第七章 非线性控制系统分析
练习题及答案
7-1 设一阶非线性系统的微分方程为
???x?x3 x试确定系统有几个平衡状态，分析平衡状态的稳定性，并画出系统的相轨迹。
??0 得 解 令x?x?x3?x(x2?1)?x(x?1)(x?1)?0
系统平衡状态
xe?0,?1,?1
其中：xe?0 ：稳定的平衡状态；
xe??1,?1 ：不稳定平衡状态。
计算列表，画出相轨迹如图解7-1所示。
x -2 -1 ?1? -6 0 x? 11 2 0 x ?3 0 13 1 2 0 1 0 0 6 2 11 图解7-1 系统相轨迹
可见：当x(0)?1时，系统最终收敛到稳定的平衡状态；当x(0)?1时，系统发散；x(0)??1时，x(t)???; x(0)?1时，x(t)??。
?~x平面上任意分布。 注：系统为一阶，故其相轨迹只有一条，不可能在整个x
7-2 试确定下列方程的奇点及其类型，并用等倾斜线法绘制相平面图。
??x?x?x?0 (1) ? (2) ???x1?x1?x2
?2?2x1?x2?x 解 （1） 系统方程为
1
???x?x?x?0(x?0)??:?
??x?x?x?0(x?0)???:?令&&&x?x?0，得平衡点：xe?0。 系统特征方程及特征根：
?132?:s?s?1?0,s???j?1,2 ?22???:s2?s?1?0,s??1.618,?0.6181,2??dx??????x?f(x,x)??x?x,x??x?xdx
x?dx?1?????1?,x?x??x?dxx1????I: ???II:??(稳定的焦点)(鞍点)
???1???11?(x?0)
??1(x?0)计算列表 ? x?0: x?0:
用等倾斜线法绘制系统相平面图如图解7-2（a）所示。
-∞ -3 -1 -1/3 0 1/3 1 3 ∞ ???1?1? -1 -2/3 0 2 -∞ -4 -2 -4/3 -1 ???1?1? -1 -4/3 -2 -4 ∞ 2 0 -2/3 -1 2
图解7-2（a）系统相平面图
?（2） x1?x1?x2 ①
② ?x2?2x1?x2?由式①： x2?x1?x1 ③ ???式③代入②： (?x1?x1)?2x1?(x1?x1)
??即 ?x1?2x1?x1?0 ④ ??令 ?x1?x1?0
得平衡点： xe?0 由式④得特征方程及特征根为 s2?2s?1?0画相轨迹，由④式
?1,2?2.414（鞍点） ????0.414?dx1???x1??2x1?x1 dxx1? x ?1??2?? ?x1?x1 计算列表
3
? ?=1/(?-2) 2 ∞ 2 3 1 ∞ 0 1 -1 -2 2 ∞ 用等倾斜线法绘制系统相平面图如图解7-2（b）所示。
?x?sinx?0，试确定奇点及其类型，并用等倾斜线法绘制7-3 已知系统运动方程为 ?相平面图。
??x?x?0 得 解 求平衡点，令?sinx?0
平衡点 xe?k?(k?0,?1,?2,?)。
将原方程在平衡点附近展开为台劳级数，取线性项。
?设 F(x)??x?sinx?0
?F?F???x????x?x??xe?x?0
xe? ??x?cosxe??x?0 ?x??x?0??? ??x??x?0???特征方程及特征根：
2 k为偶数时 s?1?02 k为奇数时 s?1?0xe?k?xe?k?(k?0,?2,?4,?)(k??1,?3,?5,?)
?1,2??j （中心点） ?1,2??1 （鞍点）
用等倾斜线法作相平面
?dx??sinx?x?x???sinx?0dx 1?x?sinx? ? -1/? -2 -1 -1/2 -1/4 0 1/4 1/2 1 2 1/2 1 2 4 ∞ -4 -2 -1 -1/2 作出系统相平面图如图解7-3所示。
4
7-4 若非线性系统的微分方程为
??? (1) ?x?(3x?0.5)x?x?x2?0 ??x?xx?x?0 (2) ?试求系统的奇点，并概略绘制奇点附近的相轨迹图。 解（1） 由原方程得
2?????? ?x?f(x,x)??(3x?0.5)x?x?x2??3x?0.5x?x?x2
??令 ?x1?x1?0
得 x?x2?x(x?1)?0 解出奇点 xe?0,在xe?0处：
?1
在奇点处线性化处理。
??x?
???f(x,x)?f(x,x)??x??xx?0x?0?xx??xx??0?0
????(?1?2x)x?x??x?(?6x?0.5)x?x??x??x?0.5x?0?0??x?0.5x?x?0 即 ?特征方程及特征根
0.5?0.52?4?0.25?j0.984 （不稳定的焦点） s1,2?2 在xe??1处
5
自动控制原理考试试题第七章习题及答案
