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非线性系统的分析.pptxVIP

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第七章非线性系统分析;本章主要内容

本章介绍了非线性系统基本概念、常见几个非线性步骤特点及其对系统影响,主要阐述了怎样利用描述函数法对非线性系统进行分析,同时简明介绍了改进非线性系统性能办法及非线性特征利用。

;7-1非线性系统基本概念;图7-1-1

a)由质量、弹簧、阻尼器组成系统;图7-1-1

b)弹簧力非线性特征;考虑到作用于质量m上全部力,其运动

可用下面非线性微分方程描述:;为了求非线性系统时域响应,必须求出式(7-1-2)

解。;式(7-1-1)描述系统,也能够用图7-1-3所表示框

图表示。;当用框图作为非线性系统数学模型时,只需将

系统线性部分用传递函数或脉冲响应表示,非

线性部分用非线性等效增益或描述函数表示。;图7-1-4经典非线性特征;1、死区特征;死区(不灵敏区)特征影响

增大了系统稳态误差,降低了定位精度。

减小了系统开环增益,提升了系统平稳性,减弱动态响应振荡倾向。;2、饱和特征;饱和特征影响

使系统开环增益下降,对动态响应平稳性有利。

使系统快速性和稳态跟踪精度下降;3、间隙特征;间隙(回环)特征影响

降低了定位精度,增大了系统静差。

使系统动态响应振荡加剧,稳定性变坏。;4、继电器特征;继电器特征影响

理想继电控制系统最终多半处于自振工作状态。

可利用继电控制实现快速跟踪。

带死区继电特征,将会增加系统定位误差,对其它动态性能影响,类似于死区、饱和非线性特征综合效果。;当a=0时,继电器吸合及释放电压为零,此种情况亦称零值切换,又称理想继电器特征,如

图7-1-5a所表示。;图7-1-5几个特殊继电器特征;假如在式(7-1-6)中,参量m=-1,即继电器正向

释放电压与其反向吸上电压相等时,这就是有回

环继电器特征,如图7-1-5c所表示。;非线性系统特点;另一为非线性系统,其微分方程为;非线性系统时间响应如图7-1-6所表示。;非线性系统运动形式,即时间响应特征与线

性系统一样,都是在t=0时,;2、系统自持振荡;解;图7-1-7非线性系统自持振荡;;3、频率响应畸变;图7-1-8间隙特征正弦响应;7-2二阶线性和非线性系统相平面分析;合并以???两式,得到;其次,式(7-2-1)特征方程为;分离变量后,对上式等号两侧分别积分得;;位于根平面左半部一对共轭复根。系统零输入

响应呈衰减振荡,最终趋于零。对应相轨迹是对

数螺旋线,收敛于相平面原点(参见图7-2-1b)。此

种奇点称为稳定焦点。

;;系统零输入响应也是非周期发散。对应相

轨迹如图7-2-1d所表示。此种奇点称为鞍点。;;正实根。系统零输入响应为非周期发散,

对应相轨迹是由相平面原点出发发散型抛

物线族(参见图7-2-1f)。此种奇点称为不稳定

节点。;二阶非线性系统特征;(7-2-7);于是,式(7-2-5)、式(7-2-6)在其平衡点[0,0]附

近小范围内线性化方程为;个适当小范围内有着相同定性特征。表7-2-1总

结了这些情况。;表7-2-1线性化系统与非线性系统相轨迹特征;解;相平面原点[0,0]是系统平衡点。;;图7-2-2范德波尔方程在;7-3非线性系统相平面分析;解线性部分方程为;用相平面分析系统时,可将外部参考输入考虑为

r=0,令,于是得到线性部分相变量方程

为;;归纳以上可见;将图7-3-2所表示之相平面分为三个区域,三个区域

转换线分别由;在Ⅲ区内,y=M;图7-3-2例7-3-1系统相轨迹;按照前述方法,在三个区域内分别画出等倾线,

然后作出初始状态为(0.6,0)且K=2时系统相

轨迹,如图7-3-3中相轨迹①所表示。;图7-3-3例7-3-1系统在减小K值时相轨迹;2、减小继电器特征输出幅值M;4、增大继电器特征回环宽度参量m;7-4非线性特征一个线性近似表示——

描述函数法;图7-4-1最正确迫近示意图;g(t)应满足;式中e——最小值以外均方误差值。;依据式(7-4-4)可见,只有其被积函数中关于函数;考虑到线性方程交换积分次序不会影响结果,式

(7-4-6)可写成;为使上式对全部都成立,故必须有;式(7-4-7)就是按照使均方误差为最小准则,实

现y(t)与n(t)最正确迫近充分必要条件。;针对一任意非线性系统,设输入x(t)=Xsinωt,无记忆非线性步骤输出n(t)也应是周期函数,用傅立叶级数表示为;(7-4-9);(7-4-11);(7-4-12);更普通情况下,非线性步骤N特征是对称,但其输出不一定都是几奇函数,这时y(t)基波分量为;所以,非

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