非线性系统
非线性系统的分析与控制
非线性系统的分析与控制一、引言非线性系统是指系统的输入与输出之间存在着非线性关系的一类系统。
非线性系统由于其复杂性和多样性，已经成为了现代自动控制与系统工程中的一个热门研究领域。
非线性系统的分析与控制是目前自动控制领域研究的重点之一。
本文主要介绍非线性系统的分析和控制方法。
二、非线性系统的描述非线性系统是指系统输入和输出之间存在非线性关系的系统。
非线性系统可以用数学模型来描述。
常见的一些非线性数学模型有：常微分方程、偏微分方程、差分方程、递推方程等。
非线性系统的特性可以归纳为以下几个方面：1.非线性系统的输入和输出之间存在非线性关系，即输出不是输入的线性函数。
2.非线性系统的行为不稳定，其输出随时间而变化。
3.非线性系统的行为是确定的，但是通常不能被解析地表示。
4.一些非线性系统可能会表现出周期性或者混沌现象。
三、非线性系统的分析方法对非线性系统进行分析是了解和掌握其行为的前提。
主要的分析方法有线性化法和相平面法。
1.线性化法线性化法是将非线性系统在某一特定点附近展开成一系列的一阶或者二阶泰勒级数，然后用线性系统来代替非线性系统，进而对非线性系统进行分析。
线性化法的优点是简单易行，但是必须要求非线性系统在特定点附近的行为与线性系统相似，否则线性化法就失效了。
2.相平面法相平面法通过画出非线性系统的相图来表示系统的行为，较常用的是相轨线和极点分析法。
相轨线是用非线性系统的相图来描述其行为。
相图是将系统的状态表示为一个点，它的坐标轴与系统的每个状态变量相关。
极点分析法则是在相平面上找出使系统输出输出的状态点，然后找出与这些状态点相关的所有极点，以确定出系统的稳定性。
四、非线性系统的控制方法目前，非线性系统的控制方法主要包括反馈线性化控制、自适应控制、滑动模式控制和模糊控制等。
1.反馈线性化控制反馈线性化控制方法以线性控制理论为基础，将非线性系统通过反馈线性化方法转化为等效的线性控制系统，以便使用线性控制理论进行控制。
非线性系统知识点总结
非线性系统知识点总结一、引言随着科学技术的发展，非线性系统在各个领域中扮演着愈发重要的角色，例如控制工程、经济学、生物学、化学等。
非线性系统的特点是其响应与输入之间不满足线性叠加原理，因此其动力学行为十分复杂。
在探究非线性系统的特性和行为规律中，需要深入研究和掌握一系列知识点。
本文将以非线性系统为基础，对其相关知识点进行总结和梳理，以期为相关研究提供一定的指导方向。
二、非线性系统的基本概念1. 线性系统与非线性系统在探究非线性系统之前，首先需要了解线性系统与非线性系统的区别与联系。
线性系统具有叠加性质，即输入信号的线性组合对应于输出信号的线性组合。
而非线性系统则不满足该叠加性质。
从数学上来说，线性系统的方程能够表示为一阶线性微分方程，即具有线性的数学形式，而非线性系统的方程则是包含非线性项的微分方程。
2. 非线性系统的特点非线性系统具有复杂的行为特性，其主要特点包括：不可分解性、不确定性、多稳态性、随机性等。
非线性系统在实际应用中往往表现出多样化的动力学行为，对于系统的建模和分析提出了更高的要求。
三、非线性系统的数学描述1. 非线性方程非线性系统的数学描述通常采用非线性微分方程来进行表达。
非线性微分方程一般具有如下形式：\[ \frac{dx}{dt} = f(x(t), t) \]其中 \( x(t) \) 表示系统的状态变量，\( t \) 表示时间，\( f(x(t), t) \) 表示系统的非线性函数。
非线性微分方程的求解往往需要借助于数值方法，例如Euler法、Runge-Kutta法等。
2. 非线性系统的相空间描述相空间描述是研究非线性系统动力学行为的重要方法之一。
通过将系统的状态变量表示为相空间中的点，可以直观地展现系统的动态特性。
非线性系统的相空间可能包括多个稳态点、极限环、混沌吸引子等复杂结构。
3. 非线性系统的周期轨道对于某些非线性系统，其动力学行为可能出现周期轨道。
周期轨道是指系统状态在相空间中呈现周期性变化的轨迹，通常通过极限环的存在来描述。
自动控制原理第八章非线性控制系统
如果一个非线性系统在初始扰动下偏离平衡状态，但在时间推移过程中能够恢复到平衡状态，则称该系统是稳定 的。
线性系统稳定的必要条件
系统矩阵A的所有特征值均具有负实 部。
系统矩阵A的所有特征值均具有非正实 部，且至少有一个特征值为0。
劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯判据
通过计算系统矩阵A的三次或更高次特征多项式的根的实部来判断系统的稳定性。如果所有根的实部 均为负，则系统稳定；否则，系统不稳定。
输出反馈方法
通过输出反馈来改善非线性系统的性能，实 现系统的稳定性和跟踪性能。
自适应控制方法
通过在线调整控制器参数来适应非线性的变 化，提高系统的跟踪性能和稳定性。
非线性系统的设计方法
根轨迹法
通过绘制根轨迹图来分析系统的稳定性，并 设计适当的控制器。
相平面法
通过绘制相平面图来分析非线性系统的动态 行为，进行系统的分析和设计。
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自动控制原理第八章非线性 控制系统
目录
• 非线性系统的基本概念 • 非线性系统的分析方法 • 非线性系统的稳定性分析 • 非线性系统的校正与设计 • 非线性系统的应用实例
01
非线性系统的基本概念
非线性系统的定义
非线性系统的定义
非线性系统是指系统的输出与输入之 间不满足线性关系的系统。在自动控 制原理中，非线性系统是指系统的动 态特性不能用线性微分方程来描述的 系统。
02
它通过将非线性系统表示为一 个黑箱模型，通过测量系统的 输入输出信号来研究其动态特 性。
03
输入输出法适用于分析具有复 杂结构的非线性系统，通过实 验测量和数据分析，可以了解 系统的动态响应和稳定性。
03
非线性系统分析方法
解：1. 死去继电特性的描述函数
4M N(X)
1 ( )2
X
X
2. 绘制描述函数的负倒数特性
1
X
N(X ) 4M 1 ( )2
X
3. 绘制线性部分的极坐标图
4. 判断稳定性，分析两曲线相交点的性质
1 N(X)
X
-1.56 300 400 B -1 -0.5
X 130 A 140
120 G(j)
趋于奇点 远离奇点 包围奇点
例：二阶线性定常系统
••
•
x 2n x n2 x 0
试分析其奇点运动性质。
dx/dt x
稳定节点
••
•
x 2n x n2 x 0
dx/dt x
1
稳定节点
相轨迹趋于原点，该奇点称为 稳定节点
••
•
x 2n xn2 x 0
dx/dt x
1
不稳定节点
相轨迹远离原点，该奇点为 不稳定节点
者是自持振荡的
自持振荡点 a 振荡幅值=Xa
振荡频率=a
Im Re
X a
0
1 G(j) N ( X )
例：已知死区继电非线性系统如图
R(s)
+M
460
C(s)
+-
- -M
( j)(0.01 j 1)(0.005 j 1)
继电参数： M 1.7 死区参数：Δ 0.7 应用描述函数法作系统分析。
•
x
-1 -5/4
-3/2
-5/3
=
-2
-3/7
-3
-5 - x
3
1 1/3
0 -3/4 -1/2 -1/3
第7章非线性系统分析
描述函数的定义是：输入为正弦函数时，输 出的基波分量与输入正弦量的复数比。
其数学表达式为
N
X
R
X
Y1
sin(t X sint
1)
Y1 X
1
A12 B12 arctan A1
A1
1
2
y(t) costdt
0
X
B1
1
B1
2
y(t ) sin tdt
0
7.3 非线性特性的描述函数法
（2）举例说明描述函数
(1) 降低了定位精度，增大了系统的静差。 (2) 使系统动态响应的振荡加剧，稳定性变坏。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
4.摩擦特性
Mf
M1 •
M2
•
M f 摩擦力矩
转速
M1 静摩擦力矩
M 2 动摩擦力矩
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
摩擦特性的影响
(1)对随动系统而言，摩擦会增加静差，降低精 度。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
2.饱和特性
x1 a ，等效增益 为常值，即线性段 斜率；
而 x1 a ，输出饱
和，等效增益随输 入信号的加大逐渐 减小。
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
饱和特性的影响
(1) 饱和特性使系统开环增益下降， 对动态响应的 平稳性有利。
(2) 如果饱和点过低，则在提高系统平稳性的同时， 将使系统的快速性和稳态跟踪精度有所下降。
7.3 非线性特性的描述函数法
KX sint
y(t) Ka
0 t 1 1 t / 2
∵ y(t) 单值奇对称， A0 0 A1 0
B1
4
第7章 非线性系统的分析
某一初始条件出发在相平面上按照式(7-13)或式(7-14)绘出的
曲线称为相平面轨迹,简称相轨迹。不同初始条件下构成的
相轨迹,称为相轨迹簇。由相轨迹簇构成的图称为相平面图。
利用相平面图分析系统性能的方法,称为相平面分析法。
图7-6为某个非线性系统的相平面图。图中,相轨迹上的
箭头表示相变量随着时间的增加沿相轨迹运动的方向。
第7章 非线性系统的分析 7.2 相平面分析法
7.2.1 相平面的基本概念 设二阶非线性系统的微分方程为
第7章 非线性系统的分析
第7章 非线性系统的分析
1.相平面和相轨迹
前面已经设定
我们称以x1(或x)为横坐
标、以x2(或 )为纵坐标构成的平面为相平面(注意,纵坐标x2
是横坐标x1的一阶导数),如图7-6所示。x1、x2为相变量。由
7.2.2 线性系统的相轨迹 在学习非线性系统的相平面分析法之前,我们先对非常
熟悉的线性系统做相平面分析。设二阶线性系统的微分方程 为
第7章 非线性系统的分析
也就是说,无论系统特征参数ωn和ξ是何值,系统的奇点是 不变的。此外,式(7-21)的特征方程为
系统的特征根为
对于不同的阻尼比ξ,二阶系统特征根的形式是不同的,而 线性系统的时域响应是由特征根决定的。下面介绍系统特征 根与系统的奇点(0,0)以及相轨迹的关系。
行线性化。我们只研究系统平衡点附近的特性时,就可以采 用平衡点附近的线性化方法,将非线性系统在平衡点附近小 范围线性化。当然,也可以将非线性系统分为几个区域,对每 个区域进行分段线性化。
第7章 非线性系统的分析
2.相平面分析法 相平面分析法简称相平面法,是非线性系统的图解分析 法。其基本思路是:建立一个相平面,在相平面上根据非线性 系统的结构和特性,绘制非线性系统的相轨迹。相轨迹就是 非线性系统中的变量在不同初始条件下的运动轨迹,根据相 轨迹就可以对非线性系统进行分析。该方法只适用于一阶和 二阶非线性微分方程。
自动控制原理第九章非线性控制系统PPT课件
非线性系统的数学描述
01
02
04
非线性微分方程
非线性微分方程是描述非线性系统动态行为的数学模型之一。
它通常表示为自变量和因变量的函数，其中包含未知函数的导数。
非线性微分方程的解可以描述系统的输出响应与输入信号之间的关系。
解决非线性微分方程的方法通常包括数值解法和解析解法。
03
非线性传递函数是描述非线性系统的另一种数学模型。
非线性系统的特点
研究非线性系统的方法包括解析法、数值法和实验法等。
总结词
解析法是通过数学推导和求解方程来研究非线性系统的行为和特性。数值法则是通过数值计算和模拟来研究非线性系统的行为和特性。实验法则是通过实际实验来研究非线性系统的行为和特性，通常需要设计和构建实验装置和测试系统。
详细描述
非线性系统的研究方法
它类似于线性系统的传递函数，但包含非线性项和饱和项。
非线性传递函数可以表示系统的输入输出关系，并用于分析系统的性能和稳定性。
分析非线性传递函数的方法包括根轨迹法和相平面法等。
01
02
03
04
非线性传递函数
非线性状态方程是描述非线性系统动态行为的另一种数学模型。
非线性状态方程可以用于分析系统的稳定性和动态行为，并用于控制系统设计。
非线性系统仿真软件
非线性系统仿真实例是通过计算机仿真技术对实际非线性系统进行模拟和分析的实例，它可以帮助用户更好地理解非线性系统的特性和行为，并验证仿真模型的正确性和有效性。
常见的非线性系统仿真实例包括电机控制系统、飞行器控制系统、机器人控制系统等，这些实例可以帮助用户更好地了解非线性系统的控制方法和优化策略。
飞行器控制系统
化工过程控制系统
非线性控制系统的分析课件.ppt
法求解有困难时，可用图解法绘制。
▪ 对于式（9.2-1）xf(x,x)，令 x1x、 x2x ，
▪
有 x 2f(x1、 x2)，所以 可得 dx2 f (x1、x2)
d d x t2d dx x1 2d d x t1x2d dx x1 2f(x1、 x2)
（9.2-5）
▪
dx1
x2
式（9.2-5）是关于
y
-b 0
k
x
b
a.
b.
图9.1-4 齿轮传动及其间隙特性
y(x)k[xs g x)n b](|y/kx|b y (x)0、 y(x)C |y/kx|b
▪ 系统中若有间隙特性元件，不仅会使系统的输出产生相位滞后，导致 系统稳定裕量的减小，使动态性能恶化，容易产生自振；而且间隙区 会降低定位精度、增大非系线统性控静制差系统。的分析课件
▪ 由于相平面只能表示 x(t ) 和 x(t ) 两个独立变量，所以相 平面法只能用来研究一、二阶线性或非线性系统。
▪ 2）相轨迹的绘制方法
▪ （1）二阶线性系统的相轨迹 ▪ （2）相轨迹的绘制
非线性控制系统的分析课件
j
[s]
2 1
0
a.
j 1 [s]
0
2
d.
x2
j
x2
1
[s]
x1
0
0
0
稳定 节点
x
(
t
)
和 x (t ) 的一阶微分方程，即二阶非线性
系统的相轨迹方程。
▪
由式（9.2-5），令
dx2 f (x1,x2)
dx1
x2
，即有
▪
f (x1, x2 )
（9.2-6）
第8章-非线性系统分析
令：
方程组可改写为
特征方程
线性化方程组
在一般情况下，线性化方程在平衡点附近的相轨迹与非线性系统在平衡点附近的相轨迹具有同样的形状特征。但是，若线性化方程求解至少有一个根为零，根据李雅普诺夫小偏差理论，不能根据一阶线性化方程确定非线性系统平衡点附近的特性，此时，平衡点附近的相轨迹要考虑高阶项。
(1) 无阻尼运动（=0） 此时系统特征根为一对共轭虚根，相轨迹方程变为
对上式分离变量并积分，得
式中，A为由初始条件决定的积分常数。
初始条件不同时,上式表示的系统相轨迹是一族同心椭圆，每一个椭圆对应一个等幅振动。在原点处有一个平衡点(奇点)，该奇点附近的相轨迹是一族封闭椭圆曲线，这类奇点称为中心点。
图8-1 无阻尼二阶线性系统的相轨迹
(2)欠阻尼运动（01） 系统特征方程的根为一对具有负实部的共轭复根,系统的零输入解为 式中,A、B、为由初始条件确定的常数。时域响应过程是衰减振荡的。
可求出系统有一个位于相平面原点的平衡点（奇点），不同初始条件出发的相轨迹呈对数螺旋线收敛于该平衡点，这样的奇点称为稳定焦点。
5．李雅普诺夫法 李雅普诺夫法是根据广义能量函数概念分析非线性系统稳定性。原则上适用所有非线性系统，但对大多数非线性系统，寻找李雅普诺夫函数相当困难，关于李雅普诺夫法在现代控制理论中作祥解。 6．计算机辅助分析 利用计算机模拟非线性系统，特别上采用MATLAB软件工具中的Simulink来模拟非线性系统方便且直观，为非线性系统的分析提供了有效工具。
例1：确定非线性系统的奇点及附近的相轨迹。
解：令
求得奇点（0，0），（-2，0）。
即
由
（1）奇点（0，0） 线性化方程为
特征根
自动控制原理非线性系统知识点总结
自动控制原理非线性系统知识点总结自动控制原理是现代控制领域中的核心学科，广泛应用于各个工程领域。
在自动控制原理课程中，非线性系统是一个重要的研究对象。
非线性系统具有较复杂的动态行为，与线性系统相比，其稳定性和性能分析更为困难。
在本文中，我们将对非线性系统的知识点进行总结。
1. 静态非线性系统静态非线性系统是最简单的非线性系统，其输出仅与输入的幅值相关。
常见的静态非线性函数有幂函数、指数函数、对数函数等。
分析静态非线性系统时，通常采用泰勒级数展开或者离散化的方法。
2. 动态非线性系统动态非线性系统是具有时间相关性的非线性系统。
其中最基本的形式是非线性微分方程。
在动态非线性系统中，常见的动力学行为有极值、周期、混沌等。
在分析动态非线性系统时，可以采用相位平面分析、Lyapunov稳定性分析等方法。
3. 线性化由于非线性系统分析的困难性，常常采用线性化的方法来近似描述非线性系统的行为。
线性化方法可以将非线性系统在某一操作点上进行线性近似，从而得到一个线性系统。
采用线性化方法时，需要注意选取适当的操作点，以保证线性化模型的准确性。
4. 系统稳定性非线性系统的稳定性是研究非线性系统的重点之一。
与线性系统相比，非线性系统的稳定性分析更为困难。
常用的方法有Lyapunov稳定性分析、输入输出稳定性分析等。
在稳定性分析时，需要考虑非线性系统的各种动力学行为，比如局部极大值点、周期分岔点、混沌行为等。
5. 非线性反馈控制非线性反馈控制是应用最广泛的非线性控制方法之一。
非线性反馈控制利用非线性函数对系统的输出进行修正，以实现系统的稳定性和性能要求。
其中，常见的非线性反馈控制方法有滑模控制、自适应控制、模糊控制等。
6. 非线性系统的鲁棒性鲁棒性是研究非线性系统控制的重要性能指标之一。
鲁棒控制能够保证系统在存在不确定性或者干扰的情况下，仍然保持稳定性和性能要求。
常见的鲁棒控制方法有H∞控制、鲁棒自适应控制等。
7. 非线性系统的最优控制最优控制是针对非线性系统的性能指标进行优化设计的方法。
线性系统与非线性系统
线性系统与非线性系统线性系统和非线性系统是控制理论中重要的概念，它们对于描述和分析物理系统的行为具有重要意义。
本文将探讨线性系统和非线性系统的定义、特点以及在实际应用中的区别和应用。
一、线性系统线性系统是指具有线性特性的系统，其中输入和输出之间存在线性关系。
线性系统的特点是具有叠加原理和尺度不变性。
叠加原理指的是当输入信号为x1(t)和x2(t)时，对应的输出分别为y1(t)和y2(t)，则输入为x1(t)+x2(t)时，对应的输出为y1(t)+y2(t)。
即系统对输入信号的响应是可加性的。
尺度不变性指的是当输入信号为kx(t)时，对应的输出为ky(t)，其中k为常数。
即系统对于输入信号的放大或缩小，输出信号也相应地放大或缩小，但形状保持不变。
线性系统的数学模型可以用线性常微分方程表示，常见的线性系统包括线性电路、线性网络等。
线性系统的分析和控制较为简单，可以使用线性代数和转移函数的方法进行建模和求解。
二、非线性系统非线性系统是指输入和输出之间不存在线性关系的系统，其特点是叠加原理和尺度不变性不成立。
非线性系统具有复杂的动态特性，可能存在混沌现象、周期解、稳定解等。
非线性系统的行为难以预测和描述，经常需要借助数值方法和仿真模拟进行研究。
非线性系统广泛应用于生物、经济、环境等领域，例如生物系统的行为建模、经济市场的预测分析、气候模拟等。
非线性系统的研究和控制涉及到多个交叉学科，是当前的热点和挑战之一。
三、线性系统与非线性系统的区别1. 输入输出关系：线性系统的输入和输出之间存在线性关系，而非线性系统的输入和输出之间不存在线性关系。
2. 叠加原理：线性系统满足叠加原理，输入信号的响应是可加性的；而非线性系统不满足叠加原理，输入信号的响应不可加性。
3. 尺度不变性：线性系统满足尺度不变性，输入信号的放大或缩小会相应地改变输出信号的幅度，但形状保持不变；而非线性系统不满足尺度不变性，输入信号的放大或缩小可能改变输出信号的形状。
第八章非线性系统
由此可见，非线性系统 要比线性系统 复杂得多，可能存在多 种运动状态。上述 现象均不能用线性理论 进行解释或分析， 必须用非线性理论来研 究。
三、非线性系统的分析方法 1、描述函数法 这是一种频域分析法，其实质是应 用谐波线性化的方法，将非线性特性线 性化，然后用频率法的结论来研究非线 性系统。它是线性理论中的频率法在非 线性系统中的推广，这种方法不受系统 阶次的限制。
1首先由非线性静特性曲 线，画出正弦信号 输入下的输出波形，并 写出输出波形 t 的表达式。 y
2利用傅氏级数求出 t 的基波分量。 y 3将求得的基波分量代入 定义式，
N X Y1 X 1 A1 B1 X
2 2
arctan
B1 A1
即 N X 得 。
中，本来幅值相对不大 的那些高次谐波分量将 在正弦信号作用下的输 出不包含直流分量。 闭环结构。 被大大削弱。因此，可 以近似地认为在闭环通 道内只有基波分量在流 通，此时应用描述函数
r t 0 法所得的分析结果才比 y 较准确。对于实际的非 c t e
线性系统来说，由于 s 通常具有低通滤波特 G
2、相平面法
相平面法是求解一、二阶常微分方程 的图解法。通过在相平面上绘制相轨迹， 可以求出微分方程在任何初始条件下的 解。这是一种时域分析法，但仅适用于 一阶和二阶系统。
3、李亚普诺夫第二法 这是一种对线性和非线性系统都适用 的方法，将在现代控制理论中讲述。
本章以系统分析为主，而且是以稳定性分 析为核心内容，着重介绍在工程上广泛应用的 描述函数法和相平面法。
而非线性系统即使在没有外界输入信号作用 时，系统也可能产生具有固定频率和幅值的稳定 振荡。其振幅和频率由系统本身的特性所决定。
第八章 非线性系统
等倾线方程
dx 2wn x w 2 x dx x 2 2wn x wn 2 x wn x a 即: x x x 2wn a
即等倾线是通过原点的直线。
(1) 0＜ ＜1
第八章 非线性控制系统
Nonlinear Control System
内容提要
§8.1 概述 §8.2 相平面图
§8.3 奇点和极限环
§8.4 非线性系统的相平面图分析
§8.5 非线性特性的描述函数
§8.6 用描述函数分析非线性系统
§8.1 概述
典型非线性特性
非线性系统的运动特点
非线性系统的研究方法
（2）奇线
当非线性系统存在多个奇点时，奇点类型 只决定奇点附近相轨迹的运动形式，而整个系 统的相轨迹，特别是离奇点较远的部分，还取 决于多个奇点的共同作用，有的会产生特殊的 相轨迹，将相平面划分为具有不同运动特点的 多个区域。这种特殊的相轨迹称为奇线。最常 见的奇线是极限环。极限环把相平面的某个区 域划分为内部平面和外部平面两部分。 极限环是非线性系统中的特有现象，它只 发生在非守恒系统中，产生的原因是由于系统 中非线性的作用，使得系统能从非周期性的能 源中获取能量，从而维持周期运动形式。 根据极限环邻近相轨迹的运动特点，可将 极限环分为三种类型：
(三)极限环（自激振荡）
非线性系统，在初始状态 的激励下，可以产生固定振幅 和固定频率的周期振荡，这种 周期振荡称为非线性系统的自 激振荡或极限环。
(四)频率响应
系统微分方程：
.. . ′x 3=0 M x +B x +Kx+ K
K
非线性 弹簧
非线性系统课件
N (A )N (A )ej N (A )Y 1ej1B 1j1 A
A
A
非线性系统
2. 描述函数的求取步骤 （1） 取输入信号为，根据非线性环节的静态特性绘
制出输出非正弦周期信号的曲线形式，根据曲线形式 写出输出y(t)在一周期内的数学表达式。 （2）据非线性环节的静态特性及输出y(t)的数学表达 式，求相关系数A1、B1。 （3）用式(7-8)计算描述函数。
必须指出，长时间大幅度的振荡会造成机械磨损，增加
控制误差，因此在通常情况下，不希望系统产生自振，必
须设法抑制它。
非线性系统
３.频率响应复杂
线性系统的频率响应，即正弦信号作用下系统的稳态输 出是与输入同频率的正弦信号。而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ω的高次谐波分量。
形称为相平面图。
非线性系统
二、绘制相轨迹的方法
解析法
采用解析法绘制相轨迹通常有两种作法。一种方法是通过积分法， 直接由微分方程求解x(t)和的解析关系式。
0
2 Msintdt
1
2M
(c
os 1
c
os2
)
＝2M
1- mh2 A
1-
h
2
A
非线性系统
3） 死区滞环继电特性的描述函数为
N (A )＝ 2 M A1-m A2h1-A h2j2 M A2(m Ah -≥1h )（7-17）
取h=0可得理想继电特性的描述函数为
N(A)＝4M
取m=1可得死区继电特性的A描述函数为
足结构要求的一类非线性系统，通过谐波线性化，将非线性特性近似表 示为复变增益环节，分析非线性系统的稳定性或自激振荡 ３.李亚普诺夫第二法
非线性系统
非线性系统分析非线性系统的特点¾在线性系统中，系统的特征根发布决定系统的性能，即系统的结构形式和参数决定系统的性能，与系统初始条件无关。
而非线性系统与三者都有关。
¾线性系统，如果参数不正好对应于稳定边界，系统的运动或收敛于平衡状态，或分散。
在非线性系统中，除了分散或收敛于平衡状态外，还有一种自持振荡。
¾线性系统用线性微分方程描述，非线性系统用非线性微分方程描述，没有一个通用的方法处理非线性问题。
¾非线性系统输出的稳态分量，一般和输入量不具有相同的函数形式。
非线性系统，在实际问题中，并不需要求解其输出过程。
通常讨论的问题为：1. 系统的稳定性；2. 系统是否产生自持振荡,如产生,其振幅和频率各多少;3. 如何消除自持振荡等有关稳定性问题的分析。
工程上处理非线性系统的分析方法有:1. 基于频率分析的描述函数法和波波法;2. 基于时域分析的相平面法, 点变化法和李亚普诺夫方法。
2. 如果在G(jw)平面上-1/N(A)轨线被G(jw)轨线所包围, 非线性系统不稳定。
当受到干挠时, 系统的输出无限增加,直到系统遭到破坏为止。
3. 如果在G(jw)平面上-1/N(A)轨线与G(jw)轨线相交, 那么系统的输出可能出现自持振荡。
这种振荡可以用正弦振荡近似表示。
其振幅和频率分别用交点-1/N(A)轨线上对应的A值和G(jw)轨线上的w值表征。
设G(jw)轨线与-1/N(A)轨线相交于a, b两点, 且设a点对应于-1/N(A)上A值较大的点, b点对应于-1/N(A)上A值较小的点。
设系统最初工作于a点, 振荡的振幅为Aa和频率为w. 对aa点给一轻微的挠动, 使非线性元件的输入振幅略有增加, 从a点移到c点, G(jw)轨线不包围c点, 系统稳定,于是非线性元件的正弦输入就减少，工作点将再次回到a点。
如果轻微的挠动, 使非线性元件的输入振幅略有减少, 从a点移动到d点, 这时G(jw)轨线包围d点, 系统不稳定, 此时非线性元件的正弦输入的振幅将增大, 结果使点d回到点a, 因此, 点a描述的自持振荡是稳定的。
第七章 非线性系统
xoBox
§7－2
相平面法
设二阶系统的微分方程为
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二、典型非线性特性 常见的非线性元件或系统的特性可划分为以下几种。 1．死区(不灵敏区)特性 死区特性的输入输出关系如图7—1所示， 输入在低于某值时无输出。例如测速发电 机的输出电压与输入转速应成正比，但由 于有电刷压降的存在，只有在转速超过某 一值后，才会有电压的输出，形成了一定 的转速、电压关系的死区。二极管正向开 放电压、机械运动中的静摩擦等都能产生死区。 死区的存在会使系统的稳态误差增大，在调速系统中使低 速运动的不平滑性增大。
点附近对非线性系统进行线性化的方法。这种方法前面已经作 过介绍。线性化后的系统就可按线性系统的方法来分析计算。 当然不要忘记，这种分析计算的结果只是在限制条件下才是有 效的。如果系统的非线性因素既不能忽略，又不符合线性化处 理的条件，则就要按非线性系统的概念来进行讨论了。对非线 性系统的分析计算还是要采用近似的或数值计算的方法，而且 往往是具体情况要具体处理。本章介绍的描述函数法和相平面 法，用于分析非线性系统是相当烦琐和困难的，因此，只是提 供一些基本的概念和方法，对非线性系统的分析主要使用 xoBox分析软件的非线性仿真功能。 系统的非线性一般会对系统的工作产生不利的影响，但在某 些情况下，人为地使系统非线性也可以使控制系统结构简化而 又改善系统的某些性能。因此正确运用非线性系统的概念，在 系统没计中也是至关重要的。
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4．继电特性 一般的继电特性的输入 输出关系如图7－4所示。它相当于上述三 种特性的综合：输出存在死区，当输入达 某值时，输出立即跃变为定值，相当于饱 和，而在输出饱和区中又存在回环。电器。 中的继电器的工作特性就是典型的例子，由于吸合、释放电 压的不同而形成这种特性。继电特性一般是人为的，可以用 来改善系统性能，但也可能带来不利的作用。
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§7-3 描述函数分析
描述函数-1/N(X)曲的交点处，沿振幅X增加方向，-1/N(X)上的 点不被G l(jω)曲线所包围，则这个交点是稳定的自激振荡点， 其线性元件的输出波形为正弦波，振荡频率为交点处G l(jω)的 ω值，现行元件输入信号一次谐波的复制为交点处-1/N(X)曲线 的X值。
振荡线性化是在非线性元件的输入端除加输入信号外，还 加一个辅助的高频振荡信号，在非线性元件的输出端接一个低 通滤波器，如图7-20所示。图中x1(t)为输入信号，x2(ωt)为附 加高频振荡，y(t)为非线性元件的输出，z(t)为低通滤波器的 输出。当输入信号x1(t)等于常数时，y(t)为频率等于ω的周期 波，其波形与x1(t)、x2(ωt)及非线性特性f(x)有关。如果低通 滤波器能滤去频率等于和高于ω的所有谐波，则低通滤波器输 出仅保留了与输入信号有关的直流分量。这样z(t)对于x1(t)而 言，可能得到近似的线性关系。
第七章 非线性系统
§7-1 概述 §7-2 描述函数法 §7-3 描述函数分析 §7-4 非线性特性的振荡线性化
§7-1 概述
一、反馈系统的非线性特性 在反馈系统中，常见的非线性特性有：
1)据有光滑曲线形式的非线性较大时，必须考 虑其非线性特性。
三、非线性系统的研究方法 1.相平面法 应用相平面图可以分析非线性系统的稳定性、过
渡过程即自振荡等问题。 2.描述函数法 描述函数法不受系统阶次的限制，但必需满足
假设条件。 3.系统仿真
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§7-2 描述函数法
一、描述函数的基本概念 描述函数法基于下述情况：如果非线性元件输出的周期函
数信号加到另一个线性元件的输入端，当线性元件有滤除非 线性元件输出y(t)中二次及二次以上谐波的低通滤波特性时， 那么线性元件的输出为与非线性元件输入同频率的正弦函数， 如图7-4所示。 二、描述函数计算举例
§7-3 描述函数分析
一、非线性系统的稳定性分析 非线性系统的稳定性结论如下：
1)当线性部分的频率特性G l(jω)曲线不包围-1/N(X)曲线 时，如图7-13(a)所示，系统是稳定的。
2)当线性部分的频率特性G l(jω)曲线包围-1/N(X)曲线时， 如图7-13(b)所示，系统不稳定。
3)当线性部分的频率特性G l(jω)曲线与-1/N(X)曲线相交 时，如图7-13(c)所示，系统处于临界稳定状态，可能产生自激 振荡。 二、自激振荡的稳定性
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图7-1
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图7-4
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表7-4
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表7-4
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图7-13
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图7-14
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图7-20
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2)由摩擦等因素所引起的死区(不灵敏区)特性，如图7-1（c） 所 示。 3)由齿轮间隙等引起的滞环特性，如图7-1(d)所示。 4)理想继电器特性，如图7-1(e)所示。
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§7-1 概述
5)复杂非线性特性，它可能包含几种简单的非线性特性，如 图7-1(f)所示的非线性特性含有死区和饱和两种非线性特性。 二、非线性系统的某些特点
非线性函数的描述函数可按下面四步计算：
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§7-2 描述函数法
1)画出非线性元件在正弦输入情况下的输出y(t)的波形； 2)写出y(t)的数学表达式； 3)计算y(t)的一次谐波系统A1和B1； 4)计算非线性元件的描述函数N(X)。
为使用方便，表7-4示出常见非线性特性的描述函数。
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系统中只要有一个元件具有非线性特性，这个系统就称为 非线性系统。非线性系统有如下特点：
1)非线性系统的运动特性用非线性方程描述，非线性系统不 满足迭加原理。
2)非线性系统的稳定性，不仅与系统的结构和参数有关，而
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§7-1 概述
且与输入信号及初始条件有关。 3)非线性系统可能产生稳定的等幅振荡，即自振荡。
另外，对于图7-14所示情况，如果初始振荡的幅值小于XA， 如在C点，则振荡会自动消逝，系统是稳定的；如果初始振荡的 幅值大于XA，如在D点，则振荡振幅会自动增加，最后稳定在B 点，形成稳定的自振荡，系统是不稳定的。由此观之，非线性 系统的稳定性与初始条件有关。 三、自激振荡分析举例
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§7-4 非线性特性的振荡线性化