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1、 【例1】 具有理想继电型非线性元件的非线性控制系统如图8-4(a)所示,试确定系统自振荡的幅值和频率。图8-4(a) 非线性控制系统结构图解:(1)在复平面上分别绘制曲线和曲线。绘制曲线:由理想继电型非线性特性可知由图8-4(a)的系统结构图知,则得负倒数描述函数:当从变化时,曲线起始于坐标原点,并随着幅值的增大沿着复平面的复实轴向左移动,终止于,如图8-4(b)所示。绘制曲线: 由于与实轴相交: ,解得: ,代入求得:图8-4(b) 与 则曲线示于图8-4(b)。 (2)确定系统自振荡的幅值和频率:由图8-4(b)可见:点为曲线与负实轴的交点,亦是和的交点。因穿出,故交点为自持振荡点。自振
2、频率,自振振幅由下列方程解出:,即 【例2】非线性系统的及的轨迹如8-2所示,试判断该系统是否稳定。 图8-2 非线性系统框图 图8-3 非线性系统框图解:因为由图可知,曲线包围了曲线,所以不论幅值如何变化,该非线性系统都是不稳定的。【例3】非线性系统的及的轨迹如图8-3所示,试判断该系统有几个点存在自振荡。解:因为由图可知,在复平面上曲线与相交,系统可能发生自持振荡。图中曲线沿箭头方向由稳定区经交点P进入不稳定区,所以P点不存在自持振荡;而曲线沿箭头方向从不稳定区经交点Q进入到稳定区,所以交点Q处存在自持振荡。【例4】 如图7-24所示非线性系统,其中死区继电特性的参数,。试问该系统是否存在
3、自振,若存在自振,求出自振的振幅和频率。解 死区继电特性的描述函数式(7-13),即 将表示成相对描述函数 令 相对负倒描述函数式(7-18),即 在复平面上分别作出及曲线。给定和一系列数值,可算出及值如下:1201501802002503004002.351.61.130.90.60.40.25.73.92.752.231.400.940.49根据上述数据,分别绘制曲线和曲线,如图7-25所示。图中曲线在时取最大值(这一点可由对求导来计算)。而在和时的曲线与负实轴完全重叠,只是重叠点所对应的振幅不同。为了清楚起见,图7-25中画成两条直线,对应于由(即0.707)及由,曲线上箭头表示增加方向
4、,亦即减小的方向。由图可见,与曲线有两个交点,从曲线看,交点频率为;从曲线看,交点对应为0.92及0.38,相应的则分别为0.757及1.84。这说明系统存在着两个频率相同,但振幅不同的周期运动。根据判别周期运动稳定性的方法即可判定:振幅伪0.75的周期运动是不稳定的,振幅稍有衰减,则逐渐收敛到死区内,最终系统保持静止状态;或振幅稍有增加,则逐渐发散到大振幅(1.84)的周期运动状态,而大振幅的周期运动是稳定的,即为系统的自振点。因此,该系统存在自振,自振频率,自振振幅。为了消除自振,可以改变使它与曲线不相交,最简单的办法是减小线性部分的开环增益。若系统稳态误差要求不允许减小开环增益时,可采取
5、其他措施,如在系统中串联适当的相角超前环节来实现。【例5】系统结构如图7-26所示,已知、,试判别系统是否存在自振,若有自振,求出自振振幅及频率。 解 具有滞环继电特性的描述函数式(7-14)即 相对描述函数为 令,则相对负倒描述函数为 可见其虚部为常数。再以为自变量从开始,算出的一系列数值。同时也对线性部分计算出实部和虚部,计算值如下表所示:根据上列数据作出与曲线,如图7-27所示。由图可见,两条曲线有一个交点,根据稳定性分析可知,该点为自振点,自振频率为,振幅为。【例6】 具有间隙非线性特性的系统如图7-28所示。已知。试分析系统是否存在自振,若有自振,求出自振参数。解 根据间隙非线性特性的描述函数式(7-15),可求得的计算值如下表所示。X0.6250.831.252.552.381.541.18系统线性部分的频率特性 则的实部和虚部计算如下表所示。12345610-10.7-3.18-1.75-1.24-0.96-0.59-0.45-7-3.36-2.13-1.5-1.1-0.86-0.35由图可见,两条曲线有一个交点。由稳定性分析可知,该点为自振点,自振参数,。