非线性系统

非线性才是工程里面的真实情况,前面都是线性定常系统,现在终于到了更广阔的领域了。非线性没有通用的、成熟的、统一的方法,线性定常是非线性的特例,前面分析的是在一定条件下近似的情况。

实际系统或多或少都会有非线性因素,哪怕电路也是。

典型的非线性如微分方程出现交叉项,或者出现正弦,或者加了个常数都会变成非线性,这是一种能用微分方程表述的。

还有另一种的非线性,比如一些典型的非线性特性。饱和、死区、间隙、继电特性等等。

三极管饱和失真、电机启动死区,齿轮间隙传动非线性,继电特性。这是静态的非线性,不是那种动起来微分方程的非线性。

齿轮间隙非线性研究

非线性系统运动的性质

  • 不满足叠加原理:线性系统的理论不可用

  • 稳定性问题:不仅与自身参数有关,与输入、初始条件有关,平衡点甚至不唯一。

  • 自振运动:非线性系统特有的运动形式。自激振荡。

  • 频率响应的复杂性:调频响应,倍频响应,分频响应,组合震荡。数学上混沌现象。

非线性最根本的一点,不满足叠加原理,所以数学上没有有效的工具,突破不容易,一旦突破不仅仅控制的问题,其他学科的问题也会有很大发展,因为数学是通用工具。

线性系统的稳定性和输入有关系,挺有意思。非线性不好讲广义的稳定性,这里要联系李雅普诺夫稳定性,从能量的角度理解一下。

自振很有意思,模拟电路里可以利用非线性,搞出信号发生器。

这和二阶系统零阻尼加阶跃的震动还不一样。指的是啥都不用,自己可以产生一个复制频率的运动,去掉扰动后还能回到这个幅值和频率。还有跳频响应啥的。这些都是长见识的东西,一开始不理解问题也不大。

混沌现象也挺好玩的,可以用电路模拟出来,后面做个仿真。

那么怎么分析呢?

  • 小扰动线性化:经典。。工程到数学。

  • 非线性系统研究方法

    • 相平面法

    • 描述函数法

    • 波波夫法

    • 反馈线性化方法

    • 微分几何方法

  • 仿真方法

    • 全数字仿真

    • 半实物仿真

这里主要去看两个方法,一个是直观的图解法,相平面。还有一个是充满了工程近似特色的描述函数法。

这里的非线性方法不是只能用于非线性系统,理想线性模型更可以使用。

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