非线性控制系统.
自动控制原理课件 第7章 非线性控制系统
波波夫法是一个关于系统渐近稳定充分条件的频率域判据。 它可以应用于高阶系统，并且是一个准确判定稳定性的方法。
2020年11月17日
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第7章第16页
4．可以用频率特性的概念来研究和分析线性系统的固 有特性。不能用频率特性、传递函数等线性系统常用的 方法来研究非线性系统。
2020年11月17日
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第7章第15页
7.1.4 非线性系统的分析和设计方法
1. 相平面法 相平面法是求解一阶或二阶非线性系统的图解法。这种方法
既能提供的稳定性信息，又能提供时间响应信息。其缺点是只 限于一阶和二阶系统。 2. 描述函数法
齿轮传动的齿隙特性，液压传动的的油隙特性等均属于 这类特性。
当系统中有间隙特性存在时，将使系统输出信号在相位 上产生滞后，从而使系统的稳定裕度减少，动态特性变坏。
间隙的存在常常是系统产生自持振荡的主要原因。
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4.继电器特性
0 y(t) b0sgn e(t)
在控制系统中若存在饱和特性，将使系统在大信号
作用下的等效放大倍数降低，从而引起瞬态过程时间 的延长和稳态误差的增加。对于条件稳定系统，甚至 可能出现小信号时稳定，而大信号时不稳定的情况。
2020年11月17日
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2.死区（不灵敏区）特性
y (t )
0
k
e(t)
a sgn
e(t)
e(t) a e(t) a
2. 线性系统的稳定性与输入响应的性质只由系统本身的 结构及参量决定，而与系统的初始状态无关。而非线性 系统的稳定性及零输入响应的性质不仅取决于系统本身 的结构和参量，而且还与系统的初始状态有关。
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。
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。
线性与非线性控制系统的性能比较与分析
线性与非线性控制系统的性能比较与分析引言：控制系统是指通过一系列的输入和输出信号间的相互关系来实现对被控对象的控制。
其中，线性控制系统和非线性控制系统是两种常见的控制系统类型。
本文将对线性控制系统和非线性控制系统的性能进行比较与分析，以帮助读者更好地了解两者的优劣之处。
一、线性控制系统的性能：1. 频率响应特性：线性控制系统的频率响应特性较为简单，可以使用传统的频率域分析方法进行系统的设计和分析。
例如，可以使用Bode图和Nyquist图等工具评估系统的幅频和相频特性，进一步优化系统的性能。
2. 稳定性分析：线性控制系统的稳定性分析相对较为简单，可以通过分析系统传递函数的根位置来判断系统的稳定性。
常见的稳定性准则包括Routh-Hurwitz准则和Nyquist稳定性判据等。
这使得线性控制系统的设计与分析更加便捷。
3. 控制性能指标：线性控制系统可以使用传统的性能指标来评估其控制性能。
常用的性能指标有超调量、调节时间和稳态误差等。
这些指标可以帮助工程师在系统设计过程中更好地优化系统的性能。
二、非线性控制系统的性能：1. 非线性特性：与线性控制系统相比，非线性控制系统具有更为复杂的特性。
由于非线性元件的存在，系统的频率响应不再是简单的幅频和相频特性。
因此，频域分析方法在非线性系统的设计和分析中会遇到困难。
2. 稳定性分析：非线性控制系统的稳定性分析比线性控制系统更为复杂，常常需要使用数值方法进行分析。
例如，可以使用Lyapunov稳定性准则来评估非线性系统的稳定性。
此外，也需要考虑系统的局部和全局稳定性。
3. 控制性能指标：非线性控制系统的性能评估相对复杂。
由于系统的非线性特性，传统的性能指标可能不再适用。
因此，需要根据实际情况选择相应的性能指标来评估非线性控制系统的性能。
三、线性与非线性控制系统性能比较与分析：1. 频率响应：线性控制系统的频率响应特性较为直观，可以使用传统的频域分析方法进行判断和优化。
非线性控制系统的研究及应用
非线性控制系统的研究及应用随着人类科技的不断发展，非线性控制系统已经成为了重要的研究领域。
相比于线性控制系统，非线性控制系统能够更加准确地描述复杂系统的动态行为，因此在很多实际应用场景中具有得天独厚的优势。
一、非线性控制系统的定义及特点非线性控制系统是指控制对象或控制器的函数不符合线性原理的控制系统。
它具有以下特点：1.非线性控制系统是一个典型的时变系统，复杂的非线性控制系统具有高度的不确定性和不可预测性。
2.非线性控制系统通常具有的动态性、复杂性和分析难度高。
3.非线性控制系统在实际应用中非常广泛，例如，飞行器、导弹、卫星、工业过程和人体等控制对象都是非线性的。
总之，非线性控制系统可以看作是一类负责区分和控制系统各种输入、输出量之间非线性关系的控制器。
二、非线性控制系统的研究随着非线性控制系统的实际应用，非线性控制系统研究的重要性日益显现，使得非线性控制系统的理论和应用有很大的进展。
非线性控制系统研究主要包括四个方面：分析、设计、实现和优化。
1.非线性控制系统的分析非线性控制系统的分析主要包括对非线性控制系统的动态性、稳定性和可控性的分析，以及非线性控制系统遇到固有模数或增益的饱和的情况下的问题。
2.非线性控制系统的设计非线性控制系统的设计主要是在非线性模型基础上进行，通过确定控制器的函数，得到非线性控制器的设计方案。
3.非线性控制系统的实现非线性控制系统的实现一般分为两种方法：数学模型仿真和真实系统的实验验证。
模型仿真是通过控制系统的数学模型进行仿真试验，以检查控制系统的性能。
真实系统的实验验证是将非线性控制器部署到实际系统中，对控制器进行实时监控和调节。
4.非线性控制系统的优化非线性控制系统的优化是指通过一系列技巧和方法来改善控制系统的性能和质量。
三、非线性控制系统的应用非线性控制系统的应用非常广泛，如机器人控制、智能交通、航天器控制、化工过程控制、医疗技术等领域均可应用。
以下分别介绍一下其中一些领域的应用。
自动控制原理-第8章非线性控制系统
8非线性控制系统前面几章讨论的均为线性系统的分析和设计方法，然而，对于非线性程度比较严重的系统，不满足小偏差线性化的条件，则只有用非线性系统理论进行分析。
本章主要讨论本质非线性系统，研究其基本特性和一般分析方法。
8.1非线性控制系统概述在物理世界中，理想的线性系统并不存在。
严格来讲，所有的控制系统都是非线性系统。
例如，由电子线路组成的放大元件，会在输出信号超过一定值后出现饱和现象。
当由电动机作为执行元件时，由于摩擦力矩和负载力矩的存在，只有在电枢电压达到一定值的时候，电动机才会转动，存在死区。
实际上，所有的物理元件都具有非线性特性。
如果一个控制系统包含一个或一个以上具有非线性特性的元件，则称这种系统为非线性系统，非线性系统的特性不能由微分方程来描述。
图8-1所示的伺服电机控制特性就是一种非线性特性，图中横坐标u为电机的控制电压，纵坐标为电机的输出转速，如果伺服电动机工作在A1OA2区段，则伺服电机的控制电压与输出转速的关系近似为线性，因此可以把伺服电动机作为线性元件来处理。
但如果电动机的工作区间在B1OB2区段•那么就不能把伺服电动机再作为线性元件来处理，因为其静特性具有明显的非线性。
8.1.1控制系统中的典型非线性特性组成实际控制系统的环节总是在一定程度上带有非线性。
例如，作为放大元件的晶体管放大器，由于它们的组成元件（如晶体管、铁心等）都有一个线性工作范围，超出这个范围，放大器就会出现饱和现象；执行元件例如电动机，总是存在摩擦力矩和负载力矩，因此只有当输入电压达到一定数值时，电动机才会转动，即存在不灵敏区，同时，当输入电压超过一定数值时，由于磁性材料的非线性，电动机的输出转矩会出现饱和；各种传动机构由于机械加工和装配上的缺陷，在传动过程中总存在着间隙，等等。
实际控制系统总是或多或少地存在着非线性因素，所谓线性系统只是在忽略了非线性因素或在一定条件下进行了线性化处理后的理想模型。
常见典型非线性特性有饱和非线性、死区非线性、继电非线性、间隙非线性等。
非线性系统的分析和控制
非线性系统的分析和控制非线性系统是指其输入和输出之间不符合线性关系的系统，这种系统常见于生命科学、经济学、工程学以及实际应用中的复杂系统中。
非线性系统的分析和控制是科学技术领域长期以来的研究热点之一，随着计算机技术和控制理论的发展，一些传统的控制方法已经无法有效地处理非线性系统。
如何对非线性系统进行有效的建模并进行控制，一直是控制理论领域的难题之一。
非线性系统的数学特性在进行非线性系统的分析和控制之前，我们需要了解它的数学特性。
通常，非线性系统具有以下特征：1. 非线性系统的响应与输入存在非线性关系，即系统响应不是简单地随着输入线性变化的。
2. 非线性系统可能存在多个平衡状态，即一种变化处于平衡状态的状态对应多个输入。
3. 非线性系统的动力学特性可能十分复杂，存在混沌和震荡等现象。
对于非线性系统，我们通常采用数学模型来描述其动态特性和响应。
非线性系统的建模是非常复杂的，通常采用状态空间模型或微分方程来描述，这样可以比较容易地掌握系统动态特性。
对于一些复杂的非线性系统，需要采用数值计算方法来分析其特性。
非线性系统的控制方法针对非线性系统的控制，传统的 PID 控制方法或者模型预测控制等经典控制方法已经不再适用。
针对非线性系统的复杂性和不确定性，需要采用先进的非线性控制技术。
现代的非线性控制方法主要可以分为如下几种：1. 自适应控制自适应控制通常采用基于反馈控制的方法，通过实时监控系统响应情况来调节控制器的参数和结构，以适应非线性系统的变化。
自适应控制的优点是可以自动适应非线性系统的动态特性，但其监控过程可能会引入不必要的噪声，需仔细考虑控制系统的稳定性和易用性。
2. 非线性模型预测控制非线性模型预测控制(NMPC) 通常采用优化方法来设计控制器，其基本思想是通过预测未来状态来确定最优的控制序列。
NMPC的主要优点是具有非线性系统的预测能力，能够预测系统的响应变化，但其计算开销较大，需要较高的计算资源和算法设计。
非线性控制系统的特征
非线性控制系统的特征1．叠加原理不能应用于非线键控制系统对于线性系统，描述其运动的数学模型是线性微分方程，它的根本特征是能使用线性叠加原理*而描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，因此叠加原理不能应用。
所以，能否应用叠加原理是两类系统的本质区别。
对于线性控制系统的研究，一般是采用传递函数、频率特性、根轨迹等数学模型。
同时，由于线性控制系统的运动特征与系统治人的大小及韧始状态无关，故通常是在典型输人函数和零初始条件下进行研究的。
然而，在非线性控制系统中，由于叠加原理不成立，因而不能应用上述方法。
2．稳定性问题若线性控制系统的一个运动[即描述系统的微分方程在某一外作用和某一韧始条件下所求的解)是稳定的，则线性系统中所有可能的运动状态都是稳定的。
对于线性控制系统，稳定性是系统的固有属性，它只取决于系统的结构和参数，与外作用和韧始条件无关。
尤其是线性定常系统，其稳定性仅取决于系统特征根在‘平面上的分布。
对于非线性控制系统，不存在系统是否稳定的笼统概念，要研究的是非线性控制系统平衡状态的稳定问题。
一个非线性控制系统的某些平衡状态(如果有不止一个平衡状态的话)可能是稳定的，而另外一些平衡状态却可钽电容能是不稳定的。
非线性控制系统的稳定性除与系统的结构形式和参数有关外，还与外作用及初始条件有关。
对于相同结构和参数的非线性控制系统，运动的最终状态可以完全不同。
3．对正弦输入信号的响应对于线性控制系统，当输入是正弦信号时，系统的稳态输出也是与输入同频率的正弦函数，且系统的稳态输出和输入仅在幅值和相角上不相同。
利用这一特性，可用频率响应即频率特性来描述系统的性能。
但对于非线性控制系统，若输人是正弦信号，则其稳态输出除了包含与输入频率相同的一次谐波外，还可能有频ATMEL率是输入频率整数倍的高次谐波分量，从而使波形发生非线性畸变。
因此．线性控制系统中的频率法不再适用非线性控制系统。
4．自激振荡所谓自激振荡，是指没有外界周期变化信号的作用时，系统内产生的具有固定振幅和频率的稳定周期运动，简称自振。
第七章非线性控制系统
第七章
第七章 非线性控制系统
第一节 非线性系统的基本概念
第二节 非线性特性的一种线性近似表示--描述函数 第三节 典型非线性特性的描述函数 第四节 分析非线性系统的谐波平衡分析法 第五节 非线性系统性能改进及非线性应用 小结
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学信息工程学院
自动控制理论
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学信息工程学院
自动控制理论
第七章
式中：A0
1
2
2
y(t)dt
0
1
An
2
y(t) cos ntdt
0
Bn
1
2
y(t) sin ntdt
0Байду номын сангаас
Yn An2 Bn2
n
arctan
An Bn
对于奇对称函数
A0 0
k 2 )[sin
1
a A
a A
1 ( a )2 ] A
(A a)
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非线性增益II
N(A)
k3
2
(k1
k2
)[sin1
a A
a A
1 ( a )2 ] A
2
(k 2
k3)[sin1
s A
s A
1 ( s )2 ] A
(A s)
特征：当输入信号在零位附近变化时，系统没有输出。当
输入信号大于某一数值时才有输出，且与输入呈线性关。
死区特性对系统性能的影响： 各系测类统量液的变压库送阀伦装的摩置正擦的重；不叠灵量敏； 区；（了定1）位增精大度了。系统的稳态误差，降低 调节器和执行机构的死区； （2）减小了系统的开环增益，提高
第八章 非线性控制系统分析
8.2 常见非线性特性及其对系统运动的影响
一、饱和特性 y 斜率k 斜率 -a 0 a x
x>a ka y = kx x ≤a − ka x < −a
对系统的影响： 对系统的影响： 1.使系统开环增益下降，对动态响应的平稳性有利； 使系统开环增益下降，对动态响应的平稳性有利； 使系统开环增益下降 2.使系统的快速性和稳态跟踪精度下降。 使系统的快速性和稳态跟踪精度下降。 使系统的快速性和稳态跟踪精度下降
3.逆系统法 逆系统法 运用内环非线性反馈控制，构成伪线性系统，并以 运用内环非线性反馈控制，构成伪线性系统， 此为基础，设计外环控制网络。该方法应用数学工具直 此为基础，设计外环控制网络。 接研究非线性控制问题，不必求解非线性系统的运动方 接研究非线性控制问题， 程，是非线性系统控制研究的发展方向。 是非线性系统控制研究的发展方向。
二、死区特性 y 斜率k 斜率 -△ 0
△
x
0 x ≤∆ y= k[ x − ∆sign( x)] x > ∆
对系统的影响： 对系统的影响： 1.使系统产生稳态误差； 使系统产生稳态误差； 使系统产生稳态误差 2.当系统输入端存在小扰动信号时，在系统动态过程的 当系统输入端存在小扰动信号时， 当系统输入端存在小扰动信号时 稳态值附近，死区的作用可减小扰动信号的影响。 稳态值附近，死区的作用可减小扰动信号的影响。
三、间隙特性 y c 斜率k 斜率 -h 0 h -c 对系统的影响： 对系统的影响：
k ( x − h) y = k ( x + h) x c sign ( x)
ɺ y>0 ɺ y<0 ɺ y=0
增大系统的稳态误差，降低系统的稳态精度， 增大系统的稳态误差，降低系统的稳态精度，使过 渡过程振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。 渡过程振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。 一般来说，间隙特性对系统总是有害的， 一般来说，间隙特性对系统总是有害的，应该消除 或消弱它的影响。 或消弱它的影响。