1、第8章 非线性控制系统u 8.1 非线性控制系统概述非线性控制系统概述u8.2 典型非线性环节及其对系统的影响典型非线性环节及其对系统的影响u 8.3 描述函数法描述函数法u 8.4 用描述函数法分析非线性系统用描述函数法分析非线性系统u 8.5 相平面法相平面法u 8.6 非线性系统的相平面法分析非线性系统的相平面法分析u 本章小结本章小结u 习题习题本书前几章讨论的系统均为线性系统。但严格说来，任何一个实际控制系统，其元部件都或多或少地带有非线性特性，所以理想的线性系统实际上是不存在的。也就是说，实际的控制系统都是非线性系统。许多系统之所以能当作线性系统来分析，有两方面的原因：一是大多数实
2、际系统的非线性因素不明显，可以近似看成线性系统；二是某些系统的非线性特性虽然较明显，但在某一特定范围内或在某些条件下，可以对系统进行线性化处理，作为线性系统来分析。但是，当系统的非线性因素较明显且不能应用线性化方法来处理时，如饱和特性、继电特性等，就必须采用非线性系统理论来分析。本章介绍非线性控制系统的分析方法，包括工程上常用的描述函数法和相平面分析法。如果一个控制系统包含一个或一个以上的具有非线性特性的元件或环节，则此系统即为非线性系统。在非线性系统中，凡不能直接进行线性化处理的，均称为本质非线性系统。8.1 8.1 非线性控制系统概述非线性控制系统概述线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原
3、理，而且线性系统的运动特性与输入信号及系统的初始状态无关，因此通常可以在典型输入信号下和零初始条件下进行线性系统的分析与研究。由于非线性系统的数学模型是非线性微分方程，因此叠加原理不能应用，也不能采用线性系统的分析方法，而且非线性系统具有许多线性系统所没有的特点。8.1.1 非线性系统的特征非线性系统的特征1.稳定性稳定性在线性系统中，系统的稳定性只取决于系统本身的结构和参数，而与输入信号及初始状态无关。但非线性系统则不然，它的稳定性不仅取决于系统结构和参数，而且还与输入信号及初始状态有关系。对于同一结构和参数的非线性系统，初始状态位于某一较小数值的区域内时系统稳定，但是在较大初始值时系统可能
4、不稳定，有时也可能相反。所以，对于非线性系统来说，不能笼统地讲系统是否稳定，需要研究的是非线性系统平衡状态的稳定问题。如非线性方程(8-1)所描述的系统，方程中x项的系数是(1x)，它与变量x有关。若设t0时，系统的初始状态为xx0，由式(8-1)得积分得(8-2)0)1(xxx txxxd)1(dttxxxxe1e000图8-1 非线性系统的稳定性相应的时间响应随初始条件而变。(1)当x01时，可知特征根sx010，位于左半s平面上，则系统稳定。所以，系统响应x(t)递减并趋于0。(2)当x01时，可知特征根sx010，由式(8-2)解得x1，其暂态过程为一常数。(3)当x01时，可知特征根
5、sx010，位于右半s平面上，系统不稳定。所以，系统的暂态过程呈指数规律发散。不同初始条件下的时间响应曲线如图8-1所示。根据式(8-1)可得(8-3)令可解得该系统有两个平衡状态x0和x1。因此，x0的平衡状态是稳定的，它对应于x01；而x1的平衡状态是不稳定的，稍加扰动就不能再回到这个平衡状态。)1(xxx0 x 2.运动形式运动形式线性系统的运动形式与初始条件无关，如果某系统在某一初始条件下的暂态响应为振荡衰减形式，则在任何初始条件下该系统的暂态响应均为振荡衰减形式。但非线性系统则不然，可能会出现某一初始条件下的响应为单调衰减，而另一初始条件下则为振荡衰减，如图8-2所示。图8-2 非线
6、性系统在不同初始条件下的响应3.自持振荡自持振荡在没有外界周期性输入信号作用时，线性系统只有在0的情况下产生周期性运动，这时系统处于临界稳定状态。事实上，一旦系统的参数发生微小的变化，该状态就无法维持，或者发散至无穷大，或者衰减至零。而对于非线性系统，在没有外作用时，系统完全有可能产生频率和振幅一定的稳定的周期运动，这个周期运动是物理上可以实现并可以保持的，故通常将其称为自持振荡或自振荡。如果自振荡的幅值在允许的范围之内，按李亚普诺夫关于稳定性的定义，系统是稳定的。自振荡是人们特别感兴趣的一个问题，对它的研究有很大的实际意义。在多数情况下，正常工作时不希望有振荡存在，必须设法消除它；但在有些情
7、况下，特意引入自振荡，使系统具有良好的静态、动态特性。自振荡是非线性系统特有的特性，是非线性控制理论研究的重要问题。4.频率响应频率响应稳定线性系统的频率响应，即正弦信号作用下的稳态输出是与输入同频率的正弦信号，其幅值和相位均为输入正弦信号频率的函数。而非线性系统的频率响应除了含有与输入同频率的正弦信号分量(基频分量)外，还含有关于频率的高次谐波分量，使输出波形发生非线性畸变。若系统含有多值非线性环节，输出的各次谐波分量的幅值还可能发生跃变。非线性系统还具有很多与线性系统不同的特异现象，这些现象无法用线性系统理论来解释，因而有必要研究它们，以便抑制或消除非线性因素的不利影响。在某些情况下，还可
8、以人为地加入某些非线性环节，使系统获得较线性系统更为优异的性能。8.1.2 非线性系统的分析与设计方法非线性系统的分析与设计方法系统分析和设计的目的是通过求取系统的运动形式，以解决稳定性问题为中心，对系统实施有效的控制。由于非线性系统形式多样，受数学工具限制，一般情况下难以求得非线性微分方程的解析解，只能采用工程上适用的近似方法。本章重点介绍两种方法：描述函数法和相平面法。1)描述函数法描述函数法又叫谐波线性化法，它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法。该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
9、统的稳定性或自持振荡。2)相平面法相平面法是推广应用时域分析法的一种图解分析法。该方法通过在相平面上绘制相轨迹曲线，确定非线性微分方程在不同初始条件下解的运动形式。相平面法仅适用于一阶和二阶系统。在实际控制系统中所遇到的非线性特性是各式各样的，但可归纳为两类：一类是单值非线性特性，其输入与输出有单一的对应关系；另一类是非单值非线性特性，对应于同一输入值，输出量的取值不是惟一的。为了分析的方便，通常把常见的非线性因素进行统一归类，概括为几种典型的非线性环节。研究这些典型环节的特性及其对控制系统运动特性的影响，将会对分析复杂的非线性系统有指导意义。8.2 典型非线性环节及其对系典型非线性环节及其对
10、系统的影响统的影响常见的非线性环节按其物理性能及特性形状可分为饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性及变放大系数特性等。8.2.1 死区死区(不灵敏区不灵敏区)特性特性典型的死区特性如图8-3所示，其数学表达式为(8-4)cxcxkcxcxkcxy)()(0图8-3 死区非线性特性 实际工程中很多测量机构和元件都存在死区，即该元件的输入信号未超过某一特征数值时，无相应的输出；只有当输入信号的幅值超过这一特征值时，才有相应的输出。例如，作为执行元件的电动机，由于轴上存在静摩擦，电枢电压必须超过某一数值电机才可能转动；测量放大元件，输入信号在零值附近的某一小范围内时，其输出等于零，只有当输入信号大
11、于此信号范围时才有输出。此外，电气触点的预压力，弹簧的预张力，各种电路的阈值等都构成了死区。死区的存在会造成系统的稳态误差，测量元件尤为明显。这是因为当死区环节输入信号的幅值未超过死区特征值时，其输出信号为零，系统的前向通道处于断开状态，不产生调节作用。执行机构的死区可能造成运动系统的低速不均匀，甚至使随动系统不能准确跟踪目标。但有时人为地引入死区，可消除高频的小幅度振荡，从而减少系统中器件的磨损。一个系统可能有几个元件均存在死区，系统总的死区可以进行折算。如图8-4所示的系统，三个元件的死区分别为c1、c2、c3，其增益分别为k1、k2、k3，则折算到比较元件输入端总的死区为可见，前向通道中
12、最前面的元件死区影响最大，若要削弱后面元件死区的影响，可用加大前几级元件增益的办法来解决。213121kkckccc图8-4 包含多个死区的非线性系统8.2.2 饱和特性饱和特性饱和特性也是控制系统中常见的一种非线性，几乎所有的放大器都存在饱和现象。由于采用了铁磁材料，在电机、变压器中存在磁饱和。系统中加入的各种限幅装置也属饱和非线性。典型的饱和特性如图8-5所示，其数学表达式为(8-5)cxkccxkccxkxy,在输入信号|x|c时，该环节是放大倍数为k的比例环节，当|x|c时出现了饱和，随着|x|的不断增大，其等效放大倍数逐步降低，如图8-6所示。因此，饱和的存在使系统在大信号作用下的等
13、效增益下降，深度饱和情况下甚至使系统丧失闭环控制作用。另外，饱和会使系统产生自振荡。但在控制系统中也可以人为地利用饱和特性作限幅，限制某些物理量，保证系统安全合理的工作，如调速系统中利用转速调节器的输出限幅值限制电机的最大电枢电流，以保护电动机不致因电枢电流过大而烧坏。图8-5 饱和非线性特性图8-6 饱和非线性特性的等效增益8.2.3 间隙间隙(回环回环)特性特性在各种传动机构中，由于加工精度及运动部件的动作需要，总会存在一些间隙。如图87所示的齿轮传动系统，为了保证转动灵活，不至于卡死，必须留有少量的间隙。由于间隙的存在，当主动轮的转向改变时，从动轮开始保持原有的位置，直到主动轮转过了2c
14、的间隙，在相反方向与从动轮啮合后，从动轮才开始转动。典型的间隙非线性特性如图8-8所示。图8-7 齿轮传动中的间隙图8-8 间隙非线性特性 一般来说，间隙的存在对系统总是一个不利因素。首先它使系统的稳态误差增大，更主要的影响是，使系统的动态性能变差，使振荡加剧，稳定性变差。减小间隙最直接的办法是提高齿轮的加工和装配精度，也可以采用双片齿轮传动。若为多级齿轮传动，则最靠近负载的一级齿轮的间隙影响最大，应特别加以注意。另外，采用速度反馈的控制系统，测速机联轴器要安装合适。8.2.4 继电特性继电特性典型继电特性如图8-9所示。由于继电器的吸合动作电流大于释放动作电流，因此使其特性中包含了死区、回环
15、及饱和特性。令返回系数为(8-6)12iim动作电流返回电流图8-9 典型继电特性若返回系数m1，则无回环，其特性称为具有死区的单值继电特性，如图8-10(a)所示。若返回系数m1，即继电器的正向返回电流等于反向动作电流时，其特性称为具有回环的继电特性，如图8-10(b)所示。若i0，即继电器的动作电流及返回电流均为零值切换，则称这种特性为理想继电特性，如图8-10(c)所示。实际系统中有许多元件具有继电特性，如检测电平时的射极耦合触发器或由运放组成的电平检测器等比较电路。继电特性常常使系统产生振荡现象，但如果选择合适的继电特性，可提高系统的响应速度。图8-10 几种常见的继电特性图8-11
16、变放大系数特性8.2.5 变放大系数特性变放大系数特性变放大系数特性如图8-11所示，其数学表达式为(8-7)式中：k1、k2为输出特性斜率；c为切换点。cxxkcxxky21当输入信号的幅值不同时，具有这种特性的环节其放大系数也有所不同，变放大系数特性可使系统获得较好的性能。在大误差信号时，该环节具有较大的放大系数，使系统响应迅速；而在小误差信号时，该环节具有小的放大系数，使系统响应平稳，减少甚至消除超调量。另一方面，当系统中混入了高频小振幅噪声信号时，该环节具有抑制噪声的作用。当偏差信号较大时，噪声信号相对较小，此时放大系数大，系统的控制作用强，响应迅速；当偏差信号较小时，噪声电平相对较高
17、，但此时的放大系数较小，能对高频噪声起到明显的抑制作用。8.2.6 带死区的饱和特性带死区的饱和特性在很多情况下，系统的元件同时存在死区特性和饱和限幅特性。如测量元件的测量值规定在一个范围内时，即测量值不能太大或太小；电枢电压控制直流电动机的转速，当电枢电压达到一定值时，电机才转动，当电枢电压达到额定值时不能再增加，则电机转速只能等于额定转速，也不再升高。带死区的饱和特性如图8-12所示。应当指出，尽管各种复杂的非线性特性可以看作是各种典型非线性特性的组合，但绝不能将各个典型非线性环节的响应相加作为复杂非线性系统的响应，这是因为叠加原理不适用于非线性系统。图8-12 带死区的饱和特性在非线性系
18、统的运动形式中，自振荡是一种最常见且极为重要的运动形式，描述函数法是研究非线性系统自振荡的一种有效方法。尽管它是一种近似的方法，但对常见的实际非线性系统而言，其分析结果基本满足工程需要，因而在系统分析和设计中得到广泛的应用。8.3 描述函数法描述函数法8.3.1 描述函数的基本概念描述函数的基本概念非线性系统虽不能直接使用频率法，但可以对某些非线性环节正弦信号作用下的响应进行谐波分解。满足一定的假设条件时，非线性环节在正弦信号作用下的输出可用一次谐波分量(即基波)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。描述函数法是基于谐波分解的线性化近似方法，故也称做谐波线性化法。图8-13
19、 非线性系统的结构图设非线性系统的结构图如图8-13所示。其中线性部分的传递函数为图中，N(A)是非线性环节，它的输出量与输入量之间为非线性函数关系，即yf(x)()()(sYsCsG假设非线性系统满足以下两个条件：(1)非线性环节的输入信号为正弦信号时，输出为同频率的非正弦周期信号，而且其平均值为零，不产生直流项。这就要求非线性元件的输入和输出特性具有奇对称性，通常典型非线性特性均满足奇对称性。(2)系统的线性部分具有较好的低通滤波特性。一般控制系统都能满足此条件，且线性部分的阶次越高，其低通滤波特性越好。若对非线性元件输入一个正弦信号，即x(t)Asint则其输出一般不是正弦信号，但仍为一
20、个周期信号，其傅立叶级数展开式为(8-8)sincos(2)(10tnBtnAAtynnn)sin(210nnntnYA式中：(8-9)(8-10)(8-11)(8-12)(8-13)0d)(1ttyAdcos)(1ttntyAndsin)(1ttntyBn22nnnBAYnnnBA1tan 若非线性特性是奇对称的，则A00。而且由于系统的线性部分具有较好的低通滤波特性，使非线性环节输出中的高次谐波分量经线性部分后将会大大衰减。因此，可以用非线性元件输出信号的基波分量来代替非线性元件在正弦输入信号下的实际输出，即(8-14)tBtAtytysincos)()(111tYtYsincoscoss
21、in1111)sin(11tY式中：Y1为基波的幅值，1为基波的初相位，非线性环节输出量的基波分量与正弦输入信号的复数比定义为非线性环节的描述函数，其数学表达式为(8-15);21211BAY111arctanBAAABeAYAN11j1j)(1式中：N(A)为非线性环节的描述函数；A为正弦输入信号的振幅；Y1为非线性环节输出信号基波分量的振幅；1为非线性环节输出信号基波分量相对于输入信号的相位。描述函数一般为输入信号振幅的函数，故记作N(A)。若非线性元件中不含有储能元件，则N(A)只是正弦输入信号振幅的函数，与正弦输入信号的频率无关；若非线性元件中含有储能元件，则描述函数同时为输入信号振幅
22、和频率的函数，记作N(A，)。8.3.2 典型非线性特性的描述函数典型非线性特性的描述函数非线性特性的描述函数可以由式(8-15)求得，一般求解步骤如下：(1)根据非线性环节静态特性曲线，画出正弦信号输入下的输出波形，并写出输出波形y(t)的数学表达式。(2)利用傅立叶级数求出y(t)的一次谐波分量。(3)将求得的一次谐波分量代入式(8-15)，可得非线性环节的描述函数N(A)。下面计算几种典型非线性特性的描述函数。1.饱和特性饱和特性饱和非线性环节的输入输出特性及其输入输出波形如图8-14所示。当输入正弦信号的幅值Ac时，由于饱和的作用，其输出波形为一削顶的正弦波，其数学表达式为(8-16)
23、式中，Acaarcsin)(sin)(0sin)(tatkAatakcattkAty图8-14 饱和非线性环节的输入输出特性及其输入输出波形由式(8-9)(8-11)并考虑到饱和非线性特性为单值奇对称，有A00，A1001sin)(2ttdtyBsin)(sin)(sin)(20aaaattdtyttdtyttdtyatkA02dsin2ttkcaadsindsin2attkA)(1sin2cos221AcAcAckAaAcakA由式(8-15)得饱和非线性的描述函数为(8-17)ABAN1)()(1arcsin22AcAcAck)(cA2.死区特性死区特性死区非线性环节的输入输出特性及其输入
24、输出波形如图8-15所示。当输入正弦信号的幅值Ac时，输出为0；当Ac时，输出波形为正弦波的上半部分，其数学表达式为 (8-18)式中：)(,0)(),sin(0,0)(taatactAkatty图8-15 死区非线性环节的输入输出特性及其输入输出波形由于死区特性也是单值奇对称，故由式(8-9)(8-11)有A00，A102001dsin)(4dsin)(2tttytttyBdsindsin420202ttcttAkdsindsin4222aattActtkA)(1arcsin222AcAcAckA由式(8-15)，得死区非线性的描述函数为(8-19)(1arcsin22)(2AcAcAckA
25、N3.间隙特性间隙特性间隙非线性环节的输入输出特性及其输入输出波形如图8-16所示。由图可见，y(t)相对于x(t)有时间滞后，其数学表达式为(8-20)式中：)sin(2)(20)sin()(tactAkatcAktctAkty)21arcsin(Aca图8-16 间隙非线性环节的输入输出特性及其输入输出波形间隙特性为非单值奇对称，它在正弦信号作用下的输出特性y(t)为非奇非偶函数，但仍为180镜对称函数，故式(8-20)仅列出了0区间的表达式。由式(89)(8-11)有A00attcAttctAkA2201dcos)(dcos)sin(2dcos)sin(attctA)1(4Ackcatt
26、cAttctAkB2201dsin)(dsin)sin(2dsin)sin(attctA)1()21(2)21(sin21AcAcAcAckA间隙特性的描述函数为由式(8-21)可见，间隙特性的描述函数是A的复函数，因为Ac，所以其虚部为负，这说明间隙特性会造成相位滞后。AABAN11j)()1(4j)1()21(2)21arcsin(2AcAkcAcAcAcAck4.继电特性继电特性图8-17是具有回环的继电特性及其在正弦信号作用下的输出波形。继电特性输出信号的数学表达式为 (8-22)式中：2,0,)(taBataBatBty。Acaarcsin图8-17 具有回环的继电特性及其输入输出波
27、形具有回环的继电特性为非单值奇对称，它在正弦信号作用下的输出特性y(t)同样也是非奇非偶函数，但仍为180镜对称函数。由式(8-9)(8-11)有A00ABcttBAaa4dcos2121)(14dsin2AcBttBBaa继电特性的描述函数为(8-23)表8-1列出了一些典型非线性特性及其描述函数，以供查用。AABAN11j)(224j)(14ABcAcAB表表8-1 非线性特性及其描述函数非线性特性及其描述函数续表续表续表一个非线性环节的描述函数只表示了该环节在正弦输入信号下，其输出的一次谐波分量与输入正弦信号间的关系，因而它不可能像线性系统中的频率特性那样全面地表征系统的性能，只能近似地
28、用于分析非线性系统的稳定性和自持振荡。8.4 用描述函数法分析非线性系统用描述函数法分析非线性系统8.4.1 负倒描述函数负倒描述函数任何非线性系统经过对方框图的变换与简化都可以表示成由线性部分G(s)与非线性部分N(A)相串联的情况，如图8-18所示。由于自振荡是非线性系统内部自发的持续振荡，与外加的输入信号及干扰信号无关，因而可假设r(t)n(t)0。图8-18 非线性控制系统 假设x为一正弦信号，即xA sint则有yy1Y1sin(t1)而且AYAN1)(1)(AN对于线性部分，当输入y1时，其输出为如果即|N(A)|A|G(j)|A或|N(A)|G(j)|1及N(A)G(j)则有 x
29、1Asin(t)Asintx)j(sin)j(111GtYGxAGY)j(1)j(1G故在没有外信号作用下，系统有一个正弦振荡输出信号。而系统有一个正弦振荡运动解的充要条件是N(A)G(j)1(8-24)对于某一个特定的A0及0，式(8-24)成立，会产生等幅的周期性振荡，这相当于线性系统中G(j)1的情况。由式(8-24)得(8-25)式中，1/N(A)称为负倒描述函数，它相当于线性系统中的(1，j0)点。)(1)j(ANG已知在线性系统中，闭环特征方程为1Gk(j)0。而在非线性系统中，闭环特征方程为1G(j)N(A)0。将线性部分的G(j)曲线与负倒描述函数1/N(A)曲线画在同一复平面
30、上，两曲线的交点即满足式(8-25)，由此可确定系统的周期运动解，求得A0及0。交点处G(j)曲线所对应的频率即为0，而1/N(A)曲线所对应的幅值即为振幅A0。8.4.2 奈奎斯特稳定判据在非线性系统中的应用奈奎斯特稳定判据在非线性系统中的应用由于负倒描述函数相当于线性系统中的(1，j0)点，因此当线性部分的传递函数G(s)具有最小相位性质时，可以判断非线性系统的稳定性。在复平面上同时作出线性部分的频率特性G(j)曲线和非线性部分的负倒描述函数特性1/N(A)曲线，判别非线性系统稳定性的方法如下：(1)如果在复平面上，G(j)曲线不包围1/N(A)曲线，如图8-19(a)所示，则非线性系统稳
31、定。(2)如果在复平面上，G(j)曲线包围了1/N(A)曲线，如图8-19(b)所示，则非线性系统不稳定。(3)如果在复平面上，G(j)曲线与1/N(A)曲线相交，如图8-19(c)所示，则在非线性系统中产生周期性振荡，振荡的振幅由1/N(A)曲线在交点处的A值决定，而振荡的频率由G(j)曲线在交点处的频率决定。图8-19 非线性系统的稳定性分析8.4.3 自持振荡分析自持振荡分析如图8-19(c)所示，G(j)曲线与1/N(A)曲线相交，在交点处非线性系统会产生等幅振荡。但这个等幅振荡能否稳定地存在呢？也就是说，如果系统受到一个瞬时扰动，使振荡的振幅发生变化，系统是否具有恢复到施加扰动之前状
32、态的能力？若可以，该等幅振荡就能稳定地存在，并能够被观察到，称之为自持振荡；反之，则振荡不能稳定地存在，必然转移到其他运动状态。图8-20 存在周期运动的非线性系统为了确定稳定的自振状态，需要判断在周期运动解附近，当A变化A以后对应系统的稳定性。如图8-20所示，G(j)曲线与1/N(A)曲线有a，b两个交点。在a点，振幅为Aa、频率为a，若由于某扰动使振荡的振幅略有增大，这时工作点将沿1/N(A)曲线由a点移动到c点。由于G(j)曲线不包围c点，系统出现的振荡过程是收敛的，周期振荡的振幅要衰减，逐步恢复到Aa，又返回到工作点a。若由于某扰动使振荡的振幅略有减少，这时工作点将沿1/N(A)曲线
33、由a点移动到d点。由于G(j)曲线包围d点，则系统不稳定，输出将发散，其结果将使输出振幅变大，工作点又从d点返回到a点。由此可见，a点是稳定的工作点，可以形成自振荡。用同样的方法对b点的工作状态进行分析，可以得到：b点不是稳定的工作点，不能形成自振荡。由上述分析可知，该系统最终呈现两种可能的运动状态：一是当扰动较小，其幅值小于Ab时，系统趋于平衡状态，不产生自振荡；二是当扰动较大，其幅值大于Ab时，系统出现自振荡，其振幅为Aa，频率为a。综合上述分析过程，可以归结出判断稳定自振点的简便方法如下：在复平面上，将被G(j)曲线所包围的区域视为不稳定区域，而不被G(j)曲线所包围的区域视为稳定区域。
34、当交点处的1/N(A)曲线沿着振幅A增大的方向由不稳定区进入稳定区时，则该交点为稳定的周期运动。反之，若1/N(A)曲线沿着振幅A增大的方向在交点处由稳定区进入不稳定区时，则该交点为不稳定的周期运动。若为稳定的自振荡点，可确定其振幅和频率。【例例8-1】具有饱和非线性特性的控制系统如图8-21所示。(1)当K15时，判断自振荡的性质，求自振点振幅A0及频率0；(2)欲使系统不出现自振荡，确定K的临界值。解解(1)饱和非线性特性的描述函数为)(1arcsin2)(2cAAcAcAckAN图8-21 具有饱和非线性特性的控制系统在此，c1，k2。于是有当A1时，N(A)2，即1/N(A)曲线在点；
35、随着A，1/N(A)曲线为的负实轴段，如图8-22所示。)1(1111)1sin(4)(2AAAAAN0j,2121,图8-22 例8-1系统的G(j)曲线与负倒描述函数线性部分的频率特性为在图8-22中作出G(j)曲线，与1/N(A)曲线相交于a1点，并由判断稳定自振点的简便方法可知，a1点为稳定的自振点。在a1点，令ImG(j)0得7.07 rad/s将7.07 rad/s代入ReG(j)中，得a11，即所以有用近似法求解，得A2.5 1)(1AN1)1(11)1arcsin(4)(2AAAAN当K15时，该系统自振荡的振幅A02.5，振荡频率07.07 rad/s。(2)若要系统不产生自
36、振荡，可减小线性部分的放大倍数K。由图8-22得知，本系统的1/N(A)曲线位于区段，当K7.5时，G(j)曲线与1/N(A)曲线的交点为即a2点。若取K7.5，则两曲线不再相交，此时系统是稳定的，不会产生自振荡，所以Kc7.5。21,0j,21【例例8-2】一继电控制系统结构图如图8-23所示。继电器参数h1，M3，试分析系统是否产生自振荡。若产生自振荡，求出振幅和振荡频率。若要使系统不产生自振荡，应如何调整继电器参数？解解 带死区的继电特性的描述函数为2)(14)(AhAMAN2)(14)(1AhMAAN)(hA图8-23 继电控制系统可见，在负实轴上有极值点。令求得极值点为由h1，M3可
37、得。时，当；时，当)(1)(1ANAANhA52.06)(12AAN)(1AN0)(1ddANA又令ImG(j)0，得 rad/s。将代入ReG(j)中，得由此可见，1/N(A)曲线与G(j)曲线有交点，如图8-24所示。为求得交点处对应的振幅值，令)j(G)j1)(5.0 j1(j2)25.025.11()5.01(j234222rad/s267.05.11)j(ReG求得两个振幅值：A11.11，A22.3。经过分析系统会产生一个稳定的自振荡，其振幅为A2.3，频率为为使系统不产生自振荡，可令由此求得继电器参数比M/h2.36。如调整M和h比例为M2h，则系统不产生自振荡。5.11)1(1
38、12)(1422AAAhMArad/s25.11)(12hAAN图8-24 例8-2系统的G(j)曲线与负倒描述函数应当指出，应用描述函数法分析非线性系统运动的稳定性，都是建立在只考虑基波分量的基础之上的。实际上，系统中仍有一定量的高次谐波分量流通，系统自振荡波形是一个比较复杂的周期性波形，并非纯正弦波，所以描述函数法只是一种近似的研究方法。同时，在采用描述函数法时又采用图解法，因此必然存在着精确度问题。如果G(j)曲线与1/N(A)曲线几乎垂直相交，且非线性环节输出的高次谐波分量被线性部分充分衰减，则分析结果是准确的。若两曲线在交点处几乎相切，其准确度取决于线性部分对高次谐波衰减的程度。8.
39、4.4 非线性系统的简化非线性系统的简化非线性系统的描述函数分析是建立在图8-18所示的典型结构基础上的。当系统由多个非线性环节和多个线性环节组合而成时，在一些情况下，可通过等效变换，使系统简化为典型结构形式。等效变换的原则是在r(t)0的条件下，根据非线性特性的串、并联，简化非线性部分为一个等效非线性环节，再保持等效非线性环节的输入输出关系不变，简化线性部分为一个等效线性环节。(1)系统只含有一个非线性环节。如图8-25所示，这种情形线性部分可直接简化为图8-26所示结构图。(2)非线性特性的并联。若两个非线性环节输入相同，输出相加、减，如图8-27所示，有两种简化方法。一是先将两个非线性特
40、性相叠加再求总的描述函数N(A)；二是先分别求得两个非线性环节的描述函数N1(A)和N2(A)，再有N(A)N1(A)N2(A)。化简后的系统结构图如图828所示。图8-25 非线性系统结构图图8-26 化简后的非线性系统结构图图8-27 非线性特性并联结构图图8-28 化简后的非线性系统结构图(3)非线性特性的串联。若两个非线性环节串联，可采用图解法简化。以图8-29所示的死区特性和带死区的继电特性串联简化为例。图8-29 非线性特性串联通常，先将两个非线性环节按图8-30(a)、(b)形式放置，再按输出端非线性特性的变化端点2和a2确定输入x的对应点和a，获得等效非线性特性如图8-30(c
41、)所示，最后确定等效非线性特性的参数。由2k1(1)得：(8-26)由a2k1(a1)得(8-27)121k112kaa图8-30 非线性特性串联简化的图解方法 当|x|时，由y(x1)可知，y(x)0；当|x|a时，由y(x1)亦可知，y(x)k2(a22)；当|x|a时，y(x1)位于线性区，y(x)亦呈线性，设斜率为k，即有y(x)k(x)k2(x12)特殊地，当xa时，x1a2，由于x12k1(a)，故因此kk1k2。,122kaa应当指出，两个非线性环节的串联，等效特性还取决于其前后次序。调换次序则等效非线性特性亦不同。描述函数需按等效非线性环节的特性计算。多个非线性环节串联，可按上
42、述两个非线性环节串联的简化方法，依照由前向后的顺序逐一加以简化。(4)线性部分包围非线性部分。如图8-31(a)所示的非线性系统，可令r(t)0，便可得到图8-31(b)所示的简化结构图。(5)非线性部分局部包围线性部分。如图8-32(a)所示的非线性系统，可令r(t)0，按等效变换原则，先得到图832(b)所示的简化结构图，进一步简化便可得到图8-32(c)所示的结构图。图8-31 非线性系统等效变换图8-32 非线性系统等效变换相平面法是由庞加莱于1895年首先提出来的。该方法通过图解法将一阶系统和二阶系统的运动过程转化为位置和速度平面上的相轨迹，从而比较直观、形象、准确地反映系统的稳定性
43、、平衡状态和稳态精度，以及初始条件和参数对系统运动的影响。该方法的特点是相轨迹的绘制方法步骤简单，计算量小，特别适用于分析常见非线性特性和一、二阶线性环节组合而成的非线性系统。8.5 相平面法相平面法8.5.1 相平面的基本概念相平面的基本概念设二阶系统可用常微分方程描述如下：(8-28)式中：f(x，)是x(t)和的线性或非线性函数。该方程的解可以用x(t)的时间函数曲线表示，也可以用和x(t)的关系曲线表示，而t为参变量。x(t)和称为系统运动的相变量(状态变量)，以x(t)为横坐标，为纵坐标构成的直角坐标平面称为相平面。x)(tx)(tx)(tx)(tx),(xxfx 相变量从初始时刻t
44、0对应的状态点(x0，0)起，随着时间t的推移，在相平面上运动形成的曲线称为相轨迹。在相轨迹上，用箭头符号表示参变量时间t的增加方向。根据微分方程解的存在与惟一性定理，对于任一给定的初始条件，相平面上有一条相轨迹与之对应。多个初始条件下的运动对应多条相轨迹，形成相轨迹簇，而由一簇相轨迹所形成的图形称为相平面图。若已知x(t)和的时间曲线如图8-33(b)和(c)所示，则可根据任一时间点的x(t)和的值，得到以x(t)为横坐标、为纵坐标的相平面上对应的点，并由此获得一条相轨迹，如图833(a)所示。)(tx)(tx)(tx 图8-33 x(t)，及其相轨迹曲线)(tx 8.5.2 相轨迹的绘制相
45、轨迹的绘制利用相平面分析法研究非线性系统，必须先绘制出系统的相轨迹，才能通过对其进行观察和分析来研究系统的运动。显然，非线性系统相轨迹的绘制是最为核心的问题。相轨迹可以通过解析法求得，也可以通过作图法或实验方法作出。1.解析法解析法一般适用于运动方程比较简单或可以分段线性化的系统。这时应用解析法求出相轨迹的解，然后绘制出相轨迹。【例例8-3】某弹簧质量运动系统如图8-34所示，图中m为物体的质量，k为弹簧的弹性系数。若初始条件为x(0)x0，试确定系统自由运动的相轨迹。解解 描述系统自由运动的微分方程式为由m1，k1得(8-29)将上式写为0)0(xx0 kxxm 0 xx xxxxdd图8-
46、34 弹簧质量运动系统即因为于是，有xxxxdd)(21d2020 xxxxxx)(21d2020 xxxxxx)(21)21202202xxxx（整理得(8-30)该系统自由运动的相轨迹为以原点为圆心、为半径的圆，见图8-35。2020 xx202022xxxx22020)(xx图8-35 弹簧质量运动系统的相轨迹【例例8-4】含有理想继电器特性的非线性系统如图836所示。输入r(t)1(t)，试绘制其相轨迹。解解 系统线性部分输入与输出的关系是非线性部分输入与输出的关系是因为yc )0(0(rceMr)ceMy，即，即yccctccctccdddddddd 图8-36 理想继电器非线性系统
47、方框图所以，该系统的相轨迹方程式为(8-31)(8-32)对式(8-31)及式(8-32)分离变量并积分后可得出(8-33)(8-34)(ddrcMccc)(ddrcMccc)(212rcAMcc)(222rcAMcc图8-37 理想继电器系统的相轨迹式中，A1，A2为积分常数，由初始条件求得。至此，可在相平面上作出系统的相轨迹图如图8-37所示。可见，直线cr将相平面分为两个区域，即区和区，它们分别对应于式(8-33)和式(8-34)，每个区域内的相轨迹都是一簇抛物线。若系统的初始条件处于A点，A点位于区内，应按照区对应的方程式(8-34)运动，即则随着时间的推移相点将从A点逐步移动到B点。
48、越过B点相点进入区，按照区对应的方程式(8-33)运动，即cc222AMcc则相点逐步移动到C点，在C点发生切换又沿区的相轨迹经A点趋向B点，周而复始，构成封闭曲线。故本例的时间响应呈周期运动状态。122AMcc2.图解法图解法绘制相轨迹的作图方法有多种，如等倾线法、法等。其中，等倾线法以其简单实用的特点而被普遍采用。在此只介绍等倾线法。等倾线法不需要求解微分方程。对于求解困难的非线性微分方程，该方法显得尤为实用。等倾线法的基本思路是先确定相轨迹的等倾线，进而绘制出相轨迹的切线方向场，然后从初始条件出发，沿方向场逐步绘制相轨迹。对于非线性系统即上式也可表示成其中，是相轨迹的斜率，令为一常数，则
49、有或(8-35)xxdd,ddxxxxxf),(0),(xxfx根据这一方程可在相平面上作一曲线，称为等倾线。当相轨迹经过该等倾线上任一点时，其切线的斜率都相等，均为。在等倾线上各点处作斜率为的短直线，如图8-38所示。取为若干不同的常数，即可在相平面上绘制出若干条等倾线，由此即可构成相轨迹的切线方向场。所以，根据给定的初始条件，从初始点出发，便可沿各条等倾线所决定的相轨迹的切线方向依次画出系统的相轨迹。图8-38 等倾线和确定相轨迹斜率的短线段【例例8-5】线性二阶系统的运动方程为试用等倾线法绘制系统的相轨迹。解解 系统的微分方程可以化为或令得等倾线方程为xx dd0ddxxxxxxxxxx
50、ddxx11图8-39中作出了取不同值的等倾线及等倾线上表示斜率值的许多小线段。在作好等倾线的相平面图上，从初始点出发顺时针将各小线段光滑地连接起来，便得到一条相轨迹。如从A点出发经过B、C、D、E最后逐渐趋于原点，如图8-39所示。图8-39 例8-5线性系统的相轨迹使用等倾线法绘制相轨迹应注意以下几点：(1)坐标轴x和应选用相同的比例尺，否则等倾线斜率不准确。(2)在相平面的上半平面，由于0，x随时间t增大而增加，相轨迹的走向应是由左向右；相反，在相平面的下半平面，0，x随时间t增大而减小，相轨迹的走向应是由右向左。(3)除系统的平衡点外，相轨迹与x轴的相交处切线斜率应为或，即相轨迹与x轴
