自动控制原理 课件 第7章 非线性系统的分析.pptx

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第7章非线性系统的分析;

7.1非线性系统概述;

描述非线性系统的非线性微分方程是不满足线性叠加原理的。例如:

第一个方程中含有输出量c(t)的平方项,第二个方程中存在输出量的正弦函数,第三个方程中含有变量及其导数的乘积。因此,这三个方程均为非线性方程,它们代表的系统都是

非线性系统。;

在描述非线性系统时,我们也同样使用结构图。如果一个非线性系统的线性部分和非线性环节可以分离为如图7-1所示的结构形式,则称之为具有基本形式的非线性系统。在

图7-1中,线性部分仍然利用传递函数G(s)来表示。;;

2.系统的动态响应

线性系统的动态响应过程是由系统的结构和参数决定的,而与系统输入信号的大小无关,与系统的初始状态也无关。因此,如果系统在某初始条件下的响应为衰减振荡,则该系统在相同输入形式、不同输入幅值和初始条件下的响应均为衰减振荡形式,只是响应曲线的幅值和起始相位有所变化,但不改变它的基本形状特征。

而非线性系统的动态响应除了与非线性系统的结构和参数有关外,还与系统的输入信号大小和系统的初始状态有密切关系。因此,同一非线性系统对于同一输入信号,可能会表现为在某一初始条件下的动态响应为单调衰减,而在另一初始条件下的动态响应为振荡。这是与线性系统的动态响应所不同的。;

3.系统的稳定性

与系统的动态响应类似,线性系统的稳定性是系统的固有特性,仅与系统的结构和参数有关,而与系统输入信号的大小和初始状态无关。而非线性系统的稳定性,除了与系统的结构、参数有关外,还与系统的初始状态及输入信号大小有直接关系。

对于某个非线性系统,可能在某个初始条件下稳定,而在另一个初始条件下该非线性系统就不稳定;也可能在某个输入信号下稳定,而仅将输入信号幅值变化一下之后,该非线性系统就不稳定。;

此外,同一个非线性系统可能存在多个平衡点(或称为奇点),各平衡点的稳定性也可以不同。平衡点就是系统能够处于“相对稳定”的某些特殊状态,但与系统的稳定性不是一个概念。;;

在例7-1中,x0=1??x0=0均为非线性系统的平衡状态。但是平衡状态x0=1是不稳定的,这是因为如果x值稍有偏离,系统就不能恢复至原平衡状态,如果稍微偏大就会发散出去,如果稍微偏小就会趋近于零。而对于另一个平衡状态x0=0,即使在一定范围的扰动下(只要初始状态x01),系统也是稳定的。;

4.系统的自持振荡(自激振荡)

对于线性系统的单位阶跃输入,当线性系统处于临界稳定状态时,将产生周期性的等幅振荡。而一旦系统参数发生微小变化,临界稳定状态就无法维持,要么发散(不稳定),要么衰减至某一数值(稳定)。

而在非线性系统中,其响应除了稳定和不稳定这两种形式外,还存在一种特殊的运动状态,就是系统可能发生自持振荡(或自激振荡)。自持振荡是指在没有外界周期信号的作用下,系统内产生的具有固定振幅和频率的稳定周期运动。与线性系统的临界稳定不同,自持振荡是稳定的周期运动,它是由非线性系统的结构和参数所确定的一种振荡状态,并且还可能产生不止一种振幅和频率的振荡。;

5.跳跃谐振和多值响应

在线性系统中,当输入为正弦信号时,系统的稳态输出是同频率的正弦信号,仅仅是幅值和相位与输入不同。因此,利用正弦输入信号可以分析线性系统的频率特性。

非线性系统在正弦信号作用下的输出响应一般不是正弦信号,但仍是周期信号。有时输出信号的频率也表现为输入频率的倍频、分频等,也可能存在跳跃谐振或多值响应。这

些是线性系统的频率特性所不存在的。;

7.1.2典型的非线性特性

1.死区(不灵敏区)特性

其特点是当输入信号x在零值附近存在小范围变化时,系统没有输出。只有当输入信号x大于某一数值时,系统才有输出,且输出y与输入x呈线性比例关系。死区特性一般

是由测量元件、放大元件及执行机构的不灵敏区所造成的。

对于输入为x,输出为y的非线性系统,死区特性如图7-2所示。;;

死区特性的数学描述为

由于死区的存在,降低了系统的灵敏度,增大了系统的稳态误差,因此降低了系统的控制精度。但是,如果干扰信号落在死区段内,系统正好可以对干扰信号不响应,则可以大大提高系统的抗干扰能力。;

2.饱和特性

其特点是当输入信号超出其线性范围后,输出信号不再随输入信号的改变而变化(保持恒定)。最典型的饱和特性就是放大器的饱和输出。有时从系统的安全性考虑,常常会加入各种机械限幅和限位装置,这些也属于饱和特性。

对于输入为x,输出为y的非线性系统,饱和特性如图7-3所示。;;

饱和特性的数学描述为

因为在输入值x较大时输出y并不变化,所以饱和特性将使系统的开环增益有所降低,对系统的稳定性有利,但也会降低系统的快速性

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