主導(dǎo)極點
主導(dǎo)極點是所有閉環(huán)系統(tǒng)中最重要的極點,它離虛軸最近且周圍沒有其他閉環(huán)零點,在系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程中起主要作用。主導(dǎo)極點常用于將高階系統(tǒng)近似為一階或二階系統(tǒng),也可用于高階系統(tǒng)設(shè)計中系統(tǒng)參數(shù)的選擇。
概念定義
主導(dǎo)極點是指系統(tǒng)的所有閉環(huán)極點,它們離虛軸最近且周圍沒有其他閉環(huán)零點,并且其他閉環(huán)極點與虛軸之間的距離是該極點的5倍或更多。這種閉環(huán)極點稱為主導(dǎo)極點。
在閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)中,遠離虛軸的閉環(huán)極點響應(yīng)分量衰減較快,僅在階躍響應(yīng)的初始階段起作用,而靠近虛軸的閉環(huán)極點響應(yīng)分量衰減較慢,對系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)影響較大。主導(dǎo)極點最接近虛軸,因此它在系統(tǒng)的動態(tài)性能中起主要作用。
主極點可以是實極點、共軛復(fù)極點或兩者的組合。主導(dǎo)極點以外的閉環(huán)極點的響應(yīng)分量隨時間衰減較快,對系統(tǒng)的時間響應(yīng)起的作用相對較弱,故稱為非主導(dǎo)極點。在穩(wěn)定的高階系統(tǒng)中,主導(dǎo)極點往往是一對共軛復(fù)極點,可以獲得更高的精度和更短的調(diào)整時間。
判斷方法
判斷閉環(huán)極點是否為主導(dǎo)極點的原則如下:
它離虛軸最近,附近沒有閉環(huán)零點,或者有閉環(huán)零點,但有一個閉環(huán)極點靠近它(距離比自己的模數(shù)小一個數(shù)量級),因此可以認為閉環(huán)零點和閉環(huán)極點的作用近似抵消;
其他閉環(huán)極點的實部到虛軸的距離是主導(dǎo)極點的實部到虛軸的距離的5倍或更多;主極點的數(shù)量可以是一個或多個,可以是實數(shù)也可以是復(fù)數(shù)。
使用場景
在控制工程中,大多數(shù)控制系統(tǒng)都是高階系統(tǒng),即由高階微分方程描述的系統(tǒng)。高階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)有多種形式。對于無法用一階和二階系統(tǒng)近似的高階系統(tǒng),動態(tài)過程分析和性能指標(biāo)的確定一般比較復(fù)雜,不容易獲得通用的解析表達式。
因此,在高階系統(tǒng)的時域分析中,應(yīng)抓住主要矛盾而忽略次要因素,從而簡化分析過程。工程上常用主極點的概念來近似高階系統(tǒng),以獲得高階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的估計值,簡化計算。如果在高階系統(tǒng)中找到一對共軛復(fù)主極點,則可以將高階系統(tǒng)近似地作為二階系統(tǒng)來分析,并通過二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)來估計高階系統(tǒng)的動態(tài)性能。
在將高階系統(tǒng)作為具有一對共軛復(fù)主導(dǎo)極點的二階系統(tǒng)進行分析時,應(yīng)注意忽略由非主導(dǎo)極點引起的動態(tài)過程的瞬態(tài)分量,而不是忽略非主導(dǎo)極點,這樣分析結(jié)果可以確保簡化計算過程并準確反映高階系統(tǒng)的客觀特性。
此外,在設(shè)計高階控制系統(tǒng)時,可以利用主極點選擇系統(tǒng)參數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益,使系統(tǒng)具有一對共軛復(fù)主極點。此時,可以將高階系統(tǒng)近似分析為二階系統(tǒng),通過二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)可以近似估計高階系統(tǒng)的動態(tài)性能。穩(wěn)定系統(tǒng)中存在一對共軛復(fù)主導(dǎo)極點,可以減少死區(qū)、間隙和庫侖摩擦等非線性因素對系統(tǒng)性能的影響。