第7章非线性控制系统分析
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第7章 非线性控制系统分析在构成控制系统的环节中,如果有一个或一个以上的环节具有非线性特性,则此控制系统就属于非线性控制系统。
本章涉及的非线性环节是指输入、输出间的静特性不满足线性关系的环节。
由于非线性问题概括了除线性以外的所有数学关系,包含的范围非常广泛,因此,对于非线性控制系统,目前还没有统一、通用的分析设计方法。
本章主要介绍工程上常用的相平面分析法和描述函数法。
7.1 非线性控制系统概述7.1.1 非线性现象的普遍性组成实际控制系统的元部件总存在一定程度的非线性。
例如,晶体管放大器有一个线性工作范围,超出这个范围,放大器就会出现饱和现象;电动机输出轴上总是存在摩擦力矩和负载力矩,只有在输入超过启动电压后,电动机才会转动,存在不灵敏区,而当输入达到饱和电压时,由于电动机磁性材料的非线性,输出转矩会出现饱和,因而限制了电动机的最大转速;各种传动机构由于机械加工和装配上的缺陷,在传动过程中总存在着间隙;开关或继电器会导致信号的跳变;等等。
实际控制系统中,非线性因素广泛存在,线性系统模型只是在一定条件下忽略了非线性因素影响或进行了线性化处理后的理想模型。
当系统中包含有本质非线性元件,或者输入的信号过强,使某些元件超出了其线性工作范围时,再用线性分析方法来研究这些系统的性能,得出的结果往往与实际情况相差很远,甚至得出错误的结论。
由于非线性系统不满足叠加原理,前六章介绍的线性系统分析设计方法原则上不再适用,因此必须寻求研究非线性控制系统的方法。
7.1.2 控制系统中的典型非线性特性实际控制系统中的非线性特性种类很多。
下面列举几种常见的典型非线性特性。
1.饱和非线性特性只能在一定的输入范围内保持输出和输入之间的线性关系,当输入超出该范围时,其输出限定为一个常值,这种特性称为饱和非线性特性,如图7-1所示。
图中,x ,分别为非线性元件的输入、输出信号,其数学表达式为y()()()()()sgn ()()⎧≤⎪=⎨>⎪⎩Kx t x t a y t Ka x t x t a (7-1) 式中 —线性区宽度; a K —线性区的斜率。