非线性系统分析

实际系统都含有非线性因素(饱和、死区、间隙、摩擦等)。非线性系统有线性系统不具备的独特现象:自激振荡、跳跃谐振、次谐波。本章介绍两种主要分析方法。


常见非线性特性

特性输入-输出关系物理来源
饱和输出有上限放大器、阀门行程
死区小输入时输出为零摩擦、间隙
间隙(回环)正反方向切换不同路径齿轮间隙
继电器开关特性(二值输出)继电器、比较器
平方/立方 或 流体力学、空气阻力

非线性系统的特有现象

  • 自激振荡(极限环):无外输入时的持续振荡
  • 跳跃谐振:频率缓慢变化时振幅突变
  • 次谐波:输出中出现输入频率的分数倍频率
  • 频率俘获:强迫振荡频率被拉到自激振荡频率附近

相平面法

基本思想

将二阶系统转化为状态平面 上的几何问题:

相轨迹的斜率:

等倾线法

在 (常数)的曲线上,相轨迹的斜率相同。画出不同 的等倾线,逐段绘制相轨迹。

奇点分类

奇点类型特征根相轨迹形态稳定性
稳定焦点共轭复根,螺旋收敛渐近稳定
不稳定焦点共轭复根,螺旋发散不稳定
稳定节点两个负实根单调收敛渐近稳定
不稳定节点两个正实根单调发散不稳定
鞍点一正一负实根双曲线不稳定
中心纯虚根闭合椭圆临界稳定

分段线性系统的相平面

对于含饱和/死区/继电器的系统:

  1. 将相平面分为若干线性区域
  2. 在每个区域内绘制相轨迹
  3. 在区域边界处连接(连续性条件)

描述函数法

基本思想

用谐波线性化近似非线性环节:假设输入为正弦 ,取输出基波分量与输入之比。

描述函数定义

其中 、 为非线性环节输出 的基波傅里叶系数:

常见非线性描述函数

非线性
饱和(, ),
死区(, ),
理想继电器()(纯实数,无相位)

自激振荡判据

将非线性环节等效为 ,线性部分为 ,系统闭环方程:

在复平面上画 曲线和 曲线:

  • 交点 = 可能的自激振荡点
  • 稳定交点条件:沿 增大方向, 从 的不稳定侧穿到稳定侧
  • 交点对应的 = 振荡频率, = 振荡幅值

逆系统方法

基本思想

构造非线性对象的”逆”,使串联后的等效系统为线性系统,然后用线性方法设计控制器。

对 ,若 可逆,则逆系统 。串联后:,等效为恒等映射。


物理直觉

极限环 = 非线性系统的”平衡态”

线性系统只有”收敛到零”或”发散”两种结局;非线性系统可以有稳定的周期运动——极限环。

描述函数 = “等效增益”

非线性环节的增益随输入幅值变化: 是幅值 的函数。

  • 饱和: 越大 → 等效增益越小
  • 死区: 越大 → 等效增益越接近

与已有知识的关联


来源:胡寿松 自动控制原理 第八版 深度解析 Ch.8