自动控制理论第七章 非线性系统

1、第七章第七章 非线性系统的分析非线性系统的分析 系统的非线性程度比较严重，无法用小范围线系统的非线性程度比较严重，无法用小范围线 性化方法化为线性系统，称为非线性系统。有两种性化方法化为线性系统，称为非线性系统。有两种 情况：情况： （1）系统中存在非线性元件；）系统中存在非线性元件； （2）为了某种控制目的，人为引进的非线性。）为了某种控制目的，人为引进的非线性。 7.1 7.1 基本概念基本概念 1、线性系统的稳定性和零输入响应的性质只取决、线性系统的稳定性和零输入响应的性质只取决 于系统的结构、参数，而和系统的初始状态无关。于系统的结构、参数，而和系统的初始状态无关。 非线性系统的稳定性

2、和零输入响应的性质不仅取非线性系统的稳定性和零输入响应的性质不仅取 决于系统的结构、参数，而且决于系统的结构、参数，而且还与输入信号及初始条还与输入信号及初始条 件有关。即可能在某个初始条件下稳定，而在另一个件有关。即可能在某个初始条件下稳定，而在另一个 初始条件下系统可能不稳定初始条件下系统可能不稳定 。 2、线性系统只有两种基本运动形式：发散（不、线性系统只有两种基本运动形式：发散（不 稳定）和收敛（稳定）。稳定）和收敛（稳定）。 非线性系统除了发散和收敛两种运动形式外，即非线性系统除了发散和收敛两种运动形式外，即 使无外界作用，也可能会发生自持振荡。使无外界作用，也可能会发生自持振荡。

3、一一 、非线性系统的特点、非线性系统的特点 3、在正弦输入下，线性系统的输出是同频率正、在正弦输入下，线性系统的输出是同频率正 弦信号。弦信号。 非线性系统在正弦输入下，输出是周期和输入相非线性系统在正弦输入下，输出是周期和输入相 同、含有高次谐波的非正弦信号。同、含有高次谐波的非正弦信号。 4、线性系统分析可用迭加原理，在典型输入信、线性系统分析可用迭加原理，在典型输入信 号下系统分析的结果也适用于其它情况。号下系统分析的结果也适用于其它情况。 非线性系统不能应用迭加原理，没有一种通用的非线性系统不能应用迭加原理，没有一种通用的 方法来处理各种非线性问题。方法来处理各种非线性问题。 对非线性

4、系统分析研究的重点是对非线性系统分析研究的重点是：（1）系统是否）系统是否 稳定；（稳定；（2）有无自持振荡；（）有无自持振荡；（3）若存在自持振荡，）若存在自持振荡， 确定自持振荡的频率和振幅；（确定自持振荡的频率和振幅；（4）研究消除或减）研究消除或减 弱自持振荡的方法。弱自持振荡的方法。 二、典型非线性系统及对系统性能的影响二、典型非线性系统及对系统性能的影响 1、死区非线性、死区非线性 常见于测量、放大元件中。常见于测量、放大元件中。 死区非线性特性导致系统产死区非线性特性导致系统产 生稳态误差，且用提高增量生稳态误差，且用提高增量 的方法也无法消除。的方法也无法消除。 2、饱和非线性

5、、饱和非线性 常见于放大器中，在大信号常见于放大器中，在大信号 作用下，放大倍数小，因而作用下，放大倍数小，因而 降低了稳态精度。降低了稳态精度。 3、间隙非线性、间隙非线性 常见于齿轮传动机构、铁磁常见于齿轮传动机构、铁磁 元件的磁滞现象。可使系统元件的磁滞现象。可使系统 的稳态误差增大，也使系统的稳态误差增大，也使系统 的动态特性变差。的动态特性变差。 4、继电器特性、继电器特性 继电器特性中包含了死区、继电器特性中包含了死区、 回环和饱和特性，因此对回环和饱和特性，因此对 系统的稳态性能、暂态性系统的稳态性能、暂态性 能和稳定性都有不利影响。能和稳定性都有不利影响。 三、非线性系统的分析

6、方法三、非线性系统的分析方法 1、相平面法、相平面法 时域方法时域方法 2、描述函数法、描述函数法 频域方法频域方法 相平面法是一种时域分析方法。设非线性系相平面法是一种时域分析方法。设非线性系 统框图如图所示，其中统框图如图所示，其中N表示非线性环节，表示非线性环节，G(S) 是线性部分的传递函数。是线性部分的传递函数。 7.2 7.2 非线性系统的相平面分析方法非线性系统的相平面分析方法 用相平面法分析非线性系统，线性部分传递用相平面法分析非线性系统，线性部分传递 函数函数G(S)必须是二阶。必须是二阶。 线性二阶系统的齐次微分方程为：线性二阶系统的齐次微分方程为： 相平面图是在相平面图是

7、在 平面中，绘制平面中，绘制 随时间随时间t 变化变化 的轨迹，称为相轨迹。相轨迹的起点是的轨迹，称为相轨迹。相轨迹的起点是 。 奇点是指奇点是指 的点。根据奇点附近相轨迹的特征，的点。根据奇点附近相轨迹的特征， 奇点有不同名称，据此可判断系统运动的性质。奇点有不同名称，据此可判断系统运动的性质。 一、线性二阶系统奇点的类型一、线性二阶系统奇点的类型 02 2 xxx nn xx ),(x x )0 (),0 (xx 0 0 dx x d 1、无阻尼运动、无阻尼运动 二阶系统的极点分布和相平面图如下二阶系统的极点分布和相平面图如下 无阻尼运动时，二阶系统的相平面图是一族同心无阻尼运动时，二阶系

8、统的相平面图是一族同心 椭圆，每个椭圆代表一个简谐运动。这样的奇点称椭圆，每个椭圆代表一个简谐运动。这样的奇点称 为中心点。为中心点。 0)( 2、欠阻尼运动、欠阻尼运动 系统的自由运动是衰减振荡。相轨迹是对数螺系统的自由运动是衰减振荡。相轨迹是对数螺 旋线，收敛于原点。奇点称为稳定焦点。旋线，收敛于原点。奇点称为稳定焦点。 1)0 ( 3、过阻尼运动、过阻尼运动 系统的自由运动是非周期地趋向于原点。相轨迹系统的自由运动是非周期地趋向于原点。相轨迹 是趋于原点的抛物线，原点是奇点，称为稳定节点。是趋于原点的抛物线，原点是奇点，称为稳定节点。 1)( 4、 系统的自由运动是发散振荡。相轨迹是以原

9、点系统的自由运动是发散振荡。相轨迹是以原点 出发的螺旋线，原点处的奇点称为不稳定焦点。出发的螺旋线，原点处的奇点称为不稳定焦点。 0)-1( 5、 系统的运动是非周期发散运动。相轨迹是由原系统的运动是非周期发散运动。相轨迹是由原 点出发的发散型抛物线。原点处的奇点称为不稳定点出发的发散型抛物线。原点处的奇点称为不稳定 节点。节点。 )-1( 6、 是对称于原点的实数是对称于原点的实数 系统的自由运动是发散运动，原点处的奇点称为鞍点。系统的自由运动是发散运动，原点处的奇点称为鞍点。 以上以上6种奇点，类似的奇点在非线性系统中也常见到。种奇点，类似的奇点在非线性系统中也常见到。 21, 二、非线性

10、系统的相平面分析二、非线性系统的相平面分析 借助借助Matlab等软件工具可以方便地绘制非线性系统的相平面图。等软件工具可以方便地绘制非线性系统的相平面图。 例例1：有死区继电器非线性的系统框图如下：有死区继电器非线性的系统框图如下 系统线性部分的传递函数系统线性部分的传递函数 ，该二阶系统的无，该二阶系统的无 阻尼自然振荡角频率阻尼自然振荡角频率 ，阻尼比，阻尼比 ，根据，根据 前面对奇点的分类，可知为稳定焦点。前面对奇点的分类，可知为稳定焦点。 ) 1( 1 )( SS SG srad n /1 5 . 0 二、非线性系统的相平二、非线性系统的相平 面分析面分析 继电器的输入输出关系为继电

11、器的输入输出关系为 在在 平面，根据继电器的平面，根据继电器的 非线性特性，可分为三个区域，非线性特性，可分为三个区域， 设初始状态设初始状态 ， ， 绘制相轨迹如图所示，绘制相轨迹如图所示，(设设r=3) 根据系统的相轨迹，可对根据系统的相轨迹，可对 系统的性能分析如下：系统的性能分析如下： )(efy , 1 , 0 , 1 . 1 ; 11 ; 1 e e e ee 3)0(e0)0( e 2、相轨迹最后没有到达原、相轨迹最后没有到达原 点，即点，即 ，说明，说明 系统在阶跃信号输入下，存系统在阶跃信号输入下，存 在稳态误差，引起稳态误差在稳态误差，引起稳态误差 的原因是死区继电器特性。

12、的原因是死区继电器特性。 系统线性部分的传递函数表系统线性部分的传递函数表 明，系统是明，系统是型系统，对阶型系统，对阶 跃响应的稳态误差应为跃响应的稳态误差应为0，可，可 见死区继电器非线性对稳态见死区继电器非线性对稳态 精度的影响。精度的影响。 0)( lim te t 1、系统的相轨迹收敛于、系统的相轨迹收敛于A点，是稳定的，奇点为稳定点，是稳定的，奇点为稳定 焦点。焦点。e e是单调衰减的。是单调衰减的。 例例2：非线性系统框图如下：非线性系统框图如下 其中继电器回环特性的参数其中继电器回环特性的参数M=0.2，a=0.2。 系统的线性部分是欠阻尼情况，奇点是稳定焦点。非线性环节系统的

13、线性部分是欠阻尼情况，奇点是稳定焦点。非线性环节 的输入输出关系为的输入输出关系为 y M 0e, ae 0e, ae 或或 M 0e, ae 0e, ae 或或 根据上述关系，可将根据上述关系，可将 平面分为二个区域。分别绘制初平面分为二个区域。分别绘制初 始状态分别为始状态分别为 和和 的两的两 条相轨迹。条相轨迹。 ee 0)0( e5,. 0)0( e0)0( e1,. 0)0( e 从图知，无论从哪一组初始条件出发，相轨迹均收敛于极限从图知，无论从哪一组初始条件出发，相轨迹均收敛于极限 环，这是一个稳定的极限环，意味着系统产生自持振荡。环，这是一个稳定的极限环，意味着系统产生自持振荡

14、。 一般不希望系统有自持振荡。当振荡难以消除时，应尽量一般不希望系统有自持振荡。当振荡难以消除时，应尽量 将振荡限制在一个较小的、可以接收的范围内。实际上，对将振荡限制在一个较小的、可以接收的范围内。实际上，对 于此系统，通过减少继电器回环的宽度于此系统，通过减少继电器回环的宽度a，可减小振荡。，可减小振荡。 相平面法是分析非线性系统的一种时相平面法是分析非线性系统的一种时 域法、图解法，不仅可以分析系统的稳定域法、图解法，不仅可以分析系统的稳定 性和自振荡（极限环），而且可以求取系性和自振荡（极限环），而且可以求取系 统的动态响应。这种方法只运用于二阶系统的动态响应。这种方法只运用于二阶系

15、统，但由于一般高阶系统又可用二阶系统统，但由于一般高阶系统又可用二阶系统 来近似，因此相平面法也可用于高阶系统来近似，因此相平面法也可用于高阶系统 的近似分析。的近似分析。 7.3 7.3 描述函数法描述函数法 描述函数是非线性特性的一种近似表示，是一描述函数是非线性特性的一种近似表示，是一 种谐波线性化方法，忽略非线性环节输出中的高次种谐波线性化方法，忽略非线性环节输出中的高次 谐波，用基波分量表示其输出。谐波，用基波分量表示其输出。 描述函数法主要用于分析非线性系统稳定性、自描述函数法主要用于分析非线性系统稳定性、自 振荡特性及消除自振荡的方法。虽然是一种近似方振荡特性及消除自振荡的方法。

16、虽然是一种近似方 法法, ,但对常见实际非线性系统而言但对常见实际非线性系统而言, ,分析结果基本满分析结果基本满 足工程需要足工程需要, ,在非线性系统分析及设计中得到了广泛在非线性系统分析及设计中得到了广泛 应用。应用。 设非线性环节的输入为：设非线性环节的输入为： tXtxsin)( 其输出的稳定分量其输出的稳定分量y是与是与x同周期的非正弦周同周期的非正弦周 期信号，可用傅氏级数表示：期信号，可用傅氏级数表示： 1 1 )sin( )sincos( n n n n nn tn tntn YA BAA 0 0 y 式中式中 B A BAY B A n n n nnn n n arctg

17、tdtnty tdtnty 22 2 0 2 0 )(sin)( 1 )(cos)( 1 由于由于y的高次谐波幅值的高次谐波幅值 小于基波幅值，且系小于基波幅值，且系 统的线性部分统的线性部分 都具有低通滤波性质，都具有低通滤波性质， 可以假设只有基波分可以假设只有基波分 量起作用，而将高次量起作用，而将高次 谐波忽略不计。谐波忽略不计。 )(),( 21 ss GG 设非线性特性为对称型，则傅氏级数中的直流分量设非线性特性为对称型，则傅氏级数中的直流分量 y的基波为的基波为 0 0 A ) 1 111 1 tsin(tsintcos YBA y 非线性特性的描述函数定义为非线性特性的描述函数

18、定义为 )( 1 )( 11 1 1 ABe Y j XX XN j 这是一个复函数，模为输出基波幅值与输入幅值之比，这是一个复函数，模为输出基波幅值与输入幅值之比， 相角是输出基波对输入的相位移。相角是输出基波对输入的相位移。 描述函数描述函数N(X)表示了当表示了当x为正弦信号时，输出基波分量与为正弦信号时，输出基波分量与 x在幅值和相位上的关系。在幅值和相位上的关系。 一、描述函数的定义一、描述函数的定义 1、死区非线性的描述函数、死区非线性的描述函数 aX x a x a x a k aX N(X) x a x a kx x a BY ) 2 1(arcsin 2 1 0 0 )1(a

19、rcsin 2 1 2 11 1 二、典型非线性特性的描述函数二、典型非线性特性的描述函数 2、理想继电器非线性的描述函数、理想继电器非线性的描述函数 X XN 4 )( 表表7-1 常见非线性特性描述函数常见非线性特性描述函数 许多包含非线性环节的控制系统许多包含非线性环节的控制系统, ,经过对方框图的经过对方框图的 变换及简化变换及简化, ,都可以表示成由线性部分都可以表示成由线性部分G（s）（低通滤）（低通滤 波器）与非线性部分波器）与非线性部分N相串联的系统。如图所示相串联的系统。如图所示 对非线性系统进行分析时对非线性系统进行分析时, , 必然要分析系统的稳定性以及必然要分析系统的稳

20、定性以及 是否产生自振荡。是否产生自振荡。 非线性系统的典型结构非线性系统的典型结构 7.4 7.4 非线性系统的谐波平衡法分析非线性系统的谐波平衡法分析 描述函数法对系统稳定性、描述函数法对系统稳定性、 产生自振荡的条件、自振荡的振幅及频率、消除自振荡的途产生自振荡的条件、自振荡的振幅及频率、消除自振荡的途 径等问题径等问题, ,都可得出较为符合实际的结果。都可得出较为符合实际的结果。 自振荡是非线性系统内部自发的持续振荡自振荡是非线性系统内部自发的持续振荡, ,与外加给定信与外加给定信 号及干扰信号无关号及干扰信号无关, ,可认为可认为r(t)=0,n(t)=0。 和相平面法不同，谐波平衡

21、法对非线性环节进行和相平面法不同，谐波平衡法对非线性环节进行 谐波线性化处理，允许线性部分是任意阶次。谐波线性化处理，允许线性部分是任意阶次。 非线性系统的特征方程为非线性系统的特征方程为 )( 1 )( 0)()(1 XN jG jGXN 即：即： 称称 为描述函数的负倒幅特性。为描述函数的负倒幅特性。 )( 1 XN 如果满足上式，表示如果满足上式，表示 与与 有交点，此时有交点，此时 非线性系统将出现自持振荡，这相当于线性系统的非线性系统将出现自持振荡，这相当于线性系统的 极坐标图极坐标图 在复平面中穿过（在复平面中穿过（1，j 0）点。）点。 )( 1 XN )(jG )(jG 将非线

22、性的负倒幅特性和线性部分的极坐标图绘制将非线性的负倒幅特性和线性部分的极坐标图绘制 在一个复平面中，根据二者的相对位置可分析非线在一个复平面中，根据二者的相对位置可分析非线 性系统的稳定性。性系统的稳定性。 一、非线性系统稳定一、非线性系统稳定 包围不被)( )( 1 jG XN 一、非线性系统稳定一、非线性系统稳定 相交与)( )( 1 jG XN 三、非线性系统产生自持振荡三、非线性系统产生自持振荡 图示系统在图示系统在a点产生点产生 稳定的自持振荡。由交稳定的自持振荡。由交 点可确定自持振荡的频点可确定自持振荡的频 率和幅值。率和幅值。 二、非线性系统不稳定二、非线性系统不稳定 包围被)

23、( )( 1 jG XN 二、非线性系统不稳定三、非线性系统产生自持振荡二、非线性系统不稳定三、非线性系统产生自持振荡 例：例： 4)( 1X XN ，是与负实轴重合的直线。，是与负实轴重合的直线。 1 . 2 )( 1 2)( 66. 1 )( 1 )( X XN jG XN jG 幅值 的，的频率交点处 。交点的坐标是与 结论：该非线性系统存在自持振荡，振荡频率为结论：该非线性系统存在自持振荡，振荡频率为 ，振，振 幅为幅为2.1。 2 描述函数法是一种频域法，基于谐波线性化的近似分描述函数法是一种频域法，基于谐波线性化的近似分 析方法。其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线析方法。其

24、基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线 性化，然后应用线性系统的频率法对系统进行分析。描述性化，然后应用线性系统的频率法对系统进行分析。描述 函数法在应用时是有条件限制的，其应用条件是：函数法在应用时是有条件限制的，其应用条件是： （i）非线性系统的结构图可以简化成只有一个非线性环节）非线性系统的结构图可以简化成只有一个非线性环节 和一个线性部分串联的典型负反馈结构。若不是这种典型结构和一个线性部分串联的典型负反馈结构。若不是这种典型结构 ，则必需首先利用系统中信号间的传递关系简化成这种典型结，则必需首先利用系统中信号间的传递关系简化成这种典型结 构，才能应用描述函数法做进一步的分析。构，才

25、能应用描述函数法做进一步的分析。 （ii）非线性环节的静特性曲线是奇对称的。）非线性环节的静特性曲线是奇对称的。 （iii）线性部分应具有良好的高频衰减特性。）线性部分应具有良好的高频衰减特性。 （iv）只能用来分析非线性系统的稳定性和自振荡。）只能用来分析非线性系统的稳定性和自振荡。 （i）首先求出非线性环节的描述函数）首先求出非线性环节的描述函数N(X)。 （ii）分别画出线性部分的）分别画出线性部分的G(j )曲线和非线性部分的曲线和非线性部分的 1/ N(X)曲线。曲线。 （iii）用奈氏判据判断稳定性和自振荡，若存在稳定的自振）用奈氏判据判断稳定性和自振荡，若存在稳定的自振 荡，则进

26、一步求出自振荡的振幅和频率。荡，则进一步求出自振荡的振幅和频率。 描述函数法分析稳定性和自振荡的一般步骤是：描述函数法分析稳定性和自振荡的一般步骤是： 特别强调的是，应用描述函数法分析非线性系统，其结果特别强调的是，应用描述函数法分析非线性系统，其结果 的准确程度取决于线性部分高频衰减特性的强弱。在对数坐标的准确程度取决于线性部分高频衰减特性的强弱。在对数坐标 图上，取决于图上，取决于L( )曲线高频段的斜率和位置，其高频段斜率越曲线高频段的斜率和位置，其高频段斜率越 负，位置越低，高频衰减特性越强，分析结果就越准确。负，位置越低，高频衰减特性越强，分析结果就越准确。 非线性非线性系统的运动形

27、态是十分丰富的，系统的运动形态是十分丰富的， 非线性非线性系统的本质特征是不满足叠加原理。系统的本质特征是不满足叠加原理。 直到现在直到现在非线性非线性系统理论的研究还在不断进系统理论的研究还在不断进 行中，目前由于缺少处理各种行中，目前由于缺少处理各种非线性非线性问题的问题的 一般方法，一般方法，非线性非线性系统研究的重点通常在系系统研究的重点通常在系 统稳定性分析上，讨论统稳定性分析上，讨论非线性非线性系统动态性能系统动态性能 问题的条件尚不成熟。问题的条件尚不成熟。 第七章 小结 1 1、基本要求、基本要求 通过通过本章学习，应该达到：本章学习，应该达到： （1）正确理解相平面图的基本概

28、念。）正确理解相平面图的基本概念。 （2）熟练掌握线性二阶系统的典型相平面图及其特征。）熟练掌握线性二阶系统的典型相平面图及其特征。 （3）掌握运用相平面法分析非线性系统的动态响应的方法和）掌握运用相平面法分析非线性系统的动态响应的方法和 步骤。步骤。 （4）正确理解描述函数的基本思想和应用条件。）正确理解描述函数的基本思想和应用条件。 （5）准确理解描述函数的定义、物理意义和求法，并会灵活）准确理解描述函数的定义、物理意义和求法，并会灵活 应用。应用。 （6）熟练掌握理想继电特性、死区继电特性、滞环继电特性）熟练掌握理想继电特性、死区继电特性、滞环继电特性 和死区特性等典型非线性环节的描述函

29、数，并会运用典型非和死区特性等典型非线性环节的描述函数，并会运用典型非 线性特性的串并联分解求取复杂非线性特性的描述函数。线性特性的串并联分解求取复杂非线性特性的描述函数。 （7）熟练掌握运用）熟练掌握运用谐波平衡谐波平衡法分析非线性系统的稳定性和自法分析非线性系统的稳定性和自 振荡的方法和步骤，并能正确计算自振荡的振幅和频率。振荡的方法和步骤，并能正确计算自振荡的振幅和频率。 2 2内容提要及小结内容提要及小结 本章介绍了非线性系统的两种基本分析方本章介绍了非线性系统的两种基本分析方 法：相平面法和法：相平面法和谐波平衡法谐波平衡法。 （1）相平面法是分析非线性系统的一种时域）相平面法是分析

30、非线性系统的一种时域 法、图解法，不仅可以分析系统的稳定性和自法、图解法，不仅可以分析系统的稳定性和自 振荡（极限环），而且可以求取系统的动态响振荡（极限环），而且可以求取系统的动态响 应。这种方法只运用于二阶系统，但由于一般应。这种方法只运用于二阶系统，但由于一般 高阶系统又可用二阶系统来近似，因此相平面高阶系统又可用二阶系统来近似，因此相平面 法也可用于高阶系统的近似分析。法也可用于高阶系统的近似分析。 （2）相平面法分析非线性系统的一般步骤：）相平面法分析非线性系统的一般步骤： （i）首先选择合适的相平面坐标，并根据非线性特）首先选择合适的相平面坐标，并根据非线性特 性将相平面划分成若干

31、个线性区域。若系统没有外部性将相平面划分成若干个线性区域。若系统没有外部 输入，而是分析初始条件下系统的动态过程，可选取输入，而是分析初始条件下系统的动态过程，可选取 系统的输出量系统的输出量c及其导数，作为相坐标。当系统有阶及其导数，作为相坐标。当系统有阶 跃或斜坡输入时，选取系统的误差跃或斜坡输入时，选取系统的误差 e和和 作为相坐标，作为相坐标， 会更为方便。会更为方便。 e （ii）根据系统的微分方程式绘制各区域的相轨迹。）根据系统的微分方程式绘制各区域的相轨迹。 （iii）把相邻区域的相轨迹，在区域的边界上适当连）把相邻区域的相轨迹，在区域的边界上适当连 接起来，便得到系统的相平面图

32、。然后根据相平面图，接起来，便得到系统的相平面图。然后根据相平面图， 进一步分析系统的动态响应。进一步分析系统的动态响应。 （3 3）谐波平衡法谐波平衡法法法 这是一种频域法，基于谐波线性化的近似分析方法。这是一种频域法，基于谐波线性化的近似分析方法。 其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线性化，其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线性化， 然后应用线性系统的频率法对系统进行分析。描述函数然后应用线性系统的频率法对系统进行分析。描述函数 法在应用时是有条件限制的，其应用条件是：法在应用时是有条件限制的，其应用条件是： （i）非线性系统的结构图可以简化成只有一个非线）非线性系统的结构图可

33、以简化成只有一个非线 性环节和一个线性部分串联的典型负反馈结构。若不性环节和一个线性部分串联的典型负反馈结构。若不 是这种典型结构，则必需首先利用系统中信号间的传是这种典型结构，则必需首先利用系统中信号间的传 递关系简化成这种典型结构，才能应用描述函数法做递关系简化成这种典型结构，才能应用描述函数法做 进一步的分析。进一步的分析。 （ii）非线性环节的静特性曲线是奇对称的。）非线性环节的静特性曲线是奇对称的。 （iii）线性部分应具有良好的高频衰减特性。）线性部分应具有良好的高频衰减特性。 （iv）只能用来分析非线性系统的稳定性和自振荡。）只能用来分析非线性系统的稳定性和自振荡。 （5） 描述

34、函数描述函数N(X)的计算及其物理意义的计算及其物理意义 描述函数描述函数N(X)可以从定义式出发求得，一般步骤是：可以从定义式出发求得，一般步骤是： （i）首先画出非线性特性在正弦信号输入下的输）首先画出非线性特性在正弦信号输入下的输 出波形，并写出输出波形的数学表达式。出波形，并写出输出波形的数学表达式。 （ii）利用付氏级数求出输出的基波分量。）利用付氏级数求出输出的基波分量。 （iii）将求得的基波分量代入定义式，即得）将求得的基波分量代入定义式，即得N(X)。 对于复杂的非线性特性也可以将其分解为若干对于复杂的非线性特性也可以将其分解为若干 简单的典型非线性特性的串并联，然后再由已知

35、的简单的典型非线性特性的串并联，然后再由已知的 这些简单非线性特性的描述函数求出复杂非线性特这些简单非线性特性的描述函数求出复杂非线性特 性的描述函数。描述函数的物理意义是描述了一个性的描述函数。描述函数的物理意义是描述了一个 非线性元件对基波正弦量的传递能力。非线性元件对基波正弦量的传递能力。 （6）谐波平衡法谐波平衡法法分析稳定性和自振荡的一般步法分析稳定性和自振荡的一般步 骤是：骤是： （i）首先求出非线性环节的描述函数）首先求出非线性环节的描述函数N(X)。 （ii）分别画出线性部分的）分别画出线性部分的G(j )曲线和非线性部曲线和非线性部 分的分的 1/ N(X)曲线。曲线。 （i

36、ii）用奈氏判据判断稳定性和自振荡，若存在稳）用奈氏判据判断稳定性和自振荡，若存在稳 定的自振荡，则进一步求出自振荡的振幅和频率。定的自振荡，则进一步求出自振荡的振幅和频率。 特别强调的是，应用描述函数法分析非线性系特别强调的是，应用描述函数法分析非线性系 统，其结果的准确程度取决于线性部分高频、衰减统，其结果的准确程度取决于线性部分高频、衰减 特性的强弱。在对数坐标图上，取决于特性的强弱。在对数坐标图上，取决于L( )曲线高曲线高 频段的斜率和位置，其高频段斜率越负，位置越低，频段的斜率和位置，其高频段斜率越负，位置越低， 高频衰减特性越强，分析结果就越准确。高频衰减特性越强，分析结果就越准确。 设三个非线性系统的负倒幅特性和幅设三个非线性系统的负倒幅特性和幅 相频率特性相频率特性 如下图如下图a a）、）、b b）c c）所示。）所示。 试用描述函数法定性分析这三个系统的稳试用描述函数法定性分析这三个系统的稳 定性。定性。 (1) 如图如图 (a)所示所示,-1N(A)曲线不