非线性控制系统研究

非线性控制系统研究

一、实验课题：

非线性控制系统研究：选电站锅炉气温PID控制系统如图1所示，加入非线性模块，如传感器死区、执行器限幅和间隙等，研究非线性参数变化后对系统的影响。

图1、锅炉气温PID控制系统

二、实验目的

（1）学会利用Matlab中simulink平台搭建非线性系统的方框图图。 （2）根据改变不同非线性模块的参数来观察研究对系统性能的影响。

三、实验理论分析

在实际中，几乎所有的控制系统中都存在非线性元件，或者是部件中含有非线性。在一些系统中，人们甚至还有目的地应用非线性部件来改善系统性能。

自动控制系统的非线性特性，主要是由受控对象、检测传感元件、执行机构、调节机构和各种放大器等部件的非线性特性所造成的。在一个控制系统中，只有包含有一个非线性元件，就构成了非线性控制系统。在自动控制系统中经常遇到的典型非线性特性有饱和特性、死区（即不灵敏区）特性、间隙特性、摩擦（即阻尼）特性、继电器特性和滞环特性等。这些非线性特性一般都会对控制系统的正常工作带来不利的影响。但是，在有些情况下，也可以利用某些非线性特性（例如继电器特性、变放大系数特性等）来改善控制系统，是指比纯线性系统具有更为优良的动态性能。下面就两种典型非线性特性，及非别对自动控制系统的影响。

饱和特性的特点是当输入信号x的绝对值超过线性部分的宽度时，其输出信号y不再随输入的变化而变化，将保持为一个常数值。这相当于通过这一饱和非线性元件或环节的平均放大系数（增益）下降了。这就是放大器的饱和输出特性。试验研究表明，它可能是系统的过程时间家常和稳态误差增加，也可能使系统的

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振荡性减弱（振幅下降，振荡频率降低）。对于发散振荡的系统，由于饱和特性的影响，可以转化为自激荡的系统。

死区特性的特点是当输入信号x的绝对值不超过死区宽度时，死区非线性元件或环节将无信号输出，只有当输入信号大于死区宽度后，才会有输出信号，并与输入信号呈线性关系。死区对控制系统的影响，首先是造成系统的稳定误差。一般不会加强过度过程中的振荡性，振荡强度下降，从而增加了系统的稳定性，死区能滤掉输入端小幅值的干扰信号，增加系统的抗干扰能力。另外，在随动系统中，死区会造成输出信号的滞后。

四、实验设计和实现

（1）加入死区特性非线性模块

在PID控制系统中加入非线性模块死区特性，非别对控制信号和阶跃响应输出信号进行对比，如图2和图3所示。

图2、加入死区特性系统方框图

图3、加入死区特性控制信号对比（黄色为PID）

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图4、加入死区特性阶跃响应输出对比（黄色为PID）

调整死区特性非线性模块的参数，将1变为0.5后再次观察输出波形对比。如图5，图6和图7所示。

图5、改变死区特性参数后对比方框图

图6、控制信号对比曲线

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图7、阶跃响应输出曲线对比

当加入干扰信号后观察阶跃响应输出波形曲线。如图8和图9所示。

图8、加入干扰信号系统方框图

图9、加入干扰信号的阶跃响应输出曲线对比

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在反馈传感器中加入死区特性非线性模块，再与PID控制系统进行观察对比，如图10、图11和图12所示。

图10、加入非线性反馈传感器与PID控制系统方框图

图11、加入非线性反馈传感器与PID控制控制信号对比

图12、加入非线性反馈传感器与PID控制系统阶跃响应输出波形对比

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