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0° 根轨迹的绘制法则:与常规 180° 根轨迹的差异

0° 根轨迹来自正反馈系统的特征方程 1-G(s)H(s)=0,相角条件由 (2k+1)π 变为 2kπ。本文整理其相角/模值条件,以及实轴根轨迹、渐近线交角、起始角终止角三条与常规根轨迹不同的法则。

0° 根轨迹的绘制法则:与常规 180° 根轨迹的差异

一、为什么叫 0° 根轨迹

正反馈系统的闭环特征方程为

1G(s)H(s)=0G(s)H(s)=11-G(s)H(s)=0\quad\Longleftrightarrow\quad G(s)H(s)=1

代入开环传函的零极点形式

G(s)H(s)=Kj=1m(szj)i=1n(spi)=1G(s)H(s)=K^*\frac{\prod_{j=1}^{m}(s-z_j)}{\prod_{i=1}^{n}(s-p_i)}=1

取相角与模值后,得到两个条件:

相角条件:

j=1m(szj)i=1n(spi)=2kπ,k=0,±1,±2,\sum_{j=1}^{m}\angle(s-z_j)-\sum_{i=1}^{n}\angle(s-p_i)=2k\pi,\qquad k=0,\pm 1,\pm 2,\cdots

模值条件:

K=i=1nspij=1mszjK^*=\frac{\prod_{i=1}^{n}|s-p_i|}{\prod_{j=1}^{m}|s-z_j|}

常规(180°)根轨迹来自负反馈 1+G(s)H(s)=01+G(s)H(s)=0,相角条件为 (2k+1)π(2k+1)\pi;正反馈的右边变成 2kπ2k\pi——这就是”0° 根轨迹”名字的由来。

二、与常规根轨迹的核心差异

绘制 0° 根轨迹的法则与常规根轨迹绝大部分相同(条数、起点终点、对称性、渐近线方向、与虚轴交点求法等),只有下面三条法则因为相角变成 2kπ2k\pi 而需要替换。

1. 实轴上的根轨迹

实轴上某一区段为根轨迹,当且仅当其右方开环零、极点个数之和为偶数(含 00)。

(常规根轨迹要求为奇数。)

2. 渐近线的交角

φa=2kπnm,k=0,±1,\varphi_a=\frac{2k\pi}{n-m},\qquad k=0,\pm 1,\cdots

(常规根轨迹为 (2k+1)πnm\dfrac{(2k+1)\pi}{n-m}。)

注意渐近线与实轴的交点 σa\sigma_a 公式不变:

σa=pizjnm\sigma_a=\frac{\sum p_i-\sum z_j}{n-m}

3. 起始角与终止角

ll 为对应开环零/极点的重数。

起始角(自极点 pip_i 出发):

φpi=1l[2kπ+j=1mφzjpij=1jinθpjpi]\varphi_{p_i}=\frac{1}{l}\left[2k\pi+\sum_{j=1}^{m}\varphi_{z_j p_i}-\sum_{\substack{j=1\\ j\ne i}}^{n}\theta_{p_j p_i}\right]

终止角(到达零点 ziz_i):

φzi=1l[2kπj=1jimφzjzi+j=1nθpjzi]\varphi_{z_i}=\frac{1}{l}\left[2k\pi-\sum_{\substack{j=1\\ j\ne i}}^{m}\varphi_{z_j z_i}+\sum_{j=1}^{n}\theta_{p_j z_i}\right]

(常规根轨迹中方括号内首项为 (2k+1)π(2k+1)\pi。)

计算时把结果归算到 180180-180^\circ\sim 180^\circ 区间内。

三、一句话记忆

0° 根轨迹的所有法则=180° 根轨迹的法则,把 (2k+1)π 全部换成 2kπ\boxed{\text{0° 根轨迹的所有法则}=\text{180° 根轨迹的法则,把 }(2k+1)\pi\text{ 全部换成 }2k\pi}

对应到三条具体差异:

法则180° 根轨迹0° 根轨迹
实轴右方零极点和奇数偶数
渐近线交角(2k+1)πnm\dfrac{(2k+1)\pi}{n-m}2kπnm\dfrac{2k\pi}{n-m}
起始角 / 终止角的常数项(2k+1)π(2k+1)\pi2kπ2k\pi

其余法则——分支条数、起终点、与渐近线交点 σa\sigma_a、分离点 dKds=0\dfrac{dK}{ds}=0、与虚轴交点(用劳斯判据或代入 s=jωs=j\omega)——与常规根轨迹完全一致

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