非線性控制系統分析自動控制原理-資料下載頁

　　

【正文】 (s i n [)()( 1 ???? ??? tYjGtx式 (23)中 , )()()()()()()()()(2121??????????jHjGjGjGjHjGjGjG?????設 )(1)()( AjeAMAN ?? , 式中 A 是 )(tx 的幅值 , 則 )24()()()12(s i n [)()()]()(s i n [)()()(39。1111AntYjGAMAtYjGAMty????????????????????若系統產生振蕩 , 則有 , 比較式 (23)和式 (24) )()(39。 tyty ?可得系統產生振蕩的條件為 : ????????????)12()()(1)()(1 nAjGAM非線性系統產生自激振蕩的上述條件 , 也可表為 : )(/1)( ANjG ??? 的形式 , 推導如下 : )(/1)(1)12s i n ()12c o s ()()()()( )12()]()([ 1ANjGnjneeAMjGANjG njAj??????????? ??????? ?????稱上式中 )(/1 AN? 為非線性特性的負倒描述函數 . 有上 分析可得兩個結論 : (1)當非線性系統的線性部分的頻率特性與非線性環 節的乘積等于 1時 , 系統將產生自激振蕩 。 (2)由于 )( ?jG 是關于 ? 的復變函數 , 而 )(/1 AN?是關于 A的復變函數 , 因此兩者的曲線可畫在同一復平面 上 ,而 ? 和 A均作為參變量在復平面上并不出現 . 則由兩者 曲線的交點 , 可確定系統產生自激振蕩的性質 , 自激振蕩 的頻率和幅值 . 由 )(/1)( ANjG ??? 這一等式 ,可將線性系統中的奈氏 穩定判據推廣應用到非線性系統 , 說明如下 : 假如系統中 沒有非線性環節 , 則閉環特征方程的頻域表達式為 : 01)( ???jG , 即 1)( ???jG , 與非線性系統產生自激振蕩 的條件 )( ?jG 復平 )0,1( j?面上的點 相比較可知 , 線性系統 )(/1)( ANjG ???, 在非線性系統的復平面上被負倒描述函 數 )(/1 AN? 曲線所取代 . 從而奈氏判據用于非線性系統時 可作如下表述 : 當非線性系統的線性部分傳遞函數的所有 極點均在 S的左半平面上時 , (1)當曲線 )(/1 AN? 未被 )( ?jG 奈氏曲線包圍時 , 非線 性系統是穩定的 , 在穩態時 , 系統不會產生自激振蕩 . 如下圖所示 . 兩曲線相距越遠 , 系統越穩定 . 其穩定程度 ImRe0)(/1 AN?)( ?jG也可仿照線性系統穩定裕量的 概念 , 用幅值裕度和相角裕度 來表征 . 但由于 A值不同 , )(/1 AN?曲線上的點與 )( ?jG 曲線的相對位置 也不一樣 , 因而對于不同的 A值就有 不同的穩定裕量數值 , 假如當 A等于 0A 時 , 在 )(/1 AN? 曲線上的點為 N, NA,0連接 0N, 交 )( ?jG 曲線 于 G點 , G則定義幅值裕度為 )()/l o g (20 dbOGONhx ?, 若以 0N為半徑作一圓弧交 )( ?jG 曲線于 M點 , M則連線 0N與 0M 間的夾角 ??定義為相角裕度 . (2)當曲線 )(/1 AN? 被 )( ?jG 包圍 , 如下圖所示 , ImRe0)(/1 AN?)( ?jG 則系統是不穩定的 . (3)當曲線 與 )(/1 AN? )( ?jG 如下圖所示相交時 , ImRe0)( ?jG)(/1 AN?),( 11 ?Aa),( 22 ?Ab則系統 在交點 a,b處將發生自激振蕩 . 交點的不同 , 自激振蕩又分為 穩定的自振蕩和不穩定的自振蕩 . 設系統最初工作在 a點 , 對應的參數為 11,?A , 當系統受到一個不大的擾動時 1A減小 , 設 )(/1 AN? 曲線上的點將從 a點逆箭頭方向移動到 d點 , d使 )(/1 AN? 曲線不被 )( ?jG所包圍 , 系統穩定 , 將使非線性環節的輸入信號幅值不斷 減小 , 即 d點沿負倒描述函數的曲線反箭頭方向一直移動 直至非線性環節的輸入信號幅值趨向于零 .當系統受到一 個不大的擾動時 1A增大 , 設 a點順箭頭方向移動到 c點 , c則 )(/1 AN? 曲線被 )( ?jG 包圍 , 系統穩定 , 將使非線性環 節的輸入信號幅值不斷增大 , c點一直移動到 b點 , 可見 a 點是一不穩定的振蕩點 . 設系統最初工作在 b點 , 對應的參數為 , 如下圖 . 22,?AImRe0)( ?jG)(/1 AN?),( 11 ?Aa),( 22 ?Abdc當系統受到一個不大的擾動時 2A減小 , 設 )(/1 AN? 曲線上的點將 從 b點逆箭頭方向移動到 c點 , 則按前面 的分析 , 曲線上的點將回到 b點 . 當系統 受到一個不大的擾動時 2A增大 , 設 b點順 箭頭方向移動到 e點 , e使 )(/1 AN? 曲線不被 )( ?jG 所包圍 , 系統穩定 , 將使非線性環節的輸入信號幅 值不斷減小 , 即 e點沿負倒描述函數的曲線反箭頭方向回 到 b點 , 故 b點是一穩定的自振蕩點 . 非線性系統產生自激振蕩點處的振蕩幅值和頻率可由 產生自激振蕩的條件 )(/1)( ANjG ??? 求得 . 例 :設具有飽和非線性的控制系統如下圖所示 . 圖中 , 0)( ?tr )(te )(tm))(( ?? sssK )(tc0kamea?15,2,1 ??? Kka , 求系統產生自激振蕩的幅值 和頻率 . 解 : 前已推導出飽和非線性的描述函數為 : aAAaAaAakAN ???? ? ])/(1)/([ s i n2)( 21?將已知參數代入上式得 : 1])/1(11)/1([ s i n4/)(/1 21 ?????? ? AAAAAN ?當 1?A 時 , ,)(/1 ??? AN當 ??A 時 , ???? )(/1 AN在復平面上負倒描述函數的曲線如下圖 . 曲線大致 )( ?jGImRe0)(/1 AN? ?)( ?jG形狀見圖中所示 . 兩條曲線交 于 a點 , a經計算可得 a點對應的頻 率 1)(, ??xx jG ??, a點是一穩定 的自激振蕩點 , 由自激振蕩條件 )(/1)( ANjG ??? 可得 : 1])/1(11)/1([ s i n4/)(/1)( 21????????? ?AAAAANjG x ???即系統自激振蕩時 , 非線性環節的輸入信號 tte )( ?