第8章 非线性控制系统分析
《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
自动控制原理（自动控制理论）考点精讲
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。
非线性系统的分析与控制
非线性系统的分析与控制一、引言非线性系统是指系统的输入与输出之间存在着非线性关系的一类系统。
非线性系统由于其复杂性和多样性，已经成为了现代自动控制与系统工程中的一个热门研究领域。
非线性系统的分析与控制是目前自动控制领域研究的重点之一。
本文主要介绍非线性系统的分析和控制方法。
二、非线性系统的描述非线性系统是指系统输入和输出之间存在非线性关系的系统。
非线性系统可以用数学模型来描述。
常见的一些非线性数学模型有：常微分方程、偏微分方程、差分方程、递推方程等。
非线性系统的特性可以归纳为以下几个方面：1.非线性系统的输入和输出之间存在非线性关系，即输出不是输入的线性函数。
2.非线性系统的行为不稳定，其输出随时间而变化。
3.非线性系统的行为是确定的，但是通常不能被解析地表示。
4.一些非线性系统可能会表现出周期性或者混沌现象。
三、非线性系统的分析方法对非线性系统进行分析是了解和掌握其行为的前提。
主要的分析方法有线性化法和相平面法。
1.线性化法线性化法是将非线性系统在某一特定点附近展开成一系列的一阶或者二阶泰勒级数，然后用线性系统来代替非线性系统，进而对非线性系统进行分析。
线性化法的优点是简单易行，但是必须要求非线性系统在特定点附近的行为与线性系统相似，否则线性化法就失效了。
2.相平面法相平面法通过画出非线性系统的相图来表示系统的行为，较常用的是相轨线和极点分析法。
相轨线是用非线性系统的相图来描述其行为。
相图是将系统的状态表示为一个点，它的坐标轴与系统的每个状态变量相关。
极点分析法则是在相平面上找出使系统输出输出的状态点，然后找出与这些状态点相关的所有极点，以确定出系统的稳定性。
四、非线性系统的控制方法目前，非线性系统的控制方法主要包括反馈线性化控制、自适应控制、滑动模式控制和模糊控制等。
1.反馈线性化控制反馈线性化控制方法以线性控制理论为基础，将非线性系统通过反馈线性化方法转化为等效的线性控制系统，以便使用线性控制理论进行控制。
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。
非线性控制系统数学理论
非线性控制系统数学理论随着科学技术的不断进步和发展，控制系统的研究也日益受到人们的关注。
在实际工程中，为了更好地控制非线性系统，我们需要借助数学理论来分析和设计控制策略。
非线性控制系统数学理论作为控制工程中的重要分支，扮演着至关重要的角色。
本文将从非线性控制系统的数学理论出发，深入探讨其相关知识。
一、非线性系统的特点首先，我们需要了解非线性系统与线性系统之间的区别。
在线性系统中，系统的输出与输入之间的关系是线性的，即服从叠加原理和比例原理。
而在非线性系统中，这种关系不再是线性的，具有多样的非线性特性。
非线性系统的特点包括：系统参数随时间改变、存在多个平衡点、具有奇点等。
二、非线性系统的数学建模为了对非线性系统进行分析和控制，我们需要进行数学建模。
通常采用微分方程、差分方程等数学工具来描述非线性系统的动态特性。
其中，最常见的非线性动力学方程包括：常微分方程、偏微分方程、离散方程等。
通过建立非线性系统的数学模型，我们可以更好地理解系统的行为规律。
三、非线性系统的稳定性分析稳定性是控制系统设计中至关重要的指标，对于非线性系统而言更是必不可少。
稳定性分析是控制系统理论中的重要内容，主要包括局部稳定性和全局稳定性。
在非线性系统中，通过Lyapunov稳定性理论、拉普拉斯变换等方法可以对系统的稳定性进行分析，判断系统是否收敛于某个平衡点。
四、非线性系统的控制方法针对非线性系统的控制，我们可以采用多种方法来设计稳定且有效的控制策略。
其中，常用的控制方法包括：线性化控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。
通过将数学理论与控制工程相结合，可以实现对非线性系统的良好控制效果。
五、非线性系统的应用领域非线性控制系统的数学理论在现代科技领域得到了广泛的应用。
例如，在航空航天、电力系统、机械制造等领域，非线性系统的控制和优化问题日益显著。
借助数学理论，我们可以更好地解决工程实践中遇到的非线性系统控制难题。
总结而言，非线性系统数学理论作为控制工程中的重要组成部分，对于实现系统自动化、智能化具有重要意义。
自动控制理论——非线性系统的分析
Aa A a
3 滞环特性
K ( A sin t a ) x2 (t ) K ( A a ) K ( A sin t a )
x2 x2
3 2 2
a
0
a
x1
0
2
2
t
滞环非线性环节的 描述函数为
N ( A) C1 j1 1 e A12 B12 e j1 A A
一 非线性系统稳定性分析
• 描述函数是在正弦输入信号作用下，输出 的基波分量与输入正弦信号之间的关系。
• 描述函数只能用于对非线性系统的稳定性 和自持振荡的近似分析。
含有非线性环节的系统结构图
r
G1 j
x1
N A
x2
x 2
G2 j
y
H j
• 非线性部分用描述函数 N ( A) 表示； • 非线性部分用描述函数 G ( j ) 表示； G( j) G1 ( j)G2 ( j)H ( j) • 自持振荡只与非线性系统的结构和参 数有关，分析自持振荡时，设 r 0 。
x1
t
a)
单值继电特性在正弦输入作用下的输出波形
(2)．非单值继电特性
x2
x2m x2m
x2
非继电特性的 描述函数为
a
x2m
0
aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x1
0
x2m
t
4 x2m j N ( A) e A
b)
A
A
0
A
x1
t
a)
非单值继电特性在正弦输入作用下的输出波形
7-5 用描述函数研究非线性系统
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）
自动控制原理
山东理工大学教案第34 次课教学课型：理论课√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□主要教学内容（注明：* 重点# 难点）：①§8－5 相平面法（下）（*）（＃）D、奇点与奇线E、由相轨迹求取时间间隔②§8－6 非线性系统的相平面分析③第8章小结教学目的要求：①正确理解奇点的概念与类型，并能作出判断；②正确理解极限环的概念与类型；③掌握相轨迹求取时间间隔的方法；④正确理解非线性系统的相平面分析方法。
教学方法和教学手段：教学方法：讲授教学手段：板书与多媒体结合讨论、思考题、作业：课后习题：P343 8－16、8－20。
参考资料：①《自动控制原理》高国燊主编华南理工大学出版社②《自动控制理论》文锋主编中国电力出版社③《自动控制理论》夏德钤主编机械工业出版社④《自动控制理论》邹伯敏主编机械工业出版社注：教师讲稿附后§8-5 相平面法四、奇点与奇线绘制相轨迹的目的是为了分析系统的运动特性。
由于系统平衡点有无穷多条相轨迹离开或到达，所以平衡点附近的相轨迹最能反映系统的运动特性。
因此平衡点是非常重要的特征点，很有必要加以讨论和研究。
另外，系统的自激振荡状态也是人们非常关心的问题。
前者叫奇点，后者为极限环（奇线最常见的形式） 1、奇点：①定义：以微方),(x x f x &&&=表示的二阶系统，其相轨迹上每一点切线的斜率为x x x f dx x d &&&),(=，若在某点处x xx f &&和),(同时为0，的不定形式即有00=dx xd &，则称该点为相平面的奇点。
②性质：⑴相轨迹在奇点处的切线斜率不定，表明系统在奇点处可以按任意方向趋近或离开奇点。
因此在奇点处多条相轨迹相交。
⑵在相轨迹的非奇点（称为普通点）处，不同时满足0),(0==x x f x &&和，相轨迹的切线斜率是一个确定的值，故经过普通点的相轨迹只有一条。
非线性系统稳定性分析与控制研究
非线性系统稳定性分析与控制研究随着科学技术的不断发展，非线性系统已经成为了研究的热点之一。
非线性系统具有复杂的行为特征，这种复杂性是线性系统所不具备的。
因此，非线性系统的稳定性分析和控制设计也成为了研究的难点之一。
一、非线性系统的稳定性分析非线性系统的稳定性是研究非线性系统的一个重要问题。
稳定性分析的目的是通过研究非线性系统的动态行为，确定系统是否能够保持一定的状态，不会发生不稳定的行为。
稳定性分析的方法与线性系统有很大的区别。
传统的线性系统稳定性分析方法主要是通过判断系统的特征根在什么位置来判断系统的稳定性。
而非线性系统的判据并不像线性系统那么简单。
因为非线性系统中有可能存在多个的平衡点，每一个平衡点的稳定性都需要进行分析。
稳定性分析的方法也是多种多样的，其中最常用的方法有：利用第一类和第二类李雅普诺夫函数法、LaSalle 不变集法、小规模定理法、均衡面法、小波法等。
需要指出的是，稳定性分析并不仅仅是理论研究，它的应用也非常广泛。
在工程设计中，如果不能对非线性系统的稳定性进行合理预测，会给系统带来很大的不稳定因素，可能导致不良后果的出现。
二、非线性系统的控制非线性系统的控制是实现非线性系统稳定的一个重要环节。
不同于线性系统的直接控制，非线性系统控制需要根据特定的性质进行设计。
一般而言，如果需要稳定和控制一个非线性系统，有两种主流的方法：一种是基于反馈控制的方法，一种是非线性控制的方法。
基于反馈控制的方法包括比例-积分-微分控制、自适应控制、滑模控制等。
除此之外，非线性控制的方法也是控制非线性系统常用的方法。
非线性控制的方法包括：人工神经网络控制、模糊控制、遗传算法控制等。
这些方法都不是简单的基于数学模型的控制方法，而是与系统的非线性特性相匹配的控制方法。
三、非线性系统的应用非线性系统在许多领域都有广泛的应用，例如：化学工艺、生物医学工程、输电线路、机械结构等领域。
在化学工艺领域，非线性系统的应用非常广泛。
非线性控制系统分析
实验三、非线性控制系统分析
一、实验目的
1、认识非线性环节的输入输出特性。
2、研究非线性环节对线性系统的影响。
二、实验内容
1、在输入端加入正弦信号，观察饱和、死区、纯滞后环节的输出信号，认识它们的输入输出特性，改变非线性环节的参数进行实验，认识这些参数的作用。
2、非线性控制系统如图11-1所示，选择不同的非线性环节及其非线性参数，研究它们对线性控制系统的影响，如超调量、峰值时间、调节时间等。
图11-1 非线性控制系统
三、实验步骤
1、通过实验认识几个典型非线性环节的输入输出特性。
2、通过实验研究非线性环节对线性系统的影响。
四、实验报告
1、通过实验数据说明几个典型非线性环节的输入输出特性。
2、通过实验数据分析非线性环节对线性系统性能的影响。
五、思考题
在控制系统的仿真中，忽略非线性环节会对仿真结果产生什么影响？
1、
2、
3、
4、。
自动控制原理课件：非线性系统的分析
( ) 90 arctan arctan
4
求与负实轴的交点
90 arctan arctan
4
180
5
arctan arctan arctan 4 2 90
4
1
4
2
4
1 2
G ( j )
1
10
称 , 为相变量，它们构成二维平面称为相平面
相变量在相平面上运动的轨迹称为相轨迹, 即在一定
初始条件下满足上述微分方程的解.
相平面模型即 非线性二阶系统的状态空间模型.
x(t )
d x(t ) / dt d x(t ) f ( x(t ), x(t ))
dx(t )
x(t ) dx(t ) / dt
作用的基波分量，近似为“线性系统”。
01
描述函数是非线性特性的一种近似表示，是一种谐波线性化方法，忽略
非线性环节输出中的高次谐波，用基波分量表示其输出。
e(t ) X sin t
c1 (t )
N(X )
表示非线性环节的输出一次谐波分量对正弦输入信号的复数比。
N(X )
使用上常将描述函数表示为的函数.
的初始状态无关。
非线性系统的稳定性和零输入响应的性质不仅取决于系统的结构、参数，而且
与系统的初始状态有关。
2. 系统的自持振荡
线性系统只有两种基本运动形式：发散（不稳定）和收敛（稳定）。
非线性系统除了发散和收敛两种运动形式外，即使无外界作用，也可能会发生
自持振荡。
4
dx(t )
2
x