非线性控制系统分析
非线性控制系统概述
理想的线性系统是不存在的。实际的物理系统组成元件或多或少地带有非线性因素。非线性系统是普遍存在的,线性模型是实际系统在特定条件下的近似描述。
非线性特性:指系统中某些元件的输入、输出关系不是按线性规律变化
非线性控制系统:当系统中含有一个或多个具有非线性特性的元件时,该系统称为非线性控制系统
如果在工作范围内可以线性化为线性系统,则称为非本质非线性;如果无法线性化,则称为本质非线性
非线性系统的特点如下:
(1)非线性系统不满足叠加原理
(2)非线性控制系统的稳定性:
1)除与系统的结构及参数有关外,还与初始条件密切相关。
2 ) 非线性控制系统可能存在多个平衡状态,且有些是稳定的,有些是不稳定的。
(3)稳定的自持 (激)振荡:除了发散或收敛这两种运动形式外,非线性系统还存在第三种运动形式。即在无任何外力作用下,系统能够产生具有一定频率和振幅的稳定的等幅振荡运动,即自持 (激)振荡
(4)对正弦输入信号的稳态响应不是正弦信号,而是具有多种频率的周期信号的组合
非线性控制系统结构框图如下,其中, f ( e ) f(e) f(e)是一个非线性特性

常见非线性特性
饱和特性

sign [ e ( t ) ] = { 1 , e ( t ) > 0 − 1 , e ( t ) < 0 不 定 , e ( t ) = 0 \operatorname{sign}[e(t)]=\left\{\begin{array}{ll} 1, & e(t) > 0 \\ -1, & e(t)<0\\ 不定,&e(t)=0 \end{array}\right. sign[e(t)]=⎩⎨⎧1,−1,不定,e(t)>0e(t)<0e(t)=0
a a a为线性域宽度, k k k为线性域斜率
饱和特性使系统在大信号输入下的等效开环增益减小,降低稳态精度( 稳态误差越大),但提高相对稳定性;
可利用饱和特性为信号限幅。
假定两级饱和特性串联,第一级饱和特性的线性域宽度为 a 1 a_1 a1,线性域斜率为 k 1 k_1 k1;第二级饱和特性的线性域宽度为 a 2 a_2 a2,线性域斜率为 k 2 k_2 k2,如果要充分利用饱和特性的先行区,则第一级的最大输出 a 1 k 1 a_1k_1 a1k1应该大于等于第二级的线性域宽度 a 1 k 1 ≥ a 2 a_1k_1\ge a_2 a1k1≥a2,即 a 1 ≥ a 2 k 1 a_1\ge \frac{a_2}{k_1} a1≥k1a2
死区(不灵敏区)特性

x
(
t
)
=
{
0
,
∣
e
(
t
)
∣
≤
a
k
[
e
(
t
)
−
a
⋅
s
i
g
n
(
t
)
]
,
∣
e
(
t
)
∣
>
a
x(t)=\left\{\begin{array}{cl} 0, & |e(t)| \leq a \\ k[e(t)-a \cdot {sign}(t)], & |e(t)|>a \end{array}\right.
x(t)={0,k[e(t)−a⋅sign(t)],∣e(t)∣≤a∣e(t)∣>a
a为死区宽度,k为线性输出斜率
死区特性使系统等效开环增益减小,稳态误差越大 ,但提高相对稳定性;
不灵敏区使系统输出在时间上滞后,降低系统跟踪精度;
可以滤去输入端的小扰动信号,提高抗干扰能力。
连续串联两级死区特性,为了能够使系统有输出,则需要使第一级的输出 k 1 [ e ( t ) − a 1 ] k_1[e(t)-a_1] k1[e(t)−a1]大于第二级的死区宽度 a 2 a_2 a2
k 1 [ e ( t ) − a 1 ] > a 2 k_1[e(t)-a_1]>a_2 k1[e(t)−a1]>a2,即 e ( t ) > a 2 k 1 + a 1 e(t)>\frac{a_2}{k_1}+a_1 e(t)>k1a2+a1
继电(器)特性

x
(
t
)
=
{
0
,
−
m
h
<
e
(
t
)
<
h
,
e
˙
(
t
)
>
0
0
,
−
h
<
e
(
t
)
<
m
h
,
e
˙
(
t
)
<
0
M
s
i
g
n
e
(
t
)
,
∣
e
(
t
)
∣
≥
h
M
,
e
(
t
)
≥
m
h
,
e
˙
(
t
)
<
0
−
M
,
e
(
t
)
≤
−
m
h
,
e
˙
(
t
)
>
0
x(t)=\left\{\begin{array}{cc} 0, & -m h<e(t)<h, \dot{e}(t)>0 \\ 0, & -h<e(t)<m h, \dot{e}(t)<0 \\ M {signe}(t), & |e(t)| \geq h \\ M, & e(t) \geq m h, \dot{e}(t)<0 \\ -M, & e(t) \leq-m h, \dot{e}(t)>0 \end{array}\right.
x(t)=⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧0,0,Msigne(t),M,−M,−mh<e(t)<h,e˙(t)>0−h<e(t)<mh,e˙(t)<0∣e(t)∣≥he(t)≥mh,e˙(t)<0e(t)≤−mh,e˙(t)>0
h为继电器吸合电压
mh为继电器释放电压
M为继电器饱和输出
继电(器)特性常用来设计改善系统性能的切换元件。
h = 0 h=0 h=0时,为理想继电特性

当 m = 1 m=1 m=1且 h ≠ 0 h\ne 0 h=0时,为带死区的继电特性

当 m = − 1 m=-1 m=−1且 h ≠ 0 h\ne 0 h=0时,为带滞环的继电特性

间隙(滞环)特性

间隙(滞环)特性有死区,相当于时间上的滞后,降低系统跟踪精度。 可用于齿轮传动等系统中改变方向。
变增益特性

变增益特性使系统在大误差信号作用下具有较大增益,从而改善稳态性能;
在小误差信号作用下具有较小增益,提高相对稳定性。
相平面法
相轨迹的基本概念和性质
相平面:由系统的某变量以及其导数构成的用以描述系统状态的平面。
相轨迹:系统变量及其导数随时间变化在相平面上描绘出来的轨迹
相轨迹簇:各种情况下系统的相轨迹的总和
相轨迹图=相平面+相轨迹簇
一个二阶的连续非线性系统可以写作 x ¨ + f ( x , x ˙ ) = 0 \ddot{x}+f(x,\dot{x})=0 x¨+f(x,x˙)=0
若以
x
x
x作为横坐标
x
˙
\dot{x}
x˙作为纵坐标,相轨迹的斜率为
d
x
˙
d
x
\frac{d\dot{x}}{dx}
dxdx˙,
x
¨
=
d
x
˙
d
t
=
d
x
˙
d
x
d
x
d
t
=
x
˙
d
x
˙
d
x
=
−
f
(
x
,
x
˙
)
\ddot{x}=\frac{d \dot{x}}{d t}=\frac{d \dot{x}}{d x} \frac{d x}{d t}=\dot{x} \frac{d \dot{x}}{d x}=-f(x, \dot{x})
x¨=dtdx˙=dxdx˙dtdx=x˙dxdx˙=−f(x,x˙)
d x ˙ d x = d x ˙ / d t d x / t = − f ( x , x ˙ ) x ˙ \frac{d \dot x}{d x}=\frac{d \dot x /d t}{d x / t}=\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}} dxdx˙=dx/tdx˙/dt=x˙−f(x,x˙)
由上式可知,除了满足 d x ˙ d x = d x ˙ / d t d x / t = − f ( x , x ˙ ) x ˙ = 0 0 \frac{d \dot x}{d x}=\frac{d \dot x /d t}{d x / t}=\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}}=\frac{0}{0} dxdx˙=dx/tdx˙/dt=x˙−f(x,x˙)=00的点,相轨迹上其余点处,斜率应该是确定且唯一的,除了这些点以外,相轨迹不相交。
将这些斜率不确定的点称为相轨迹的奇点(平衡点),求解的方法是,令 x ˙ = 0 , x ¨ = 0 \dot x=0,\ddot x=0 x˙=0,x¨=0,带入,求解非线性方程
因为相平面的纵坐标为 x ˙ \dot x x˙,所以,在相平面上半平面, x ˙ \dot x x˙为正,x增加,x为横轴,所以相轨迹向右移动
相反,在相平面下半平面, x ˙ \dot x x˙为负,x减小,x为横轴,所以相轨迹向左移动。相轨迹总体呈顺时针运动。
当相轨迹穿越横轴时, x ˙ = 0 \dot x=0 x˙=0所以x在此处不变。若 x ¨ = 0 \ddot x=0 x¨=0,则为平衡点,不穿越。若 x ¨ ≠ 0 \ddot x\ne0 x¨=0,则x不变,90°垂直穿越横轴
相轨迹的绘制方法
(1)解析法
根据相轨迹斜率方程 d x ˙ d x = d x ˙ / d t d x / t = − f ( x , x ˙ ) x ˙ \frac{d \dot x}{d x}=\frac{d \dot x /d t}{d x / t}=\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}} dxdx˙=dx/tdx˙/dt=x˙−f(x,x˙)分离变量积分, ∫ x ˙ 0 x ˙ x ˙ d x ˙ = ∫ x 0 x − f ( x , x ˙ ) d x \int_{\dot{x}_{0}}^{\dot{x}} \dot{x} d \dot{x}=\int_{x_{0}}^{x}-f(x, \dot{x}) d x ∫x˙0x˙x˙dx˙=∫x0x−f(x,x˙)dx
例:系统方程为 x ¨ + ω n 2 x = 0 \ddot x+\omega_n^2x=0 x¨+ωn2x=0
首先将系统方程转变为相轨迹斜率方程的形式
x
¨
=
d
x
˙
d
t
=
d
x
˙
d
x
⋅
d
x
d
t
=
d
x
˙
d
x
x
˙
=
−
ω
n
2
x
\ddot x=\frac{d \dot x}{d t}=\frac{d\dot x}{dx}\cdot\frac{dx}{dt}=\frac{d\dot x}{dx}\dot x =-\omega_n^2x
x¨=dtdx˙=dxdx˙⋅dtdx=dxdx˙x˙=−ωn2x
将
x
˙
\dot x
x˙及其微分移至等式左侧,x及其微分移至等式右侧
x
˙
d
x
˙
=
−
ω
n
2
x
d
x
\dot xd \dot x=-\omega_n^2xd x
x˙dx˙=−ωn2xdx
等式两边分别各自积分
1
2
x
˙
2
=
−
ω
n
2
2
⋅
x
2
+
C
\frac{1}{2}\dot x^2 = \frac{-\omega_n^2}{2}\cdot x^2+C
21x˙2=2−ωn2⋅x2+C
将
x
˙
\dot x
x˙和
x
x
x移到等式左侧
x
2
+
1
ω
n
2
x
˙
2
=
2
C
ω
n
2
=
A
2
x^2+\frac{1}{\omega_n^2}\dot x^2 = \frac{2C}{\omega_n^2}=A^2
x2+ωn21x˙2=ωn22C=A2
x 2 A 2 + x ˙ 2 A 2 ω n 2 = 1 \frac{x^2}{A^2}+\frac{\dot x^2}{A^2 \omega_n^2}=1 A2x2+A2ωn2x˙2=1
故相轨迹为椭圆,其中A与C有关,取决于初始位置
(2)等倾斜线法
相轨迹斜率方程为
d
x
˙
d
x
=
d
x
˙
/
d
t
d
x
/
t
=
−
f
(
x
,
x
˙
)
x
˙
\frac{d \dot x}{d x}=\frac{d \dot x /d t}{d x / t}=\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}}
dxdx˙=dx/tdx˙/dt=x˙−f(x,x˙)
定义一个常数
α
\alpha
α,令
α
=
−
f
(
x
,
x
˙
)
x
˙
\alpha =\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}}
α=x˙−f(x,x˙)
该方程为等倾斜线方程,等倾斜线方程与相轨迹的交点处,相轨迹的斜率为
α
\alpha
α
等倾斜线法步骤:
1)由
α
=
−
f
(
x
,
x
˙
)
x
˙
\alpha =\frac{-f(x, \dot x)}{\dot{x}}
α=x˙−f(x,x˙)给
α
\alpha
α不同值得若干等倾线。一般等倾线间隔取5°~10°。
2)在每根等倾线上画上斜率为
α
\alpha
α的短线,表示相轨迹通过这些等倾线时的切线斜率,短线上箭头表示相轨迹运动方向。
3)从初始值出发,沿切线方向将这些短线用光滑连续曲线连接起来,即得相轨迹。
由相轨迹求时间解
假定相轨迹上有两点A,B,相轨迹A-B段的平均速度为
x
˙
A
B
=
Δ
x
Δ
t
=
x
B
−
x
A
Δ
t
A
B
\dot x_{AB}=\frac{\Delta x}{\Delta t}=\frac{x_B-x_A}{\Delta t_{AB}}
x˙AB=ΔtΔx=ΔtABxB−xA,而平均速度又可以近似为
x
˙
A
B
=
x
˙
A
+
x
˙
B
2
\dot x_{AB}=\frac{\dot x_A+\dot x_B}{2}
x˙AB=2x˙A+x˙B。因此将二式联立可得
Δ
t
A
B
=
2
(
x
B
−
x
A
)
x
˙
A
+
x
˙
B
\Delta t_{AB}=\frac{2(x_B-x_A)}{\dot x_A +\dot x_B}
ΔtAB=x˙A+x˙B2(xB−xA)
A-B越短越精确
或者可以用积分法
x
˙
=
d
x
d
t
\dot x=\frac{dx}{dt}
x˙=dtdx
d t = 1 x ˙ d x dt=\frac{1}{\dot x}dx dt=x˙1dx
Δ t = ∫ x 1 x 2 1 x ˙ d x \Delta t=\int_{x_1}^{x_2}{\frac{1}{\dot x}}dx Δt=∫x1x2x˙1dx
二阶系统的相轨迹
二阶线性系统的微分方程为
x
¨
+
2
ξ
ω
n
x
˙
+
ω
n
2
x
=
0
x
(
0
)
=
x
0
,
x
˙
(
0
)
=
x
˙
0
\ddot{x}+2 \xi \omega_{n} \dot{x}+\omega_{n}^{2} x=0 \quad x(0)=x_{0}, \dot{x}(0)=\dot{x}_{0}
x¨+2ξωnx˙+ωn2x=0x(0)=x0,x˙(0)=x˙0
其特征根分布于相轨迹奇点类型、稳定性的关系如下图所示

ξ = 0 , s 1 , 2 = ± j ω n \xi = 0,s_{1,2}=\pm j\omega_n ξ=0,s1,2=±jωn:相轨迹围绕原点旋转,不收敛于原点。此时奇点称为中心点。
0 < ξ < 1 , s 1 , 2 = − ξ ω n ± j ω n 1 − ξ 2 0<\xi < 1,s_{1,2}=-\xi \omega_n\pm j\omega_n\sqrt{1-\xi^2} 0<ξ<1,s1,2=−ξωn±jωn1−ξ2:相轨迹为向心螺旋线最终趋于原点,为一个收敛的运动。此时奇点是稳定焦点。
− 1 < ξ < 0 , s 1 , 2 = ξ ω n ± j ω n 1 − ξ 2 -1<\xi < 0,s_{1,2}=\xi \omega_n\pm j\omega_n\sqrt{1-\xi^2} −1<ξ<0,s1,2=ξωn±jωn1−ξ2:相轨迹为离心螺旋线,最终发散至无穷。此时奇点称不稳定焦点。
ξ > 1 , s 1 , 2 = − ξ ω n ± ω n ξ 2 − 1 \xi > 1,s_{1,2}=-\xi \omega_n\pm \omega_n\sqrt{\xi^2-1} ξ>1,s1,2=−ξωn±ωnξ2−1:当初始点落在斜率分别等于两个根的两条特殊等倾线时,相轨迹沿直线趋于原点;否则,相轨迹是一簇终于原点的抛物线。此时奇点称为稳定节点。
ξ = 1 , s 1 , 2 = − ω n \xi = 1,s_{1,2}=- \omega_n ξ=1,s1,2=−ωn:当初始点位于等倾线 x ˙ = − ω n x \dot x=-\omega_nx x˙=−ωnx时,相轨迹沿直线趋于原点。否则相轨迹是一簇终于原点的抛物线。此时奇点称为稳定节点。
ξ < − 1 , s 1 , 2 = − ξ ω n ± ω n ξ 2 − 1 \xi < -1,s_{1,2}=-\xi \omega_n\pm \omega_n\sqrt{\xi^2-1} ξ<−1,s1,2=−ξωn±ωnξ2−1:当初始点落在斜率分别等于两个根的特殊等倾线时,相轨迹沿直线远离原点;否则相轨迹是一簇趋于无穷远(反向延长交于原点)的抛物线。此时奇点称不稳定节点
ξ = − 1 , s 1 , 2 = ω n \xi = -1,s_{1,2}= \omega_n ξ=−1,s1,2=ωn:当初始点位于等倾线 x ˙ = ω n x \dot x=\omega_nx x˙=ωnx时,相轨迹沿直线远离原点。否则,相轨迹是一簇趋于无穷远(反向延长交于原点)的抛物线。此时奇点称不稳定节点。
若系统为 x ¨ + 2 ξ ω n x ˙ − ω n 2 x = 0 \ddot{x}+2 \xi \omega_{n} \dot{x}-\omega_{n}^{2} x=0 x¨+2ξωnx˙−ωn2x=0, s 1 , 2 = − ξ ω n ± ω n ξ 2 − 1 s_{1,2}=-\xi \omega_n\pm \omega_n\sqrt{\xi^2-1} s1,2=−ξωn±ωnξ2−1有极点在右半平面:只有初始值落在负斜率的等倾线 x ˙ = s 1 , 2 x = ( − ξ ω n ± ω n ξ 2 + 1 ) x \dot{x}=s_{1,2} x=\left(-\xi \omega_{n} \pm \omega_{n} \sqrt{\xi^{2}+1}\right) x x˙=s1,2x=(−ξωn±ωnξ2+1)x上,相轨迹将趋于原点。但如受到微小的扰动,将偏离该轨迹发散至无穷。此时奇点称为鞍点。
非本质非线性系统分析
分析平衡点附近系统稳定性
先令 x ¨ = x ˙ = 0 \ddot x = \dot x =0 x¨=x˙=0求出平衡点,在平衡点附近将变量假设为平衡点加上一个增量,换元后,将非线性方程转化为在平衡点附近关于增量的线性方程,进而根据增量线性方程的特征方程根的分布,确定原系统平衡点附近的情况
例如
对系统 x ¨ + ( 3 x ˙ − 0.5 ) x ˙ + x + x 2 = 0 \ddot{x}+(3 \dot x-0.5) \dot{x}+x+x^{2}=0 x¨+(3x˙−0.5)x˙+x+x2=0,求系统的平衡点,判定平衡点附近根轨迹的性质
解:令 x ¨ = x ˙ = 0 \ddot x = \dot x =0 x¨=x˙=0, x + x 2 = x ( x + 1 ) = 0 x+x^{2}=x(x+1)=0 x+x2=x(x+1)=0
可以求得系统的平衡点
{
x
e
1
=
0
x
e
2
=
−
1
\left\{\begin{array}{l} x_{e 1}=0 \\ x_{e2}=-1 \end{array}\right.
{xe1=0xe2=−1
令在平衡点附近,
{
x
=
Δ
x
+
x
e
1
=
Δ
x
x
=
Δ
x
+
x
e
2
=
Δ
x
−
1
\left\{\begin{array}{l} x=\Delta x + x_{e1} = \Delta x \\ x=\Delta x + x_{e2} = \Delta x-1 \end{array}\right.
{x=Δx+xe1=Δxx=Δx+xe2=Δx−1
带入系统方程得
{
Δ
x
¨
+
(
3
Δ
x
˙
−
0.5
)
Δ
x
˙
+
Δ
x
+
(
Δ
x
)
2
=
0
Δ
x
¨
+
(
3
Δ
x
˙
−
0.5
)
Δ
x
˙
+
(
Δ
x
−
1
)
+
(
Δ
x
−
1
)
2
=
0
\left\{\begin{array}{l} \Delta\ddot{x}+(3 \Delta\dot x-0.5)\Delta \dot{x}+\Delta x+(\Delta x)^{2}=0 \\ \Delta\ddot{x}+(3 \Delta\dot x-0.5)\Delta \dot{x}+(\Delta x - 1)+(\Delta x-1)^{2}=0 \end{array}\right.
{Δx¨+(3Δx˙−0.5)Δx˙+Δx+(Δx)2=0Δx¨+(3Δx˙−0.5)Δx˙+(Δx−1)+(Δx−1)2=0
将系统,在平衡点附近线性化,忽略
(
Δ
x
)
2
(\Delta x)^2
(Δx)2以及
(
Δ
x
˙
)
2
(\Delta \dot x)^2
(Δx˙)2项,得
{
Δ
x
¨
−
0.5
Δ
x
˙
+
Δ
x
=
0
Δ
x
¨
−
0.5
Δ
x
˙
−
Δ
x
=
0
\left\{\begin{array}{l} \Delta\ddot{x}-0.5\Delta \dot{x}+\Delta x=0 \\ \Delta\ddot{x}-0.5\Delta \dot{x}-\Delta x=0 \end{array}\right.
{Δx¨−0.5Δx˙+Δx=0Δx¨−0.5Δx˙−Δx=0
由此将非线性方程转化为在平衡点附近关于增量的线性方程
这两个系统的特征方程为
{
s
2
−
0.5
s
+
1
=
0
s
2
−
0.5
s
−
1
=
0
\left\{\begin{array}{l} s^2-0.5s+1=0\\ s^2-0.5s-1=0\\ \end{array}\right.
{s2−0.5s+1=0s2−0.5s−1=0
解得其特征方程的根分别为
s
=
0.25
±
j
0.97
s=0.25 \pm j0.97
s=0.25±j0.97
s = { 0.78 − 1.28 s=\left\{\begin{array}{l} 0.78\\ -1.28 \end{array}\right. s={0.78−1.28
因此系统的第一个平衡点为不稳定焦点,第二个平衡点为鞍点
分析系统自由响应运动
绘制系统的相轨迹(解析法、等倾斜线法),根据系统在相平面上的初始位置,沿着所处的相轨迹运动
本质非线性系统分析
与非本质非线性不同,本质非线性无法直接小偏差线性化,因此,需要将原系统分为几个线性区域,并针对每一个区域做线性化处理
开关线:划分不同线性区域的边界线
平衡线(奇线):平衡点组成的线,不同区域的相轨迹相互影响而产生
实奇点:该奇点位于该系统对应的线性区域内
虚奇点:该奇点位于该系统对应的线性区域外
例1
系统方程为 x ¨ + x ˙ + ∣ x ∣ = 0 \ddot x+\dot x+|x|=0 x¨+x˙+∣x∣=0,分析系统的自由响应
解:首先将系统分段描述
{
x
¨
+
x
˙
+
x
=
0
x
≥
0
I
x
¨
+
x
˙
−
x
=
0
x
<
0
II
\left\{\begin{array}{ll} \ddot{x}+\dot{x}+x=0 & x \geq 0 \quad \text { I } \\ \ddot{x}+\dot{x}-x=0 & x<0 \quad \text { II } \end{array}\right.
{x¨+x˙+x=0x¨+x˙−x=0x≥0 I x<0 II
两个线性区域拼接的边界线称为开关线
对I区和II区分别求平衡点,得
{
I
x
e
1
=
0
I
I
x
e
2
=
0
\left\{\begin{array}{ll} I & x_{e 1}=0 \\ I I & x_{e 2}=0 \end{array}\right.
{IIIxe1=0xe2=0
对I区和II区的平衡点附近线性化处理后分别求特征方程
{
I
s
2
+
s
+
1
=
0
II
s
2
+
s
−
1
=
0
\left\{\begin{array}{cc} \text { I } & s^{2}+s+1=0 \\ \text { II } & s^{2}+s-1=0 \end{array}\right.
{ I II s2+s+1=0s2+s−1=0
求出其特征根
{
s
1
,
2
=
−
0.5
±
j
0.866
s
1
,
2
=
{
0.62
−
1.62
\left\{\begin{array}{l} s_{1,2}=-0.5 \pm j 0.866 \\ s_{1,2}=\left\{\begin{array}{l} 0.62 \\ -1.62 \end{array}\right. \end{array}\right.
⎩⎨⎧s1,2=−0.5±j0.866s1,2={0.62−1.62
因此对于右半平面的相轨迹而言,x=0为稳定焦点,对于左半平面的相轨迹而言,x=0为鞍点
因此所有的相轨迹都会从右侧往左侧发散
例2
系统的方程为 x ¨ + x + s i g n x ˙ = 0 \ddot x+x+sign\dot x = 0 x¨+x+signx˙=0,分析系统的自由响应
将系统分段描述
{
x
¨
+
x
+
1
=
0
x
˙
≥
0
I
x
¨
+
x
−
1
=
0
x
˙
<
0
I
I
\left\{\begin{array}{ll} \ddot x+x+1=0 & \dot x \geq 0 &I\\ \ddot x+x-1=0 & \dot x<0&II \end{array}\right.
{x¨+x+1=0x¨+x−1=0x˙≥0x˙<0III
计算出其奇点
{
I
x
e
1
=
−
1
I
I
x
e
2
=
1
\left\{\begin{array}{ll} I & x_{e1}=-1\\ II & x_{e2}=1 \end{array}\right.
{IIIxe1=−1xe2=1
在平衡点附近线性化处理后分别求特征方程
{
I
s
2
+
1
=
0
I
I
s
2
+
1
=
0
\left\{ \begin{array}{ll} I&s^2+1=0\\ II&s^2+1=0 \end{array} \right.
{IIIs2+1=0s2+1=0
求出其特征根
{
s
1
,
2
=
±
j
1
s
1
,
2
=
±
j
1
\left\{ \begin{array}{ll} s_{1,2}=\pm j1\\ s_{1,2}=\pm j1 \end{array} \right.
{s1,2=±j1s1,2=±j1
因此极点为中心点
画出相轨迹,判断出-1至1之间均为平衡点,连出的线成为平衡线或奇线
线性控制系统的相平面分析
1.求二阶线性系统运动方程及初始值
2.线性系统相轨迹和奇点类别取决于系统特征根在复平面上的分布
3.线性系统奇点的位置和相轨迹初始值位置取决于输入信号的形式
例如,设如图线性系统开始处于静止状态(即输出初始值为0),分析闭环稳定性和稳态误差。其中 r ( t ) = R ⋅ t r(t)=R\cdot t r(t)=R⋅t

解:
第一步根据系统结构和输入,列写系统运动方程,把系统描述成e和e的各阶导的微分方程
根据题意,
r
(
t
)
=
R
⋅
t
r(t)=R\cdot t
r(t)=R⋅t因此
e
=
r
−
c
=
R
t
−
c
e=r-c=Rt-c
e=r−c=Rt−c
因此
{
c
=
R
t
−
e
c
˙
=
R
−
e
˙
c
¨
=
−
e
¨
\left\{ \begin{array}{l} c=Rt-e\\ \dot c = R-\dot e\\ \ddot c = -\ddot e \end{array} \right.
⎩⎨⎧c=Rt−ec˙=R−e˙c¨=−e¨
由e(t)和c(t)的关系可知
C
(
s
)
=
E
(
s
)
⋅
K
s
(
T
s
+
1
)
C(s)=E(s)\cdot \frac{K}{s(Ts+1)}
C(s)=E(s)⋅s(Ts+1)K
T s 2 C ( s ) + s C ( s ) = K E ( s ) Ts^2C(s)+sC(s)=KE(s) Ts2C(s)+sC(s)=KE(s)
T c ¨ + c ˙ = − T e ¨ − e ˙ + R = K e T\ddot c+\dot c=-T\ddot e-\dot e+R=Ke Tc¨+c˙=−Te¨−e˙+R=Ke
即
T
e
¨
+
e
˙
+
K
e
=
R
T\ddot e + \dot e+Ke=R
Te¨+e˙+Ke=R
令
x
=
e
−
R
K
x=e-\frac{R}{K}
x=e−KR则
e
=
x
+
R
K
e=x+\frac{R}{K}
e=x+KR,上式变为
T
x
¨
+
x
˙
+
K
x
=
0
T\ddot x+\dot x+Kx=0
Tx¨+x˙+Kx=0
该方程为系统的运动方程,令
x
˙
\dot x
x˙和
x
¨
\ddot x
x¨均为0,求系统的奇点,得到系统奇点为
x
=
0
x=0
x=0
由运动方程列写系统的特征方程
T
s
2
+
s
+
K
=
0
Ts^2+s+K=0
Ts2+s+K=0
则特征根为
s
1
,
2
=
−
1
±
1
−
4
K
T
2
T
s_{1,2}=\frac{-1\pm\sqrt{1-4KT}}{2T}
s1,2=2T−1±1−4KT
假如
4
K
T
≤
1
4KT\le1
4KT≤1即
ξ
≥
1
\xi\ge1
ξ≥1,则奇点为稳定节点
假如 4 K T > 1 4KT>1 4KT>1即 0 < ξ < 1 0<\xi<1 0<ξ<1,则奇点为稳定焦点
其相轨迹初始位置
{
x
(
0
)
=
e
(
0
)
−
R
K
=
r
(
0
)
−
c
(
0
)
−
R
K
=
−
R
K
x
˙
(
0
)
=
e
˙
(
0
)
=
r
˙
(
0
)
−
c
˙
(
0
)
=
R
\left\{ \begin{array}{l} x(0)=e(0)-\frac{R}{K}=r(0)-c(0)-\frac{R}{K}=-\frac{R}{K}\\ \dot x(0)=\dot e(0)=\dot r(0)-\dot c(0)=R \end{array} \right.
{x(0)=e(0)−KR=r(0)−c(0)−KR=−KRx˙(0)=e˙(0)=r˙(0)−c˙(0)=R
因此,系统稳定且收敛至平衡点
x
=
0
x=0
x=0
由于 x = 0 x=0 x=0时, e = x + R K = R K e=x+\frac{R}{K}=\frac{R}{K} e=x+KR=KR,因此稳态误差 e s s = R K e_{ss}=\frac{R}{K} ess=KR
非线性控制系统分析
在非线性系统分析方法的基础上,利用与线性控制系统分析同样的步骤,把系统列写为某个变量的微分方程(常用误差e和输出c,输入不等于0时,用e,输入等于0,研究自由响应,用c),写出每一个线性区域内的线性运动方程,进而分析每一部分的奇点和相轨迹。画出根轨迹,分析运动特性。
例1:设输出初始值为0(即系统为静止状态), r ( t ) = R ⋅ 1 ( t ) , R > a , k = 1 r(t)=R\cdot 1(t),R>a,k=1 r(t)=R⋅1(t),R>a,k=1
解:
第一步,将非线性部分分为几个线性区,列写每一个线性区内的微分方程
x
(
t
)
=
{
k
e
(
t
)
−
a
≤
e
(
t
)
≤
a
I
k
a
e
(
t
)
>
a
I
I
−
k
a
e
(
t
)
<
−
a
I
I
I
x(t)=\left\{ \begin{array}{ll} ke(t)&-a\le e(t)\le a&I\\ ka&e(t)>a&II\\ -ka&e(t)<-a&III \end{array} \right.
x(t)=⎩⎨⎧ke(t)ka−ka−a≤e(t)≤ae(t)>ae(t)<−aIIIIII
I区和II区的开关线为e=a,I区和III区的开关线为e=-a
第二步,分析系统的线性部分,写为微分方程
C
(
s
)
=
X
(
s
)
⋅
K
s
(
T
s
+
1
)
C(s)=X(s)\cdot \frac{K}{s(Ts+1)}
C(s)=X(s)⋅s(Ts+1)K
T c ¨ + c ˙ = K x T\ddot c+\dot c=Kx Tc¨+c˙=Kx
{ e = r − c = R − c e ˙ = − c ˙ e ¨ = − c ¨ \left\{ \begin{array}{l} e=r-c=R-c\\ \dot e=-\dot c\\ \ddot e=-\ddot c \end{array} \right. ⎩⎨⎧e=r−c=R−ce˙=−c˙e¨=−c¨
− T e ¨ − e ˙ = K x -T\ddot e - \dot e=Kx −Te¨−e˙=Kx
第三步,结合非线性部分的每一个线性区分别写出运动方程,并计算每一部分的奇点
I区:
−
T
e
¨
−
e
˙
=
K
k
e
=
K
e
-T\ddot e - \dot e=Kke=Ke
−Te¨−e˙=Kke=Ke
运动方程为
T
e
¨
+
e
˙
+
K
e
=
0
T\ddot e + \dot e + Ke=0
Te¨+e˙+Ke=0
II区
−
T
e
¨
−
e
˙
=
K
k
a
=
K
a
-T\ddot e - \dot e=Kka=Ka
−Te¨−e˙=Kka=Ka
运动方程为
T
e
¨
+
e
˙
+
K
a
=
0
T\ddot e + \dot e + Ka = 0
Te¨+e˙+Ka=0
III区
−
T
e
¨
−
e
˙
=
K
(
−
k
a
)
=
−
K
a
-T\ddot e - \dot e=K(-ka)=-Ka
−Te¨−e˙=K(−ka)=−Ka
运动方程为
T
e
¨
+
e
˙
−
K
a
=
0
T\ddot e + \dot e - Ka = 0
Te¨+e˙−Ka=0
由上,系统的运动方程为
{
T
e
¨
+
e
˙
+
K
e
=
0
I
T
e
¨
+
e
˙
+
K
a
=
0
I
I
T
e
¨
+
e
˙
−
K
a
=
0
I
I
I
\left\{ \begin{array}{l} T\ddot e + \dot e + Ke=0 & I\\ T\ddot e + \dot e + Ka = 0 & II\\ T\ddot e + \dot e - Ka = 0 & III \end{array} \right.
⎩⎨⎧Te¨+e˙+Ke=0Te¨+e˙+Ka=0Te¨+e˙−Ka=0IIIIII
因此I区有平衡点
e
1
=
0
e_1=0
e1=0,II区,III区没有平衡点
第四步,根据运动方程列每一部分的特征方程,求特征根,判断奇点类型
I区的特征方程为 T s 2 + s + K = 0 Ts^2+s+K=0 Ts2+s+K=0,特征根为 s = − 1 ± 1 − 4 K T 2 T s=\frac{-1\pm \sqrt{1-4KT}}{2T} s=2T−1±1−4KT,
假如 4 K T ≤ 1 4KT\le1 4KT≤1即 ξ ≥ 1 \xi\ge1 ξ≥1,则奇点为稳定节点
假如 4 K T > 1 4KT>1 4KT>1即 0 < ξ < 1 0<\xi<1 0<ξ<1,则奇点为稳定焦点
第五步,根据系统初始的输入输出求相轨迹初始位置
{
e
(
0
)
=
r
(
0
)
−
c
(
0
)
=
R
e
˙
(
0
)
=
r
˙
(
0
)
−
c
˙
(
0
)
=
0
\left\{ \begin{array}{l} e(0) = r(0) - c(0) =R\\ \dot e(0) = \dot r(0) - \dot c(0)=0 \end{array} \right.
{e(0)=r(0)−c(0)=Re˙(0)=r˙(0)−c˙(0)=0
第六步,画出开关线以及根轨迹(解析法或者等倾斜线法),前一线性区域相轨迹到达开关线处的交点即下一线性区的初始值
例2:具有死区特性的非线性系统分析。设系统开始处于静止状态

- 用相平面法分析系统在输入 r ( t ) = 4 ⋅ 1 ( t ) r(t) = 4 \cdot 1(t) r(t)=4⋅1(t)时的运动情况。
- 如果发生自持(激)振荡 ,求自持振荡的周期和振幅。
解:
第一步,将非线性部分分为几个线性区,列写每一个线性区内的微分方程
x
(
t
)
=
{
0
−
2
≤
e
(
t
)
≤
2
I
e
(
t
)
−
2
e
(
t
)
>
2
I
I
e
(
t
)
+
2
e
(
t
)
<
−
2
I
I
I
x(t)=\left\{ \begin{array}{lcc} 0 & -2\le e(t)\le 2 & I\\ e(t) - 2 & e(t)>2 & II\\ e(t) + 2 & e(t)<-2 & III \end{array} \right.
x(t)=⎩⎨⎧0e(t)−2e(t)+2−2≤e(t)≤2e(t)>2e(t)<−2IIIIII
I区和II区的开关线为e=2,I区和III区的开关线为e=-2
第二步,分析系统的线性部分,写为微分方程
C
(
s
)
=
X
(
s
)
⋅
1
s
2
C(s)=X(s)\cdot \frac{1}{s^2}
C(s)=X(s)⋅s21
c ¨ = x \ddot c = x c¨=x
{ e = r − c = 4 − c e ˙ = − c ˙ e ¨ = − c ¨ \left\{ \begin{array}{l} e=r-c=4-c\\ \dot e=-\dot c\\ \ddot e=-\ddot c \end{array} \right. ⎩⎨⎧e=r−c=4−ce˙=−c˙e¨=−c¨
− e ¨ = x -\ddot e = x −e¨=x
第三步,结合非线性部分的每一个线性区分别写出运动方程,并计算每一部分的奇点
I区:
−
e
¨
=
0
-\ddot e = 0
−e¨=0
运动方程为
e
¨
=
0
\ddot e=0
e¨=0
II区
−
e
¨
=
e
−
2
-\ddot e = e - 2
−e¨=e−2
运动方程为
e
¨
+
e
−
2
=
0
\ddot e + e - 2 = 0
e¨+e−2=0
III区
−
e
¨
=
e
+
2
-\ddot e = e + 2
−e¨=e+2
运动方程为
e
¨
+
e
+
2
=
0
\ddot e + e + 2 = 0
e¨+e+2=0
由上,系统的运动方程为
{
e
¨
=
0
I
e
¨
+
e
−
2
=
0
I
I
e
¨
+
e
+
2
=
0
I
I
I
\left\{ \begin{array}{l} \ddot e=0 & I\\ \ddot e + e - 2 = 0 & II\\ \ddot e + e + 2 = 0 & III \end{array} \right.
⎩⎨⎧e¨=0e¨+e−2=0e¨+e+2=0IIIIII
因此系统的奇点为
{
e
1
I
e
2
=
2
I
I
e
3
=
−
2
I
I
I
\left\{ \begin{array}{l} e_1 & I\\ e_2 = 2 & II\\ e_3=-2 & III \end{array} \right.
⎩⎨⎧e1e2=2e3=−2IIIIII
第四步,根据运动方程列每一部分的特征方程,求特征根,判断奇点类型
特征方程分别为
{
s
2
=
0
I
s
2
+
1
=
0
I
I
s
2
+
1
=
0
I
I
I
\left\{ \begin{array}{l} s^2=0 & I\\ s^2+1 = 0 & II\\ s^2+1 = 0 & III \end{array} \right.
⎩⎨⎧s2=0s2+1=0s2+1=0IIIIII
其特征根分别为
{
s
1
,
2
=
0
I
s
1
,
2
=
±
j
I
I
s
1
,
2
=
±
j
I
I
I
\left\{ \begin{array}{l} s_{1,2}=0 & I\\ s_{1,2} = \pm j & II\\ s_{1,2} = \pm j & III \end{array} \right.
⎩⎨⎧s1,2=0s1,2=±js1,2=±jIIIIII
由此可知,
I区的相轨迹为水平线;
II区的平衡点为中心点,相轨迹为椭圆,由于特征根为 ± j \pm j ±j,所以为以奇点 e 2 = 2 e_2=2 e2=2为圆心的圆;
III区的平衡点为中心点,相轨迹为椭圆,由于特征根为 ± j \pm j ±j,所以为以奇点 e 3 = − 2 e_3=-2 e3=−2为圆心的圆;
第五步,根据系统初始的输入输出求相轨迹初始位置
{
e
(
0
)
=
r
(
0
)
−
c
(
0
)
=
4
e
˙
(
0
)
=
r
˙
(
0
)
−
c
˙
(
0
)
=
0
\left\{ \begin{array}{l} e(0) = r(0) - c(0) =4\\ \dot e(0) = \dot r(0) - \dot c(0)=0 \end{array} \right.
{e(0)=r(0)−c(0)=4e˙(0)=r˙(0)−c˙(0)=0
第六步,画出开关线以及根轨迹(解析法或者等倾斜线法),前一线性区域相轨迹到达开关线处的交点即下一线性区的初始值

第七步,根据题目要求进行运动分析
根据相轨迹可以看出,系统自持振荡,在相轨迹的II区和III区时呈正弦运动,在I区时呈匀速运动
T
=
4
(
t
C
A
+
t
A
D
)
=
4
(
∫
4
2
1
e
˙
d
e
+
∫
2
0
1
e
˙
d
e
)
=
4
[
∫
4
2
1
−
4
−
(
e
−
2
)
2
d
e
+
∫
2
0
(
1
−
2
)
d
e
]
=
4
(
π
2
+
1
)
\begin{array}{l} T=4\left(t_{C A}+t_{A D}\right) =4\left(\int_{4}^{2} \frac{1}{\dot{e}} d e+\int_{2}^{0} \frac{1}{\dot{e}} d e\right) \\ =4\left[\int_{4}^{2} \frac{1}{-\sqrt{4-(e-2)^{2}}} d e+\int_{2}^{0}\left(\frac{1}{-2}\right) d e\right] \\ =4\left(\frac{\pi}{2}+1\right) \end{array}
T=4(tCA+tAD)=4(∫42e˙1de+∫20e˙1de)=4[∫42−4−(e−2)21de+∫20(−21)de]=4(2π+1)
因此系统自持振荡的振幅为4,周期为
4
(
π
2
+
1
)
4(\frac{\pi}{2}+1)
4(2π+1)
由于
{
e
=
r
−
c
=
4
−
c
e
˙
=
−
c
˙
e
¨
=
−
c
¨
\left\{ \begin{array}{l} e=r-c=4-c\\ \dot e=-\dot c\\ \ddot e=-\ddot c \end{array} \right.
⎩⎨⎧e=r−c=4−ce˙=−c˙e¨=−c¨
因此,如果要将此系统的相轨迹画为
c
−
c
˙
c-\dot c
c−c˙相轨迹,只需将原图沿两轴各翻转180°后,水平移动4各单位即可
二阶非线性系统的周期运动会在相轨迹上产生极限环,
若极限环内向外发散,极限环外向内收敛,则称为稳定的极限环,系统产生自持振荡
若极限环内向内收敛,极限环外向外发散,则称为不稳定的极限环,初始位置落在极限环内还是极限环外决定了收敛还是发散
若极限环内外都向内收敛,或者极限环内外都向外发散,则称为半稳定的极限环,最终一定会收敛或发散
描述函数法
可以利用傅里叶级数对周期函数进行展开,
y ( t ) = A 0 + ∑ n = 1 ∞ ( A n cos n ω t + B n sin n ω t ) = A 0 + ∑ n = 1 ∞ Y n sin ( n ω t + φ n ) \begin{array}{l} y(t)=A_{0}+\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(A_{n} \cos n \omega t+B_{n} \sin n \omega t\right)\\ =A_{0}+\sum\limits_{n=1}^{\infty} Y_{n} \sin \left(n \omega t+\varphi_{n}\right) \end{array} y(t)=A0+n=1∑∞(Ancosnωt+Bnsinnωt)=A0+n=1∑∞Ynsin(nωt+φn)
{ A 0 = 1 2 π ∫ 0 2 π y ( t ) d ( ω t ) A n = 1 π ∫ 0 2 π y ( t ) cos n ω t d ( ω t ) B n = 1 π ∫ 0 2 π y ( t ) sin n ω t d ( ω t ) \left\{\begin{array}{l} A_{0}=\frac{1}{2 \pi} \int_{0}^{2 \pi} y(t) d(\omega t)\\ A_{n}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} y(t) \cos n \omega t d(\omega t) \\ B_{n}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} y(t) \sin n \omega t d(\omega t) \end{array}\right. ⎩⎪⎨⎪⎧A0=2π1∫02πy(t)d(ωt)An=π1∫02πy(t)cosnωtd(ωt)Bn=π1∫02πy(t)sinnωtd(ωt)
{ Y n = A n 2 + B n 2 φ n = arctan A n B n \left\{\begin{array}{c} Y_{n}=\sqrt{A_{n}^{2}+B_{n}^{2}} \\ \varphi_{n}=\arctan \frac{A_{n}}{B_{n}} \end{array}\right. {Yn=An2+Bn2φn=arctanBnAn
n = 0 n=0 n=0,即 A 0 A_0 A0表示的是常值分量
n = 1 n=1 n=1,表示的是基波分量
n > 1 n>1 n>1,表示的高次谐波分量
给一个奇对称非线性特性加上一个正弦信号输出的是一个周期信号,且常值分量 A 0 A_0 A0为0
描述函数法的基本思想是对于具有本质非线性的非线性环节,设输入信号为正弦信号,则用非线性环节的稳态输出信号中的一次谐波分量(基波分量)来代替实际非线性环节的稳态输出。
当输入为 x ( t ) = A sin ω t x(t)=A \sin \omega t x(t)=Asinωt
输出的基波为 y 1 ( t ) = Y 1 sin ( ω t + φ 1 ) y_{1}(t)=Y_{1} \sin \left(\omega t+\varphi_{1}\right) y1(t)=Y1sin(ωt+φ1)
定义描述函数
N
(
A
)
N(A)
N(A)为
N
(
A
)
=
Y
1
A
∠
φ
1
=
A
1
2
+
B
1
2
A
∠
(
arctan
A
1
B
1
)
N(A)=\frac{Y_{1}}{A} \angle \varphi_{1}=\frac{\sqrt{A_{1}^{2}+B_{1}^{2}}}{A} \angle\left(\arctan \frac{A_{1}}{B_{1}}\right)
N(A)=AY1∠φ1=AA12+B12∠(arctanB1A1)
即输出基波分量的幅值与输入幅值之比作为模,输出基波分量的相角和输入相角之差作为幅角的量称为描述函数
由于前面所述的几种典型非线性特性都是奇对称的,不包含储能元件,因此其描述函数都是输入信号幅值A的函数,与输入信号频率 ω \omega ω无关
如果非线性环节是单值函数,则N(A)是实数,虚部为0
如果非线性环节不是单值函数,则N(A)是复数,虚部不为0
典型非线性特性的描述函数如下:
(1)饱和特性
A
≥
a
A \geq a
A≥a
N
(
A
)
=
2
k
π
{
arcsin
a
A
+
a
A
1
−
(
a
A
)
2
}
N(A)=\frac{2 k}{\pi}\left\{\arcsin \frac{a}{A}+\frac{a}{A} \sqrt{1-\left(\frac{a}{A}\right)^{2}}\right\}
N(A)=π2k{arcsinAa+Aa1−(Aa)2}
(2)死区特性
A
≥
a
A \geq a
A≥a
N
(
A
)
=
2
k
π
{
π
2
−
arcsin
a
A
−
a
A
1
−
(
a
A
)
2
}
N(A)=\frac{2 k}{\pi}\left\{\frac{\pi}{2}-\arcsin \frac{a}{A}-\frac{a}{A} \sqrt{1-\left(\frac{a}{A}\right)^{2}}\right\}
N(A)=π2k{2π−arcsinAa−Aa1−(Aa)2}
(3)继电特性
a.理想继电特性
A
≥
0
A \geq 0
A≥0
N
(
A
)
=
4
M
π
A
N(A)=\frac{4 M}{\pi A}
N(A)=πA4M
b.带死区的继电特性
A
≥
h
A \geq h
A≥h
N
(
A
)
=
4
M
π
A
1
−
(
h
A
)
2
N(A)=\frac{4 M}{\pi A} \sqrt{1-\left(\frac{h}{A}\right)^{2}}
N(A)=πA4M1−(Ah)2
c.带滞环的继电特性
A
≥
h
A \geq h
A≥h
N
(
A
)
=
4
M
π
A
1
−
(
h
A
)
2
−
j
4
M
h
π
A
2
N(A)=\frac{4 M}{\pi A} \sqrt{1-\left(\frac{h}{A}\right)^{2}}-j \frac{4 Mh}{\pi A^{2}}
N(A)=πA4M1−(Ah)2−jπA24Mh
(4)间隙特性 A ≥ a A \geq a A≥a
N
(
A
)
=
k
π
{
π
2
+
arcsin
(
1
−
2
a
A
)
+
2
(
1
−
2
a
A
)
a
A
(
1
−
a
A
)
}
+
j
4
k
a
π
A
(
a
A
−
1
)
N(A)=\frac{k}{\pi}\left\{\frac{\pi}{2}+\arcsin \left(1-\frac{2 a}{A}\right)+2\left(1-\frac{2 a}{A}\right) \sqrt{\frac{a}{A}\left(1-\frac{a}{A}\right)}\right\}+j \frac{4 k a}{\pi A}\left(\frac{a}{A}-1\right)
N(A)=πk{2π+arcsin(1−A2a)+2(1−A2a)Aa(1−Aa)}+jπA4ka(Aa−1)
并联非线性环节的描述函数为描述函数相加,但是串联非线性环节的描述函数不等于描述函数相乘,只能通过求出其总的等效非线性特性再求出描述函数
当一个系统满足如下要求时,可以利用描述函数法分析非线性系统的稳定性和自振
(1)结构上可以等效化简为一个非线性环节和一个线性环节串联的形式
(2)非线性特性满足奇对称,且基波分量幅值占优
(3)线性环节的低通滤波特性好
稳定性分析
假定线性系统 G ( s ) G(s) G(s)是一个最小相角系统,即其零极点都在虚轴的左侧或虚轴上
利用描述函数写系统的特征方程为
1
+
N
(
A
)
⋅
G
(
j
ω
)
=
0
1+N(A)\cdot G(j\omega) = 0
1+N(A)⋅G(jω)=0
即
N
(
A
)
⋅
G
(
j
ω
)
=
−
1
N(A) \cdot G(j\omega) = -1
N(A)⋅G(jω)=−1
根据频域知识,只需画出方程左侧的幅相特性曲线,观察对(-1,j0)的包围情况,即可得出稳定性
但是由于N(A)并不是输入信号频率
ω
\omega
ω的函数,并不方便画出其幅相特性曲线,故将N(A)除至等式右侧,即
G
(
j
ω
)
=
−
1
N
(
A
)
G(j\omega) = -\frac{1}{N(A)}
G(jω)=−N(A)1
−
1
N
(
A
)
-\frac{1}{N(A)}
−N(A)1称为负倒描述函数,方程左侧的幅频特性方便画出,
假如将负倒描述函数视作广义的(-1,j0)点,则可以得出以下结论
(前提是G(s)是最小相角系统,虚轴右侧无零极点)
(1)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)不包围 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1,则系统稳定
(2)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)包围 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1,则系统不稳定
(3)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)和 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1相交,则系统可能发生自振
自振分析
负倒描述函数是一个关于输入信号幅度A的函数,尽管画出来的是一条曲线,但是一个具体的信号对应一个具体的幅值,对应负倒描述函数曲线上的一个点。
如果该点没有被最小相位线性系统的奈奎斯特曲线包围,则系统是稳定的,会收敛,输入非线性环节的信号幅值逐渐减小,对应在负倒描述函数曲线上往后退
如果该点被最小相位线性系统的奈奎斯特曲线包围了,则系统不稳定,会发散,输入非线性环节的信号幅值逐渐增大,对应在负倒描述函数曲线上往前进
如果负倒描述函数与最小相位线性系统的奈奎斯特曲线交点处,在负倒描述函数的前进方向没有被包围(进入稳定区),在后退方向被包围了(进入不稳定区),则在该点发生自持振荡,该点为稳定平衡点(稳定的极限环)。反之该点为不稳定平衡点(不稳定的极限环)。
如果负倒描述函数曲线与奈奎斯特曲线相切,则形成半稳定周期运动(半稳定极限环)。
求自振频率即求两条曲线的交点,求解 N ( A ) ⋅ G ( j ω ) = − 1 N(A) \cdot G(j\omega) = -1 N(A)⋅G(jω)=−1即可,求出的 ω \omega ω为自振频率, A A A为自振幅值
典型非线性特性对系统稳定性的影响
高频低振幅的自持振荡可起到润滑作用
消除非线性系统自持(激)振荡的措施
- 改变线性部分的参数(K),使G( jω)曲线不与曲线 -1/N(A) 相交;
- 改变非线性特性的参数,使 -1/N(A)曲线不与G( jω)曲线相交;
- 线性部分增加校正环节,改变G( jω)曲线形状,使其不与 -1/N(A) 曲线相交。
结构非典型的处理办法
由于N(A)并不是输入信号频率
ω
\omega
ω的函数,并不方便画出其幅相特性曲线,故将N(A)除至等式右侧,即
G
(
j
ω
)
=
−
1
N
(
A
)
G(j\omega) = -\frac{1}{N(A)}
G(jω)=−N(A)1
−
1
N
(
A
)
-\frac{1}{N(A)}
−N(A)1称为负倒描述函数,方程左侧的幅频特性方便画出,
假如将负倒描述函数视作广义的(-1,j0)点,则可以得出以下结论
(前提是G(s)是最小相角系统,虚轴右侧无零极点)
(1)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)不包围 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1,则系统稳定
(2)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)包围 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1,则系统不稳定
(3)假如 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)和 − 1 N ( A ) -\frac{1}{N(A)} −N(A)1相交,则系统可能发生自振
自振分析
负倒描述函数是一个关于输入信号幅度A的函数,尽管画出来的是一条曲线,但是一个具体的信号对应一个具体的幅值,对应负倒描述函数曲线上的一个点。
如果该点没有被最小相位线性系统的奈奎斯特曲线包围,则系统是稳定的,会收敛,输入非线性环节的信号幅值逐渐减小,对应在负倒描述函数曲线上往后退
如果该点被最小相位线性系统的奈奎斯特曲线包围了,则系统不稳定,会发散,输入非线性环节的信号幅值逐渐增大,对应在负倒描述函数曲线上往前进
如果负倒描述函数与最小相位线性系统的奈奎斯特曲线交点处,在负倒描述函数的前进方向没有被包围(进入稳定区),在后退方向被包围了(进入不稳定区),则在该点发生自持振荡,该点为稳定平衡点(稳定的极限环)。反之该点为不稳定平衡点(不稳定的极限环)。
如果负倒描述函数曲线与奈奎斯特曲线相切,则形成半稳定周期运动(半稳定极限环)。
求自振频率即求两条曲线的交点,求解 N ( A ) ⋅ G ( j ω ) = − 1 N(A) \cdot G(j\omega) = -1 N(A)⋅G(jω)=−1即可,求出的 ω \omega ω为自振频率, A A A为自振幅值
典型非线性特性对系统稳定性的影响
高频低振幅的自持振荡可起到润滑作用
消除非线性系统自持(激)振荡的措施
- 改变线性部分的参数(K),使G( jω)曲线不与曲线 -1/N(A) 相交;
- 改变非线性特性的参数,使 -1/N(A)曲线不与G( jω)曲线相交;
- 线性部分增加校正环节,改变G( jω)曲线形状,使其不与 -1/N(A) 曲线相交。
结构非典型的处理办法
如果非线性环节和线性环节的相对位置并不典型,则根据”闭环特征方程相同,则两非线性系统稳定性相同“的原理,等效成典型位置