《自動控制原理（本）》 課件 張慧妍 第7、8章 非線性系統(tǒng)的分析、采樣控制系統(tǒng)的分析

第七章非線性系統(tǒng)的分析7.1非線性系統(tǒng)的基本概念7.2常見典型非線性特性7.3描述函數(shù)法7.4相平面法CONTENTS目錄7.5基于MATLAB的非線性系統(tǒng)分析7.1非線性系統(tǒng)的基本概念非線性系統(tǒng):疊加原理不再適用,不存在統(tǒng)一的處理方法多數(shù)非線性系統(tǒng)可以通過微偏線性化轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng).存在難于線性近似的非線性系統(tǒng)（如飽和、死區(qū)）嚴格地說，阻尼力與運動速度的關(guān)系是很復(fù)雜的，不過，影響阻尼力的眾多因素中，與速度成正比的粘滯摩擦阻尼是主要的。在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性特性時，即稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。03非線性系統(tǒng)的主要特點1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和零輸入響應(yīng)的性質(zhì)只取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，而和系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)。非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和零輸入響應(yīng)的性質(zhì)不僅取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，而且與系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)。2.

系統(tǒng)的自持振蕩線性系統(tǒng)只有兩種基本運動形式：發(fā)散（不穩(wěn)定）和收斂（穩(wěn)定）。非線性系統(tǒng)除了發(fā)散和收斂兩種運動形式外，即使無外界作用，也可能會發(fā)生自持振蕩。例7-1已知某非線性系統(tǒng)的微分方程為試分析其在不同初始條件下的時間響應(yīng)特性。解：7.2常見典型非線性特性飽和非線性(Saturation)死區(qū)非線性(Deadzone)思考：對閉環(huán)控制的靜態(tài)誤差、響應(yīng)時間、超調(diào)等有什么影響？繼電器非線性導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍導(dǎo)致振蕩間隙非線性對輸入有延遲作用可能導(dǎo)致振蕩7.3描述函數(shù)法

基波與諧波非線性環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出中除基波還包含高次諧波：由于高次諧波分量大多較小，因此可只保留輸出中起主導(dǎo)作用的基波分量，近似為“線性系統(tǒng)”。01

描述函數(shù)是非線性特性的一種近似表示，是一種諧波線性化方法，忽略非線性環(huán)節(jié)輸出中的高次諧波，用基波分量表示其輸出。表示非線性環(huán)節(jié)的輸出一次諧波分量對正弦輸入信號的復(fù)數(shù)比。

01描述函數(shù)的負倒幅特性非線性系統(tǒng)的特征方程為01如果滿足上式，表示與有交點，此時非線性系統(tǒng)將出現(xiàn)自持振蕩，這相當(dāng)于線性系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖在復(fù)平面中穿過（－1，j0）點。將非線性相對描述函數(shù)的負倒幅特性和線性部分的極坐標(biāo)圖繪制在一個復(fù)平面中，根據(jù)二者的相對位置可分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一、非線性系統(tǒng)穩(wěn)定不被包圍01二、非線性系統(tǒng)不穩(wěn)定被包圍三、非線性系統(tǒng)產(chǎn)生自持振蕩與相交例7-2已知某非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下，圖中非線性環(huán)節(jié)具有理想繼電器特性。其中，。試分析系統(tǒng)是否可以產(chǎn)生穩(wěn)定的自持振蕩？若可以，計算對應(yīng)自持振蕩的振幅和頻率。先定性分析、后定量計算！線性部分的頻率特性為求與負實軸的交點7.4相平面法

不定式呈現(xiàn)稱該點為相平面的奇點典型二階系統(tǒng)自由運動的微分方程可以用解析法或圖解法繪制出系統(tǒng)的相平面曲線。7.5基于MATLAB的非線性系統(tǒng)分析用Matlab

求解非線性系統(tǒng)

本章思考題：非線性系統(tǒng)不同于線性系統(tǒng)的主要特點有哪些？如何理解描述函數(shù)是非線性特性的一種近似表示，是一種諧波線性化方法？自持振蕩受到擾動后能恢復(fù)到原來的平衡點嗎？第八章采樣控制系統(tǒng)的分析主編：張慧妍組編：全國高等教育自學(xué)考試指導(dǎo)委員會8.1采樣控制系統(tǒng)的基本概念8.2采樣過程和采樣定理8.3采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)8.4脈沖傳遞函數(shù)CONTENTS目錄8.5線性采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析8.6基于MATLAB的采樣控制系統(tǒng)分析8.1采樣控制系統(tǒng)的基本概念連續(xù)時間信號

(Continuous-timesignal)離散時間信號

(Discrete-timesignal)

離散信號通常是按照一定的時間間隔對連續(xù)的模擬信號進行采樣而得到的，又稱采樣信號。脈沖采樣（理想情形）

8.2采樣過程和采樣定理

按一定的時間間隔對連續(xù)信號采樣，將其變換為在時間上離散的脈沖序列的過程，稱為采樣過程。采樣開關(guān)按周期T閉合，T稱為采樣周期。每次閉合時間為，通常采樣持續(xù)時間，也遠小于系統(tǒng)中連續(xù)部分的時間常數(shù)。因此，在分析采樣控制系統(tǒng)時，可近似認為。香農(nóng)采樣定理保持器是一種采用時域外推原理的裝置。通常把采用恒值外推的保持器稱為零階保持器。根據(jù)零階保持器的單位脈沖響應(yīng)，推出其傳遞函數(shù)。零階保持器的單位脈沖響應(yīng)是一個矩形，寬度為T，高為1，它可表示成二個單位階躍信號的迭加。單位脈沖響應(yīng)的拉氏變換就是零階保持器的傳遞函數(shù)。零階保持器的幅頻特性可見，零階保持器幅值具有低通濾波特性，除了小于采樣頻率的主頻可以通過外，一些高頻分量也允許通過。8.3采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)例8-1：求如下系統(tǒng)采樣后輸入到采樣后輸出的傳遞函數(shù)

z變換的采樣信號為其拉普拉斯變換式為z反變換表示為z變換只適用于離散函數(shù)，或者說只能表征連續(xù)函數(shù)在采樣時刻的特性，而不能反映其在采樣時刻之間的特性。例8-2：試求函數(shù)f(t)=1(t)的z變換。解:f(kT)=1(kT)=1(k=0,1,2,3….)Z變換定量詳見教材，此處不再贅述。差分方程一階前向差分差分方程的解可以采用迭代法或z變換法求取系統(tǒng)的差分方程為

c(k+2)-3c(k+1)+2c(k)=0

初始條件c(0)=0，c(1)=1，試求c(k).解：迭代法，由差分方程得

c(k+2)=-3c(k+1)-2c(k)k=0時，c(2)=-3c(1)-2c(0)=-3k=1時，c(3)=-3c(2)-2c(1)=7k=2時，c(4)=-3c(3)-2c(2)=-15………解：z變換法8.4脈沖傳遞函數(shù)把初始條件為零的情況下系統(tǒng)的離散輸出信號的z變換與離散輸入信號的z變換之比，定義為脈沖傳遞函數(shù)，或稱z傳遞函數(shù)。許多采樣系統(tǒng)的輸出信號是連續(xù)信號，如圖b所示圖a所示的采樣系統(tǒng)，脈沖傳遞函數(shù)為：為了應(yīng)用脈沖傳遞函數(shù)的概念，可以在輸出端虛設(shè)一個采樣開關(guān)，并令其采樣周期與輸入端采樣開關(guān)相同。1、兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開關(guān)隔開有采樣開關(guān)分隔的兩個線性環(huán)節(jié)串聯(lián)，其脈沖傳遞函數(shù)是兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)脈沖傳遞函數(shù)之積。結(jié)論可推廣到n個環(huán)節(jié)串聯(lián)，各相鄰環(huán)節(jié)之間都有采樣開關(guān)隔開的情況。2、兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān)隔開沒有采樣開關(guān)分隔的兩個線性環(huán)節(jié)串聯(lián)，其脈沖傳遞函數(shù)為這兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)脈沖傳遞函數(shù)相乘之積的z變換。結(jié)論可推廣到n個環(huán)節(jié)串聯(lián)，各相鄰環(huán)節(jié)之間都沒有采樣開關(guān)隔開的情況。對比分析1、有一個采樣開關(guān)的采樣系統(tǒng)2、有數(shù)字校正裝置的采樣系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的求取過程1、有一個采樣開關(guān)的采樣系統(tǒng)8.5線性采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

在線性連續(xù)系統(tǒng)中，判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性是根據(jù)特征方程的根在s平面的位置。若系統(tǒng)特征方程的所有根均在s平面左半平面，則系統(tǒng)穩(wěn)定。對線性離散系統(tǒng)進行了z變換以后，對系統(tǒng)的分析要采用z平面，因此需要弄清這兩個復(fù)平面的相互關(guān)系。線性采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，閉環(huán)系統(tǒng)的全部特征根均位于z平面的單位圓內(nèi)，即滿足特征根皆線性連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，閉環(huán)系統(tǒng)的全部特征根均位于s平面的左半部，即滿足特征根皆具有負實部。問題：高階系統(tǒng)求取特征根不容易，如何不用求解特征方程的根就能判別線性采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢？首先要通過雙線性變換將Z平面的單位圓映射到W平面的虛軸，然后在W平面中應(yīng)用勞斯判據(jù)。問題：如何推廣應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)？例8-3：如圖，已知，采樣周期T=0.25s，

求使系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍。

解：1、求系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)2、特征方程為3、對特征方程進行雙線性變換，代入T=0.25s整理得：4、應(yīng)用勞斯判據(jù)，勞斯表為：根據(jù)勞斯判據(jù)，為使采樣系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有2.736-0.158K>0，得使系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍是0<K<17.3。討論：從理論上，二階線性連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍是K>0。對于二階線性采樣系統(tǒng)，當(dāng)K大于某一值，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，可見，加入采