非线性系统分析 (2)精选PPT.ppt

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1、非线性系统分析1第1页，此课件共118页哦7-1 非线性问题概述 主要内容7-2 常见非线性因素对系统运动特性的影响7-3 相平面法基础7-4 非线性系统相轨迹分析7-5 描述函数7-6 用描述函数分析非线性系统返回主目录2第2页，此课件共118页哦基基 本本 要要 求求 1.明确非线性系统动态过程的本质特征。掌握系统中非线性部分、线性部分结构归化的方法。2.熟练掌握二阶线性方程的相轨迹，正确理解焦点、节点、中心、鞍点、极限环等概念。3.熟练掌握由相轨迹计算时间的方法。已知相轨迹大致画出时间响应曲线的图形。4.对简单的非线性系统能熟练写出相轨迹的解析表达式。能通过等倾线方法作出相轨迹。返回子目

2、录返回子目录3第3页，此课件共118页哦5.对分段线性的非线性系统，能决定开关线,写出分区域相轨迹的方程式。6.对具有外作用和或具有速度反馈的情况能合适地选取相坐标作出相轨迹图。7.正确理解谐波线性化的条件及描述函数的概念。8.了解描述函数建立的一般方法，明确几种典型非线性特性负倒描述函数曲线的特点。9.熟练掌握运用描述函数法分析系统中是否有周期运动,判断周期运动的稳定性。4第4页，此课件共118页哦简 介非线性系统一般理解为非线性微分方程所描述的系统。线性系统的本质特征是叠加原理，因此非线性系统也可以理解为不满足叠加原理的系统。本章将介绍工程上常用的相平面法和描述函数本章将介绍工程上常用的相

3、平面法和描述函数法，并通过这两种方法揭示非线性系统的一些法，并通过这两种方法揭示非线性系统的一些区别于线性系统的现象。区别于线性系统的现象。5第5页，此课件共118页哦7-1 非线性问题概述一、实际系统中的非线性因素一、实际系统中的非线性因素图7-1 一些常见的非线性特性返回子目录返回子目录6第6页，此课件共118页哦除上述实际系统中部件的不可避免的非线性因素外，有时为了改善系统的性能或者简化系统的结构，人们还常常在系统中引入非线性部件或者更复杂的非线性控制器。通常，在自动控制系统中采用的非线性部件，最简单和最普遍的就是继电器。7第7页，此课件共118页哦图7-2 电磁继电器的工作原理和输入-

4、输出特性8第8页，此课件共118页哦二二.非线性系统和线性系统有不同的非线性系统和线性系统有不同的 运动规律运动规律在线性系统线性系统中，系统的稳定性只取决于系统的结构和参数，对常参量线性系统，只取决于系统特征方程根的分布，而和初始条件、外加作用没有关系。对于非线性系统非线性系统，不存在系统是否稳定的笼统概念。必须具体讨论某一运动的稳定性问题。非线性系统运动的稳定性，除了和系统的结构形式及参数大小有关以外，还和初始条件有密切的关系。9第9页，此课件共118页哦线性系统线性系统自由运动的形式与系统的初始偏移无关。非线性系统非线性系统则不一样，自由运动的时间响应曲线可以随着初始偏移不同而有多种不同

5、的形式。图7-4非线性系统在不同初始偏移下的自由运动10第10页，此课件共118页哦线性系统线性系统在没有外作用时，周期运动只发生在 临界情况，而这一周期运动是物理上不可能实现的。非线性系统非线性系统，在没有外作用时，系统中完全有可能发生一定频率和振幅的稳定的周期运动，如图75所示，这个周期运动在物理上是可以实现的，通常把它称为自激振荡，简称自振。图7-5非线性系统的自激振荡11第11页，此课件共118页哦线性系统线性系统中，当输入量是正弦信号时，输出稳态分量也是同频率的正弦函数，可以引入频率特性的概念并用它来表示系统固有的动态特性。非线性系统非线性系统在正弦作用下的输出比较复杂。12第12页

6、，此课件共118页哦三三.非线性系统的分析方法非线性系统的分析方法 在线性系统中，一般可采用传递函数、频率特性、脉冲过渡函数等概念。在工程实际中对于存在线性工作区域的非线性系统，或者非线性不严重的准线性系统，常常采用线性化的方法进行处理，然后在线性分析的基础上加以修正。而对于包括像继电特性那样根本不存在线性区的非线性特性，工程上常用相平相平面方法面方法和描述函数方法描述函数方法进行研究。13第13页，此课件共118页哦7-2 常见非线性因素对系统 运动特性的影响一、不灵敏区一、不灵敏区不灵敏区又叫 死区死区，系统中的死区是由测量元件的死区、放大器的死区以及执行机构的死区所造成的。图7-6 死区

7、特性返回子目录返回子目录14第14页，此课件共118页哦死区非线性特性的数学表达式如下：式中15第15页，此课件共118页哦图7-7 包含死区的非线性系统图7-8 斜坡输入时的系统输出量16第16页，此课件共118页哦二、饱和图7-9 部件的饱和现象饱和特性也是系统中最常见的一种非线性特性。17第17页，此课件共118页哦理想化后的饱和特性典型数学表达式为：式中：是线性范围，K为线性范围内的传递系数（对于放大元件，也称增益）。18第18页，此课件共118页哦粗略地看，饱和特性的存在相当于大信号作用时，增益下降。图7-10 饱和特性图7-11 饱和特性的等效增益19第19页，此课件共118页哦图

8、7-13 图7-12系统的响应随动系统的方块图如图712所示。当系统输入端加上一个幅值较大的阶跃信号时，若放大器无饱和限制，系统的时间响应曲线如图7-13中的曲线1；放大器有饱和限制时的时间响应曲线如图7-13中的曲线2。图7-12 非线性系统20第20页，此课件共118页哦若随动系统的方块图如图715所示。图7-14 根轨迹图图7-15 非线性系统根轨迹分析：21第21页，此课件共118页哦图7-16系统的时间响应当系统中不存在饱和特性的限制，系统是振荡发散的；若系统中存在饱和特性的限制，则系统不再发散，而是出现稳定的 等幅振荡等幅振荡，如图7-16中的曲线2。22第22页，此课件共118页

9、哦三、间隙图717 齿轮传动中的间隙传动机构(如齿轮传动、杆系传动)的间隙也是控制系统中的一种常见的非线性因素。23第23页，此课件共118页哦间隙特性的典型特性如图7-18所示。数学表达式为图718 间隙非线性特性24第24页，此课件共118页哦间隙对系统性能的影响也很复杂，一般说来，它会增大系统的静差，使系统波形失真，过渡过程的振荡加剧。图7-19 间隙特性的输入-输出波形25第25页，此课件共118页哦四、摩擦图7-20 直流电动机的方框图 摩擦非线性对小功率角度随动系统来说，是一个很重要的非线性因素。它的影响，从静态方面看，相当于在执行机构中引入了死区，从而造成了系统的静差，这一点和死

10、区的影响相类似。图7-21 摩擦力矩示意图26第26页，此课件共118页哦图7-22 小功率随动系统方框图图7-23 低速爬行现象27第27页，此课件共118页哦7-3 相平面法基础相平面法 是一种求解二阶常微分方程的图解方法。设一个二阶系统可以用下列常微分方程描述 令 ,（7-9）则（7-11）返回子目录返回子目录28第28页，此课件共118页哦相平面:描绘相平面上的点随时间变化的曲线叫相轨迹。通常把方程（79）称为相轨迹微分方程式，简称 相轨迹方程。将式（711）的积分结果称为 相轨迹表达式。相轨迹:把具有直角坐标 的平面叫做相平面。29第29页，此课件共118页哦一、线性系统的相轨迹设系

11、统的微分方程为（7-12）式（7-12）的特征方程为 上述特征方程的根为 n式（7-12）所表示的自由运动，其性质由特征方程根的分布特点所决定。30第30页，此课件共118页哦取相坐标 、，式（7-12）可化为（7-14）或31第31页，此课件共118页哦（1）无阻尼运动由方程（7-14），相轨迹方程为：其中相轨迹如图724所示，在相平面上是为一族同心的椭圆。每个椭圆相当于一个简谐振动。（7-16）32第32页，此课件共118页哦图7-24 系统无阻尼运动时的相轨迹n相轨迹的方向如图7-24中箭头所示。n相轨迹垂直穿过横轴。n坐标原点处相轨迹的斜率不能由该点的坐标唯一地确定，这种点叫做奇点奇点

12、。图7-24的奇点(0,0)通常称为 中心中心 33第33页，此课件共118页哦（2）欠阻尼运动其中（7-17）方程（7-12）的解为34第34页，此课件共118页哦相轨迹如图725所示。从图中可以看出，欠阻尼系统不管初始状态如何，它经过衰减振荡，最后趋向于平衡状态。坐标原点是一个奇点，它附近的相轨迹是收敛于它的对数螺旋线，这种奇点称为 稳定的焦点稳定的焦点。图7-25 系统欠阻尼运动时的相轨迹35第35页，此课件共118页哦（3）过阻尼运动 这时方程（712）的解为 相轨迹如图相轨迹如图726所示所示。36第36页，此课件共118页哦图7-26 过阻尼时的相轨迹图7-27 过阻尼运动的时间响

13、应坐标原点是一个奇点，这种奇点称为 稳定的节点稳定的节点。37第37页，此课件共118页哦（4）负阻尼运动 相轨迹图如图728所示，此时相轨迹仍是对数螺旋线，但相轨迹的运动方向与图725不同，随着 t 的增长，运动过程是振荡发散的。这种奇点称为 不稳定的焦点不稳定的焦点。图7-2838第38页，此课件共118页哦系统的相轨迹图如图7-29所示，奇点称为不稳定的节点不稳定的节点。图7-2939第39页，此课件共118页哦此时相轨迹如图 7-30所示。奇点称为 鞍点鞍点 该奇点是不稳定的。图7-30 斥力系统的相轨迹40第40页，此课件共118页哦图7-31 特征根和奇点的对应关系41第41页，此

14、课件共118页哦 二、相轨迹作图法设系统微分方程为 化为表示相平面上的一条曲线，相轨迹通过曲线上的点时所取的斜率都是 。这条曲线就称为 等等倾线倾线。令其中 为某个常数1.等倾线法42第42页，此课件共118页哦例子微分方程 或等倾线是直线，它的方程为：43第43页，此课件共118页哦 取不同值时，可在相平面上画出若干不同的等倾线，在每条等倾线上画出表示该等倾线斜率值的小线段，这些小线段表示相轨迹通过等倾线时的方向，从相轨迹的起点按顺序将各小线段连接起来，就得到了所求的相轨迹。图7-3244第44页，此课件共118页哦极限环在图7-33中，出现了一种孤立的简单的封闭相轨迹。这种相轨迹称为稳定的

15、极限环。图7-3345第45页，此课件共118页哦图7-34 各种类型的极限环46第46页，此课件共118页哦三、由相平面图求时间解相轨迹上坐标 点移动到 点所需的时间，可按下式计算（7-32）这个积分可用通常近似计算积分的方法求出，因此求时间解的过程是近似计算的过程。47第47页，此课件共118页哦1.用 曲线计算时间利用式（737）计算时间，在某些情况下可直接进行积分运算。图7-3748第48页，此课件共118页哦2.用小圆弧逼近相轨迹计算时间在小圆弧逼近的方法中，相轨迹是用圆心位于实轴上的一系列圆弧来近似的。轴上的P、Q、R点为圆心，以如图736AD段，可用、为半径的小圆弧来逼近，这样就

16、有49第49页，此课件共118页哦 代入式（7-32）得令（7-33）50第50页，此课件共118页哦图7-36用小圆弧逼近相轨迹计算时间51第51页，此课件共118页哦例7-2图示相平面上有两条封闭的相轨迹，已知 和 均是圆弧的一部分，试计算这两条封闭相轨迹所对应的周期运动的周期。图7-3752第52页，此课件共118页哦解：相轨迹 和 对应的周期运动，它们的周期分别为 和 s，则有53第53页，此课件共118页哦7-4 非线性系统相轨迹分析根据系统结构形式选取相坐标，列写微分方程。画相轨迹图。根据相轨迹图分析系统的运动情况。返回子目录返回子目录54第54页，此课件共118页哦一、继电型系统

17、系统中有一个或几个元件具有继电型非线性特性的系统称为继电型系统。图7-38 继电型非线性特性55第55页，此课件共118页哦若继电型系统的方框图如图741所示。研究图中继电型特性为图7-38(b)的情况。图7-4156第56页，此课件共118页哦很明显，相平面以直线 为界被分成三个不同的区域，在每个区域里，系统的相轨迹完全由一个线性微分方程所确定。57第57页，此课件共118页哦 1.在 ch的区域系统方程为其中58第58页，此课件共118页哦所以当59第59页，此课件共118页哦2.在|c|h区域系统方程为（7-42）60第60页，此课件共118页哦3.在c-h区域相轨迹方程为当 时61第6

18、1页，此课件共118页哦图7-40 图7-39系统当 时的相轨迹62第62页，此课件共118页哦当m=-1时，系统微分方程为对这个系统而言，不论初始条件如何，系统最终都是处于自振状态，并且振荡的周期与振幅仅取决于系统的参数，而和初始条件的大小无关。63第63页，此课件共118页哦图7-41 图7-39系统当m=-1时的相轨迹64第64页，此课件共118页哦图7-42 振荡趋势加大示意图65第65页，此课件共118页哦图7-43 m逐渐减少时的相平面66第66页，此课件共118页哦二、速度反馈对继电型系统自由运动的影响图7-44 有速度反馈的继电型系统67第67页，此课件共118页哦系统的微分方

19、程为将此相轨迹图与图740比较可看出两者主要是开关线不同。可以通过改变开关线的位置来改善系统的性能。68第68页，此课件共118页哦图745 速度反馈对系统运动过程的影响69第69页，此课件共118页哦三、含有间隙非线性的系统图7-46 间隙非线性和非线性控制系统70第70页，此课件共118页哦方程式：71第71页，此课件共118页哦式中相轨迹方程（7-54）（7-55）72第72页，此课件共118页哦图7-47 式（7-54）和式（7-55）的相轨迹73第73页，此课件共118页哦图7-48 图7-46系统的相平面74第74页，此课件共118页哦图7-49 判断开关线所用的对应关系75第75

20、页，此课件共118页哦四、具有阶跃或斜坡输入时非线性系统的相平面图7-50 具有非线性放大器的系统76第76页，此课件共118页哦图7-50（a）表示的系统方程为得到假定77第77页，此课件共118页哦（1）阶跃输入 r(t)=R系统方程变为图7-5178第78页，此课件共118页哦（2）输入信号r(t)=Vt+R系统方程为79第79页，此课件共118页哦图7-52 Ve0时的相轨迹80第80页，此课件共118页哦图7-53 kKe0VKe0,R=081第81页，此课件共118页哦返回子目录返回子目录 7-5 描述函数描述函数描述函数可以定义为非线性特性输出的一次谐波分量与输入正弦量的复数比。

21、若输出的一次谐波分量为 输入的正弦量为则描述函数描述函数的数学表达式如式（7-70）所示：（7-70）82第82页，此课件共118页哦图7-55 理想继电型特性在正弦输入时的输出波形和振幅频谱83第83页，此课件共118页哦其中为非线性特性在输入信号作用下的输出。84第84页，此课件共118页哦例7-3若非线性特性为 其特性曲线如图7-56。（7-71）85第85页，此课件共118页哦令 则有86第86页，此课件共118页哦图7-56 式（7-71）的输入-输出特性 图7-57 描述函数87第87页，此课件共118页哦一、不灵敏区特性的描述函数88第88页，此课件共118页哦（7-78）根据描

22、述函数的定义，可求出不灵敏区的描述函数为89第89页，此课件共118页哦图7-58 不灵敏区特性及其输入-输出波形90第90页，此课件共118页哦 二、饱和特性的描述函数91第91页，此课件共118页哦图759表示了饱和特性和它在正弦信号作用下的输出波形。饱和特性的描述函数为从上式可知，饱和特性的描述函数是输入幅值的实值函数，与输入频率无关。92第92页，此课件共118页哦图7-59 饱和特性及其输入-输出波形93第93页，此课件共118页哦三、间隙特性的描述函数94第94页，此课件共118页哦95第95页，此课件共118页哦间隙特性的描述函数为图762表示了间隙特性和它在正弦信号作用下的输出

23、波形96第96页，此课件共118页哦图7-62 间隙特性及其输入-输出波形97第97页，此课件共118页哦四、继电型特性的描述函数图761表示了具有滞环和不灵敏区的继电型特性和它在正弦信号作用下的输出波形98第98页，此课件共118页哦99第99页，此课件共118页哦100第100页，此课件共118页哦继电特性的描述函数为可知具有滞环和不灵敏区的继电型特性的描述函数和输入信号的频率无关，只是输入信号幅值的复数值函数。101第101页，此课件共118页哦图7-61继电型特性及其输入-输出波形102第102页，此课件共118页哦当 h=0,两位置理想继电型特性的描述函数当m=1,三位置理想继电型特

24、性的描述函数当m=-1,得到具有滞环的两位置继电型特性的描述函数103第103页，此课件共118页哦返回子目录返回子目录 7-6 用描述函数法分析非线性系统非线性控制系统可化为下列结构形式 图7-62 非线性控制系统104第104页，此课件共118页哦用描述分析非线性系统时两个基本假设：系统的线性部分G(j)具有很好的低通滤波性。系统若发生自激振荡（稳定的周期运动），假定非线性环节N的输入端的振荡为正弦波。105第105页，此课件共118页哦一、特征方程的解法图762所示系统的特征方程为（7-85）如果对于某一个和，式（785）成立，那么非线性环节N输入端将有 的周期运动。此时相当于将整个曲线

25、当作临界点。106第106页，此课件共118页哦二、自激振荡的确定 图7-63 周期运动的确定及稳定性判别分别将 和 曲线画在复平面上,如图763所示。107第107页，此课件共118页哦图中 曲线和 曲线分别相交于M1点和M2点。M1对应的周期运动为X01sin01t。M2对应的周期运动为X02sin02t。M1的周期运动是不稳定的。M2的周期运动是稳定的。上述方法适用于上述方法适用于G(s)G(s)无右半复平面极点的情形。无右半复平面极点的情形。108第108页，此课件共118页哦图7-64 不稳定的和稳定的周期运动109第109页，此课件共118页哦M1对应周期运动稳定，M2对应周期运动

26、不稳定图7-65当 有不稳定根时，周期解的稳定性判断，需要用乃奎斯特判据。110第110页，此课件共118页哦解析法 式（793）中的偏导数均在X0、处取值。则X0、对应的周期运动是稳定的,否则就是不稳定的周期运动。令（7-92）设式（797）有解X0和，若有下式成立（7-93）111第111页，此课件共118页哦三、分析系统自激振荡的例题例例7-47-4 研究如图所示非线性系统。试判断系统是否存在自振；若有自振，求出自振的振幅和频率。图7-66112第112页，此课件共118页哦解：描述函数为113第113页，此课件共118页哦计算数据表-2-1.64-1.57-1.6410.90.80.6

27、-1.81-2.14-2.74-4.18-7.890.50.40.30.20.1 114第114页，此课件共118页哦0.4780.9421.4062.2342.7493.8675.708-211-198.4-190.2-180-175.2-166.9-156.90.197 0.388 0.579 0.920 1.132 1.593 2.351 400 300 250 200 180 150120115第115页，此课件共118页哦图7-67 图7-66系统的曲线116第116页，此课件共118页哦四、系统稳定性分析图7-70 非线性系统的稳定性分析117第117页，此课件共118页哦本章主要知识点与主要线索 作图积分求解开关线结构归化计算查表非线性系统典型结构乃氏曲线线性部分分段线性的非线性系统分段相迹方程奇点类型相迹方程等倾线法稳定性,自振,求自振参数求时间相迹时间响应118第118页，此课件共118页哦