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非线性控制系统讲述
第八章 非线性控制系统分析
8.1 非线性控制系统概述
8.2 常见非线性特性及其对系统运动的影响
8.3 相平面法
8.4 描述函数法
8.1 非线性控制系统概述
一、研究非线性控制理论的意义
实际上,理想的线性系统并不存在,组成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。
典型非线性特性
二、非线性系统的特征
1.稳定性分析复杂,系统可能存在多个平衡状态;
时间响应曲线
平衡状态:x=0 x=1
平衡状态的稳定性不仅与系统的结构和参数有关,而且与系统的初始条件有直接的关系。
2.可能存在自激振荡现象;
3.频率响应发生畸变。
长时间大幅度振荡会造成机械磨损,增加误差,因此多数情况下不希望系统有自振发生。但在控制中通过引入高频小幅自振,可克服间隙、死区等非线性因素的不良有影响。
非线性系统的频率响应除了含有与输入同频率的正弦信号分量(基频分量)外,还含有关于w 的高次谐波分量,使输出波形发生非线性畸变。
三、非线性系统的分析与设计方法
1.相平面法--基于时域分析的图解法
通过在相平面上绘制相轨迹曲线,确定非线性微分方程在不同初始条件下解的运动形式。相平面法仅适用于一阶和二阶系统。
2.描述函数法—基于频域的等效线性化方法
通过谐波线性化,将非线性特性近似表示为复变增益环节,然后推广应用频率法,分析非线性系统的稳定性或自激振荡。
3.逆系统法
运用内环非线性反馈控制,构成伪线性系统,并以此为基础,设计外环控制网络。该方法应用数学工具直接研究非线性控制问题,不必求解非线性系统的运动方程,是非线性系统控制研究的发展方向。
8.2 常见非线性特性及其对系统运动的影响
一、饱和特性
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;
2.使系统的快速性和稳态跟踪精度下降。
二、死区特性
对系统的影响:
1.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
对系统的影响:
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。
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。
四、继电特性
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
8.3 相平面法
相平面法由庞加莱1885年首先提出,是一种求解一、二阶常微分方程的图解法。其实质是将系统的运动过程形象地转化为相平面上一个点的移动,通过研究这个点的移动轨迹,就可获得系统运动规律的全部信息。
相平面法可以用来分析一、二阶线性或非线性系统的稳定性、平衡位置、时间响应、稳态精度及初始条件和参数对系统运动的影响。
相平面法绘制步骤简单、计算量小,特别适用于分析常见非线性特性和一阶、二阶线形环节组合而成的非线性系统。
一、相平面的基本概念
设二阶系统的常微分方程:
方程的解
--相变量
相平面:
相轨迹:
相平面图:
相平面及其上的相轨迹簇(多个初始条件下的运动对应多条相轨迹)组成的图形。
二、 相轨迹的绘制方法
1.解析法
--解微分方程,然后在相平面上绘制相轨迹。
(1)消变量法
(2)直接积分法
解:
整理后得:
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轨迹。
给定一组a值,就可得到一族等倾线,在每条等倾线上各点处作斜率为a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。
只要从某一初始点出发,沿着方向场各点的切线方向将这些短线用光滑的曲线连接起来,便可以得到系统的一条相轨迹。
解:
例: 用等倾线法绘制 的相轨迹。
当以(x0,0)为初始条件时,是一个圆。
a =-∞ … ,-2, -1,-0.5,0,0.5 …∞时画等倾线
注意事项
(4)等倾线分布越密,相轨迹越准确。
(3)相轨迹与x轴垂直相交;
三、线性系统的相轨迹
1.线性一阶系统的相轨迹
微分方程:
相轨迹方程:
设系统初始条件为c(0)=c0
2.线性二阶系统的相轨迹
微分方程:
特征根:
相轨迹微分方程:
等倾线方程:
讨论二阶线性系统的相轨迹
1.b0时
2.b=0时
3.b0时
(1)0z1
s1s2--具有负实部的共轭
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