非线性控制系统分析样本
自控例题解析
·43·第8章 非线性控制系统的分析例题解析例8-1 设非线性系统具有典型结构，试用等效增益概念分析具有死区的三位置理想继电特性(见图8-1(a))对系统稳定性的影响。
图8-1 稳定性分析解：由等效增益定义x y K /=知，等效增益曲线如图8-1(b)所示，其中∆=/M K m 。
设系统不存在非线性时，临界稳定增益为K c ，于是① 若K c >K m ，如图8-1(b)所示，则因实际增益小于临界增益K c ，所以系统稳定 ② 若K c <K m ，如图8-1(c )所示，其中x 0=M./K c ，则当x<x 0时，因m K K >，系统不稳定，x 发散；当x 增加至使x >x 0时，此时m K K <，系统稳定，x 收敛；当x 减小至使x <x 0时，重复上述过程。
可见，在这种情况下，系统将出现以x 0为振幅的自激振荡。
③ 原系统加入具有死区的理想三位置继电特性后，改善了系统的稳定性。
不论原系统是否发散，现系统都不会发散，但可能产生一个以x 0为振幅的自激振荡。
例8-2 试求图8-2所示非线性环节的描述函数。
（a ） （b ）·44·图 8-2 非线性环节解：（1）对于图8-2（a ），因为t X x x y ωsin ,3==且单值奇对称，故A1＝03204320432043sin 4sin 1sin 11X t td X t d t X t td y B ====⎰⎰⎰πππωωπωωπωωπ21143)(X X A j X B X N =+=图 8-3（2）对于图8-2（b ），因为图示非线性可以分解为图8-3所示两个环节并联，所以 K XMX N X N X N +=+=π4)()()(21 例8-3 试将图8-4（a ），（b ）所示系统归化为一个非线性部分和一个线性部分串联的典型结构。
（a ） （b ）图 8-4解：（1）G 1与G 2是小回路的负反馈，则2111G G G G +=从而得典型结构，见图8-5。
非线性控制系统分析课件
非线性系统的行为复杂，难以用线性 系统的理论和方法进行分析和设计。
分类与比较
分类
根据非线性的性质，非线性控制系统可以分为连续时间非线性控制系统和离散时间非线性控制系统。
比较
连续时间非线性控制系统和离散时间非线性控制系统在分析和设计上有较大的差异。
常见非线性控制系统示例
描述：以下是一些常见的非线性控制系 统示例，包括电气系统、机械系统、化 工系统等。
非线性控制系统设
04
计
控制器设计
线性化设计方法
将非线性系统在平衡点附近线性 化，然后利用线性系统的设计方 法进行控制器设计。
反馈线性化设计方
法
通过引入适当的非线性反馈，将 非线性系统转化为线性系统，然 后进行控制器设计。
滑模控制设计方法
利用滑模面的设计，使得系统状 态在滑模面上滑动，并利用滑模 面的性质进行控制器设计。
相平面法
总结词
一种通过绘制相平面图来分析非线性系统动态特性的方法。
详细描述
相平面法通过将系统的状态变量绘制在二维平面上，直观地展示系统的动态行为，如极限环、分岔等。这种方法 适用于具有两个状态变量的系统。
平均法
总结词
一种通过将非线性系统的动态特性平均 化来简化分析的方法。
VS
详细描述
平均法通过在一定时间范围内对非线性系 统的动态特性进行平均，将非线性系统简 化为一个平均化的线性系统。这种方法适 用于具有周期性激励的非线性系统。
线性系统稳定性分析方法
通过求解特征方程或使用劳斯-赫尔维茨判 据等方法，可以判定线性系统的稳定性。
非线性系统稳定性分析
要点一
非线性系统的特性
非线性系统不具有叠加性和时不变性，其响应会受到初始 状态和输入信号的影响。
精品文档-自动控制原理(王春侠)-第八章
8.2 描 述 函 数 法 8.2.1 描述函数的基本概念
设非线性环节的输入为 x(t)＝A sinωt
一般情况下，非线性环节的稳态输出y(t)是非正弦周期信号。 将y(t)用傅氏级数表示为
y t A0 An cos nt+Bn sin nt =A0 Yn sin nt+n
n =1
n =1
kx，
x ≤a
y Msignx， x ＞a
2
图8-1 饱和非线性特性
3
2． 死区特性
死区又称不灵敏区，如图8-2所示。其输入与输出之间关
系的表达式为
0，
x ≤Δ
y k x Δsignx， x ＞Δ
式中，Δ为死区范围； k为线性段的斜率。
当输入信号小于Δ时，对系统来说，虽然有输入但无输
出，只有当|x|＞Δ时才有输出，这时，输出与输入之间为
第八章 非线性控制系统分析
8.1 非线性系统的基本概念 8.2 描述函数法 8.3 相平面法 8.4 Matlab应用实例
1
8.1 非线性系统的基本概念 8.1.1 典型非线性特性
控制系统中含有本质非线性环节，如果这些本质非线性特 性能用简单的折线来描述，则称为典型非线性特性。
1. 饱和特性 饱和特性是一种常见的非线性特性，如图8-1所示。其数 学表达式为
最后指出，这种方法只适用于单个的非线性元件，如果有 两个以上的非线性元件，则必须把它们合并为一个模块，否则 第二个元件的输入就不会是正弦波。
22
8.2.2 典型非线性特性的描述函数 1． 死区特性 在具有死区的元件中，当输入在死区的幅值范围内时
就没有输出。图8-6所示为死区非线性特性及其输入、输出波 形。
《自动控制原理》第八章 非线性控制系统分析
第八章 非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述1. 研究非线性控制理论的意义以上各章详细地讨论了线性定常控制系统的分析和设计问题。
但实际上，理想的线性系统并不存在，因为组成控制系统的各元件的动态和静态特性都存在着不同程度的非线性。
以随动系统为例，放大元件由于受电源电压或输出功率的限制，在输入电压超过放大器的线性工作范围时，输出呈饱和现象，如图8-l(a)所示；执行元件电动机，由于轴上存在着摩擦力矩和负载力矩，只有在电枢电压达到一定数值后，电机才会转动，存在着死区，而当电枢电压超过一定数值时，电机的转速将不再增加，出现饱和现象，其特性如图8-1(b)所示；又如传动机构，受加工和装配精度的限制，换向时存在着间隙特性，如图8-1(c)所示。
在图8-2所示的柱形液位系统中，设H 为液位高度，Q i为液体流入量，Q o 为液体流出量，C 为贮槽的截面积。
根据水力学原理0Q k H = (8-1)其中比例系数k 是取决于液体的粘度和阀阻。
液位系统的动态方程为0i i dH CQ Q Q k H dt =-=-显然，液位H 和液体输入量Q i 的数学关系式为非线性微分方程。
由此可见，实际系统中普遍存在非线性因素。
当系统中含有一个或多个具有非线性特性的元件时，该系统称为非线性系统。
一般地，非线性系统的数学模型可以表示为：(,,...,,)(,,...,,)n m n m d y dy d r dr f t y g t r dt dt dt dt =(8-3)其中f(·)和g(·)为非线性函数。
当非线性程度不严重时，例如不灵敏区较小、输入信号幅值较小、传动机构间隙不大时，可以忽略非线性特性的影响，从而可将非线性环节视为线性环节；当系统方程解析且工作在某一数值附近的较小范围内时，可运用小偏差法将非线性模型线性化。
例如，设图8—2液位系统的液位H 在H 0附近变化，相应的液体输入量Q i 在Q i0，附近变化时，可取ΔH =H −H 0，ΔQ i =Q i −Q i0,对√H 作泰勒级数展开。
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
23第八章 非线性控制系统分析(第十九讲)
反之，若-1/N(A)曲线沿着振幅A增 加的方向由稳定区域进入不稳定区域时， 该交点对应的周期运动是不稳定的。
欲利用非线性系统产生不受扰动 影响的自激振荡，应选图8－21（a） 所示的系统。
jw)N ( A)]
0
由上两式可解得交点处得频率ω 和幅值A。
交点处，系统响应为等幅振荡，即系 统处于周期运动。此时，非线性环节 的输入近似为等幅振荡。
每个交点对应一个周期运动。 如果该周期运动能够维持，即在外界
小扰动作用下使系统偏离该周期运动， 而当该扰动消失后，系统的运动仍能 恢复原周期运动，则称为稳定的周期 运动。
置。
非线性系统稳定性分析的描述函数法
条件（1）具有典型结构形式（2）满足描 述函数法应用条件。
描述函数可作为一个具有复变增益的比例 环节，非线性系统变成一个等效的线性系 统。可以应用线性系统理论中的频率域稳 定判据分析非线性系统的稳定性。
变增益线性系统的稳定性分析
图8－17（a）线性系统，其中K为比例环节 增益。
非线性系统的稳定性判据
若奈氏曲线不包围-1/N(A)曲线， 则非线性系统稳定；若奈氏曲线包 围-1/N(A)曲线，则非线性不系统 稳定。
例8－3 系统不稳定
若奈氏曲线与-1/N(A)曲线有交点，表明特 征方程有ω 的正实数解，则系统存在着无 外作用下的周期运动，其稳定性和周期运 动的稳定性需另行分析。
生等幅振荡。
若设K在一定范围内可变，即有
K1 K K2
则(-1/K,j0)为复平面实轴上的一段 直线。 若奈氏曲线不包围该直线，则系统 闭环稳定，反之，系统闭环不稳定。
第八章 非线性控制系统分析
整理后得： x
2
x (x x )
2 2 0 2 0
相轨迹
2.等倾线法 --不解微分方程，直接在相平面上绘制相轨迹。 等倾线： 相平面上相轨迹斜率相等的诸点的连线。 等倾线法基本思想： 先确定相轨迹的等倾线，进而绘出相轨迹的切线 方向场，然后从初始条件出发，沿方向场逐步绘制相
四、继电特性
y M 0 x
M y M
x 0 x 0
-M
对系统的影响：
1可能会产生自激振荡，使系统不稳定或稳态误差增大；
2.如选得合适可能提高系统的响应速度。
其他继电特性
y
M -h 0 h -M x M -△ 0
y
-△
△
y M 0 △ -M x
-M
死区 + 继电
x
滞环 + 继电
x ，从x, x 中消
(2)直接积分法
dx dx dx dx x x dt dx dt dx
dx x f ( x, x ) dx
g ( x)dx h( x)dx
x
x0
g ( x)dx h( x)dx
x1,2 0.25 1.39 j
系统在奇点(0,0)处有一对具有负实部的共轭复根， 故奇点(0,0)为稳定的焦点。
f ( x, x ) 奇点(-2,0)处 x
x 2 x 0
2
f ( x, x ) x
c
c
c
c
(6)≤-1 s1s2 --两个正实根
四、奇点和奇线
1.奇点 --同时满足 x 0 和 f ( x, x) 0 的点。
非线性控制系统的分析课件.ppt
法求解有困难时，可用图解法绘制。
▪ 对于式（9.2-1）xf(x,x)，令 x1x、 x2x ，
▪
有 x 2f(x1、 x2)，所以 可得 dx2 f (x1、x2)
d d x t2d dx x1 2d d x t1x2d dx x1 2f(x1、 x2)
（9.2-5）
▪
dx1
x2
式（9.2-5）是关于
y
-b 0
k
x
b
a.
b.
图9.1-4 齿轮传动及其间隙特性
y(x)k[xs g x)n b](|y/kx|b y (x)0、 y(x)C |y/kx|b
▪ 系统中若有间隙特性元件，不仅会使系统的输出产生相位滞后，导致 系统稳定裕量的减小，使动态性能恶化，容易产生自振；而且间隙区 会降低定位精度、增大非系线统性控静制差系统。的分析课件
▪ 由于相平面只能表示 x(t ) 和 x(t ) 两个独立变量，所以相 平面法只能用来研究一、二阶线性或非线性系统。
▪ 2）相轨迹的绘制方法
▪ （1）二阶线性系统的相轨迹 ▪ （2）相轨迹的绘制
非线性控制系统的分析课件
j
[s]
2 1
0
a.
j 1 [s]
0
2
d.
x2
j
x2
1
[s]
x1
0
0
0
稳定 节点
x
(
t
)
和 x (t ) 的一阶微分方程，即二阶非线性
系统的相轨迹方程。
▪
由式（9.2-5），令
dx2 f (x1,x2)
dx1
x2
，即有
▪
f (x1, x2 )
（9.2-6）
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第八章非线性控制系统分析
教学目的 :
经过学习本章, 使学生掌握秒素函数法与相平面法分析非线性系统的理论基础与应用。
教学要求:
(1)认识非线性系统区别于线性系统的运动过程特点.
(2)掌握描述函数法和相平面法的特点及应用范围.
(3)明确函数的定义及相关概念,熟悉典型非线性的妙描述和负倒描述函数
特性,掌握用描述函数法分析非线性系统的稳定性和分析自振,计算自振参数的方法.
教学课时: 12学时
教学重点: (1) 非线性的相关概念.
(2) 典型系统的相平面表示.
(3) 典型非线性系统的描述函数形式.
教学难点:
非线性系统的描述函数求法;
利用负倒数法分析系统稳定性.
本章学时: 12学时
主要内容:
8.1 非线性系统的概述
8.2 描述函数法
8.3 相平面法分析线性控制系统
8.4 利用非线性特性改进系统的控制性能
8.1非线性系统的概述
8.1.1 非线性模型
㈠组成
---------x-------非线性环节---------线性环节------------
组成: 非线性环节+线性环节
㈡. 分类
①从输入输出关系上分: 单值非线性
非单值非线性
1，从形状特性上分: 饱和
死区
回环
继电器
㈢特点
稳定性与结构, 初始条件有关 ; 响应
㈣分析方法
注意: 不能用叠加原理
1. 非线性常微分方程没有同意的求解方法, 只有同意求近似解的方法:
a. 稳定性( 时域, 频域) : 由李亚普洛夫第二法和波波夫法判断
b. 时域响应: 相平面法( 实际限于二阶非线性系统) 较精确, 因高阶作用
太复杂
描述函数法: 近似性, 高阶系统也很方便
研究非线性系统并不需求得其时域响应的精确解, 而重要关心其时域响应的性质, 如: 稳定性, 自激震荡等问题, 决定它的稳定性范围, 自激震荡的条件, 震荡幅度与频率等。
2，死区继电器: f(e)
+m
-△e
3
4.滞环特性( 间隙)
-m
8.2 描述性函数
X0(S)
一描述性函数的定义
非线形元件的输入为正弦波时, 将起输出的非正弦波的一次谐波( 基波) 与输入正弦波的复数比, 定义为给非线形环节的描述性函数。
输入:
输出: ) y=f(Asinwt)
=y0+∑x(t)=Asinwt (Bksinkwt+Ckcoskwt)
假设输出为对称奇函数, y0=0;只取基波分量( 假设具有低通滤波特性, 高次谐波忽略) , 则y(t)=B1sinwt+C1coswt=y(sinwt+¢)
二典型非线形特性的描述函数
1，计算方法设非线形特性为: y=f(x)
令X=Asinwt,则y(t)由富式级数展开为: Y(t)=Ao+∑(Ancosnwt+Bnsinnwt)
=Ao+∑Ynsin(nwt+¢)
式中: An=
Ao=0,谐波线性略去高次谐波, 只取基波, 具有低如果非线性特性是中心对称的, 则y(t)具有奇次对称性,
通滤波特性。
Y1=A1coswt+B1sinwt=Y1sin(wt+¢1)
N(A)=Y1/A×exp(j¢1)=Y1/Acos¢1+jY1/Asin¢1
=B1/A+jA1/A=b(A)+ja(A)
与频率材料比较, 方式形式类似, 相当于用一个等效线性元件代替原来非线性元件, 而等效线性元件幅相特性N(a)是输入信号A的函数。
2.举例求饱和限幅特性的描述函数( 固有非线性)
Y y
X ωt
A1=1/π∫y(t)coswtd(wt)=0
B1=1/π∫y(t)sinwtd(wt)=2/π∫y(t)sinwtd(wt)
= 2/π(∫y(t)sinwtd(wt)+∫y(t)sinwtd(wt)+∫y(t)sinwtd(wt))
若A>0,y(t)=Kasinwt 0<=wt<a
kc=B a<=wt<=
Kasinwt
比较线性系统特征方程 G(jω)=–1
线性系统, ( –1, j0) 点是判断稳定的关键点。
非线性系统, 判断稳定性不是点( –1, j0) ,而是一条线–1∕N。
( A∕d) 。
由线形部分与描述函数负侧特性之间相对位置能够判断非线性系统的稳定及自激振荡, 即可利用奈奎斯稳定判据进行分析。
3.判据内容:
在开环幅相平面上, G(jω)条件, 最小位相, 无右极点。
1) 若K。
G(jω)轨迹不包围时线性负侧特性–1∕N。
( A∕d) ,则此非线性系统稳定。
2) 若K。
G(jω)轨迹包围–1∕N。
( A∕d) , 则非线性系统不稳定。
3) 若K。
G(jω)与–1∕N。
( A∕d) 相交, 则在交点处, 系统处于临界稳定, 可能产生周期持续震荡, 这种持续震荡能够用正弦振荡来近似, 其振荡的振幅和频率能够分别用交点处
–1∕N。
( A∕d) 轨迹上的A 值K。
G(jω)曲线上对应的ω值来表征。
工程设计中, 一般在线性部分加入校正, 改变K。
G(jω)与–1∕N。
( A∕d) 的相对位置, 以消除持续振荡, 提高系统稳定性。
例2.判定自振点并求自振参数。
解: 理想继电器的描述函数
N(A)=4B ∕лA (B=π∕2) N(A)=2∕A
–1∕N 。
( A ∕d) =–A ∕2 K 。
— 非线性环节的传递函数( K 。
=1)
K G(jw) K 。
G(j ω)与–1∕N 。
( A ∕d) 两曲线交于M 点, 稳定自振点。
交点坐标由K 。
G(j ω)=–1∕N 。
( A ∕d) 亦可求出。
10 ∕j ω( j ω+1) ( j ω+3) =10∕–ωω+ j ω( 3-ωω) = -A ∕2 虚部=0 j ω( 3-ωω) =0 因此ω=0 ( 舍去) ω=1.732
实部≠0 ω=1.732 代入原式 -10∕4ωω=-A ∕2 A=1.7
故自振点ω=1.732∕s A=5∕3
稳定运行区为初始值大于5∕3 →∞
大初始值能稳定 小初始值不能稳定
例 Y /2。