第7章--非线性系统分析--练习与解答
非线性系统分析(精)
7.3 非线性特性的描述函数法
(3)相平面法的特点
① 适用于一、二阶非线性系统的分析 ② 方法：首先将二阶非线性微分方程变写为以 输出量及输出量导数为变量的两个一阶微分方程；然 后依据这一对方程，设法求出其在上述两变量构成的 相平面中的轨线，并由此对系统的时间响应进行判别。 ③ 该方法所得结果比较精确和全面。 ④ 对于高于二阶的系统，需要讨论变量空间中 的曲面结构，从而大大增加了工程使用的困难。
7.3 非线性特性的描述函数法
1. 2. 3. 4.
基本概念 谐波线性化 非线性特性的描述函数 典型非线性特性的描述函数
7.3 非线性特性的描述函数法
1. 基本概念
(1) 分析非线性系统的两种工程方法
相平面法 描述函数法
(2) 描述函数法（谐波平衡法）的特点
描述函数法是一种近似方法，相当于线性理论中频率法 的推广。方法不受阶次的限制，且所得结果也比较符合实际，故 得到了广泛应用。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
3.回环（间隙）特性
x1表示输入 x2表示输出
b表示间隙。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
回环（间隙）特性的影响
(1) 降低了定位精度，增大了系统的静差。 (2) 使系统动态响应的振荡加剧，稳定性变坏。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
7.1 非线性系统动态过程的特点
4. 非线性系统的运动形式
（1）非线性系统在小偏离时单调变化，大 偏离时很可能就出现振荡。 （2）非线性系统的动态响应不服从叠加原 理。
7.1 非线性系统动态过程的特点
5. 非线性系统的自振
非线性系统的自振却在一定范围内能够长期 存在，不会由于参数的一些变化而消失。
第7章非线性系统
当输入超过此值后，输出就保持定值而不再变化。例如电机的 磁化特性曲线，线性放大器设置限幅时都具有这种饱和特性。 饱和特性使系统在大信号时增益降低，稳态误差增大，还可能 影响系统的稳定性。但饱和特性也可以起保护等有利的作用。 3 ．间隙( 回环 ) 特性 间隙特性的输入输 出关系如图 7-3 所示。输出在输入增加、减 少时与输入成不同的直线关系，当输入 x 在 不断增大时，输出 y 与输入 x 的关系由图 7-3 中箭头向右的线段确定，当输入 x 在不断减 小时，输出y与输入x的关系由图7-3中箭头 向左的线段确定。即输出不仅与输入量的大小有关，而且还与 输入量的变化状态有关。例如齿轮传动中的间隙，这是由于制 造精度所限和为保证转动灵活而不卡死所必需的，它使齿轮传 动时在由正向变反向时，必须经转动了间隙间距后，才会有力 矩传递的作用，在铁心中，由于磁滞的存在，磁化曲线也具有 这种特性。
于是有
1 x2 x 2 f (x 1) x 2 x
dx f (x )x 2 2 1 dx x 1 2
0 ,x 3 , x 0 10 20 初始状态确定后，例如 r ，将状态变量值代入上式就可开始绘图 了，由于非线性特性f(e)有三种可能的值， 因此在计算斜率时，要根据χ1 的大小正 确选用f(e)三种取值中的一个。绘出的相 轨迹如图7-8 例7-1的相轨迹所示。
x f ( x , x ) 2 dx 2 12 x x 1 dx 1 2 式可知，相轨迹的斜 率完全取决于它的微分方程，因此不同的系统有不同的相轨 迹，与线性系统的根轨迹、频率特性一样，相轨迹完全反映 系统的特性。 根据式（7-2）可以得到绘制相轨迹的方法。若要绘制从初 始状态开始的相轨迹，只要把状态变量值代入式（7-2）算出 该点相轨迹的斜率，由于在小范围内，曲线的切线与曲线是 重合的，因此沿着该点的切线画一小段，这段也近似为相轨 迹上的一小段，得到新的状态变量值后，重复以上步骤就可 绘出系统的相轨迹了。 xoBox分析软件包含了用上述方法编制的绘制相轨迹子程序 ，下面举一个例子来说明相轨迹的绘制方法及xoBox软件绘制 相轨迹子程序的使用方法。
(第七章 非线性系统分析)
2 & & 2ζω n x + ω n x dx =− & dt x
（7-14）
31
（1）无阻尼运动
由方程（7-14），相轨迹方程为：
(ζ = 0)
=A
ω
& x
2 0 2 n
x (t ) +
2
& (t ) x
2
2
ω
2 0
2 n
（7-16）
其中
A =
x +
相轨迹如图7－24所示，在相平面上是为一族同心 的椭圆。 每个椭圆相当于一个简谐振动。
8
二.非线性系统和线性系统有不同的 运动规律
① 在线性系统中，系统的稳定性只取决于系统的 结构和参数，对常参量线性系统，只取决于系统 特征方程根的分布，而和初始条件、外加作用没 有关系。 对于非线性系统，不存在系统是否稳定的笼统概 念。必须具体讨论某一运动的稳定性问题。 非线性系统运动的稳定性，除了和系统的结构形式及 参数大小有关以外，还和初始条件有密切的关系。
返回子目录
3
⑤
对分段线性的非线性系统，能决定开关线,写出分 区域相轨迹的方程式。
⑥ 对具有外作用和或具有速度反馈的情况能合适地选 取相坐标作出相轨迹图。 ⑦ 正确理解谐波线性化的条件及描述函数的概念。 ⑧ 了解描述函数建立的一般方法，明确几种典型非线 性特性负倒描述函数曲线的特点。 ⑨ 熟练掌握运用描述函数法分析系统中是否有周期运 动, 判断周期运动的稳定性。
式中
⎧+ 1 x1 > 0 signx1 = ⎨ ⎩− 1 x1 < 0
15
图7-8 斜坡输入时 的系统输出量
图7-7 包含死区的非线性系统
非线性系统分析方法
解：1. 死去继电特性的描述函数
4M N(X)
1 ( )2
X
X
2. 绘制描述函数的负倒数特性
1
X
N(X ) 4M 1 ( )2
X
3. 绘制线性部分的极坐标图
4. 判断稳定性，分析两曲线相交点的性质
1 N(X)
X
-1.56 300 400 B -1 -0.5
X 130 A 140
120 G(j)
趋于奇点 远离奇点 包围奇点
例：二阶线性定常系统
••
•
x 2n x n2 x 0
试分析其奇点运动性质。
dx/dt x
稳定节点
••
•
x 2n x n2 x 0
dx/dt x
1
稳定节点
相轨迹趋于原点，该奇点称为 稳定节点
••
•
x 2n xn2 x 0
dx/dt x
1
不稳定节点
相轨迹远离原点，该奇点为 不稳定节点
者是自持振荡的
自持振荡点 a 振荡幅值=Xa
振荡频率=a
Im Re
X a
0
1 G(j) N ( X )
例：已知死区继电非线性系统如图
R(s)
+M
460
C(s)
+-
- -M
( j)(0.01 j 1)(0.005 j 1)
继电参数： M 1.7 死区参数：Δ 0.7 应用描述函数法作系统分析。
•
x
-1 -5/4
-3/2
-5/3
=
-2
-3/7
-3
-5 - x
3
1 1/3
0 -3/4 -1/2 -1/3
第7章非线性系统分析
描述函数的定义是：输入为正弦函数时，输 出的基波分量与输入正弦量的复数比。
其数学表达式为
N
X
R
X
Y1
sin(t X sint
1)
Y1 X
1
A12 B12 arctan A1
A1
1
2
y(t) costdt
0
X
B1
1
B1
2
y(t ) sin tdt
0
7.3 非线性特性的描述函数法
（2）举例说明描述函数
(1) 降低了定位精度，增大了系统的静差。 (2) 使系统动态响应的振荡加剧，稳定性变坏。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
4.摩擦特性
Mf
M1 •
M2
•
M f 摩擦力矩
转速
M1 静摩擦力矩
M 2 动摩擦力矩
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
摩擦特性的影响
(1)对随动系统而言，摩擦会增加静差，降低精 度。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
2.饱和特性
x1 a ，等效增益 为常值，即线性段 斜率；
而 x1 a ，输出饱
和，等效增益随输 入信号的加大逐渐 减小。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
饱和特性的影响
(1) 饱和特性使系统开环增益下降， 对动态响应的 平稳性有利。
(2) 如果饱和点过低，则在提高系统平稳性的同时， 将使系统的快速性和稳态跟踪精度有所下降。
7.3 非线性特性的描述函数法
KX sint
y(t) Ka
0 t 1 1 t / 2
∵ y(t) 单值奇对称， A0 0 A1 0
B1
4
第7章 非线性系统的分析
某一初始条件出发在相平面上按照式(7-13)或式(7-14)绘出的
曲线称为相平面轨迹,简称相轨迹。不同初始条件下构成的
相轨迹,称为相轨迹簇。由相轨迹簇构成的图称为相平面图。
利用相平面图分析系统性能的方法,称为相平面分析法。
图7-6为某个非线性系统的相平面图。图中,相轨迹上的
箭头表示相变量随着时间的增加沿相轨迹运动的方向。
第7章 非线性系统的分析 7.2 相平面分析法
7.2.1 相平面的基本概念 设二阶非线性系统的微分方程为
第7章 非线性系统的分析
第7章 非线性系统的分析
1.相平面和相轨迹
前面已经设定
我们称以x1(或x)为横坐
标、以x2(或 )为纵坐标构成的平面为相平面(注意,纵坐标x2
是横坐标x1的一阶导数),如图7-6所示。x1、x2为相变量。由
7.2.2 线性系统的相轨迹 在学习非线性系统的相平面分析法之前,我们先对非常
熟悉的线性系统做相平面分析。设二阶线性系统的微分方程 为
第7章 非线性系统的分析
也就是说,无论系统特征参数ωn和ξ是何值,系统的奇点是 不变的。此外,式(7-21)的特征方程为
系统的特征根为
对于不同的阻尼比ξ,二阶系统特征根的形式是不同的,而 线性系统的时域响应是由特征根决定的。下面介绍系统特征 根与系统的奇点(0,0)以及相轨迹的关系。
行线性化。我们只研究系统平衡点附近的特性时,就可以采 用平衡点附近的线性化方法,将非线性系统在平衡点附近小 范围线性化。当然,也可以将非线性系统分为几个区域,对每 个区域进行分段线性化。
第7章 非线性系统的分析
2.相平面分析法 相平面分析法简称相平面法,是非线性系统的图解分析 法。其基本思路是:建立一个相平面,在相平面上根据非线性 系统的结构和特性,绘制非线性系统的相轨迹。相轨迹就是 非线性系统中的变量在不同初始条件下的运动轨迹,根据相 轨迹就可以对非线性系统进行分析。该方法只适用于一阶和 二阶非线性微分方程。
非线性控制系统理论习题及解答
题解 7-2图 负倒描述函数图第七章 非线性控制系统理论习题及解答7-1. 三个非线性系统的非线性环节一样，线性部分分别为(1) G s s s ()(.)=+1011(2) G s s s ()()=+21(3) G s s s s s ()(.)()(.)=+++21511011试问用描述函数法分析时，哪个系统分析的准确度高？为什么?解: 线性部分低通滤波特性越好，描述函数法分析结果的准确程度越高。
分别作出三个系统线性部分的对数幅频特性曲线如图题解7-1所示。
由对数幅频特性曲线可见，L 2的高频段衰减较快，低通滤波特性较好，所以系统(2)的描述函数法分析结果的准确程度较高。
7-2．一个非线性系统，其非线性特性是一个斜率1=k 的饱和特性。
当不考虑饱和因素时，闭环系统稳定。
试问该系统有没有可能产生自振？为什么？ 解：饱和特性k=1时，其负倒 描述函数如右图所示：不考虑饱和特性时，闭环系统稳定，则其开环幅性频率特性曲线不包围(1,0)j -点，但当)(ωj G 与)(1x N - 相交时，系统可能存在等题解7-1图幅振荡，如图所示,因此，该系统有可能产生自振。
7-3．将下列图7-50 所示非线性系统简化成非线性部分)(X N 和等效的线性部分)(s G 相串联的单位反馈系统，并写出线性部分的传递函数)(s G 。
解：(1)系统结构图可等效变换为题解7-3(1)的形式:其中)()(1)()(211s G s G s G s G +=(2)将系统结构图等效变换为题解7-2(2)的形式:G s G s H s ()()[()]=+111(3)将系统结构图等效变换为题解7-3(3)的形式:G s H s G s G s ()()()()=+1111题解7-3(1)图题解 7-3(2)图 题解 7-3(3)图7-4．判别图7-51所示各系统是否存在自振点。
解: （a）不是（b）是（c）是（d）ca、点是，b点不是（e）是（f）a点不是，b点是（g）a点不是，b点是（h）系统不稳定（i）系统不稳定（j）系统稳定（k）7-5．非线性系统如图7-52所示。
第七章非线性控制系统分析习题答案.
∫ ∫ 1
B=
2π
A3 sin 4 ωt
4 A3
dωt =
π
2
1
(1
− cos
2ωt) 2
dωt
1
π0
π 04
∫ [ ] A3
=
π
2 (1 − 2 c os 2ω t + c os 2 2ω t )
A3
dωt =
π
A3
π
− sin 2ωt 2
π0
π2 π
0
A 3 π c o s 4ω t + 1
G1 ( s) +G1 ( s)
4 、 判 断 题 7 -2 图 中 各 系 统 是 否 稳 定 ； −1 N( A) 与 G ( j ω ) 两 曲 线 交 点 是 否 为 自 振 点 。
2
解 ：（ a ） 不 是 ； （ b） 是 ； （c）是；
（ d） a、c 点 是， b 点 不 是；
（ e） 是 ；
（ 2 ） 由 图 解 7 -5 可 见 ， 当 −1 N( A) 和 G ( j ω ) 相 交 时 ， 系 统 一 定 会 自 振 。 由 自 振 条 件
A + 6 −K −( A + 6) K
N ( A)G( jω ) =
=
= −1
ω =1 A + 2 2
2( A+2)
( A +6) K = 2 A +4
10
−1 0
10
G( jω ) =
=
−j
j ω( j ω + 1) ω2 + 1
ω( ω2 + 1)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章 非线性控制系统分析习题与解答7-1 设一阶非线性系统的微分方程为3x x x+-= 试确定系统有几个平衡状态，分析平衡状态的稳定性，并画出系统的相轨迹。
解 令 x=0 得 -+=-=-+=x x x x x x x 321110()()()系统平衡状态x e =-+011,,其中：0=e x ：稳定的平衡状态；1,1+-=e x ：不稳定平衡状态。
计算列表，画出相轨迹如图解7-1所示。
可见：当x ()01<时，系统最终收敛到稳定的平衡状态；当x ()01>时，系统发散；1)0(-<x 时，x t ()→-∞; 1)0(>x 时，x t ()→∞。
注：系统为一阶，故其相轨迹只有一条，不可能在整个 ~xx 平面上任意分布。
7-2 试确定下列方程的奇点及其类型，并用等倾斜线法绘制相平面图。
(1) x xx ++=0 (2) ⎩⎨⎧+=+=2122112x x xx x x解 （1） 系统方程为x -2 -1 -13 0 131 2x-6 0 0.385 0 -0.385 0 6 x 11 2 01 0211图解7-1 系统相轨迹⎩⎨⎧<=-+I I >=++I )0(0:)0(0:x x x x x x x x令0x x ==，得平衡点：0e x =。
系统特征方程及特征根：21,221,21:10,()2:10, 1.618,0.618()s s s s s s I II ⎧++==-±⎪⎨⎪+-==-+⎩稳定的焦点鞍点(, ) , , x f x x x x dxdxxx x dx dx x x x x x==--=--==--=-+=ααβ111⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<-=>--=)0(11:II )0(11:I x x βαβα计算列表用等倾斜线法绘制系统相平面图如图解7-2（a ）所示。
图解7-2（a ）系统相平面图（2） xx x 112=+ ① 2122x x x+= ② 由式①： x xx 211=- ③ 式③代入②： ( )( )x xx x x 111112-=+- 即 x x x 11120--= ④ 令 x x110== 得平衡点： x e =0 由式④得特征方程及特征根为 ⎩⎨⎧-==--414.0414.20122,12λs s （鞍点） 画相轨迹，由④式x xdxdx x x x 1111112===+α xx 112=-α 计算列表用等倾斜线法绘制系统相平面图如图解7-2（b ）所示。
7-3 已知系统运动方程为sin x x +=0，试确定奇点及其类型，并用等倾斜线法绘制相平面图。
解 求平衡点，令 x x==0 得 sin x =0平衡点 x k k e ==±±π(,,,012 )。
将原方程在平衡点附近展开为台劳级数，取线性项。
设 F x x x () sin =+=0∂∂∂∂F x x Fx x xx ee∆∆+=0∆∆ cos x x x e +⋅=0⎩⎨⎧±±±===∆-∆±±===∆+∆),5,3,1(0),4,2,0(0k k x x x k k x x x e e ππ特征方程及特征根： k 为偶数时 s j 21210+==±λ, （中心点） k 为奇数时 s 212101-==±λ, （鞍点）用等倾斜线法作相平面sin sin sin xdxdx x xx xx +=⋅+==α01作出系统相平面图如图解7-3所示。
7-4 若非线性系统的微分方程为(1) ( .) x x x x x +-++=30502 (2) x xxx ++=0 试求系统的奇点，并概略绘制奇点附近的相轨迹图。
解（1） 由原方程得(, )( .) . x f x xx x x x x x x x ==----=-+--305305222 令 x x110== 得 x x x x +=+=210() 解出奇点 x e =-01,在奇点处线性化处理。
在x e =0处：(, )(, ) ()( .) . x f x x xx f x xxxx x xx x x x xx xx x x x =⋅+⋅=--⋅+-+⋅=-+========∂∂∂∂0000001260505即. x x x -+=050 特征方程及特征根s j 1220505420250984,....=±-=± （不稳定的焦点） 在x e =-1处x x xxx x xxx xx 5.0)5.06()21(0101+=⋅+-+⋅--==-==-= 即. x x x --=050 特征根 ⎩⎨⎧-=+±=718.0218.1245.05.022,1s （鞍点） 概略画出奇点附近的相轨迹如图解7-4（1）所示：（2） 由原方程(, ) x f x xxx x ==-- 令x x ==0 得奇点 x e =0,在奇点处线性化( ) xfxx fxxx x x x x xx xx x x x =⋅+⋅=--⋅-⋅========∂∂∂∂00001得 x x =- 即x x +=0 特征根 s j 12,=±。
奇点x e =0（中心点）处的相轨迹如图解7-4(2)所示。
7-5 非线性系统的结构图如图7-36所示。
系统开始是静止的，输入信号)(14)(t t r ⨯=，试写出开关线方程，确定奇点的位置和类型，画出该系统的相平面图，并分析系统的运动特点。
解 由结构图，线性部分传递函数为C s M s s()()=12 得 ()()c t m t = ①由非线性环节有⎪⎩⎪⎨⎧III -<+II>-I ≤=22)(22)(20)(e t e e t e e t m ②由综合点得c t r t e t e t ()()()()=-=-4 ③ 将③、②代入①得⎪⎩⎪⎨⎧-<-->-≤=III2)(2II 2)(2I 20)(e t e e t e e t e开关线方程为 e t ()=±202:)(0)(:=-+I I ==I e ec e t e常数令 e e ==0 得奇点 e 02II =特征方程及特征根 s s j 21210+==±,, （中心点）III ：e e ++=20 令 e e ==0 得奇点 e 02III=-特征方程及特征根 s s j 21210+==±,, （中心点）绘出系统相轨迹如图解7-5所示，可看出系统运动呈现周期振荡状态。
7-6 图7-37所示为一带有库仑摩擦的二阶系统，试用相平面法讨论库仑摩擦对系统单位阶跃响应的影响。
解 由系统结构图有⎩⎨⎧<->+±+⋅=0:0:215.015)()(ccs s s E s C s s C s E s (.)()()05125+±=⎩⎨⎧<=->=+II055.0I 0535.0ce c cc e c c ①因为 c r e e =-=-1 ②②代入①式有 ⎩⎨⎧>=+-<=++II00102I 00106ee e eee e e特征方程与特征根⎪⎩⎪⎨⎧±==+-±-==++)(310102:II )(30106:I 2,122,12不稳定的焦点稳定的焦点j s s s j s s s依题意 0)0(,0)0(==c c 可得0)0()0(1)0(1)0(===-=c ec e以)0,1(为起点概略作出系统相轨迹。
可见系统阶跃响应过程是振荡收敛的。
7-7 已知具有理想继电器的非线性系统如图7-38所示。
图7-38 具有理想继电器的非线性系统试用相平面法分析：（1）T d =0时系统的运动；（2）T d =05.时系统的运动，并说明比例微分控制对改善系统性能的作用； （3）T d =2时系统的运动特点。
解 依结构图，线性部分微分方程为c u = ① 非线性部分方程为 ⎩⎨⎧II <+-I >+=0101eT e eT e u d d ②开关线方程： eT e d=-1 由综合口： c r e e =-=-1 ③ ③、②代入①并整理得⎩⎨⎧II<++I>+-=0101d d eT e eT e e在 I 区： e edede ==-1 解出： ()e e e 220=-> （抛物线） 同理在 II 区可得：()ee e 220=< （抛物线）开关线方程分别为T d =0时， e =0;T d =05.时， ee =-2; T d =2 时， .ee =-05. 概略作出相平面图如图解7-7所示。
图习题集P178 T8-10由相平面图可见：加入比例微分控制可以改善系统的稳定性；当微分作用增强时，系统振荡性减小，响应加快。
7-8 具有饱和非线性特性的控制系统如图7-39所示，试用相平面法分析系统的阶跃响应。
解 非线性特性的数学表达式为III-<II >I <⎪⎩⎪⎨⎧-=ae a e a e M Me y || 线性部分的微分方程式为Ky c cT =+ 考虑到e c r =-，上式又可以写成rr T Ky e e T +=++ 输入信号为阶跃函数，在0>t 时有，0==rr ，因此有 0=++Ky e eT 根据已知的非线性特性，系统可分为三个线性区域。
Ⅰ区：系统的微分方程为)(0a e Ke e e T <=++按前面确定奇点的方法，可知系统在该区有一个奇点（0，0），奇点的类型为稳定焦点。
图解7-8（a ）为Ⅰ区的相轨迹，它们是一簇趋向于原点的螺旋线。
Ⅱ区：系统的微分方程为)(0a e KM e eT >=++设一般情况下，初始条件为00)0(,)0(e ee e ==。
则上式的解为 KMt Te KM e T KM ee t e T t -+-++=-)()()(000 对上式求一次导数，得KM e KM e t eT t -+=-)()(0 故当初始条件KM e -=0'时，相轨迹方程为KM e -='。
当KM e -≠0'时，相轨迹方程为KM eKM eKMT T e ee e +++-+=000ln )(图7-39 非线性系统结构图由此可作出该区的相轨迹，如图解7-8(b )所示，相轨迹渐进于直线KM e-= 。
Ⅲ区：此时系统的微分方程为)(0a e KM e eT -<=-+将Ⅱ区相轨迹方程中的KM 改变符号，即得Ⅲ区的相轨迹方程⎪⎩⎪⎨⎧≠++--+===)(ln )()(00000KM eKM e KM e KMT T e e e e KM e KM e该区的相轨迹如图解7-8（b ）所示。