2022年哈工程自动控制原理课件相平面法例题解析 .pdf

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1、学习好资料欢迎下载相平面法例题解析：要求：1.正确求出对于非线性系统在每个线性区的相轨迹方程，也就是 e e之间关系的方程（或 cc） 。会画相轨迹（模型中是给具体数的） 。关键是确定开关线方程。2. 如果发生自持振荡，计算振幅和周期。注意相平面法一般应：1）按照信号流向与传输关系。线性部分产生导数关系，非线性部分形成不同分区。连在一起就形成了不同线性分区对应的运动方程，即含有c或者e的运动方程 。2）根据不同线性分区对应的运动方程的条件方程确定开关线方程。开关线方程确定很关键。3） 根据 不同线性分区对应的运动方程，利用解析法 （分离变量积分法或者消去t 法）不同线性分区对应的相轨迹方程，即

2、cc和ee之间关系。4）根据不同分区的初始值绘制出相轨迹，并求出稳态误差和超调、以及自持振荡的周期和振幅等。例 2：已知( )4 1( )r tt，问题 1：给出起点在00e，00e的相轨迹图 e e。(10 分) 问题 2：计算相轨迹旋转一周所需时间和振幅。(5 分) 21sk=120rec+-x解：问题 1：1）设系统结构图，死区特性的表达式：数学表达式：0,| 22,22,2xexeexee2）因为线性部分：2( )1( )C sX ss，则微分方程为：cx3）绘制ee平面相轨迹图。因为erc，cre，cre，cre。代入则exr（1）当0t，0r，0r。代入，则0,|2I2,2II2,

3、2IIIeeeeeeee由于非线性环节有3 个分区，相平面ee分为 3 个线性区。4） 系统开关线：2e。5）由题意知初始条件(0)4e，(0)0e在 II 区，则从初始值出发绘制相轨迹：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页学习好资料欢迎下载II 区： ee-20 不是标准形式 ( e=0e=0e22 0且，则，所以奇点（，）特征方程 ：210 s,sj，奇点对应着中心点没有一阶导数。或者用解析法求：上课时按照此方法求的：斜率方程2edeedeee，则分离变量积分得04(2)eeedee de则ee之间的相轨迹方程为2

4、2(2)4ee结论： II 区以2 0奇点（，）为中心的圆，与右开关线2e的交点 A（2，-2）I 区：0e，2eC，水平线，与左开关线2e的交点 B（-2，-2）III 区： ee20 ， ( e=0e=0e2-2 0且，则，所以奇点（，）特征方程 ：210 s,sj，奇点对应着中心点没有一阶导数。或者用解析法求：上课时按照此方法求的：斜率方程2deeeedee，则分离变量积分得22(2)eeedee de（注意新的初始值B（-2，-2）则ee之间的相轨迹方程为22(2)4ee结论：III 区以2 0奇点（-，）为中心的圆。以此例推，出现了一个封闭椭圆。极限环问题 2：若相平面中出现了稳定的

5、极限环对应着非线性的自持振荡。问题：自持振荡的周期怎么算呢？幅值怎么算呢？如图：这是个椭圆， 1）周期：4()CAADTttII 区：24422114(2)CAetdedee， （因为22(2)4ee2()42ee）I 区：00221112ADtdedee振幅代表此时的位移，也就是此时与横轴的交点位置大小即C 点的横坐标。例 3：具有继电器特性的非线性系统分析2006-B (15 分)非线性控制系统如图。eeA2 - 4 II I III 0 C D 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页学习好资料欢迎下载问题 1：给出

6、起点在02c，00c的相轨迹图 cc。(10 分) 问题 2：计算相轨迹旋转一周所需时间。(5 分) 21srec+-x201解：问题 1：(10 分) 1）非线性环节数学表达式：0| 12121exee；2）因为线性部分：2( )1( )C sX ss所以描述线性部分的微分方程为：cx则0| 12121cecece3）绘制ee平面相轨迹图。erc，令0r，ec，则0| | 1I21II21IIIcccccc4）开关线方程：1c，5）由已知条件，起点02c，0c0，)0,2(从 II 区开始，下面绘制相轨迹：区：2c，则022ctct；22002ctc tct；相轨迹为开口向左的抛物线，222

7、000.250.250.252ccccc；在右开关线1c处的交点为01c=1 ,210.252c012c-(1,-2) 区：0c， 则012cc；010121cc tct； 相轨迹为平行横轴的直线 （因为纵坐标不变 -2，而横坐标虽时间变化） ；在左开关线处的交点为02c=-1 ,022c-(-1,-2) 区：02222ctct；22020221ctc tctt；22202020.250.250.252ccccc-相轨迹为开口向右的抛物线，在开关线处的交点-(-1, 2)以此类推，求得如图的极限环。ccT11 - 2 1 T2II I III 0 精选学习资料 - - - - - - - -

8、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页学习好资料欢迎下载注意: 每个区的初始值是不同的。当进入 II 区时的第一个位置即为II 的初始值，每个区的初始值的求法就是根据上一个区的区域根轨迹方程可以求出进入下一区的初始值，以此一个个区经过后，会变成一个连续的曲线轨迹非线性系统的相轨迹。问题 2：运动一周所需时间为1010212111114()4()624(2)Tdcdcdcdcccc（因为 II 区20.252cc,则4(2)cc ）注意: 并不是所有开关线都是垂直于横轴的，开关线关键要看各个线性区域的边界条件。例 4 ：20XX年非线性控制系统如下图所示。图中( )2

9、 1( )r tt。1、以 cc为相变量，写出相轨迹分区运动方程（8 分） ；2、若 M=0.5，画出起始于(0)0c、(0)0c的相轨迹（ 4 分） ；3、利用相轨迹计算稳态误差及超调量（3 分） 。re-0M-bas1s1c解：1） （8 分）根据系统结构图可得：00McbMc各区的运动方程：2020crcMccMccrcMccMc开关线：0c2） （4 分）I 区：2dccMdcc2221(2)AcMc，当0.5M时，1A1.5，所以：222(1.5)1.5cc轨迹为圆，奇点为2cM ，0c1 区2 区I 区II 区精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页学习好资料欢迎下载II 区：2222(2)AcMc，当0.5M时，2A0.5，所以：222(2.5)0.5cc轨迹为圆，奇点为2cM ，0c则起点为（ 0，0）的相轨迹如图：c32c03） （3 分）稳态误差： 0 超调量：32%=50%2可见：开关线不一定垂直于横轴。见作业：P438 8-10 (1)(2) ，且设输出初始值为 0（见 PPT）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页