非线性控制系统分析

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。

非线性控制系统分析课件

特点
非线性系统的行为复杂，难以用线性系统的理论和方法进行分析和设计。
分类与比较
分类
根据非线性的性质，非线性控制系统可以分为连续时间非线性控制系统和离散时间非线性控制系统。
比较
连续时间非线性控制系统和离散时间非线性控制系统在分析和设计上有较大的差异。
常见非线性控制系统示例
描述：以下是一些常见的非线性控制系统示例，包括电气系统、机械系统、化工系统等。
非线性控制系统设
04
计
控制器设计
线性化设计方法
将非线性系统在平衡点附近线性化，然后利用线性系统的设计方法进行控制器设计。
反馈线性化设计方
法
通过引入适当的非线性反馈，将非线性系统转化为线性系统，然后进行控制器设计。
滑模控制设计方法
利用滑模面的设计，使得系统状态在滑模面上滑动，并利用滑模面的性质进行控制器设计。
相平面法
总结词
一种通过绘制相平面图来分析非线性系统动态特性的方法。
详细描述
相平面法通过将系统的状态变量绘制在二维平面上，直观地展示系统的动态行为，如极限环、分岔等。这种方法适用于具有两个状态变量的系统。
平均法
总结词
一种通过将非线性系统的动态特性平均化来简化分析的方法。
VS
详细描述
平均法通过在一定时间范围内对非线性系统的动态特性进行平均，将非线性系统简化为一个平均化的线性系统。这种方法适用于具有周期性激励的非线性系统。
线性系统稳定性分析方法
通过求解特征方程或使用劳斯-赫尔维茨判据等方法，可以判定线性系统的稳定性。
非线性系统稳定性分析
要点一
非线性系统的特性
非线性系统不具有叠加性和时不变性，其响应会受到初始状态和输入信号的影响。

自动控制原理第七章非线性控制系统的分析

X X
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e

线性与非线性控制系统的性能比较与分析

线性与非线性控制系统的性能比较与分析引言：控制系统是指通过一系列的输入和输出信号间的相互关系来实现对被控对象的控制。

其中，线性控制系统和非线性控制系统是两种常见的控制系统类型。

本文将对线性控制系统和非线性控制系统的性能进行比较与分析，以帮助读者更好地了解两者的优劣之处。

一、线性控制系统的性能：1. 频率响应特性：线性控制系统的频率响应特性较为简单，可以使用传统的频率域分析方法进行系统的设计和分析。

例如，可以使用Bode图和Nyquist图等工具评估系统的幅频和相频特性，进一步优化系统的性能。

2. 稳定性分析：线性控制系统的稳定性分析相对较为简单，可以通过分析系统传递函数的根位置来判断系统的稳定性。

常见的稳定性准则包括Routh-Hurwitz准则和Nyquist稳定性判据等。

这使得线性控制系统的设计与分析更加便捷。

3. 控制性能指标：线性控制系统可以使用传统的性能指标来评估其控制性能。

常用的性能指标有超调量、调节时间和稳态误差等。

这些指标可以帮助工程师在系统设计过程中更好地优化系统的性能。

二、非线性控制系统的性能：1. 非线性特性：与线性控制系统相比，非线性控制系统具有更为复杂的特性。

由于非线性元件的存在，系统的频率响应不再是简单的幅频和相频特性。

因此，频域分析方法在非线性系统的设计和分析中会遇到困难。

2. 稳定性分析：非线性控制系统的稳定性分析比线性控制系统更为复杂，常常需要使用数值方法进行分析。

例如，可以使用Lyapunov稳定性准则来评估非线性系统的稳定性。

此外，也需要考虑系统的局部和全局稳定性。

3. 控制性能指标：非线性控制系统的性能评估相对复杂。

由于系统的非线性特性，传统的性能指标可能不再适用。

因此，需要根据实际情况选择相应的性能指标来评估非线性控制系统的性能。

三、线性与非线性控制系统性能比较与分析：1. 频率响应：线性控制系统的频率响应特性较为直观，可以使用传统的频域分析方法进行判断和优化。

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

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）

非线性控制系统分析教学课件

总结词
详细描述
智能控制
要点一
总结词
智能控制是一种基于人工智能的控制方法，通过模拟人类的决策和推理过程来实现对系统的优化和控制。
要点二
详细描述
智能控制采用人工智能技术，如专家系统、神经网络、模糊逻辑等，实现对系统的优化和控制。智能控制具有自学习、自适应和自组织能力，能够处理复杂的非线性系统和不确定性问题。
03
状态观测是非线性控制系统的重要技术，用于估计系统状态变量的值。
04
通过观测系统的输出信号，可以估计系统状态变量的值，用于控制和观测目的。
CHAPTER
非线性控制系统的分析与设计
描述函数法
总结词
详细描述
相平面法
总结词详细描述
反馈线性化方法
总结词详细描述
滑模控制方法
总结词
一种用于处理非线性控制系统不确定性的方法
VS
详细描述
滑模控制方法是一种通过设计滑模面和滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动并达到期望目标的方法。它利用滑模面的设计，使得系统对不确定性具有鲁棒性，能够有效地处理非线性系统中的不确定性和干扰。
CHAPTER
非线性控制系统的应用实例
无人机控制系统
机器人控制系统
机器人控制系统是另一个重要的非线性控制系统应用，它涉及到机器人的运动学、动力学和轨迹规划等方面。
汽车控制系统需要处理各种非线性特性和耦合效应，如发动机的燃烧过程、底盘的悬挂系统和转向系统等，以确保汽车的安全性、稳定性和舒
适性。
汽车控制系统的设计需要运用非线性控制理论和方法，如状态反馈控制、鲁棒控制等，以提高汽车的动态性能和燃油经济性。
航天器控制系统

自动控制原理课件：非线性系统的分析

( ) 90 arctan arctan

4
求与负实轴的交点
90 arctan arctan

4
180
5

arctan arctan arctan 4 2 90
4

1
4

2
4
1 2
G ( j )
1
10
称 , 为相变量，它们构成二维平面称为相平面
相变量在相平面上运动的轨迹称为相轨迹, 即在一定
初始条件下满足上述微分方程的解.
相平面模型即非线性二阶系统的状态空间模型.
x(t )
d x(t ) / dt d x(t ) f ( x(t ), x(t ))

dx(t )
x(t ) dx(t ) / dt
作用的基波分量，近似为“线性系统”。
01
描述函数是非线性特性的一种近似表示，是一种谐波线性化方法，忽略
非线性环节输出中的高次谐波，用基波分量表示其输出。
e(t ) X sin t
c1 (t )
N(X )
表示非线性环节的输出一次谐波分量对正弦输入信号的复数比。
N(X )
使用上常将描述函数表示为的函数.
的初始状态无关。
非线性系统的稳定性和零输入响应的性质不仅取决于系统的结构、参数，而且
与系统的初始状态有关。
2. 系统的自持振荡
线性系统只有两种基本运动形式：发散（不稳定）和收敛（稳定）。
非线性系统除了发散和收敛两种运动形式外，即使无外界作用，也可能会发生
自持振荡。
4
dx(t )
2

x

第八章非线性控制系统分析

8.2 常见非线性特性及其对系统运动的影响
一、饱和特性 y 斜率k 斜率 -a 0 a x
x>a ka y = kx x ≤a − ka x < −a
对系统的影响：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；使系统开环增益下降，对动态响应的平稳性有利；使系统开环增益下降 2.使系统的快速性和稳态跟踪精度下降。使系统的快速性和稳态跟踪精度下降。使系统的快速性和稳态跟踪精度下降
3.逆系统法逆系统法运用内环非线性反馈控制，构成伪线性系统，并以运用内环非线性反馈控制，构成伪线性系统，此为基础，设计外环控制网络。该方法应用数学工具直此为基础，设计外环控制网络。接研究非线性控制问题，不必求解非线性系统的运动方接研究非线性控制问题，程，是非线性系统控制研究的发展方向。是非线性系统控制研究的发展方向。
二、死区特性 y 斜率k 斜率 -△ 0
△
x
0 x ≤∆ y= k[ x − ∆sign( x)] x > ∆
对系统的影响：对系统的影响： 1.使系统产生稳态误差；使系统产生稳态误差；使系统产生稳态误差 2.当系统输入端存在小扰动信号时，在系统动态过程的当系统输入端存在小扰动信号时，当系统输入端存在小扰动信号时稳态值附近，死区的作用可减小扰动信号的影响。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 y c 斜率k 斜率 -h 0 h -c 对系统的影响：对系统的影响：
k ( x − h) y = k ( x + h) x c sign ( x)
ɺ y>0 ɺ y<0 ɺ y=0
增大系统的稳态误差，降低系统的稳态精度，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。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，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。或消弱它的影响。

非线性控制系统分析(《自动控制原理》课件)

出发的相轨迹曲线互不相交. 如果在相平面上某些点的

d x/ dx 0/ 0, 即曲线在这一点上的斜率不定, 可有无穷多
条相轨迹通过这一点, 称这一点为系统的平衡点, 或叫奇
点.
在相平面的上方(如下图) ,
由于

x

0所以
x总是朝大的

x
A(x0 ,

x0 )
方向变化, 故相轨迹上的点总是按图中箭头所指从左向右移动. 在相平面
u0
0
u(t) u(t) G(s) c(t)
u0
上图中, 大方框表示一具有理想继电特性的非线性环节, G(s) 表示非线性系统中线性部分的传递函数.
非线性的特性是各种各样的, 教材图及表给出了一些工程上常见的典型非线性特性.
7-2非线性控制系统的特征
非线性控制系统有如下两个基本特征: (1)非线性控制系统的基本数学模型是非线性微分方程 (2)非线性控制系统的性能不仅与系统本身的结构和参
0
x
的下方,
由于

x

0
所以
x
总是朝小的
方向变化, 故相轨迹上的点总是按图中箭

箭头所指从右向左移动. 在 x 轴上, 由于
x 0, 即 x不变化, 达到最大值或最小值, 故相轨迹曲线
与 x 轴的交点处的切线总垂直于x 轴.
2. 相轨迹作图法
先以线性系统为例, 说明相轨迹曲线的画法.
(1)解析法
数有关, 还与系统的初始状态及输入信号的形式和大小有关.
由于非线性控制系统的基本数学模型是非线性微分方程, 而从数学上讲, 非线性微分方程没有一个统一的解法, 再由于第二个特征, 对非线性控制系统也没有一个统一的分析和设计的方法, 只能具体问题具体对待.

非线性系统的分析与控制方法

非线性系统的分析与控制方法现今，非线性现象随处可见，涉及到的领域包括工程学、物理学、化学、生物学、经济学等。

与此同时，为了满足人类日益增长的需求，我们需要分析与控制这些非线性系统，使其达到我们所希望的状态。

本文将探讨分析与控制非线性系统的常见方法，涵盖了数学模型、稳定性分析、反馈控制等方面的内容。

1. 数学模型一个非线性系统通常可以利用微分方程表达。

微分方程可以是常微分方程或者偏微分方程，这取决于物理系统的特性。

使用数学模型可以对非线性系统进行分析与控制，比如进行数值计算，对系统进行仿真或者进行数值优化。

数学建模可以使用不同的方法，比如解析法、数值法和近似法等。

在实际应用中，通常使用形式化方法来描述系统的行为。

形式化方法涉及到一些形式的逻辑体系来描述现实问题。

它们通常适用于非线性系统的分析、验证和控制，其中一些常见的方法有：模型检验、定理证明和模型检查等。

2. 稳定性分析稳定性分析是对非线性系统的一个重要分析方法，它涉及到系统是否能够维持其稳定性。

稳定性分析包括局部稳定性分析和全局稳定性分析。

局部稳定性分析关注系统是否能够询问某种程度的扰动，而全局稳定性分析关注系统在无论多大的扰动下是否能保持稳定。

通常情况下，对于一个非线性系统，可以通过对其相应线性化系统的特征值进行分析来评估系统是否稳定。

如果相应线性化系统的特征值的实部都为负，则该非线性系统是局部稳定的。

如果相应线性化系统的特征值的实部都为负，并且没有虚部，则非线性系统是全局稳定的。

相反，如果相应线性化系统的特征值具有正实部，那么原始的非线性系统是不稳定的。

3. 反馈控制反馈控制是对非线性系统的适当信息反馈的一种方法，用于实现所需的稳态或动态目标。

在这种方法中，系统的输出信号与输入信号之间存在一定的误差。

通过将该误差反馈到控制器中，可以对系统进行优化，使其达到所需要的目标。

反馈控制方法最常见的类型是Proportional-Integral-Derivative （PID）控制器，它涉及到根据系统的误差信号进行比例反馈（P 项）、积分反馈（I项）和微分反馈（D项）。

131209第8章非线性控制系统分析

非线性系统的数学模型是非线性微分方程；但至今为止非线性微分方程没有成熟的解法；
8.2 几种典型的非线性特性
饱和特性死区特性间隙特性继电器特性变增益特性
(1)饱和特性(如运算放大器，学习效率等)
1. 对系统而言，饱和特性往往促使系统稳定，但会减小放大系数，从而导致稳定精度降低。 2. 饱和特性的例子是放大器，许多执行元件也具有饱和特性。例如伺服电机。 3. 实际上，执行元件一般兼有死区和饱和特性。
y1 ( t )
4M

sin t
理想继电特性的描述函数：
4M N ( A) 0 A
一般继电特性的描述函数：
2M mh 2 h 2 2M h N ( A) 1 ( ) 1 ( ) j ( m 1) 2 A A A A ( A h)
可能不稳定—发散、衰减等
3. 自振运动— 非线性系统特有的运动形式，产生自持振荡 4. 发生频率畸变—频率响应的复杂性 — 跳频响应，倍/分频响应，组合振荡
非线性控制系统的分析方法
小扰动线性化
非线性系统研究方法仿真方法
全数字仿真半实物仿真相平面法描述函数法波波夫法反馈线性化法微分几何方法
h 0 理想继电特性： m 1 死区继电特性： m 1 纯滞环继电特性：
4M N ( A) A
4M h N ( A) 1 A A
2
2
4M 4 Mh h N ( A) 1 j A A2 A
一般而言,描述函数 N(A)是A的函数,与频率无关非线性环节为单/非单值函数时,N(A)是实/复数,虚部为/不为0
在小误差信号时具有较小的增益，从而提高系统的相对稳定性。同时抑制高频低振幅噪声，提高系统响应控制信号的准确度。

自动控制原理第八章非线性控制系统分析

第八章非线性控制系统分析l、基本内容和要求（l）非线性系统的基本概念非线性系统的定义。

本质非线性和非本质非线性。

典型非线性特性。

非线性系统的特点。

两种分析非线性系统的方法——描述函数法和相平面法。

（2）谐波线性化与描述函数描述函数法是在一定条件下用频率特性分析非线性系统的一种近似方法。

谐波线性化的概念。

描述函数定义和求取方法。

描述函数法的适用条件。

（3）典型非线性特性的描述函数（4）用描述函数分析非线性系统非线性系统的一般结构。

借用奈氏判据的概念建立在奈氏图上判别非线性反馈系统稳定性的方法，非线性稳定的概念，稳定判据。

（5）相平面法的基本概念非线性系统的数学模型。

相平面法的概念和内容。

相轨迹的定义。

（6）绘制相轨迹的方法解析法求取相轨迹；作图法求取相轨迹。

（7）从相轨迹求取系统暂态响应相轨迹与暂态响应的关系，相轨迹上各点相应的时间求取方法。

（8）非线性系统的相平面分析以二阶系统为例说明相轨迹与系统性能间的关系，奇点和极限环的定义，它们与系统稳定性及响应的关系。

用相平面法分析非线性系统，非线性系统相轨迹的组成。

改变非线性特性的参量及线性部分的参量对系统稳定性的影响。

2、重点（l）非线性系统的特点（2）用描述函数和相轨迹分析非线性的性能，特别注重于非线性特性或线性部分对系统性能的影响。

8-1非线性控制系统分析1研究非线性控制理论的意义实际系统都具有程度不同的非线性特性，绝大多数系统在工作点附近，小范围工作时，都能作线性化处理。

应用线性系统控制理论，能够方便地分析和设计线性控制系统。

如果工作范围较大，或在工作点处不能线性化，系统为非线性系统。

线性系统控制理论不能很好地分析非线性系统。

因非线性特性千差万别，无统一普遍使用的处理方法。

非线性元件(环节)：元件的输入输出不满足(比例+叠加)线性关系，而且在工作范围内不能作线性化处理(本质非线性)。

非线性系统：含有非线性环节的系统。

非线性系统的组成：本章讨论的非线性系统是，在控制回路中能够分为线性部分和非线性部分两部分串联的系统。

非线性控制系统设计与性能分析

非线性控制系统设计与性能分析第一章：引言非线性系统是现实世界中的普遍现象，其特点不仅有非线性的关系，而且有时存在不可预测性、不稳定性和多解性等问题。

因此，非线性控制系统设计和分析已成为控制工程领域的热点和难点问题。

非线性控制的理论和方法已逐渐成熟起来，本文将重点讨论非线性控制系统的设计和性能分析方法。

第二章：非线性系统的建模非线性系统建模是非线性控制系统设计和分析的基础。

在本章中，我们将简要介绍非线性系统建模的基本思想和方法，并重点介绍了几种常用的非线性模型：黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。

其中，黑箱模型是通过数据分析来建立非线性系统模型，白箱模型是通过物理方程来建立模型，而灰箱模型是将黑箱模型和白箱模型相结合，并采用常微分方程对模型进行优化。

第三章：非线性控制本章将重点介绍非线性控制的几种常见方法：反馈线性化控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制。

其中，反馈线性化控制采用反馈线性化技术，通过将非线性系统转化为线性系统进行控制，实现非线性系统的控制；自适应控制是一种自适应调节器，通过引入基于自适应算法的控制器来实现非线性系统的控制；模糊控制是通过建立模糊控制器，将非线性系统的控制问题转化为模糊推理问题，实现非线性控制；神经网络控制则是通过模拟大脑神经元的方式来建立神经网络模型，实现非线性控制。

第四章：非线性控制系统性能分析非线性控制系统的性能分析是非常重要和必要的。

本章将介绍三种常见的非线性控制系统性能分析方法：Lyapunov函数法、Small Gain定理和Passivity定理。

特别是Lyapunov函数法，它是一种非常重要和强大的方法，可以用于证明控制系统的稳定性和渐进稳定性，并且被广泛应用于非线性控制领域的理论和实践中。

第五章：实例分析本章将通过一个实例来说明非线性控制系统的设计和性能分析方法。

我们将采用反馈线性化控制方法，并通过Lyapunov函数法进行性能分析。

通过实例，我们将深入了解非线性控制系统设计和性能分析的具体步骤和注意事项，以及非线性控制系统的实际应用场景。

非线性控制系统的分析

第8章非线性控制系统的分析重点与难点一、基本概念1. 线性与非线性系统的联系与区别控制系统在不同程度上都存在着非线性。

有些系统可以在工作点附近把它线性化，然后按线性系统来处理（如三级管放大器电路），但当系统含有本征非线性特性（如死区特性、继电器特性等）时，就不能用线性化的方法处理。

死区特性将使系统出现较大的稳态误差。

饱和特性将降低系统的超调量，有时还会引起稳定振荡。

间隙特性可使系统的振荡加剧，静差也会增大，有时会使系统不稳定。

继电器特性会出现低速爬行、蠕动及响应不平滑等现象。

与线性系统相比，非线性系统与线性系统的本质差别可以概括为以下三点：（1）线性系统可以使用叠加原理，而非线性系统不能使用叠加原理；（2）线性系统的稳定性与初值、输入无关，而非线性系统的稳定性与初值、输入有关；（3）线性系统可以写出通解形式，而非线性系统无法写出通解形式。

2. 相平面分析法以x ，x为坐标的平面就叫相平面，系统的某一状态对应于相平面上的一点。

相平面上的点随时间变化的轨迹叫相轨迹。

对应于二阶线性定常系统的相轨迹，可以对非线性系统进行分析，这种分析方法称为相平面分析法。

二阶线性定常系统的相轨迹如表8-1所示。

3. 极限环非线性系统存在着稳定的振荡状态，在相平面图上可表示为一个孤立的封闭相轨迹。

所有附近的相轨迹都渐近地趋向这个封闭的相轨迹，或离开该封闭的相轨迹，该相轨迹称为极限环。

极限环分为稳定和不稳定等四种形式，如表8-2所示。

非线性系统可能没有极限环，也可能存在多个极限环。

在相平面图形上，一个稳定的极限环就对应于一个自振状态。

4. 相平面做图法I —等倾线法令dx xd a / =，即),(x x f a =。

对于a 的不同取值，由),(x x f a =可得到x 与x 的不同关系式，而且在曲线),(xx f a =上，均具有相同的斜率a 。

给出一组a ，就可近似描绘出相平面图形。

表8-1 二阶线性系统022的相轨迹表8-2 极限环基本形式5. 相平面做图法II —δ方法给),(x x f x=两边同加x 2ω，得令 x x x f x x22),(ωω+=+ 22),(),(ωωδx x xf xx +=得 22),(ωδωx x x x=+ 因此 21212)(d x x=-+⎪⎭⎫ ⎝⎛δω式中 21122121111)( ),(δωδδ-+==x x d xx 利用上式就可得点],[11xx 邻域内的相平面图形。

第八章非线性控制系统的分析

否则，必须考虑死区的影响。而在工程实际中，有时为了提高系统的抗干扰能力，
会有意引入或增大死区。
3.间隙特性(滞环特性)
间隙特性的静特性曲线如图8.4所示，其数学表达式为
（8.3）
式中，a为间隙宽度，K为比例系数(线性段斜率)，(t)=dx(t)/dt。
ሶ
8.1
非线性控制系统概述
间隙特性是一种非单值特性，表现为正向特性与反向特性不是重叠在一起，而是在输入—输出曲线上出现
性具有明显的饱和非线性。
上述伺服电动机的非线性是因为使用的磁性材料具有非线性，
因此当输入电压超过一定数值时，伺服电动机的输出转矩就出现饱和现
象。实际上，由于伺服电动机还存在摩擦力矩和负载力矩，因此只有当
输入电压达到一定数值时，伺服电动机才会转动，即存在不灵敏区。所
以，伺服电动机的实际静特性是同时具有不灵敏区与饱和的非线性特性。
2.死区(不灵敏区)特性
死区特性的静特性曲线如图8.3所示，其数学表达式为
（8.2）
式中，a为死区宽度，K为线性输出斜率。
死区特性的特点是，当系统或环节有输入信号，但尚未超过数值a时，
无相应的信号输出。
死区特性在控制系统中也较为常见，一般的测量元件和执行机构都具
图8.3
死区特性
图8.4
间隙特性
有死区特性。当死区很小或对系统性能不会产生不利影响时，可以忽略不计。
现的这种周期运动即为自激振荡。自激振荡是非线性控制系统特有的，是非线性控制理论研究的重要问题。
8.1
非线性控制系统概述
8.1.4
非线性控制系统的分析与设计方法
描述非线性控制系统的基本数学模型是非线性微分方程，对非线性控制系统进行分析的重点是系统稳定性

非线性控制系统设计和分析

非线性控制系统设计和分析一、引言非线性控制系统是一类关于非线性系统的控制理论，具有一定的广泛性和复杂性。

在现代控制理论中，非线性控制系统一直是研究的热点，得到了广泛的应用。

本文旨在探讨非线性控制系统的设计和分析方法，对其进行深入剖析和研究。

二、非线性系统的基本概念1.非线性系统的概念非线性系统指的是一个不满足线性叠加原理的动态系统，即其输入和输出之间的关系不是简单的比例关系。

在现实中的很多系统，如电机、飞行器、化学反应、金融市场等，都是非线性系统。

2.非线性系统的分类按照系统的状态和输入可以将非线性系统分为时变和时不变两类。

按照系统的动态特性可以分为不稳定、稳定和渐进稳定三类。

按照系统的性质可以分为连续和离散两类。

三、非线性系统的数学模型非线性系统的数学模型可以用微分方程、差分方程、偏微分方程等方式表示，采用状态方程、输入-输出方程、状态-输出方程等方式描述。

若系统的动态方程可以表示为：$$\frac{dx}{dt}=f(x,u)$$其中$f(x,u)$是非线性函数，则上式就是非线性系统的微分方程。

四、非线性控制系统的设计方法1.线性化设计法线性化是将非线性动态系统在一个操作点附近，通过Taylor级数展开为线性动态系统。

因此，线性化设计法可以将非线性动态系统的设计问题转化为线性动态系统的设计问题。

线性化方法主要有两种：一是状态反馈线性化法；二是输出反馈线性化法，两种方法可以互相转化。

线性化方法的优点是简单易行，缺点是受到线性化误差的影响。

2.非线性控制设计法非线性控制设计法是基于非线性系统控制理论进行的，包括经典的反馈线性化控制法、滑模控制法、自适应控制法、模糊控制法和神经网络控制法等。

反馈线性化控制法：反馈线性化法是一种将非线性系统转化为线性系统的控制方法，它通过反馈来改变系统的输入来实现控制。

反馈线性化控制法有很好的稳定性和鲁棒性。

滑模控制法：滑模控制法是一种常用的非线性控制方法，具有较好的容错能力和鲁棒性。