Chapter 9 Root Locus Techniques
-
Upload
khangminh22 -
Category
Documents
-
view
0 -
download
0
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