第7章--非线性系统分析

2. 线性化方程组的解及其稳定性
12
111 21 1
122 222
试探解：1 Aet ,2 Bet
11
21
12
22
A B
0
ij
( fi x j
)0
11 12 0 21 22
2 T 0
T 11 22
系数矩阵的迹
11 22 12 21 系数行列式的值
特征根
❖ 刘式达，刘式适，《非线性动力学和复杂 现象》，气象出版社，1989
§7.1 引言
一. “非线性动力学”的表观含义
数学上：
f (x) ax b
f
(x)
ax2
bx
c
线性 非线性
定义：力或微分方程含有坐标或速度的非线性项的系 统，称为非线性动力学系统，反之称为线性动力学系统。
例：
mx kx 2x2
1. 定态解 xi 0 i 1,2, , n
x2
平衡点，奇点
x1
2. 发散解
xi 之一或几个随时间无限地偏离初值 x2
爆炸，散射
x1
3. 振荡解
既不趋于无穷大，也不终止于某一点，而是在一定区域内不断变化。
❖ 周期振荡
❖ 准周期振荡
x2 闭合曲线
x1
x2 非闭合曲线
x1
❖ 混沌
相轨迹没有确定的形状周 期、貌似随机的运动。
1,2 T
T 2 4 2
特征矩阵
A1 B1
A2 B2
1 c1 A1e1t c2 A2e2t
2
c1B1e1t
c2 B2e2t
渐进稳定
临界情况 不稳定
1,2 T
T 2 4 2

7.2 相平面法
1. 基本概念 2. 相平面图的绘制 3. 线性系统的相轨迹 4. 非线性系统的相平面分析
7.2 相平面法
1. 基本概念 相平面法是一种求解二阶常微分方程的图解方法。 1) 相平面图 f ( x, x ) 0 x 二阶系统的数学描述 ，得下列一阶微分方程组 设x1=x，x2= x

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。

7.1 概述
2. 典型的非线性特性
1) 饱和特性
2) 死区特性
3) 间隙特性(滞环特性)
4) 变放大系数特性
5) 继电器特性
7.1 概述
1) 饱和特性
x(t) k 0 a e(t)
数学表达式
ke(t ) x(t ) ka signe(t )
1 signe(t ) 1 不定
e(t ) a e(t ) a
-a
符号函数(开关函数)
e(t ) 0 e(t ) 0 e(t ) 0
图 7.2 饱和特性
a – 线性域宽度 k – 线性域斜率
(d)半稳定极限环
(a) 可通过实验观察到。设计时应尽量减少极限环 的大小，以满足系统的稳态误差要求。
(b) 不能通过实验观察到。设计时应尽量增大极限 环的大小，以扩大系统的稳定域。
(c)、(d)不能通过实验观察到。(c)不稳定。(d)稳 定，但过渡过程时间将由于极限环的存在而增加。
7.2 相平面法
单输入-单输出的线性定常系 统
现代控制理论（20世纪50 年代后）
可以是比较复杂的系统

第7章　非线性系统分析一、选择题1．非线性系统的无穷多条相轨迹相交的点称为（）。

[华中科技大学研]A．奇点B．会合点C．分离点D．终点【答案】A2．输出信号的一次谐波分量和输入信号的复数比定义为非线性环节的（）。

[华中科技大学研]A．传递函数B．描述函数C．谐波函数D．频率特性【答案】B二、解答题1．已知非线性系统如图7-1所示，其中，T＞0，K＞0，现要求系统输入量c（t）的ωc＝10，试确定参数T和K的数值。

（非线性环节自振振幅X c＝0.1，角频率为）[上海交通大学研]图7-1解：由已知ωc ＝10，线性部分传递函数为即又由于ωc ＝10，自振振幅X c ＝0.1得因此有2．已知某非线性系统结构如图所示，试用描述函数法分析K （K ＞0）值对系统稳定性的影响。

[南京航空航天大学2006研]图7-2 非线性系统结构图解：该饱和特性的描述函数为负倒描述函数当A ＝1时，，当A→＋∞时，，因此位于负实轴上的－1~－∞区段。

线性部分频率特性为令ImG （j ω）＝0，得G （j ω）与负实轴交点的频率为，且在复平面上绘制G （j ω）曲线以及曲线如下图所示。

由图可见，当时，即0＜K ＜6系统稳定；当时，即K ＞6系统产生自振。

自振频率，振幅A 由求得。

图7-33．某单位负反馈非线性系统如图所示，非线性环节的描述函数为，线性部分的传递函数如图所示。

试分析：（1）系统是否存在自振。

（2）若产生自振，计算自振频率及振幅，并讨论极限环的稳定性。

[浙江大学2008研]图7-4 非线性系统结构图解：非线性环节负倒描述函数为线性部分频率特性为且在复平面上绘制G（jω）曲线以及曲线如下图所示，相交于B点，有解得即系统存在自振的频率为1.155，振幅为11.246。

图7-54．已知非线性控制系统的结构图如图7-6所示。

为了使系统不产生自持振荡，试采用描述函数法确定图中非线性环节的特性参数a和b的数值。

[长安大学研][南京理工大学研][华中科技大学研]图7-6解：由题知非线性环节为死区继电器特性，则图形如图7-8所示。

7.2.6 非线性系统的相平面 分析
解
x 0 x 令 x e1 0 2 x x x(1 x) 0 xe2 1
f f x x ( xe , x x x ( xe , x e ) e ) (1 2 x) ( x （ 1 x2 ) x x
§7 非线性控制系统分析
§7.1 非线性控制系统概述
§7.2 相平面法
§7.3 描述函数法
§7.4 改善非线性系统性能的措施及非线
性特性的利用
§7.1概述
§7.1.1 非线性现象的普遍性 非线性是宇宙间的普遍规律 非线性系统的运动形式多样，种类繁多 线性系统只是在特定条件下的近似描述 §7.1.2 典型非线性特性
饱和
死区(不灵敏区)
间隙
继电特性
§7.1概述
§7.1.3 非线性系统运动的特殊性
— 线性系统理论原则上不能运用 — 不仅与自身结构参数，且与输入，初条件 有关，平衡点可能不惟一 自振运动 — 非线性系统特有的运动形式 频率响应的复杂性 — 跳频响应，倍/分频响应，组合振荡 不满足叠加原理 稳定性问题
等倾斜线方程
1）给定不同的值a，则可在相平面上画出相应的等倾斜线。
2）在各等倾斜线上画出斜率为a的短线段，则可以得到相轨 迹切线的方向场。
3）沿方向场画连续曲线就可以得到相平面图。
x x 0 画相轨迹 例7.1 x x x 解: x
dx x 即： x x dx x x dx dx x
• 2、本质非线性系统的相平面分析 • 解决思想：用分段线性特性来近似
– 首先，根据非线性特性的线性分段情况，用 几条分界线(开关线)把相平面分成几个线性 区域，在各个线性区域内，各自用一个线性 微分方程来描述。 – 其次，画出各线性区的相平面图。 – 最后，将相邻区间的相轨迹衔接成连续的曲 线，即可获得系统的相平面图。