自动控制原理第十章非线性控制系统

自动控制原理非线性分析知识点总结自动控制原理是工程领域中的一门重要学科，它研究的是如何通过设备和技术手段，使得系统的运行能够自动控制并满足特定的性能要求。

非线性分析则是探讨系统在非线性条件下的行为特性。

在这篇文章中，我们将对自动控制原理中的非线性分析知识点进行总结。

一、非线性系统的定义与特点非线性系统是指系统的输出与输入之间的关系不是简单的比例关系，而是呈现出非线性的特征。

与线性系统相比，非线性系统具有以下几个特点：1. 非线性叠加性：系统的输出并不是输入信号的简单叠加，而是受到系统自身状态和非线性特性的影响。

2. 非线性失稳性：非线性系统可能会出现失稳现象，即系统的输出会趋向于无穷大或无穷小。

3. 非线性动态行为：非线性系统在输入信号发生变化时，其输出信号的变化可能是不连续的，出现跳跃、震荡等现象。

二、非线性系统的分析方法1. 相平面分析法：通过绘制相平面图，可以直观地了解系统的非线性行为。

相平面图可以显示出系统的轨迹、奇点等信息，帮助我们分析系统的稳定性和动态特性。

2. 频域分析法：利用频域分析方法，我们可以对非线性系统进行频谱分析，找出系统的频率响应和频率特性。

通过分析系统的幅频特性和相频特性，我们可以判断系统的稳定性和动态性能。

3. 时域响应分析法：时域分析是对系统的输入信号与输出响应进行时间上的观察和分析。

通过观察和分析系统的阶跃响应、脉冲响应、频率响应等，可以推断出系统的稳定性和动态特性。

4. 广义函数法：广义函数是处理非线性系统时常用的一种数学方法。

通过引入广义函数，我们可以简化非线性系统的数学描述，方便进行分析与计算。

5. 数值模拟方法：对于复杂的非线性系统，我们可以利用计算机进行仿真和数值模拟，通过对系统的模拟实验，得到系统的动态行为和性能参数。

三、非线性系统的稳定性分析1. 稳定性概念：稳定性是衡量系统响应的一种重要指标。

对于非线性系统，我们通常关注的是渐近稳定性和有界稳定性。

7-5 非线性控制系统的相平面分析一、线性控制系统的相平面分析1、阶跃响应 设线性二阶控制系统如图7-38所示。

若系统开始处于平衡状态。

试求系统在阶跃函数)(1)(0t R t r ⋅=　作用下，在ee -平面上的相轨迹。

建立系统微分方程式，由图示系统可得Ke c cT =+ 因为c r e -=，代入上式得r r T Ke e eT +=++ （7-31） 对于->⋅=0),(1)(0t t R t r 时，0)()(==t r t r因此上式可写成0=++Ke e e T （7-32）方程（7-32）与（7-22）式相仿。

因为假设系统开始处于平衡状态，所以误差信号的初始条件是0)0(R e =和0)0(=e。

e e -平面上的相轨迹起始于)0,(0R 点，而收敛于原点(系统的奇点)。

当系统特征方程的根是共轭复数根，并且位于左半平面时，其相轨迹如图7-39(a)所示。

根据ee -平面上的相轨迹就可方便的求得c c -平面上系统输出的相轨迹，如图7-39(b)所示。

由图7-39可见，欠阻尼情况下系统的最大超调量P σ及系统在稳态时的误差为零。

因为e e -平面相轨迹最终到原点，即奇点；所以在cc -平面上相轨迹最终到达0R c =的稳态值，则奇点坐标为)0,(0R 。

2、斜坡响应 对于斜坡输入t V t r 0)(=；当0>t 时，)(t r 的导数0)(V t r= 及0)(=t r 。

因此，方程（7-31）可以写成0V Ke e eT =++ 或 0)(0=-++KV e K e e T 令v e K V e =-0，代入上式，则有0V Ke ee T =++ννν （7-33） 在v v ee -平面上，方程（7-33）给出了相平面图与在e e -平面上方程（7-32）给出的相平面图是相同的。

应当指出，特征方程式的根确定了奇点的性质，在v v ee -平面上的奇点的位置是坐标原点，而在e e -平面上奇点坐标为)0,(0K V 点。

自动控制原理非线性系统知识点总结自动控制原理是现代控制领域中的核心学科，广泛应用于各个工程领域。

在自动控制原理课程中，非线性系统是一个重要的研究对象。

非线性系统具有较复杂的动态行为，与线性系统相比，其稳定性和性能分析更为困难。

在本文中，我们将对非线性系统的知识点进行总结。

1. 静态非线性系统静态非线性系统是最简单的非线性系统，其输出仅与输入的幅值相关。

常见的静态非线性函数有幂函数、指数函数、对数函数等。

分析静态非线性系统时，通常采用泰勒级数展开或者离散化的方法。

2. 动态非线性系统动态非线性系统是具有时间相关性的非线性系统。

其中最基本的形式是非线性微分方程。

在动态非线性系统中，常见的动力学行为有极值、周期、混沌等。

在分析动态非线性系统时，可以采用相位平面分析、Lyapunov稳定性分析等方法。

3. 线性化由于非线性系统分析的困难性，常常采用线性化的方法来近似描述非线性系统的行为。

线性化方法可以将非线性系统在某一操作点上进行线性近似，从而得到一个线性系统。

采用线性化方法时，需要注意选取适当的操作点，以保证线性化模型的准确性。

4. 系统稳定性非线性系统的稳定性是研究非线性系统的重点之一。

与线性系统相比，非线性系统的稳定性分析更为困难。

常用的方法有Lyapunov稳定性分析、输入输出稳定性分析等。

在稳定性分析时，需要考虑非线性系统的各种动力学行为，比如局部极大值点、周期分岔点、混沌行为等。

5. 非线性反馈控制非线性反馈控制是应用最广泛的非线性控制方法之一。

非线性反馈控制利用非线性函数对系统的输出进行修正，以实现系统的稳定性和性能要求。

其中，常见的非线性反馈控制方法有滑模控制、自适应控制、模糊控制等。

6. 非线性系统的鲁棒性鲁棒性是研究非线性系统控制的重要性能指标之一。

鲁棒控制能够保证系统在存在不确定性或者干扰的情况下，仍然保持稳定性和性能要求。

常见的鲁棒控制方法有H∞控制、鲁棒自适应控制等。

7. 非线性系统的最优控制最优控制是针对非线性系统的性能指标进行优化设计的方法。

自动控制原理一、 非线性系统1、按照平衡状态的定义，在无外作用且系统输出的各阶导数等于0时，系统处于平衡状态。

2、自激振荡是指没有外界周期变化信号的作用时，系统内产生的具有固定振幅和频率的稳定周期运动，简称自振。

3、描述函数法是基于频域分析法和非线性特性谐波线性化的一种图解分析方法。

对于满足结构要求的一类非线性系统，通过谐波线性化，将非线性特性近似表示为复变增益环节，然后推广应用频率法，分析非线性系统的稳定性或自激振荡。

4、奇点定义以微分方程()x x f x ,=表示的二阶系统，其相轨迹每点切线的斜率为()xx x f dx x d ,=，若在某点处()xx f ,和x 同时为0，即有00=dx xd 的不定形式，则称该点为相平面的奇点。

5、相平面的奇点亦称为平衡点，奇点必与x 轴相交。

6、奇线奇线就是特殊的相轨迹，它将相平面划分为具有不同运动特点的各个区域。

最常见的奇线就是极限环。

极限环是相互孤立的，在任何极限环的邻近都不可能有其他的极限环。

极限环是非线性系统特有的现象，只发生在非守恒系统中，这种周期运动的原因不在于系统无阻尼，而是系统的非线性特性，它导致系统能量做交替变化。

由此就有可能从某种非周期性的能源中获取能量从而维持周期运动。

7、描述函数法的基本思想当系统满足一定假设条件时，系统中非线性环节在正弦信号作用下的输出可用一次谐波分量来近似，由此导出非线性环节的近似等效频率特性，即描述函数。

此时，非线性系统近似等效为一个线性系统，并可应用线性系统理论中的频率法对系统进行频域分析。

8、描述函数的定义设非线性环节输入输出描述为()x f y =，当非线性环节输入为()t A t x ωsin =时，可对非线性环节的稳态输出()t y 进行谐波分析。

一般情况下()t y 为非正弦的周期信号，因而可以展开成傅里叶级数()()()∑∑∞=∞=++=++=1010sin sin cos n n n n n nt n Y A t n B t n AA t y ϕωωω，其中0A 为直流分量；()n n t n Y ϕω+sin 为第n 次谐波分量，且有nnn nn n B A B A Y arctan22=+=ϕ，式中n n B A ，为傅里叶系数，用下式描述 ()()()()td t y A n t td n t y B ttd n t y A n n ωπωωπωωππππ⎰⎰⎰====2002020212,1sin 1cos 1若00=A ，且当n>1时，n Y 均很小，则可近似认为非线性环节的正弦响应仅有一次谐波分量：()()1111sin sin cos ϕωωω+=+≈t Y t B t A t y上式表明，非线性环节可以近似认为具有和线性环节相类似的频率响应形式。

HEFEI UNIVERSITY自动控制原理小论文项目名称：非线性控制系统分析制作人：程康 1205012023 12电子2班指导教师：储忠完成时间：2015年7月1号一、主要内容（1）典型非线性特性（2）描述函数（3）描述函数法二、基本要求（1）了解几种典型非线性特性、非线性系统的特点以及分析方法。

（2）理解描述函数的应用条件、定义和求法。

（3）熟练掌握几种典型非线性环节的描述函数，并会运用典型非线性特性的串并联分解求取复杂非线性特性的描述函数。

（4）掌握运用描述函数法分线性系统的稳定性和自振荡的方法，并能计算自振荡的振幅和频率。

三、内容提要1、典型非线性特性（1）非线性系统的特点①叠加原理无法应用于非线性微分方程中。

②非线性系统的稳定性不仅与系统的结构和参数有关，而且与系统的输入信号和初始条件有关。

③线性系统的零输入响应形式与系统的初始状态无关，而非线性系统的零输入响应形式与系统的初始状态却有关。

④有些非线性系统，在初始状态的激励下，可以产生固定振幅和固定频率的自激振荡或极限环。

（2）典型非线性特性2、描述函数（1）描述函数的定义类似于线性系统中的频率特性定义：非线性元件稳态输出的基波分量与输入正弦信号的复数之比称为非线性环节的描述函数，用)(A N 来表示。

11212111)(B A arctgAB A e AYA N j ∠+==ϕ （2）描述函数的应用条件①非线性系统的结构图可以简化为只有一个非线性环节N 和一个线性环节)(s G 串联的闭环结构。

②非线性特性的静态输入输出关系是奇对称的，即)()(x y x y --=，以保证非线性环节在正弦信号作用下的输出中不包含直流分量。

③系统的线性部分)(s G 具有良好的低通滤波特性，以保证非线性环节在正弦输入作用下的输出中的高频分量被大大削弱。

（3）描述函数的求法描述函数求解的一般步骤是：①首先由非线性特性曲线，画出正弦信号输入下的输出波形，并写出输出波形的)(t y 的数学表达式。