第8章非线性控制系统.

第八章非线性控制系统理想的线性系统在实际中并不存在小范围内线性化的方法相平面法描述函数法8-1引言一常见非线性特性对系统运动的影响yx0KSS只要系统中包含一个或一个以上具有非线性特性的元件，就称其为非线性系统。非线性特性可分为单值函数与多值函数两类。常见非线性特性有:yx非线性环节yx0Kyx0MMyxMMhhmhmhyxKbb1：死区yx0K•死区对系统最直接的影响是造成稳态误差•摩擦死区特性可能造成运动系统的低速不均匀•死区的存在会造成系统等效开环增益的下降(1)KsTsr1()tc-e(1)KsTs死区特性r1()tc-eu0sse~sse减弱振荡性，提高稳定性•死区能滤除在输入端作小幅度振荡的干扰信号，提高系统的抗干扰能力。11ykx1xk1y213121KKK处于系统前向通路最前面的测量元件，其死区所造成的影响最大，而放大元件和执行元件死区的不良影响可以通过提高该元件前级的传递系数来减小。,Kxy323()yKx11,K22,K33,Kyx1x2x32123321123[()]{[()]}()KKxKKKxKx•大信号作用之下的等效增益降低，使系统超调量下降，振荡性减弱，稳态误差增大。yx0KSS2：饱和•处于深度饱和的控制器对误差信号的变化失去反应，从而使系统丧失闭环控制作用。•利用饱和特性作信号限幅，保证系统安全合理地工作。•自持振荡现象若线性系统为振荡发散，当加入饱和限制后，系统就会出现自持振荡的现象。3：间隙又称回环yxKbb•增大了系统的稳态误差，降低了控制精度，这相当于死区的影响•使系统频率响应的相角迟后增大，从而使系统过渡过程的振荡加剧，甚至使系统变为不稳定2πytx1tb4：继电特性其特性中包含了死区、回环及饱和特性。当h=0时，称为理想继电特性。yx0MMyxMMhhmhmh•理想继电特性串入系统，在小偏差时开环增益大，系统的运动一般呈发散性质；而在大偏差时开环增益很小，系统具有收敛性质。故理想继电控制系统最终多半处于自持振荡工作状态。•继电特性能够使被控制的执行装置在最大输入信号下工作，可以充分发挥其调节能力，故有可能利用继电特性实现快速跟踪。•至于带死区的继电特性，将会增加系统的定位误差，而对其它动态性能的影响，类似于死区、饱和非线性特性的综合效果。二.非线性系统特征1：稳定性对于非线性系统，不存在系统是否稳定的笼统概念，必须针对系统某一具体的运动状态，才能讨论其是否稳定的问题。例如)1(2xxxxx设t=0时，系统的初始条件为x0，可以求得上述微分方程的解为：ttexxextx0001)(t10()xt所以说，非线性系统的稳定性不仅与系统的结构和参数有关，而且与运动的初始条件、输入信号有直接关系。可见，非线性系统可能存在多个平衡状态，其中某些平衡状态稳定，另一些平衡状态不稳定的。初始条件不同，系统的运动可能趋于不同的平衡状态，运动的稳定性就不同。2：时间响应()ytt01R2R线性系统非线性系统3：自持振荡4：对正弦信号的响应143256120cA线性系统当输入某一恒定幅值和不同频率ω的正弦信号时，稳态输出的幅值Ac是频率ω的单值连续函数。对于非线性系统输出的幅值Ac与ω的关系可能会发生跳跃谐振和多值响应，5：非线性系统的畸变现象三.非线性系统的分析方法目前研究非线性系统常用的工程近似方法有：1：相平面法2：描述函数法3：计算机求解法8-2相平面法基础一.相平面法的概念设一个二阶系统可以用下列微分方程描述：),(xxfx考虑到：dxxdt可改写为：xxxfdxxd),(如果能解出该方程，即求出和x的关系，则可以运用=dx/dt，把x和t的关系计算出来。xxdxdxdxdtdxxdx以x为横坐标、为纵坐标所组成的直角坐标平面称为相平面(状态平面)。在某一时刻t，x(t)和对应于相平面上的一个点，称为相点(状态点),它代表了系统在该时刻的一个状态。x)(tx通常系统在初始时刻t0的初始状态用相点表示,随着时间的增长，系统的状态不断地变化，沿着时间增加的方向，将描述这些状态的许多相点连接起来，在相平面上就形成了一条轨迹曲线，这种反映系统状态变化的轨迹曲线叫相轨迹),(00xxx01t2t3ttx1t2t3ttxx01t2t3t相轨迹的箭头表示时间增加时，相点的运动方向。从图中可以看出，在上半平面,相轨迹总是沿着x增加的方向运动(向右运动),而在下半平面,相轨迹总是沿着x减小的方向运动(向左运动)。对于任一初始条件，微分方程有唯一的解与之对应。因此，对某一个微分方程，在相平面上布满了与不同初始条件相对应的一族相轨迹，由这样一族相轨迹所组成的图象叫相平面图，简称相图。x01t2t3ttx1t2t3ttxx01t2t3t二.相轨迹的绘制方法1：解析法(1)消去参变量t。(2)直接积分dxxhxdxg)()(则通过积分，也可直接得到并绘制相轨迹。的关系，和xx若原方程可以分解为：例8-1设描述系统运动的微分方程为：0xx初始条件为x(0)=x0，试绘制系统运动的相轨迹。,0)0(x解：先用第一种解析法求解。根据初始条件可以求得系统运动微分方程的解为：txtxcos)(0txtxsin)(02022)()(xtxtx再采用第二种解析法求解。系统的微分方程改写为：xdxxdxxdxxdx两边积分，得：2022)()(xtxtxxx00x2：图解法(1)等倾线法),(xxfxxxxfdxxd),(若令：dxxd则有：xxxf),(令α为某一常数,上式即为一条等倾线方程。xx等倾线等倾线作图法….例8-2设描述系统运动的微分方程为：0xx初始条件为x(0)=x0，试用等倾线法绘制系统运动的相轨迹。,0)0(x解：0xdxxdx令：dxxdxx1上式即为等倾线方程。显然，等倾线为通过相平面坐标原点的直线，其斜率为-1/α，而α是相轨迹通过等倾线时切线的斜率。xx2.01.00.50.51.02.000(,0)x0注意事项：第一，横轴(x轴)与纵轴(dx/dt轴)所选用的比例尺应当一致，这样α值才与相轨迹切线的几何斜率相同。第二，在相平面的上半平面，相轨迹总是沿着x增加的方向运动(向右运动)；而在下半平面,相轨迹总是沿着x减小的方向运动(向左运动)。第三，除平衡点(即x的各阶导数为零的点)外，通过x轴时相轨迹的斜率为,/),(xxxf所以相轨迹是与x轴垂直的。xx2.01.00.50.51.02.000(,0)x0第四，等倾线的条数应取得适当。另外，采用平均斜率的方法作相轨迹，可以提高作图的精确度。(2)δ法),(xxfx其中是单值连续的函数),(xxfxxxfxx22),(22),(),(xxxfxx),(22xxxxδ值取决于变量和x,若和x的变化很小,δ可以看作是一个常量，例如在相平面的点附近，δ的值就可以取为：xx),(111xxP212111),(xxxfx11()Px,xx00)(12xx)(12xdxxdx积分后,可得：222221111xxxx如果把纵坐标取为横坐标仍为x，则在这样的相平面内，上式代表一个圆心在Q(δ1,0),半径为|P1Q|的圆。,x212111),(xxxfx11()xPx,ωx1Q(0),00)(12xx)(12xdxxdx用δ法绘制相轨迹的具体方法是….改进方法….三.由相平面图求时间解1：增量法对于小的时间增量Δt和位移增量Δx，其平均速度为Δx/Δt，若Δt足够小，可以令：txx平均平均xxt相轨迹从P0点到P1点，横坐标x的变化量为Δx01，纵坐标的平均值为：21001xxx因此，从P0点到P1点所需时间的近似值为：010101xxtP2P3P2P3t23t12xP0P1x0xP0P1t01t0同理可得从P1点到P2点，P2点到P3点，……所需时间的近似值分别为：,,232323121212xxtxxt避免出现的平均值为零的情况x2：积分法,dtdxxdxxtttxx10101根据从坐标为x0的点移到坐标为x1的点所需时间为：P0P1xx01x2xP0P11xx01x2x3：圆弧法这种方法的基本思想是：用圆心位于x轴上的一系列小圆弧来近似所研究的相轨迹段，则运动所需时间等于沿这些小圆弧运动所需时间之和。相轨迹AD段，可以用x轴上的P、Q、R点为圆心，以|PA|、|QB|、|RC|为半径的小圆弧AB、BC、CD来近似。经过每段小圆弧所需的时间，可以很方便地计算出来。xx0PQRABCDABMAB以tAB为例，在M点有：sincosxPAxPAOPsin1sinBBAAxABxPAtdxdxPAABAB8.3二阶系统的相平面分析法一.线性系统的相轨迹以二阶系统的自由运动为例，介绍线性系统的相轨迹。设系统的微分方程：022xxxnn1：无阻尼运动02xxnxdxxdxn2222020222nnxxxx相轨迹为一个椭圆x00(,)xxxx0t2：欠阻尼运动)cos()(tAetxdtn0002020020221xxxarctgxxxxAdndnnnd对x(t)求导，消去时间t，整理后得：xxxarctgcxxxdndndn2exp222dndAc2exp22022xxxnn它是一条通过初始点绕在相平面坐标原点上的对数螺旋线。),,(00xxx00(,)xxxx0tdndAc2exp22xxxarctgcxxxdndndn2exp222给定不同的初始点，可以画出一族对数螺旋线。此时，系统在初始条件下的自由运动为衰减振荡曲线。3：过阻尼运动tqtqeAeAtx2121)(2100121200212221,)1(,)1(qqxxqAqqxxqAqqnn当初始点满足0001xxq有A2=0，可得相轨迹方程为：01xxq它表示了相平面上一条特殊的相轨迹。同理，当初始点满足0002xxq有A1=0，相轨迹方程为：02xxqxx100(,)xx2xt0当A1和A2不为零时，对x(t)求导，消去时间t，整理后得：1212qqxqxcxqx1122221112qqqqAqqAqqc4：负阻尼运动负阻尼运动时ξ0。其中-1ξ0时特征方程式根为一对具有正实部的共轭复数根，相轨迹是一族对数螺旋线。xx0xx0ξ-1时特征方程式根为两个正实根，相轨迹是一族抛物线。对于线性二阶系统，还存在另外一种类型的微分方程：022xxxnn式中ξ0。这时特征方程式根为一正、一负两个实根，微分方程解的形式与过阻尼运动时的形式相同tqtqeAeAtx2121)(-q10，-q20。当初始条件满足：0001xxq得到特殊的相轨迹：01xxq当初始条件满足：0002xxq得到特殊的相轨迹：02xxq否则，相轨迹为一族双曲线。0x10qxxx20qxx二.奇点与