控制理论个人学习笔记-非线性系统理论

非线性系统理论

非线性系统的一般概念

• 典型非线性

  • 死区

  • 饱和

  • 间隙

  • 摩擦

  • 继电特性

• 继电特性使得系统产生振荡，死区使得系统存在稳态误差，饱和使得系统的开环增益在饱和区下降，间隙降低系统的跟踪精度，摩擦造成系统低速运动的不平滑性。

• 非线性系统的运动特点：稳定性；运动形式；自激振荡；频率响应

  • 稳定性

    非线性系统稳定性不仅与系统结构参数有关，而且与输入信号和初始条件有关(这是线性系统稳定性不要考虑的)。

  • 运动形式

    线性系统在任何初始偏移下的时间响应曲线都具有相同的形式，非线性系统则不然。当初始偏移变化以后，其时间响应曲线可以发生很大变化，可能由原来的振荡收敛形式变为非周期形式，甚至出现发散的情况。

  • 自激振荡

    对于非线性系统，由于振荡的振幅将受到非线性特性的限制，即使没有受到外界作用，也可能产生一定频率和振幅的稳态振荡。有时要避免，有时要利用。

  • 频率响应

    又称正弦稳态响应。对于非线性系统，输入信号是正弦信号时，其稳态输出通常是含有高次谐波分量的非正弦周期函数。

• 非线性系统所研究的问题及方法

  主要研究自激振荡问题和利用非线性特性改善系统性能。

  分析方法有：

  相平面法——推广时域分析方法的一种图解分析法；

  描述函数法——本质一次谐波近似法；

  逆系统法——运用内环非线性反馈控制，构成伪线性系统，设计外环控制网络。

相平面基础

• 相平面、相点、相轨迹
• 相轨迹的绘制方法
• 相轨迹的特点
• 线性系统的相轨迹
• 由相轨迹求某个过程所用时间

非线性系统的相平面分析

• 非线性系统的相轨迹

• 极限环

  若非线性系统的相轨迹在相平面图上表现为一个孤立的封闭曲线，所有附近的相轨迹都渐进地趋向或离开整个封闭的曲线，这个封闭曲线被称为极限环。

• 相轨迹的跳跃

• 开关线变化对运动性能的影响

• 有外作用时相轨迹的研究

描述函数法基础

• 谐波线性化

• 描述函数的定义

  描述函数 N N N定义为==非线性输出的基波分量与输入正弦量的复数比==

  KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ang at position 12: N=\frac{Y_1\̲a̲n̲g̲\phi_1}{X\ang0}

• 典型非线性特性的描述函数

  1. 计算在 x = X s i n ( ω t ) x=Xsin(\omega t) x=Xsin(ωt)作用下的输出波形 y ( t ) y(t) y(t)
  2. 计算 y ( t ) y(t) y(t)的Fourier级数，找到 A 1 A_1 A1​和 B 1 B_1 B1​ 基波分量 y 1 ( t ) = A 1 c o s ( ω t ) + B 1 s i n ( ω t ) y_1(t)=A_1cos(\omega t)+B_1sin(\omega t) y1​(t)=A1​cos(ωt)+B1​sin(ωt) 写成复数形式 Y 1 c o s ( ω t + ϕ 1 ) Y_1cos(\omega t+\phi_1) Y1​cos(ωt+ϕ1​)
  3. KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ang at position 12: N=\frac{Y_1\̲a̲n̲g̲ ̲\phi_1}{X\ang0}

• 描述函数法的物理意义

  线性环节的频率特性函数与输入信号振幅无关，

  非线性环节的描述函数是输入信号幅值的函数 N ( A ) N(A) N(A)。

非线性系统的描述函数法分析

• 可以证明，描述函数法是非线性特性在均方差意义下的最优逼近。

• 描述函数法的应用前提 (注意!!!)——或者说描述函数法合理性的简单论证

  设非线性系统经过变换和归化，可表示为非线性部分 N N N和线性部分G相串联的典型反馈结构。

  

  描述函数法基于这样的假设，即当系统处于自激振荡时，非线性部分和线性部分的输入、输出均为同频率的正弦信号。在这种条件下，非线性部分的特性可用描述函数表示，线性部分的特性可用频率特性表示，从而建立起非线性系统自振时的理论模型。

  自振是由非线性系统内部自发的持续振荡，和外作用无关。假设自振时非线性部分的输入端为正弦信号 x ( t ) = X s i n ( ω t ) x(t)=Xsin(\omega t) x(t)=Xsin(ωt) ，其输出除基波分量外，还有高次谐波分量。一般，高次谐波的振幅较基波振幅小，而在通过线性部分之后，由于线性部分的低通滤波效应，将使高次谐波分量进一步衰减，致使线性部分的输出可以认为只是基波分量的响应。

  综上所述，应用描述函数法分析非线性系统的前提是：

  1. 非线性特性具有奇对称性；(保证输出不含直流分量)
  2. 非线性系统可以归化为图9-5的典型结构；
  3. 非线性部分输出 y ( t ) y(t) y(t)中的基波分量最强； (这样的话近似就显得合理)
  4. 线性部分 G ( j ω ) G(j\omega) G(jω)的低通滤波效应较好。

• 周期运动解与自激振荡

• 稳定性分析

  定义一个非线性系统是稳定的：本来在平衡位置，在受到扰动后，能够恢复原来的平衡位置

非线性系统是不稳定的：本来在平衡位置，受到扰动后，其输出将偏离，不能复原原来的平衡位置

介于稳定与不稳定之间的状态就是临界状态，周期运动解就是一种临界状态。

• 结构规化问题——即化简为典型结构的方法