非线性控制系统.ppt
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1、v参考书目:v非线性系统非线性系统(第三版),(第三版),Hassan K. Khalil ,电子工业出版社,电子工业出版社v非线性控制系统理论与应用,胡跃明 编著,国防工业出版社 v非线性系统的分析与控制,洪奕光 程代展 著,科学出版社v非线性理论数学基础,姚妙新 陈芳启主编,天津大学出版社1111221111( ,)( ,)( ,)npnpnnnpxf t xx uuxf t xx uuxf t xx uu1。状态空间模型的几个基本概念。状态空间模型的几个基本概念 12nxxxx12puuuu12( , , )( , , )( , , )( , , )nf tf ttf tx ux ufx
2、 ux u( , , )txfx u( , , )( , , )ttxfx uyhx u( , )txfx( )xf x( ) f x02。平衡点。平衡点 3。本质非线性现象:。本质非线性现象:有限逃逸时间有限逃逸时间:非稳定线性系统的状态只有当时间趋于无穷时才会非稳定线性系统的状态只有当时间趋于无穷时才会达到无穷,而达到无穷,而非线性系统的状态可以在有限时间内达到无穷非线性系统的状态可以在有限时间内达到无穷多孤立平衡点多孤立平衡点:线性系统只有一个孤立的平衡点,而线性系统只有一个孤立的平衡点,而非线性系统非线性系统可以有多个孤立平衡点可以有多个孤立平衡点,其状态可能收敛于几个稳态工作点之一,
3、其状态可能收敛于几个稳态工作点之一,收敛于哪个工作点取决于系统的初始状态。收敛于哪个工作点取决于系统的初始状态。极限环极限环:在现实生活中,在现实生活中,只有非线性系统才能产生稳定振荡只有非线性系统才能产生稳定振荡,有些,有些非线性系统可以产生频率和幅度都固定的振荡,而与初始状态无关,非线性系统可以产生频率和幅度都固定的振荡,而与初始状态无关,这类振荡就是一个极限环。这类振荡就是一个极限环。混沌混沌:非线性系统的稳态特性可能更为复杂,它既不是平衡点,非线性系统的稳态特性可能更为复杂,它既不是平衡点,也不是周期振荡或殆周期振荡,这种特性通常称为混沌。也不是周期振荡或殆周期振荡,这种特性通常称为混
4、沌。特性的多模式特性的多模式:同一非线性系统显示出两种或多种模式。无激励同一非线性系统显示出两种或多种模式。无激励系统可能有不止一个极限环。具有周期激励的系统可能会显示倍频、系统可能有不止一个极限环。具有周期激励的系统可能会显示倍频、分频或更复杂的稳态特性,这取决于输入信号的幅度和频率。甚至分频或更复杂的稳态特性,这取决于输入信号的幅度和频率。甚至当激励幅度和频率平滑变化时,也会显示出不连续的跳跃性能模式。当激励幅度和频率平滑变化时,也会显示出不连续的跳跃性能模式。分频振荡、倍频振荡或殆周期振荡分频振荡、倍频振荡或殆周期振荡:非线性系统在周期信号激非线性系统在周期信号激励下,可以产生具有输入信
5、号频率的分频或倍频振荡,甚至可以产励下,可以产生具有输入信号频率的分频或倍频振荡,甚至可以产生殆周期振荡。生殆周期振荡。1.2.1 单摆方程单摆方程sinmlmgkl 摆锤沿切线方向的运动方程:摆锤沿切线方向的运动方程:(k为摩擦系数)为摩擦系数)取状态变量:取状态变量:12,xx状态方程为:状态方程为:12212sinxxgkxxxlm 1。单摆方程。单摆方程单摆方程单摆方程解方程得平衡点:解方程得平衡点:(,0),0, 1, 2,nn 实际平衡点:实际平衡点:(0,0)( ,0)和单摆可以停留在平衡点(单摆可以停留在平衡点(0,0)上,)上,几乎不可能停留在平衡点(几乎不可能停留在平衡点(
6、,0)上。)上。2。单摆的平衡点。单摆的平衡点3。无摩擦单摆方程。无摩擦单摆方程设设k=0:1221sinxxgxxl 4。有控制输入的单摆方程。有控制输入的单摆方程1221221sinxxgkxxxTlmml 输入力矩输入力矩1.2.2 隧道二极管电路隧道二极管电路通过结点通过结点c的电流代数和为零:的电流代数和为零:0CRLiii电压定律:电压定律:0CLLvERiv取状态变量:取状态变量:1212( )CLih xxvxRxu 1122121()1xh xxCxxRxuL12,CLxvxiuE111()Eh xxRR隧道二极管电路隧道二极管电路的根为系统的平衡点的根为系统的平衡点1212
7、0()0h xxxRxu 1.2.3 质量质量-弹簧系统弹簧系统fspmyFFFfF为摩擦阻力为摩擦阻力spF为弹簧的回复力,只是位移为弹簧的回复力,只是位移y的函数的函数g(y)( )spFg y位移较小时:位移较小时:( )g yky位移较大时:位移较大时:22( )(1) ,1g yka yyay22( )(1)g yka yy软化弹簧软化弹簧硬化弹簧硬化弹簧1。运动方程:。运动方程:假设参考点位于假设参考点位于g(0)=0处处弹性系数弹性系数2。回复力分析:。回复力分析:阻力阻力Ff包括:包括: 静摩擦力静摩擦力Fs库仑摩擦力库仑摩擦力Fc粘滞摩擦力粘滞摩擦力Fv3。摩擦阻力分析:。摩
8、擦阻力分析:a。静摩擦力:。静摩擦力:,01sssFmg 静摩擦系数静摩擦系数b。库仑摩擦力:。库仑摩擦力:,0,0kckmgvFvymgv当当c。粘滞摩擦力:。粘滞摩擦力:( ),(0)0vFh vh当速度较小时:当速度较小时:,vFcvvy 4。硬化弹簧的。硬化弹簧的Duffing方程方程 :fspmyFFF运动方程运动方程对于硬化弹簧,考虑线性粘滞摩擦力和一个周期外力对于硬化弹簧,考虑线性粘滞摩擦力和一个周期外力F=Acost,可以得到,可以得到Duffing方程:方程:23cosmycykyka yAt这是研究具有周期激励的非线性系统的经典例子。这是研究具有周期激励的非线性系统的经典例
9、子。5。线性弹簧的例子。线性弹簧的例子 :对于线性弹簧,考虑静态摩擦力、库仑摩擦力和线性粘滞对于线性弹簧,考虑静态摩擦力、库仑摩擦力和线性粘滞摩擦力,且当外力摩擦力,且当外力F=0时可得到:时可得到:( , )0mykycyy y其中:其中:sign( ),0( , ),0/sign( ),0/ksssmgyyy ykyyymg kmgyyymg k当当且当且取取12,xy xy 状态模型为:状态模型为:12212121( ,)xxkcxxxx xmmm 12212121( ,)xxkcxxxx xmmm 以上模型有一组平衡点以上模型有一组平衡点 以上模型等式右边的函数是状态变量的不连续函数。
10、以上模型等式右边的函数是状态变量的不连续函数。当当x20时以上模型简化为线性模型:时以上模型简化为线性模型:12212kxxkcxxxgmm 当当x21时,时,z2变化快,曲线斜率变化快,曲线斜率1,当,当z11时,时,z2变化慢,变化慢, 曲线斜率曲线斜率00,则被扰动系统的平衡点是非稳定焦点。,则被扰动系统的平衡点是非稳定焦点。当当00,则被扰动系统的平衡点是稳定焦点。,则被扰动系统的平衡点是稳定焦点。()AAAxxx0 xxx0如果的平衡点是结点、焦点或鞍点,那么对于足够小的扰动,的平衡点的类型将与之相同。如果平衡点是中心,情况则大不相同。AAx0 xx如果 没有实部为零的特征值,那么原
11、点就称为的一个双曲平衡点。当当A有多重非零特征值时,无穷小的扰动会产生一对复特有多重非零特征值时,无穷小的扰动会产生一对复特征值,因此稳定(或非稳定)结点会继续保持为稳定(或征值,因此稳定(或非稳定)结点会继续保持为稳定(或非稳定)结点,或者变为稳定(或非稳定)焦点。非稳定)结点,或者变为稳定(或非稳定)焦点。结点、焦点和鞍点平衡点称为结构稳定的结点、焦点和鞍点平衡点称为结构稳定的。中心平衡点不是结构稳定的中心平衡点不是结构稳定的。2201111,000当当A有两个零特征值时,考虑四种可能的有两个零特征值时,考虑四种可能的Jordan型扰动,型扰动,四种情况下被扰动系统的平衡点分别是中心、焦点
12、、结点四种情况下被扰动系统的平衡点分别是中心、焦点、结点和鞍点。和鞍点。当当A有一个零特征值时,零特征值的扰动会得到一个实特征有一个零特征值时,零特征值的扰动会得到一个实特征值值1=, 可正可负。则此时被扰动系统有两个不相等的可正可负。则此时被扰动系统有两个不相等的实数特征值,平衡点的类型取决于实数特征值,平衡点的类型取决于2和和的符号。的符号。中心中心焦点焦点结点结点鞍点鞍点2.2 2.2 多重平衡点多重平衡点1122121()1xh xxCxxRxuL隧道二极管电路:隧道二极管电路:1122120.5()0.21.51.2xh xxxxx2345111111()17.76103.79229
13、.62226.3183.72h xxxxxx(0.063,0.758), (0.285,0.61), (0.884,0.21)平衡点:平衡点:有摩擦力的单摆:有摩擦力的单摆:1221210sinxxxxx 2.3 2.3 平衡点附近的特性平衡点附近的特性111211111222221221112222(,)()()H.O.T(,)()()H.O.Txfp paxpaxpxfp paxpaxp1122112211221122112112111212,212212212212,( ,)( ,),( ,)( ,),xp xpxp xpxp xpxp xpf x xf x xaaxxfx xfx xa
14、axx11122212( ,)( ,)xf x xxfx x非线性系统:非线性系统:设设p=(pp=(p1 1,p,p2 2) )是非线性系统的平衡点,并假设是非线性系统的平衡点,并假设f f1 1,f,f2 2连续可微。连续可微。在在(p(p1 1,p,p2 2) )处按泰勒级数展开:处按泰勒级数展开:1111112222211222H.O.TH.O.Tyxa ya yyxa ya y111222yxpyxp112212(,)(,)0fp pfp p定义:定义:状态方程改写为:状态方程改写为:11111222211222ya ya yya ya y忽略高阶项:忽略高阶项:yAy1112221
15、211122122ffxxffxxaaaax=px=pfAx向量形式表示:向量形式表示:其中:其中:雅可比矩阵在雅可比矩阵在p点的点的计算值计算值称为称为f(x)的雅可的雅可比矩阵比矩阵 如果线性化后状态方程的原点对于不同的特征值是一个稳如果线性化后状态方程的原点对于不同的特征值是一个稳定(或非稳定)结点、一个稳定(或非稳定)焦点或一个鞍点,定(或非稳定)结点、一个稳定(或非稳定)焦点或一个鞍点,那么在平衡点的一个小邻域内,非线性状态方程的轨线就会具那么在平衡点的一个小邻域内,非线性状态方程的轨线就会具有一个稳定(或非稳定)结点、一个稳定(或非稳定)焦点或有一个稳定(或非稳定)结点、一个稳定(
16、或非稳定)焦点或一个鞍点的特性。一个鞍点的特性。 如果线性化后的状态方程在平衡点附近具有同样的特性,如果线性化后的状态方程在平衡点附近具有同样的特性,就把非线性状态方程的平衡点称为稳定(或非稳定)结点、稳就把非线性状态方程的平衡点称为稳定(或非稳定)结点、稳定(或非稳定)焦点或鞍点。定(或非稳定)焦点或鞍点。例例2.3 2.3 隧道二极管电路隧道二极管电路10.5 ( )0.50.20.3h xfx(0.063,0.758),(0.285,0.61),(0.884,0.21)234111111()17.76207.58688.86905.24418.6dhh xxxxxdx1122121()1
17、xh xxCxxRxuL1122120.5()0.21.51.2xh xxxxx解得三个平衡解得三个平衡点分别为:点分别为:13.5980.50.20.3A21.820.50.20.3A31.4270.50.20.3A特征值:特征值:-3.57, -0.33特征值:特征值:1.77, -0.25特征值:特征值:-1.33, -0.4稳定结点稳定结点鞍点鞍点稳定结点稳定结点得到三个雅可比矩阵:得到三个雅可比矩阵:10110cos1xfx(0,0)( ,0)和1221210sinxxxxx 平衡点分别为:平衡点分别为:例例2.4 2.4 单摆单摆101101A201101A0.53.12j特征值:
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