主导极点
主导极点是所有闭环系统中最重要的极点,它离虚轴最近且周围没有其他闭环零点,在系统的时间响应过程中起主要作用。主导极点常用于将高阶系统近似为一阶或二阶系统,也可用于高阶系统设计中系统参数的选择。
概念定义
主导极点是指系统的所有闭环极点,它们离虚轴最近且周围没有其他闭环零点,并且其他闭环极点与虚轴之间的距离是该极点的5倍或更多。这种闭环极点称为主导极点。
在闭环稳定系统中,远离虚轴的闭环极点响应分量衰减较快,仅在阶跃响应的初始阶段起作用,而靠近虚轴的闭环极点响应分量衰减较慢,对系统的动态性能指标影响较大。主导极点最接近虚轴,因此它在系统的动态性能中起主要作用。
主极点可以是实极点、共轭复极点或两者的组合。主导极点以外的闭环极点的响应分量随时间衰减较快,对系统的时间响应起的作用相对较弱,故称为非主导极点。在稳定的高阶系统中,主导极点往往是一对共轭复极点,可以获得更高的精度和更短的调整时间。
判断方法
判断闭环极点是否为主导极点的原则如下:
它离虚轴最近,附近没有闭环零点,或者有闭环零点,但有一个闭环极点靠近它(距离比自己的模数小一个数量级),因此可以认为闭环零点和闭环极点的作用近似抵消;
其他闭环极点的实部到虚轴的距离是主导极点的实部到虚轴的距离的5倍或更多;主极点的数量可以是一个或多个,可以是实数也可以是复数。
使用场景
在控制工程中,大多数控制系统都是高阶系统,即由高阶微分方程描述的系统。高阶系统的传递函数有多种形式。对于无法用一阶和二阶系统近似的高阶系统,动态过程分析和性能指标的确定一般比较复杂,不容易获得通用的解析表达式。
因此,在高阶系统的时域分析中,应抓住主要矛盾而忽略次要因素,从而简化分析过程。工程上常用主极点的概念来近似高阶系统,以获得高阶系统动态性能指标的估计值,简化计算。如果在高阶系统中找到一对共轭复主极点,则可以将高阶系统近似地作为二阶系统来分析,并通过二阶系统的动态性能指标来估计高阶系统的动态性能。
在将高阶系统作为具有一对共轭复主导极点的二阶系统进行分析时,应注意忽略由非主导极点引起的动态过程的瞬态分量,而不是忽略非主导极点,这样分析结果可以确保简化计算过程并准确反映高阶系统的客观特性。
此外,在设计高阶控制系统时,可以利用主极点选择系统参数和调节系统增益,使系统具有一对共轭复主极点。此时,可以将高阶系统近似分析为二阶系统,通过二阶系统的动态性能指标可以近似估计高阶系统的动态性能。稳定系统中存在一对共轭复主导极点,可以减少死区、间隙和库仑摩擦等非线性因素对系统性能的影响。