniques

T s ≈KN G s D H s

DG s D H s

When K 0 (Small gain)

Closed-loop poles equal DG(s)D

H(s)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 27 240-209 : Root Locus Techniques

When K ∞ (High gain)

Closed-loop poles equal NG(s)N

H(s)

T s ≈KN G s D H s

KN G s N H s

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 28 240-209 : Root Locus Techniques

Complete root locus for the system example

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 29 240-209 : Root Locus Techniques

5. Behavior at infinity Every function of s has an equal number of poles and zeros.Pole at infinity If the function approches infinity as s approaches infinity, then the function has a pole at infinity.Zero at infinity If the function approaches zero as s approaches infinity, then the function has a zero at infinity.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 30 240-209 : Root Locus Techniques

The root locus approaches staight lines as the locus approaches infinity. Further, the equation of the asymptotes is given by the real-axis intercept, a, and ,a, as follows :

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 31 240-209 : Root Locus Techniques

a=∑ finite poles−∑ finite zeros

Number of finite poles−Number of finite zeros

a=2k1

Number of finite poles−Number of finite zeros

k=0,±1,±2,. ..

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 32 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 33 240-209 : Root Locus Techniques

Root locus and asymptotes for the system example

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 34 240-209 : Root Locus Techniques

6. Real-axis Breakaway and Breakin points 6.1 Breakaway and Breakin points satisfy the relationship (Transition Method): where zi and pi are the negative of the zeros and poles values of G(s)H(s).

∑1

m 1z i

=∑1

n 1p i

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 35 240-209 : Root Locus Techniques

6.2 Maximize and minimize the gain K, using differential calculus.

K=− 1G s H s

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 36 240-209 : Root Locus Techniques

Root locus example showing real- axisbreakaway (σ1) and break-in points (σ2)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 37 240-209 : Root Locus Techniques

Variation of gain along the real axis for the root locus of

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 38 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise) Find the breakaway and break-in point for the root locus of slide 36

KG s H s =K s−3s−5s1s2

=K s 2−8s15s23s2

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 39 240-209 : Root Locus Techniques

For all point along the roots locus

KG s H s =−1

And all point along the real axis s=

K=−2322−815

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 40 240-209 : Root Locus Techniques

dKd

=112−26−612−8152

=0

Differentiating K respect to and setting the derivative equal to zero

=-1.45 is breakaway point and =3.82 is break-in point

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 41 240-209 : Root Locus Techniques

7. The j-axis crossing 7.1 Let s=j in the characteristic equation equate both real part and imaginery part to zero and then solve for and K 7.2 Use of Routh's stability criterion.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 42 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise) Sketch the root locus for the system below.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 43 240-209 : Root Locus Techniques

T s = K s3s 47s314s28K s3K

Closed-loop transfer function is

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 44 240-209 : Root Locus Techniques

Complex number

s 47s314s28K s3K=0

Characteristic Equation

Let s= j

4− j73−142 j 8K 3K=0

4−1423K j −738K =0

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 45 240-209 : Root Locus Techniques

4−1423K=0

−738K =0

K=9.65 = ±1.59

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 46 240-209 : Root Locus Techniques

s 4 1 14 3Ks3 7 8Ks 2 90−K 21K

s1 −K 2−65K72090−K

s 0 21K

Routh table

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 47 240-209 : Root Locus Techniques

From s1 row

−K 2−65K720=0

K = 9.65

Form s2 row with K=9.65

90−K s221K=80.35s2202.7=0

S = ±j9.65

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 48 240-209 : Root Locus Techniques

Angles of Departure and ArrivalFor complex poles and zeros : Open-loop poles and zeros and calculation of angle of departure

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 49 240-209 : Root Locus Techniques

Open- loop poles and zeros andcalculation of angle of arrival

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 50 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise)

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 51 240-209 : Root Locus Techniques

Root locus for example showing angle of departure

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 52 240-209 : Root Locus Techniques

Plotting and Calibrating the Root Locus

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 53 240-209 : Root Locus Techniques

Finding and calibrating exact points on the root locus

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 54 240-209 : Root Locus Techniques

Transient Response Design via Gain Adjustment

The conditions justifying a second-order approximation are :

1 High order poles are much farther into the left half of the s-plane than the dominant second- order pair of poles. The response that results from a higher-order pole does not appreciably change the transient response expected from the dominant second-order poles.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 55 240-209 : Root Locus Techniques

2 Closed-loop zeros near the closed-loop second-order pole pair are nearly canceled by the close proximity of higher-order closed- loop poles.3 Closed-loop zeros not canceled by the close proximity of higher-order closed-loop poles are far removed from the closed-loop second- order pole pair

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 56 240-209 : Root Locus Techniques

Making second-order approximations

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 57 240-209 : Root Locus Techniques

Design procedure for higher-order system

1 Sketch the root locus for the given system2 Assume the system is a second-order system without any zeros and then find the gain to meet the meet the transient response specification.3 Justify the second-order assumption by finding the location of all higher-order poles and evaluating the fact that they are much farther from the j-axis than the dominant second-order pair.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 58 240-209 : Root Locus Techniques

4 If the assumptions cannot be justified, you solution will have to be simulated in order to be sure it meets the transient response specification.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 59 240-209 : Root Locus Techniques

Example (Nise) Design the value of gain K, to yield 1.52% overshoot for the system

below. Also estimate the settling time, peak time, and steady-state error.

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 60 240-209 : Root Locus Techniques

Root locus of the system in slide 54

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 61 240-209 : Root Locus Techniques

Second- and third-order responses for case 2

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 7 มกราคม 2548 หน�า 62 240-209 : Root Locus Techniques

Second- and third-order responses for case 3