自动化考研中的非线性控制与应用
《自动控制原理》考点精讲(第8讲 非线性控制系统分析)
自动控制原理（自动控制理论）考点精讲
量外，还含有关于ω的高次谐波分量。使输出波形发生非线
性畸变。 正弦响应的复杂性：①跳跃谐振及多值响应；②倍频振荡与 分频振荡；③组合振荡（混沌）；④频率捕捉。 混沌：
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e
x
x(t)
x(t)
x(t)
x(t)
ωt ωt
ωt ωt
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例：欠阻尼二阶系统的相平面描述——相轨迹
相轨迹在某些特定情况 下，也可以通过积分法， 直接由微分方程获得x和x 导数的解析关系式：
x dx = f (x, x) ⇒ g(x)dx = h(x)dx dx
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α
=
dx dx
=
f (x, x) x
则与该曲线相交的任何相轨迹在交点处的切线斜率均为α，
该曲线称为等倾线。 注1：线性系统的等倾线为直线； 注2：非线性系统的等倾线为曲线或折线。
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由等倾线的概念知，当相轨迹经过该等倾线上任一点时，其 切线的斜率都相等，均为α。取α为若干不同的常数，即可 在相平面上绘制出若干条等倾线，在等倾线上各点处作斜率 为α的短直线，并以箭头表示切线方向，则构成相轨迹的切 线方向场。
自动控制原理非线性分析知识点总结
自动控制原理非线性分析知识点总结自动控制原理是工程领域中的一门重要学科，它研究的是如何通过设备和技术手段，使得系统的运行能够自动控制并满足特定的性能要求。
非线性分析则是探讨系统在非线性条件下的行为特性。
在这篇文章中，我们将对自动控制原理中的非线性分析知识点进行总结。
一、非线性系统的定义与特点非线性系统是指系统的输出与输入之间的关系不是简单的比例关系，而是呈现出非线性的特征。
与线性系统相比，非线性系统具有以下几个特点：1. 非线性叠加性：系统的输出并不是输入信号的简单叠加，而是受到系统自身状态和非线性特性的影响。
2. 非线性失稳性：非线性系统可能会出现失稳现象，即系统的输出会趋向于无穷大或无穷小。
3. 非线性动态行为：非线性系统在输入信号发生变化时，其输出信号的变化可能是不连续的，出现跳跃、震荡等现象。
二、非线性系统的分析方法1. 相平面分析法：通过绘制相平面图，可以直观地了解系统的非线性行为。
相平面图可以显示出系统的轨迹、奇点等信息，帮助我们分析系统的稳定性和动态特性。
2. 频域分析法：利用频域分析方法，我们可以对非线性系统进行频谱分析，找出系统的频率响应和频率特性。
通过分析系统的幅频特性和相频特性，我们可以判断系统的稳定性和动态性能。
3. 时域响应分析法：时域分析是对系统的输入信号与输出响应进行时间上的观察和分析。
通过观察和分析系统的阶跃响应、脉冲响应、频率响应等，可以推断出系统的稳定性和动态特性。
4. 广义函数法：广义函数是处理非线性系统时常用的一种数学方法。
通过引入广义函数，我们可以简化非线性系统的数学描述，方便进行分析与计算。
5. 数值模拟方法：对于复杂的非线性系统，我们可以利用计算机进行仿真和数值模拟，通过对系统的模拟实验，得到系统的动态行为和性能参数。
三、非线性系统的稳定性分析1. 稳定性概念：稳定性是衡量系统响应的一种重要指标。
对于非线性系统，我们通常关注的是渐近稳定性和有界稳定性。
非线性控制系统理论与应用
非线性控制系统理论与应用第一章线性控制系统概述线性控制系统是一类基于线性系统理论的控制系统。
线性系统是指系统的输入与输出成比例的关系，即如果输入信号增加一倍，输出信号也会增加一倍。
线性系统具有稳定性和可控性的优点，因此在控制系统设计中有广泛的应用。
线性控制系统分为时不变系统和时变系统两种。
在时不变系统中，系统参数固定不变。
在这种情况下，可以针对系统的等效传递函数或状态方程进行设计和分析。
时变系统中，系统参数随时间变化。
需要对系统进行时变分析，以便针对不同时间点设计控制器。
第二章非线性控制系统概述非线性系统是指系统的输入与输出不成比例的关系。
非线性系统不同于线性系统的特点是可能出现复杂的动态行为和稳定性问题。
因此，非线性系统的控制设计比线性系统更加复杂，需要更高级的系统理论和控制方法。
非线性控制系统包括分段线性系统、滞后系统、时变系统和混沌系统等。
非线性控制系统设计需要掌握许多高级数学工具，如微积分、变分法、拓扑学、非线性动力学和控制理论等。
第三章非线性控制系统的分析由于非线性系统比线性系统更为复杂，因此非线性控制系统的分析也更加困难。
但是，通过一些数学工具和技术，可以对非线性系统进行分析和解决。
非线性系统最重要的特征之一是稳定性。
非线性系统有时会出现不稳定的情况。
在设计非线性控制系统时，需要对系统的稳定性进行分析，以便在设计和实现控制器时考虑哪些因素会对稳定性产生影响。
另外一个重要的因素是动态行为。
非线性系统可能显示出复杂的动态行为，如周期性行为或混沌行为。
在非线性控制系统设计中，控制器必须能够应对这些复杂的动态行为。
第四章非线性控制系统的设计在非线性控制系统设计中，需要考虑许多因素。
首先，需要选择适当的控制策略，如状态反馈、输出反馈、模糊控制或神经网络控制。
其次，需要选择适当的控制器类型，如比例控制器、PID控制器或先进控制器。
最后，在设计非线性控制系统时，需要注意以下几个方面：1、控制器必须能够适应系统的非线性特性。
自动控制原理第七章非线性控制系统的分析
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳 定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。 扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线 性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。 若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。 若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以 下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环 计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为 具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e
非线性控制理论和应用
非线性控制理论和应用随着科技的不断发展，越来越多的控制系统被广泛应用于各个领域中。
然而，由于受到噪声、非线性和随机干扰等因素的影响，传统的线性控制理论往往难以达到理想的控制效果。
这时，非线性控制理论应运而生。
一、非线性控制理论的概念非线性控制理论是一种研究非线性动态系统及其控制方法的学科，主要是针对那些包含了非线性部件的系统。
非线性控制理论的基本思路是，将非线性系统用一定的方法转化为线性系统，然后采用线性控制理论进行控制。
二、非线性控制理论的基础理论1. 相空间理论相空间理论是非线性控制理论的重要基础理论之一，它主要用于研究相空间中的轨迹和性质，从而揭示系统的稳定性和瓶颈等问题。
2. 动态系统理论动态系统理论是非线性控制理论的又一基础理论，它主要利用微积分和拓扑学等数学工具，研究非线性动态系统的演化规律及其稳定性，探究系统在不同条件下的响应和控制方法。
3. 控制系统理论控制系统理论是非线性控制理论的重要组成部分，它关注于系统的变量调节、物理平衡及时效性等问题，并针对系统的不确定性和复杂性提出了一系列控制方法和设计思路。
三、非线性控制理论的应用领域1. 机械制造领域在机械制造领域中，非线性控制理论可被广泛应用于惯性系统、转子系统、液力机械系统等机械控制领域，以解决由于物理系统不确定性、非线性特性和高复杂度而导致的控制问题。
2. 航空航天领域在航空航天领域中，非线性控制理论可用于飞行器的姿态控制、飞行轨迹规划和姿态稳定等控制问题，以确保飞行器飞行的安全性和准确性。
3. 化工领域在化工领域中，非线性控制理论被广泛应用于化学反应动力学、过程控制、催化反应、流量控制、质量传递和传热控制等方面，以提高生产效率和产品质量。
4. 供水净化领域在供水净化领域中，非线性控制理论可用于控制水处理设备的进、出水流量，以确保水的净化度和供水量的稳定性。
四、非线性控制理论的未来发展随着科技的不断进步和人们的需求日益增长，非线性控制理论仍有着广阔的发展前景。
自动控制原理—非线性控制系统概述
a 2 2 A a j 4 x2 m 4 x2 m 2 2 A a j 4 x2 m 8
可见-1/N(A)轨迹为一条与实轴平行的直线 而G0(j)为
3.用描述函数法研究非线性控制系统 解:(续)
320 G 0 ( j ) j ( j 4)( j 8) - 3840 320(32 ) j 2 2 2 2 (16 )(64 ) (16 )(64 )
二阶系统的微分方程表达
d 2x dx dx dx a1 ( x, ) a0 ( x, ) x 0 2 dt dt dt dt
a1，a0为常数时表达线性定常系统。 a1，a0不为常数时表达非线性系统。
1. 基本概念
二阶系统的状态方程表达
. 令x1=x，x2=x1, 有
1 x2 x 2 a0 ( x1 , x2 ) x1 a1 ( x1 , x2 ) x2 a0 x1 a1 x2 x
4 6
Im o
Re
Im
推论：由右向左穿越G0(j)线的点是稳定的自振荡点
3.用描述函数法研究非线性控制系统 例 9.1
设非线性元件具有滞环继电特性(a/x2m=0.5), 试分析系统稳定性, 并判断是否存在稳定的自振荡.
R(s) -
x2m -a a
320 s(s+4)(s+8)
Y(s)
3.用描述函数法研究非线性控制系统 解:
(1)饱和特性的描述函数法
x2 -a K x2 t
a
x1
-
-
x1
t
2. 典型非线性元件的描述函数
(1)饱和特性的描述函数法 当A<a , x2(t) = KA sin t, N(A)=X2(A)/X1(A)=K 当A>a, KA sin t 0 t x2(t) = Ka t - KA sin t - t ∵ A sin =a ∴ = sin-1(a/A)
自动控制原理第十章非线性控制系统
自动控制原理第十章非线性控制系统非线性控制系统是指系统动态特性不能用线性数学模型表示或者用线性控制方法解决的控制系统。
非线性控制系统是相对于线性控制系统而言的，在现实工程应用中，许多系统经常具有非线性特性，例如液压系统、电力系统、机械系统等。
非线性控制系统的研究对于实现系统的高效控制和稳定运行具有重要意义。
一、非线性控制系统的特点1.非线性特性：非线性控制系统的动态特性往往不能用线性方程或者线性微分方程描述，经常出现非线性现象，如饱和、死区、干扰等。
2.多变量关联：非线性系统动态关系中存在多个变量之间的相互影响，不同变量之间存在复杂的耦合关系，难以分离分析和解决。
3.滞后响应：非线性系统的响应时间较长，且在过渡过程中存在较大的像后现象，不易预测和控制。
4.不确定性：非线性系统通常存在参数变化、外部扰动和测量误差等不确定性因素，会导致系统性能变差，控制效果下降。
二、非线性控制系统的分类1.反馈线性化控制：将非线性系统通过适当的状态反馈、输出反馈或其它形式的反馈转化为线性系统，然后采用线性控制方法进行设计。
2.优化控制：通过建立非线性系统的数学模型，利用优化理论和方法，使系统达到其中一种性能指标最优。
3.自适应控制：根据非线性系统的参数变化和不确定性，设计自适应控制器，实时调整控制参数，以适应系统的动态变化。
4.非线性校正控制：通过建立非线性系统的映射关系，将测量信号进行修正，以减小系统的非线性误差。
5.非线性反馈控制：根据非线性系统的特性，设计合适的反馈控制策略，使得系统稳定。
三、非线性控制系统设计方法1.线性化方法：通过将非线性系统在其中一工作点上线性化，得到局部的线性模型，然后利用线性控制方法进行设计和分析。
2.动态编程方法：采用动态系统优化的方法，建立非线性系统的动态规划模型，通过求解该模型得到系统的最优控制策略。
3.反步控制方法：通过构造适当的反步函数和反步扩散方程，实现系统状态的稳定和输出的跟踪。
自动控制原理第八章非线性控制系统
如果一个非线性系统在初始扰动下偏离平衡状态，但在时间推移过程中能够恢复到平衡状态，则称该系统是稳定 的。
线性系统稳定的必要条件
系统矩阵A的所有特征值均具有负实 部。
系统矩阵A的所有特征值均具有非正实 部，且至少有一个特征值为0。
劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯判据
通过计算系统矩阵A的三次或更高次特征多项式的根的实部来判断系统的稳定性。如果所有根的实部 均为负，则系统稳定；否则，系统不稳定。
输出反馈方法
通过输出反馈来改善非线性系统的性能，实 现系统的稳定性和跟踪性能。
自适应控制方法
通过在线调整控制器参数来适应非线性的变 化，提高系统的跟踪性能和稳定性。
非线性系统的设计方法
根轨迹法
通过绘制根轨迹图来分析系统的稳定性，并 设计适当的控制器。
相平面法
通过绘制相平面图来分析非线性系统的动态 行为，进行系统的分析和设计。
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THANKS
自动控制原理第八章非线性 控制系统
目录
• 非线性系统的基本概念 • 非线性系统的分析方法 • 非线性系统的稳定性分析 • 非线性系统的校正与设计 • 非线性系统的应用实例
01
非线性系统的基本概念
非线性系统的定义
非线性系统的定义
非线性系统是指系统的输出与输入之 间不满足线性关系的系统。在自动控 制原理中，非线性系统是指系统的动 态特性不能用线性微分方程来描述的 系统。
02
它通过将非线性系统表示为一 个黑箱模型，通过测量系统的 输入输出信号来研究其动态特 性。
03
输入输出法适用于分析具有复 杂结构的非线性系统，通过实 验测量和数据分析，可以了解 系统的动态响应和稳定性。
03
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自动化考研中的非线性控制与应用自动化控制是现代工程技术的重要分支，也是考研自动化专业的必修内容。
其中，非线性控制是自动化控制领域的核心概念之一，它在工程实践中有着广泛的应用。
本文将探讨自动化考研中的非线性控制理论及其应用。
一、非线性控制的基本概念
非线性控制是相对于线性控制而言的，它研究的是非线性系统的控制方法。
在实际工程中，很多系统都是非线性的，例如倒立摆系统、飞行器姿态控制系统等。
非线性控制理论与方法的研究，可以帮助我们解决这些复杂系统的控制问题。
非线性控制与线性控制相比，主要体现在以下几个方面：
1.线性控制是在系统性质被近似看作线性的情况下进行的，而非线性控制则考虑了系统的非线性特性；
2.线性控制的理论和方法相对成熟，而非线性控制的理论和方法更加复杂，需要更高的数学基础；
3.非线性控制的设计需要综合考虑系统的动态特性、非线性特性以及稳定性等因素。
二、非线性控制的应用领域
非线性控制理论及其方法在实际工程中有广泛的应用，主要体现在以下几个领域：
1.工业自动化控制
工业过程往往是复杂而非线性的，如化工过程、电力系统、机械运
动系统等。
采用非线性控制方法，可以更好地适应工业过程的非线性
特点，提高控制系统的性能和稳定性。
2.航空航天领域
飞行器姿态控制是一个典型的非线性控制问题。
在飞行器飞行过程中，由于存在气动力、重力、地球自转等非线性因素，线性控制方法
往往无法满足要求。
采用非线性控制理论，可以更精确地控制飞行器
的姿态，提高航空器的稳定性和飞行性能。
3.机器人控制
机器人是一种复杂的非线性系统，具有高度的自由度和非线性特性。
非线性控制理论在机器人的路径规划、动力学建模以及运动控制等方
面具有重要的应用价值。
采用非线性控制方法，可以实现更高精度的
机器人运动控制和路径规划。
三、非线性控制方法
非线性控制方法主要包括：模型参考自适应控制、滑模控制、非线
性自适应控制、反演控制等。
这些方法各有特点，适用于不同的非线
性系统。
在考研中，我们应该了解这些方法的基本原理和应用场景，
能够灵活运用于实际问题的求解中。
1.模型参考自适应控制
模型参考自适应控制是一种常用的非线性控制方法。
它通过建立系
统的数学模型，参考模型的输出与实际输出之间的误差，调节控制器
参数，实现对非线性系统的控制。
2.滑模控制
滑模控制是一种经典的非线性控制方法。
它通过引入滑模面，在滑
模面上进行控制，来实现对系统的控制。
滑模控制方法具有快速响应、鲁棒性强等特点，在工业控制中有广泛的应用。
3.非线性自适应控制
非线性自适应控制是一种针对非线性系统的自适应控制方法。
它通
过引入自适应辨识模型，实时估计系统的非线性特性，并调节控制器
参数，实现对系统的控制。
四、总结
非线性控制是自动化考研中的重点内容，也是自动化领域的前沿研
究方向之一。
了解非线性控制的基本概念、应用领域以及相关方法，
对于我们的学习和研究具有重要的意义。
在考研中，我们应该注重理
论的学习和实践的结合，通过动手实践，提高对非线性控制理论及其
应用的理解和应用能力。
只有掌握了非线性控制的基础知识和方法，
才能在工程实践中解决复杂系统的控制问题，推动自动化技术的发展。