Lecture Root Locus - KMUTT

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INC 342 Lecture 1: Root Locus Dr. Benjamas Panomruttanarug [email protected]

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INC 342

Lecture 1: Root LocusDr. Benjamas Panomruttanarug

[email protected]

DC motor

BP INC 342 2

TF of DC motor

BP INC 342 3

mbfafaaa

m

faa

m

a

KKKRsKLJRJsLK

KJsRsLK

sVs

2

1

610J610aLApproximate to the first order:

mbfafaaa

m

a KKKRsKLJRJsLK

sVs

2

)( 1pss

KsVs

a

(No load)

Stability and step response

• What do you think about stability and step response from the system?

• How can we improve step response?

BP INC 342 4

)( 1pss

KsVs

a

Camera man

Object Trackingusing infrared

BP 5INC 342

BP INC 342 6

Varying gain (K)

Varying K, closed‐loop poles are moving!!!

BP INC 342 7

Transient:• K<25  overdamped• K=25  critically damped• K>25  underdamped

• Settling time remains the same under underdamped responses.

Stability:• Root locus never crosses over 

into the RHP, system is always stable.

BP INC 342 8

What is root locus and why is it needed?

• Fact I: poles of closed‐loop system are an important key to describe a performance of the system (transient response, i.e. peak time, %overshoot, rise time), and stability of the system.

• Fact II: closed‐loop poles are changed when varying gain.

• Implication: Root locus = paths of closed‐loop poles as gain is varied.

BP INC 342 9

Concept of Root Locus

BP INC 342 10

Sketching Root Locus

1. Number of branches2. Symmetry3. Real‐axis segment4. Starting and ending points5. Behavior at infinity

BP INC 342 11

1. Number of branchesNumber of branches = number of closed‐loop poles

BP INC 342 12

2. SymmetryRoot locus is symmetrical about the real axis

BP INC 342 13

3. Real‐axis segment

On the real axis, the root locus exists to the left of an odd number of real‐axis 

180)12()()( ksHsKG

• Sum of angles on the real axis is either 0 or 180 (complex poles and zeroes give a zero contribution).

• Left hand side of odd number of poles/zeros on the real axis give 180 (path of root locus)

BP 14INC 342

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Example

root locus on the real axis

BP INC 342 16

4. Starting and ending points

Root locus starts at finite/infinite poles of G(s)H(s) and ends at finite/infinite zeros of G(s)H(s)

)()(1)()(

sHsKGsKGsT

closed‐loop transfer function

)()()(

sDsNsG

G

G)()()(

sDsNsH

H

H

)()()()()()()(

sNsKNsDsDsDsKNsT

HGHG

HG

K=0 (beginning) poles of T(s) are

K=∞ (ending) poles of T(s) are

)()( sDsD HG

)()( sNsKN HG

BP 17INC 342

BP INC 342 18

Example

5. Behavior at infinity

Root locus approaches asymptote as the locus approaches∞, the asymptotes is given by

zeros finite#poles finite#

zeros finitepoles finite

a

...,2,1,0zeros finite#poles finite#

)12(

k

ka

19

# of poles = # of zeroes

has 3 finite poles at 0 ‐1 ‐2, and 3 infinite zeroes at infinity 

)2)(1()()(

sssKsHsKG

Rule of thumb

BP 20INC 342

BP INC 342 21

Example Sketch the root locus of the system 

Example

Sketch root locus

34

14)3()421(

0

2kfor , 3/51kfor , 0kfor , 3/

zeros finite#poles finite#)12(

k

BP 22INC 342

BP 23INC 342