107
1 ی ط خ رل ت ن ک های م ت س ی س ر ت ی ا پ1389 ! ن م ح ر ل م ا... ا س+ ب م ي ح ر ل ا اده ل ز ی ع ما س د ا ی+ ج م د ی س ر کت د- دی ی ل+ پ! ن سي ح ر کت د

1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

1

سیستمهای کنترل خطی

1389پاییز

بسم ا... الرحمن الرحيم

دکتر حسين بلندي- دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Page 2: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

2

Recap.

• Steady State Error• Stability• Routh Horowitz Method

Page 3: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

3

Root Locus

The root locus is a plot of the roots of the characteristic equation of the closed-loop system as a function of the gain of the open-loop transfer function.

This graphical approach yields a clear indication of the effect of gain adjustment.

INTRODUCTION:

Page 4: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

4

• Performance (stability and response) of a closed-loop system (feedback system) depends on its pole locations.

• In feedback control system design, it is usually necessary to adjust one or more parameters to achieve desired pole locations for the closed-loop system.

• Root locus is a plot of closed-loop system pole locations when the gain K is varied.

• A graphical technique exists for plotting the root locus which does not involve calculating the roots of a closed-loop polynomial.

• Root locus is a powerful graphical tool for analysis and design of feedback control systems.

Root Locus

Page 5: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

5

i.e; A specific technique which shows how changes in one of a system’s parameter

(usually the controller gain, K)

will modify the location of the closed-loop poles

in the s-domain.

Page 6: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

6

Graphical Evaluation )Hostetter):

A rational function

1 2

1 2

( ) m

n

s z s z s zF s K

s p s p s p

When evaluated at a specific value of the variable , is:0s s

0 1 0 2 00

0 1 0 2 0

( ) m

n

s z s z s zF s K

s p s p s p

Page 7: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

7

On a pole-zero plot, suppose a directed line segment is drawn from the position of a pole, say to the value at which the function is to be evaluated.

0s1p

The segment has length and makes the angle With the real axis.

0 1s p

As shown below, at a root s1

10 ps

Page 8: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

8

Thus:

0 1 0 2

0 1 0 2

0 1 0 2

0

0 1 0 2

...( )

...

j s z j s z

j s p j s p

s z e s z eF s K

s p e s p e

00

0

( )

product of the length of the directed

line segments from the zero to sF s K

product of the length of the directed

line segments from the poles to s

00

sum of the angles of the directed line segments from zeros to s( )

sum of the pole angles 180 if k is negativeF s

Page 9: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

9

Consider the system:

Calculation of Magnitude and Angles (Ogata)

1

1 2 3 4

2 3

( ) ( )

where and are complex-conjugate poles.

s zG s H s K

s p s p s p s p

p p

1 1 2 3 4

1

1 2 3 4

( ) ( )

( ) ( )

G s H s

KBG s H s

A A A A

Page 10: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

10

Definition

01 sHsKG

• The closed-loop poles of the negative feedback control:

are the roots of the characteristic equation:

01 sHsKG

The root locus is the locus of the closed-loop poles when a specific parameter (usually gain, K)

is varied from 0 to infinity.

Page 11: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

11

Root Locus Method Foundations

• The values of s in the s-plane that make the loop gain KG(s)H(s) equal to -1 are the closed-loop poles

(i.e. )

• KG(s)H(s) = -1 can be split into two equations by equating the magnitudes and angles of both sides of the equation.

101 sHsKGsHsKG

Page 12: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

12

Root Locus for Feedback Systems

magnitude conditions angle conditions

Page 13: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

13

Angle and Magnitude Conditions

Independent of K

,,,l 210

,,,l 210

12180

1

12180

1

1

0

lsHsG

KsHsG

lsHsKG

sHsKG

sHsKG

o

Page 14: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

14

APPLICATION OF THE MAGNITUDE AND ANGLE CONDITIONS:

Once the open-loop transfer function G(s)H(s) has been determined and put into the proper form, the poles and zeros of this function are plotted in the S plane.

As an example, consider:

with the damping ratio < 1, the complex-conjugate poles are:

Page 15: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

15

The plot of the poles and zeros is shown in bellow:

Page 16: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

16

Page 17: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

17

magnitude conditions:

angle conditions:

All angles are considered positive, measured in the counter clock wise sense.

Page 18: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

18

PLOTTING ROOTS OF A CHARACTERISTIC EQUATION:

Example1 : position-control system

Page 19: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

19

Example1 (Continue) : position-control system

Page 20: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

20

Example1 (Continue) : position-control system

Page 21: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

21

Example1 (Continue) : position-control system

Page 22: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

22

Example1 (Continue) : position-control system

These curves are defined as the root-locus plot of

Page 23: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

23

Example1 (Continue) : position-control system

Corresponding to the selected roots there is a required value of K that can be determined from the plot . When the roots have been selected, the time response can be obtained.

The value of K is normally considered to be positive. However, it is possible for K to be negative.

For an increase in the gain K of the system, analysis of the root locus reveals the following characteristics:

Page 24: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

24

Example1 (Continue) : position-control system

Page 25: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

25

simple second-order system:

A zero is added to the simple second-order system:

QUALITATIVE ANALYSIS OF THE ROOT LOCUS:

Compare

Page 26: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

26

If a pole, instead of a zero, is added to the simple second-order system,the resulting transfer function is:

root locus of the closed-loop control system

Page 27: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

27

root-locus configurations for negative feedback control systems

?

Page 28: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

28

Example2:

Determine the locus of all the closed-loop poles of C(s)/R(s), for

Page 29: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

29

Root Locus

Real Axis

Imag

inar

y A

xis

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

System: sysGain: 0.35Pole: -1.51 + 1.72e-008iDamping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 1.51

System: sysGain: 0Pole: -5Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 5

System: sysGain: InfPole: -4Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 4

System: sysGain: 44Pole: -1.93 + 6.42iDamping: 0.288Overshoot (%): 38.8Frequency (rad/sec): 6.71

>> sys = zpk( -4, [-1 -2 -5],1) Zero/pole/gain: (s+4)----------------------(s+1) (s+2) (s+5)

>> rlocus(sys)

Rlocus in MATLAB:

Page 30: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

30

GEOMETRICAL PROPERTIES (CONSTRUCTION RULES):

To facilitate the application of the root-locus method, the following rules are established for K > 0.

These rules are based upon the interpretation of the angle condition and an analysis of the characteristic equation.

These rules can be extended for the case where K < 0.

These rules provide checkpoints to ensure that the solution is correct.

which provides a qualitative idea of achievable closed-loop system performance.

Page 31: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

31

Rule 1: Number of Branches of the Locus

Page 32: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

32

Page 33: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

33

• RL starts from n poles (k=0)• RL ends at m zeroes (k=infinity)• # of branches= max( n, m)

Page 34: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

34

Page 35: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

35

Page 36: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

36

Page 37: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

37

Rule 2: Real-Axis Locus

Page 38: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

38

Page 39: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

39

• The locus includes all points along the real axis to the left of an odd number of poles plus zeros of GH

Page 40: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

40

Page 41: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

41

Page 42: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

42

Page 43: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده
Page 44: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

44

Rule 3: Asymptotes of Locus as s Approaches Infinity

Page 45: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

45

Rule 3(continue):

Page 46: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

46

Rule 4: Real-Axis Intercept of the Asymptotes

Page 47: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

47

Rule 5: Breakaway Point on the Real Axis

breakaway pointbreakin point

Page 48: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

48

The breakaway and break-in points can easily be calculated for an open-loop pole-zero combination for which

the derivatives of W(s)=-K

As an example, if

then

Multiplying the factors together gives

Page 49: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

49

by taking the derivative of this function and setting it equal to zero, the points can be determined

or

Page 50: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

50

Rule 6: Complex Pole (or Zero): Angle of Departure

Page 51: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

51

In a similar manner the approach angle to a complex zero can be determined

Page 52: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

52

Rule 7: Imaginary-Axis Crossing Point

Page 53: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

53

Rule 7(continue):

Page 54: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

54

Learning by doing Example

Sketch the root locus of the following system:

Page 55: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

55

#1Assuming n poles and m zeros for G(s)H(s):

• The n branches of the root locus start at the n poles.

• m of these n branches end on the m zeros• The n-m other branches terminate at infinity

along asymptotes.

First step: Draw the n poles and m zeros of G(s)H(s) using x and o respectively

Page 56: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

56

Draw the n poles and m zeros of G(s)H(s) using x and o respectively.

• 3 poles: p1 = 0; p2 = -1; p3 = -2

• No zeros

21

1

ssssHsG

Page 57: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

57

Draw the n poles and m zeros of G(s)H(s) using x and o respectively.

• 3 poles: p1 = 0; p2 = -1; p3 = -2

• No zeros

21

1

ssssHsG

Page 58: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

58

#2

• The loci on the real axis are to the left of an ODD number of REAL poles and REAL zeros of G(s)H(s)

Second step: Determine the loci on the real axis. Choose a arbitrary test point. If the TOTAL number of both real poles and zeros is to the RIGHT of this point is ODD, then this point is on the root locus

Page 59: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

59

Determine the loci on the real axis:

• Choose a arbitrary test point.

• If the TOTAL number of both real poles and zeros is to the RIGHT of this point is ODD, then this point is on the root locus

Page 60: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

60

Determine the loci on the real axis:

• Choose a arbitrary test point.

• If the TOTAL number of both real poles and zeros is to the RIGHT of this point is ODD, then this point is on the root locus

Page 61: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

61

#3Assuming n poles and m zeros for G(s)H(s):

• The root loci for very large values of s must be asymptotic to straight lines originate on the real axis at point:

radiating out from this point at angles:

Third step: Determine the n - m asymptotes of the root loci. Locate s = α on the real axis. Compute and draw angles. Draw the asymptotes using dash lines.

mn

lo

l

12180

mn

zps m

in

i

Page 62: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

62

Determine the n - m asymptotes:• Locate s = α on the real axis:

• Compute and draw angles:

• Draw the asymptotes using dash lines.

13

210

03321

ppp

s

mn

ll

12180

0

0

1

00

0

18003

112180

6003

102180

,,,l 210

Page 63: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

63

Determine the n - m asymptotes:• Locate s = α on the real axis:

• Compute and draw angles:

• Draw the asymptotes using dash lines.

13

210

03321

ppp

s

mn

ll

12180

0

0

1

00

0

18003

112180

6003

102180

,,,l 210

Page 64: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

64

Breakpoint Definition

• The breakpoints are the points in the s-domain where multiples roots of the characteristic equation of the feedback control occur.

• These points correspond to intersection points on the root locus.

Page 65: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

65

#4Given the characteristic equation is KG(s)H(s) = -1

• The breakpoints are the closed-loop poles that satisfy:

Fourth step: Find the breakpoints. Express K such as:

Set dK/ds = 0 and solve for the poles.

0ds

dK

.sHsG

K1

Page 66: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

66

Find the breakpoints.

• Express K such as:

• Set dK/ds = 0 and solve for the poles.

4226057741

0263

21

2

.s,.s

ss

sssK

sss)s(H)s(G

K

23

211

23

Page 67: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

67

Find the breakpoints.

• Express K such as:

• Set dK/ds = 0 and solve for the poles.

4226057741

0263

21

2

.s,.s

ss

sssK

sss)s(H)s(G

K

23

211

23

Page 68: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

68

#5Assuming n poles and m zeros for G(s)H(s):

• The n branches of the root locus start at the n poles.

• m of these n branches end on the m zeros• The n-m other branches terminate at infinity

along asymptotes.

Last step: Draw the n-m branches that terminate at infinity along asymptotes

Page 69: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

69

Applying Last Step

Draw the n-m branches that terminate at infinity along asymptotes

Page 70: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

70

Points on both root locus & imaginary axis?

• Points on imaginary axis satisfy:

• Points on root locus satisfy:

• Substitute s=jω into the characteristic equation and solve for ω.

js jω?

- jω

01 sHsKG

20 or

Page 71: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

71

EXAMPLE : ROOT LOCUS

Page 72: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

72

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 73: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

73

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 74: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

74

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 75: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

75

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 76: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

76

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 77: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

77

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 78: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

78

EXAMPLE (continue): ROOT LOCUS

Page 79: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

79

Example of an application of the root-locus method

The systematic application of the for the construction of a root locus is shown in the following non-trivial example for the open-loop transfer function :

40122

1)()(

20

ssss

sksHsG

The degree of the numerator polynomial is m=1. This means that the transfer function has one zero (s=-1). The degree of the denominator polynomial is n=4 and we have the four poles (s=0, s=-2 s=-6+2j, s=-6-2j). First the poles (x) and the zeros (o) of the open loop are drawn on the S plane as

Page 80: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

80

40122

1)()(

20

ssss

sksHsG

Values of are in red 0k

Page 81: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

81

We have (n-m=3) branches that go to infinity and the asymptotes of these three branches are lines which intercept the real axis according to rule. the crossing is at :

33.4

3

16620

a

the slopes of the asymptotes are:

3,,3

3

12180

pk

The asymptotes are shown in Figure as blue lines:

Page 82: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

82

Page 83: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

83

Using Rule 2 it can be checked which points on the real axis are points on the root locus. The points -1<s<0 and s<-2 belong to the root locus, because to the right of them the number of poles and zeros is odd.

According to rule 4 breakaway and break-in points can only occur pairwise on the real axis to the left of -2.

68.31

Bs

47.51

Bs

866.076.04,3

jsB

The real roots and are the

positions of the breakaway and the break-in point

68.31

Bs 47.51

Bs

0ds

dK

Page 84: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

84

The angle of departure of the root locus from the complex pole at can be determined from

jsp 263

8.661808.2463 p

)12(1802.1586.1614.153903 kp

Page 85: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

85

40122

1)()(

20

ssss

sksHsG

0k

Page 86: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Breakaway Point Example

Consider the following loop transfer function.

Real axis loci exist for thefull negative axis.

Asymptotes: angles

jw

sXX

–4X

–2

–2j

2j

+1

60°

asymptotes

23)()(

ss

ksHsG

5,,3

3

12ppp

pk

5p

23

0)033(

a

Page 87: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Breakaway Point Example

Determine the breakaway points from

then

jw

sXX

–4X

–2

–2j

2j

+1

3,1

0)3)(1(342

--=

=++=++

s

ssss

0)96(

)9123(

96)3(

223

2

232

=++

++-=

úû

ùêë

é

++=ú

û

ùêë

é

+

sss

ssK

sss

K

ds

d

ss

K

ds

d

Page 88: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot Example

Loop Transfer function:

Roots:s = 0, s = –4, s = –2 4j

Real axis segments:between 0 and –4 .

Asymptotes:

angles = 2

4)0224( -=----=as

47

,4

5,

43,

404)12( =

-+k ppppp

asymptotes

jw

sX

–4X

–2

–2j

2j

+1

45°

4j

–4jX

X

2044)()(

2

ssss

ksHsG

Page 89: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot Example

Breakaway points:

Three points that breakaway at 90° .

solving,

jw

sX

–4X

–2

–2j

2j

+1

45°

4j

–4jX

X

2

0

80368

8072244

80368

2234

23

234

ssss

sssk

ssss

k

ds

d

jsb 45.22,2

Page 90: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot Example

The imaginary axis crossings:

Characteristic equation

Routh table

s4 1 36 K

s3 8 80 0

s2 26 K 0

s 80-8K/26 0 0

s0 K 0 0

Condition for critical stability80-8K/26 > 0 or K<260

The auxiliary equation26 s 2 + 260 = 0solving

080368 234 =++++ Kssss

jjs 16.310 ±=±=

Page 91: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

The final plot is shown on the right.

What is the value of the gain K corresponding to the breakaway point at

Root Locus Plot Example

sX

–4X

–2

–2j

2j

4j

–4jX

X

3.16j

jw

?45.22 jsb

Page 92: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

From the general magnitude condition the gain corresponding to the point s1 on the loci is

For the point s1 = –2 + 2.45j

K = |–2 + 2.45j| ·|–2 + 2.45j + 4| ·|–2 + 2.45j + 2 + 4j| ·|–2 + 2.45j + 2 – 4j| / 1.0

= 3.163 · 3.163 · 6.45 · 1.55 = 100.0

Root Locus Plot ExampleGain Calculations

ÕÕ==

++=m

ii

n

ii zspsK

11

11

Page 93: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Is there a gain corresponding to a damping ratio of 0.707 or more for all system modes?z = 0.707 = cos( q )q = 45°

Root Locus Plot Example

sX

–4X

–2

–2j

2j

4j

–4jX

X

3.16j

jw

45°

Page 94: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Examine the responses for the various gains and relate them to the location of the closed-loop roots.

K = 64, roots are –2, –2, –2±3.46j K = 100, roots are –2±2.45j, –2±2.45j K = 260, roots are ±3.16j, –4±3.16j

sX

–4X

–2

–2j

2j

4j

–4jX

X

3.16j

jw

K=64 K=100

K=260

Root Locus Plot ExampleTime Responses

Page 95: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot ExampleTime Responses

Time (sec.)

Am

plit

ud

eStep Response, K = 64

0 1 2 3 4 5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

s = –2, –2

s = –2±3.46j

whole response

Page 96: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot ExampleTime Responses

Time (sec.)

Am

plit

ud

eStep Response, K = 100

0 1 2 3 4 5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

whole response

s = –2±2.45j (repeated)

Page 97: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus Plot ExampleTime Responses

Time (sec.)

Am

plit

ud

eStep Response K = 260

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

whole response

s = ±3.16j

s = –4±3.16j

Page 98: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus with Two Parameters

The root locus method focuses on the roots of the characteristic equation.

There can be several different loop transfer functions that have the same closed-loop characteristic equation.

To construct the root locus for a characteristic equation which has two parameters, we construct fictitious loop transfer functions and apply the normal methods.

Page 99: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus with Two Parameters

Consider the following characteristic equation.s3 + s2 + b s + a = 0 .

Write this in the general form of 1 + GH(s) = 0 with b as a multiplying gain.

This will allow the plotting of the root locus with respect to the gain b for any given value of a.

The roots of the characteristic equation of GH´(s) define the starting points for the root loci. Consider the loci of these roots.

01 23=

+++

absss

GH´(s)

Page 100: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus with Two Parameters The characteristic

equation of GH´(s) is s3 + s2 + a = 0 , which may be written as

Now construct the root locus of GH´´(s) in terms of the gain a .

0)1(

1 2=

++

ss

a

GH´´(s)

jw

sX

–2 –1X X

a1a1a2

a2

a1 = 0.3s = –1.2, 0.1±0.5j

a2 = 1.8s = –1.66, 0.33±1.0j

Page 101: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus with Two Parameters Now construct the

root locus for

where the open-loop poles correspond to the previous root locus for varying a .

Asymptotes: ± 90°

a = 0.3 sa = (-1.2 +0.1 +0.1)/2

= -0.5 a = 1.8

sa = (-1.66 +0.33 +0.33)/2 = -0.5

23=++ a

bsss

GH´(s)

Page 102: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Root Locus with Two Parameters Imaginary axis

crossings:s3 + s2 + b s + a = 0

s3 1 b 0s2 1 a 0s -b a 0 0s0 a 0 0 a = , b s2 + = 0a

ajs -=

jw

s

–2 –1

a1a1a2

a2

O

Page 103: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

103

Page 104: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

104

Page 105: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

105

Page 106: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

106

SUMMARY OF ROOT-LOCUS CONSTRUCTION RULESFOR NEGATIVE FEEDBACK

Page 107: 1 سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

107