非線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用條件分析

摘 要：自動(dòng)控制技術(shù)作為推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的高新技術(shù)之一，其應(yīng)用范圍廣泛，包含工業(yè)生產(chǎn)、交通事業(yè)、航空航天以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域，有效改善了工業(yè)勞動(dòng)環(huán)境和社會(huì)生活水平。非線性控制系統(tǒng)作為自動(dòng)控制體系的重要構(gòu)成部分，其伴隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)需求的不斷增強(qiáng)而迅速發(fā)展，本文即以非線性控制系統(tǒng)為分析對(duì)象，重點(diǎn)探討了其特點(diǎn)和應(yīng)有條件，以期促進(jìn)非線性控制系統(tǒng)的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；非線性控制系統(tǒng)；特點(diǎn)；應(yīng)用條件

改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)水平飛速提高、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)開始興起并逐步應(yīng)用到航空探測、工程生產(chǎn)、機(jī)械設(shè)備研發(fā)與管理以及武器制造等多個(gè)層面，展現(xiàn)出不可替代的重要價(jià)值。與此同時(shí)，自動(dòng)控制技術(shù)也開始向社會(huì)生活領(lǐng)域拓展，如生物制造、醫(yī)學(xué)研究與環(huán)境管理等。線性與非線性是自動(dòng)控制系統(tǒng)的兩大核心內(nèi)容，線性系統(tǒng)具有規(guī)律性，但社會(huì)中普遍存在的確是非線性系統(tǒng)，與線性系統(tǒng)相比，非線性系統(tǒng)無法滿足疊加性，且具有非均衡性，其理論研究與工程實(shí)踐均存在較高難度，因此，研究非線性控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 非線性控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)

1.1 非線性控制系統(tǒng)的概念

線性控制系統(tǒng)主要是指系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)存在一定的規(guī)律且能夠運(yùn)用線性微分的方程或線性算子來準(zhǔn)確描述該規(guī)律。非線性控制系統(tǒng)是與線性控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的概念，即是指無法運(yùn)用線性關(guān)系以描述狀態(tài)變量和輸出變量相對(duì)于輸入變量的運(yùn)動(dòng)特性的控制系統(tǒng)。通常情況下，滿足疊加原理是線性控制系統(tǒng)的基本屬性，基于此特點(diǎn)，線性控制系統(tǒng)衍生出一系列的分析法，包含時(shí)域中的卷積、頻域和復(fù)域中的傳遞函數(shù)方法等。與線性系統(tǒng)相比，非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)缺乏規(guī)律性，同時(shí)也較為復(fù)雜，非線性控制系統(tǒng)無法運(yùn)用簡單的現(xiàn)線性微分方程來表示。

1.2 非線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

通過與線性控制系統(tǒng)的相關(guān)屬性做對(duì)比可知，非線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：第一，數(shù)學(xué)模型，即非線性控制系統(tǒng)無法滿足疊加原理。第二，穩(wěn)定性，非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，同時(shí)受到多種因素的共同影響，不僅包含控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、信號(hào)輸入等，更與其他初始條件相互關(guān)聯(lián)。學(xué)者在進(jìn)行非線性控制系統(tǒng)的研究時(shí)必須首先明確其具體的平衡狀態(tài)。第三，系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)，非線性控制系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)并不同于線性控制系統(tǒng)，這是因?yàn)槠渑c系統(tǒng)的最初狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)的最初狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)不同，即可導(dǎo)致不同的不同的零輸入響應(yīng)形式。第四，自激振蕩或極限環(huán)，正如上文所述，具體社會(huì)實(shí)踐中標(biāo)準(zhǔn)的線性系統(tǒng)并不存在，而是普遍表現(xiàn)為非線性系統(tǒng)。由于缺乏系統(tǒng)性和規(guī)律性，非線性系統(tǒng)并不存在統(tǒng)一的一套解析方法。非線性控制系統(tǒng)在某些最初狀態(tài)時(shí)可以自激振蕩或極限環(huán)，若此時(shí)系統(tǒng)的極限環(huán)十分穩(wěn)定，其振幅和頻率則能夠不受擾動(dòng)和初始狀態(tài)的影響。

2 非線性控制系統(tǒng)的應(yīng)用條件

目前，隨著我國電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)繁榮，非線性控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，除去普通意義上的工程建設(shè)項(xiàng)目，非線性控制系統(tǒng)也在工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管以及其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。對(duì)于非線性控制系統(tǒng)而言，其獨(dú)特的特征也可以幫助改善系統(tǒng)的性能和品質(zhì)，如在二階系統(tǒng)的反饋回路中同時(shí)加入死區(qū)特性環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，即能夠維護(hù)非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

與線性控制系統(tǒng)相比，非線性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無規(guī)律性，對(duì)其的分析研究存在較大難度，目前仍未形成統(tǒng)一有效的分析理論和研究工具。因此，在具體的社會(huì)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，非線性控制系統(tǒng)的使用應(yīng)重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面的條件：第一，非線性控制系統(tǒng)是否具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；第二，非線性控制系統(tǒng)是否已經(jīng)形成自激振蕩及其振幅和頻率的測算方法；第三，技術(shù)人員可采取何種措施和方法以將系統(tǒng)的自激振蕩的幅值控制在合理范圍內(nèi)，直至徹底消除振幅值。舉例而言，若一個(gè)自激振蕩的頻率為ω，其能夠被頻率為ω1的振蕩抑制，這種現(xiàn)象即稱作為異步抑制現(xiàn)象，該現(xiàn)象已被運(yùn)用于重型設(shè)備的伺服系統(tǒng)之中，以抑制設(shè)備因齒隙而導(dǎo)致的自振蕩問題。

3 結(jié)語

綜上所述，非線性控制系統(tǒng)作為現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)管理、工業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)與生態(tài)防治等眾多領(lǐng)域的高新技術(shù)之一，其與線性控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，均是我國自動(dòng)化控制技術(shù)的核心構(gòu)成內(nèi)容。與線性控制系統(tǒng)相比，非線性控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)模型、穩(wěn)定性、系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)和自激振蕩或極限環(huán)等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這為非線性控制系統(tǒng)的理論分析和技術(shù)研發(fā)增加較大的難度。非線性系統(tǒng)是實(shí)際生活中的普遍現(xiàn)象，亦是不可忽視的過程，因此，研究者必須注重非線性系統(tǒng)的分析研究，繼而明確其特點(diǎn)，探究出科學(xué)而有效的應(yīng)用措施，增強(qiáng)其控制品質(zhì)。

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作者簡介：黎衛(wèi)衛(wèi)（1994），漢族，海南三亞人，所學(xué)專業(yè)全稱：自動(dòng)化，研究方向： 非線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用條件分析。指導(dǎo)老師：黃強(qiáng)，指導(dǎo)老師工作單位：邵陽學(xué)院電氣工程學(xué)院。