自动控制原理（第2版） 第7章非线性控制系统(1)

自动控制原理 大连民族学院机电信息工程学院 七章 非线性系统控制 of 连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 线性控制系统概述 见非线性及其对系统运动的影响 述函数法 平面法 本章中的应用 本章重点内容 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 前面研究的线性系统满足叠加性和齐次性； 严格地说，由于控制元件或多或少地带有非线性特性，所以实际的自动控制系统都是非线性系统； 一些系统作为线性系统来分析： 系统的非线性不明显，可近似为线性系统。某些系统的非线性特性虽然较明显，但在某些条件下，可进行线性化处理； 但当系统的非线性特征明显且不能进行线性化处理时，就必须采用非线性系统理论来分析。这类非线性称为本质非线性。 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或环节 ,则此系统即为 非线性系统 。 非线性控制系统概述 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 本质非线性系统有以下特点： 1）初始条件与输入量对非线性系统的影响 非线性系统可能会出现某一初始条件下的响应过程为单调衰减，而在另一初始条件下则为衰减振荡，如图所示。 线性系统如果某系统在某初始条件下的响应过程为衰减振荡，则其在任何输入信号及初始条件下该系统的暂态响应均为衰减振荡形式。 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 初始条件不同时非线性系统不同的响应特性 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 2）系统的稳定性也与输入信号的大小、初 始条件有关 （ 1） 当初始条件 1时 ,1 0,上式具有负的特征根 ,其暂态过程按指数规律衰减 ,该系统稳定 。 （ 2） 当 时 ,1,上式的特征根为零 ,其暂态过程为一常量 。 （ 3） 当 1时 ,10,上式的特征根为正值,系统暂态过程指数规律发散 ,系统不稳定 。 ( 1 ) 0x x x &大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 非线性一阶系统的时间响应 )1(2 0001)(非线性系统的稳定性和零输入响应的性质不仅与系统本身的结构和元件特性有关 ， 而且与系统初始条件也有关 。因而对非线性系统 ， 不能笼统地讲系统是否稳定 。 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 3）非线性系统可以产生自持振荡： 在没有外作用时 ,有可能产生频率和振幅一定的稳定周期性响应。该周期响应过程物理上可实现并可保持 ,通常将其称为自持振荡或自振荡； 线性系统只有两种工作模式：要么发散，要么收敛； 非线性系统有收敛、发散和自持振荡三种状态。 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 4）当非线性输入的信号为正弦作用时，由于非线性其输出将不再是正弦信号，而包含有各种谐波分量，发生非线性畸变。 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 5）混沌 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 非线性系统运动的特殊性 不满足叠加原理 线性系统理论原则上不能运用 (区别） 稳定性问题 不仅与自身结构参数，且与输入，初条件有关，平衡点可能不惟一，可以稳定且可以在多个平衡点稳定，可能不稳定 发散、衰减等 自振运动 非线性系统特有的运动形式，产生自持振荡 发生频率激变 频率响应的复杂性 跳频响应，倍 /分频响应，组合振荡 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 非线性系统分析方法： 1）非线性系统的运动比线性系统复杂得多； 2）分析线性系统的分析方法不能用于分析 非线性系统； 3）非线性系统的数学模型是非线性微分方程；但至今为止非线性微分方程没有成 熟的解法； 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 非线性控制系统的分析方法 小扰动线性化 非线性系统研究方法 仿真方法 相平面法 描述函数法 波波夫法 反馈线性化法 微分几何方法 全数字仿真 半实物仿真 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 常见非线性及其对系统运动的影响 继电特性 (死区 (饱和 (间隙 (摩擦( 典型非线性特性 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 非线性特性的等效增益 设非线性特性可以表示为 X 输入， y 输出， 等效增益 ( 即 )( (大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 见非线性因素对系统运动的影响 图中 为线性部分的传递函数， 为线性部分的开环根轨迹增益。 *K)(当忽略或不考虑非线性因素，即 非线性特性用等效增益表示 非线性因素对系统运动的影响 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 7典型非线性环节 1、饱和非线性 22x x ay k a x x ak a x x a *输入 输出 比例系数 等效增益 2自动控制原理 饱和非线性对系统的影响： 饱和非线性使系统在大信号作用下的等效增益下降，严重的可以使系统丧失闭环控制作用。 振荡性 ， s 限制跟踪速度 晶体管特性 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 2、死区 0()x n x x 1010 在实际系统中死区可由众多原因引起，它对系统可产生不同的影响：一方面它使系统不稳定或者产生自振荡；另一方面有时人们又人为的引入死区特性，使系统具有抗干扰能力。 稳态误差 滤除小幅值干扰 电动机，仪表 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 3、滞环（非单值特性） 滞环特性会使系统的相角裕度减小 ,动态性能恶化 ,甚至产生自持振荡。 2( s g n ) 0 , 0& &mk x a x x x y 且c )d )连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 4、继电器特性 继电器非线性会使系统产生自持 振荡，甚至会导致系统不稳定， 并且使稳态误差加大。 0101a )1开关特性 抑制系统发散 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 述函数基本概念 10 )s i nc o s()(s 10 )(c o s)(1 20n )(s 1 20n 22 c t )s i n (s i nc 11111 ) 周期函数 y(t) 的付氏级数展开 非线性元件的描述函数 00 以 ， 则输出的基波分量为 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 y(t)= (n=1 22200td)t(n 20c o s)(1n 20s i n)(1若 ，且当 n1时， 可近似认为非线性环节的 正弦响应仅有一次谐波分量！ 1 1 1 1 1i n (i sA)t(y 11 )ts i n (Y 11 21211 111 r c t g)ts i n (Y)t(y 11 ts i nA)t(x 非线性环节可 近似认为 具有和线性环节 相类似 的频率响应形式 为此，定义正弦信号作用下，非线性环节的稳态输出中 一次谐波 分量和输入信号的 复数比 为非线性环节的 描述函数 ，用 N(A)表示： 1j1 1 N(A) = N(A) N(A) = 描述函数的定义 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 0201o s)t( 2 A x(t) 200o s)t(201in)t( k 0 x(t) y(t) y(t)= 0 k() k(x+ ） x x y(t) (A)= A B1+1 A = 2k tc o i nX(t)= 区非线性环节的描述函数 N(A) 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 x(t)=y(t) t 死区饱和非线性环节的描述函数 y a k x x(t) t A 1 2 2 1 201o s)t(200o s)t( 2 201 2 2)t(y )ts i nA(k 0)a(k 21 t 12201in)t( 2 in)t( A ( 1 t td t k 4 2 2 t td a ( k 4 2 + tc o i o s1(i n 2121212 tc o i A/(1c o s,A/s i n 222 )A/a(1c o s,A/as i n 221 )A(1A)r c s i r c s i t)= y(t) (A)= A B1+1 A = )A(自动控制原理 用描述函数法分析非线性系统 1 基本假设 结构上： N(X), G(j) 串联 N(X)奇对称 ,y1(t)幅值占优 G(j)低通滤波特性好 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 二、非线性特性的化简 1）并联 描述函数相加 2）串联 先求等效非线性特性，再求总的描述函数。 )()()(,s i n)(,s i n)(,s i n)(212111121111212111 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 例题 1(补充 ) 0 0 1 x 连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 用描述函数法分析非线性系统 1 基本假设 结构上： N(X), G(j) 串联 N(X)奇对称 ,y1(t)幅值占优 G(j)低通滤波特性好 0)()(1 定性分析 )(1)(0)()(1 )()(1)()()()(特征方程用奈氏判据 闭环频率特性 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 对于线性系统， N(X)= 1,G( 1。对于奈氏判据， 线性系统的对应非线性系统的 /N(X)。设线性部分是最小相位系统，稳定性判据如下。 )( (1包围 包围 相交于 则系统 稳定 不稳定 可能自振 m m m 1()()( ) ,()不 包 围系 统 稳 定 , 响 应 收 敛 。1()()( ) ,()包 围系 统 不 稳 定 , 响 应 发 散 。1( ) ,()与 相 交系 统 可 能 产 生 自 持 振 荡A大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 自持振荡的判断 m 1()()Gja b c d e f 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 例 r e x 0 . 5 s + 1 ) ( s + 1 )311022 1() 111 , 1 , 34( ) 1 ( )21m h 解 ：0111 , , 2( ) ( )0 . 5 2 362 N 的 拐 点 发 生 在 A= 处 ，其 值 为 自动控制原理 m 61()2A2A 大连民族学院机电信息工程学院 自动控制原理 2422 2 1 . 5 (1 0 . 5 ) ()( 0 . 5 1 ) ( 1 ) ( 0 . 2 5 1 . 2 5 1 )j j 2422 (1 0 . 5 )I m ( ) 0 2 /( 0 . 2 5 1 . 2 5 1 )G j r a d s 令 解