自动控制原理非线性系统的分析2

1第七章非线性系统的分析2§4相平面法及相平面图它是一种求解二阶微分方程的图解法设有二阶常微分方程0),(xxfx其解有两种表达式⑴时间响应过程形式x=F(t)它直接揭示了系统动态过程.⑵相轨迹形式,即状态变量描述形式任一动态过程都可用相应的状态变量来描述.状态变量个数等于微分方程阶数,如二阶系统两个状态变量,实际中可对应于(位移,速度),(压力,压强),(E,E程度变化率)),(xx),(xx.一、相平面的基本概念31.相平面:以x和为横轴和纵轴构成的坐标平面.2.相点:相平面上任一点),(xx3.相轨迹:对二阶系统来讲，从某一初始状态出发，以时间t为参变量，便可画出一条连续变化的相轨迹。4.相轨迹特点:⑴与初始点(状态)密切相关.⑵可以不直接求出微分方程而获得系统所有运动状态.5.相轨迹判断系统稳定性4(x0,x0)xx漸進穩定系統xx(x0,x0)不穩定xx(x,,x)極限環持續振蕩二、相平面图绘制方法1.解析法:适用于微分方程简单(二阶)或可分段线性化.5设二阶系统0),(xxfx(*)若令xy则yyxfdxdtdtdydxdy1),(可积,便解出相轨迹方程)(xfxy,并由此画出相轨迹。以t为参变量（或消去t）也能画出相轨迹。例：如无阻尼二阶系统02xxn022xxxnn只考虑暂态解故取常数0。令则yxyxdxdyn2，设初始条件为),(00yx整理上式并积分xdxydyyyxxn200当然，若能直接通过（*）式求得，再求出。)(tx)(tx6xdxydyn22222Axyn)(21)(212202202xxyyn20202222yxyxnn1)(2222AyAxn其中22020nyxA当然还可解出)cos()(tAtxn)sin()(tAtxnn消去t可得2222Atxxn上式表示一族封闭椭圆，说明:ξ=0时的状态为临界稳定，但实际中不存在，将随时间不是发散就是收敛。7例:库仑摩擦二阶随动系统设0,0txr时0rrxx有方程0cccxFcsignKxxJ令JKxyc2,则上式有解0,//0,//222222yBkFxyyAkFxycccc式中A,B为实常数与初始条件有关相轨迹分别为以)0,/()0,/(kFkFcc和为圆心的椭圆族.8Xcy3-Fc/k-Fc/k0421由图可见⑴kFxkFccc时,系统运动停止于横轴上，如⑵若以/y为纵轴将变成圆族。初始点1出发,经2，3点到横轴上4点，与0点有稳态偏差.9⒉图解法之一：等斜线法它多用于解析法中求解微分方程困难的情况。由（x,y）平面上斜率yyxfdydx),(xycdxdy常数其中这便是相轨迹上等斜线方程若令⑴画图原理：据不同的斜率c可画出等斜线方向场（分布）可证明不同c不相交，则对确定初始点沿等斜率切线变化规律唯一。这样便可画出相轨迹（近似）),(00yx10⑵画图步骤：ii.作等斜线分布图iii.从初始点出发,沿相邻等斜线间的21iiiccc平均斜率依次作短直线便可画得。说明：等斜线未必都是直线，另外，为保证精度，等斜线分布要有适当密度，密度可不一样。i.求出等斜线方程11-1-1.2-1.4-1.6-2-340cAByx4c=-1-1.2-1.4-1.6-2.6-3-6向心螺鏇綫022xxxnn例如1,5.0n令12i.等斜线方程:xcxcynn1122i.等斜线分布图.ii.相轨迹A点1.122.11110Acc过点直线段交c=1.2线于B.三、相轨迹之特征⒈奇点（平衡点）：系统的速度和加速度都为零)0,0(xx有一个不为零，系统就未达到平衡状态，将继续运动。这样的点叫普通点。结论：⑴奇点是非线性系统唯一可能的平衡状态。13⑶利用系统特征方程根确定奇点位置及特征如二阶系统02,02222nnnnssxxx常令),(),()0,(0,0yxfxyxfxxxx也可用求奇点解出x.i.共轭复根)10(在s左半平面:稳定焦点00dxdy⑵线性系统有唯一奇点零输入条件下就在原点，非线性系统奇点若在原点不确定，则相轨迹会在该点相交.14ii．共俄复根在s右半平面)01(:不稳定焦点iii.一对负实根稳定节点，1临界稳定。iv.一对正实根)1(不稳定节点15V一对共轭虚根ξ＝０——中心点等幅振荡Vi一对共轭实根（正反馈）——鞍点（不稳定）16可见，当定出奇点的特征，那么它附近导流的运动也相应确定下来。④特征区：奇点周围相轨迹具有共性的区域，共性是指普通点（描述点）在该区域内不是沿相轨迹趋于奇点（吸引）就是沿相轨迹离开奇点（发散），他们对应的区域分别称为吸引区、发散区。利用这一特征可判断系统品质。因为在奇点附近某一特征区域内画出一条相轨迹，即可知道其他初始条件下导流运况。这也为画相轨迹提供了理论依据。,例：试绘制由下列方程描述的非线性系统的相平面图。025.02xxxx17解：①确定奇点令0x0x则原方程为奇点有两个②分析奇点性质(0,0)奇点，由线性化方程为025.0xxx0)2(22xxxx)0,2(),0,0(有025.02ss39.125.02,1js稳定焦点（–2,0）奇点，坐标变换，令得2xy025.02yyyy18在y=0,y=0线性化得025.0yyy有s²+0.5s–2=069.1,19.12,1s阴影为稳定区2.极限环（1）．定义：相平面中孤立，封闭相轨迹（奇线），自持振荡（稳定）。（二阶无阻尼系统就不是）环内环外两个区域内部特征相同，不可穿越。19四．非线性系统的相平面分析1．分析思路:用若干分段线性系统近似原非线性系统，把相平面表示一个线性系统的相平面图，在分区域的边界上，把各段相轨迹衔接起来，就得到所谓的相轨迹，即代表了整个非线性系统的运行规律。每个分段线性系统都有一个奇点，若它位于本身分区域内称为奇点，否则就是虚奇点。2．分析步骤：20设有带饱和非线性的控制系统，开始处于静态，试用相平面法分析阶跃输入r(t)=R和斜坡输入r(t)=vt作用下的系统响应特性。例：a)划分线性区域。b)确定每个分区域上奇点类型。c)作出各分区域相轨迹。d)连接各分区域相轨迹构成“合成相轨迹”。21解：1.由饱和非线性特性得：区域划分00000eeMmeeMmeeem2.奇点类型：系统动态方程为：kmyyT由e=r-y可得误差形式的系统方程：rrTkmeeTA.阶跃输入时时0rr则系统方程为：0kmeeT0,tRr22则上面方程变为：缺项系统不稳定，无平衡点，无奇点0000kMeeTkMeeTⅡⅢ在线性工作区Ⅰ区内，奇点为(0,0)代入T,K,得215212,1jS为稳定焦点。在Ⅱ，Ⅲ区内，令斜率cdeedeceedede分区划分为：0keeeTⅠ23所以，等斜率是平行于E轴的直线。渐近线为)(100eeTcTkme)(100eeTcTkme)0000000000(1)(1limlimlimlimeekmTcTkmeeekmTcTkmecccc24B斜坡输入0,rvr）　　　Ⅲ　　　　Ⅱ　　　　Ⅰ00000()()(eevkmeeTeevkmeeTeevkeeeT线性区Ⅰ内，奇点为)0,(kv稳定焦点。非线性区Ⅱ，Ⅲ内)1)(00eeTcTkmve（平行e轴)()(0000eekmveeekmve渐近线vttr)(25（1）vm奇点（v/k,0）为虚点1.2/40.3e=0.2不收敛（2）vkmv/k0.4/4=0.1e=0.2奇点为实奇点收敛稳态误差为v/k当v=0.8k=4e=m=0.2时026(3)v=kmee有0eeT0)1(deedTe斜率为-1/T而e-e时不变A点出发经ABCD终止于D点，稳态误差为OD27例非线性增益控制系统设T=1k=4,k=0.0625,e=0.2试用相平面法分析该系统的阶跃响应特性。0非线性元件特性作用：抑制小幅度高频干扰00eekeeeem28解：动态方程kmyyT误差形式：rrTkmeeT阶跃输入r(t)=Rt0时0rr0kmeeT)(0)(000eekveeeTeekeeeT则，方程又为分段线性化29相轨迹如下图：30结论：相轨迹如下特点1．响应速度快，超调减小。2．小阶跃信号响应为非周期衰减过程，大阶跃信号响应为衰减振荡。3．无稳态误差。