非线性控制系统的特点与应用条件分析

2018-12-26

数码设计 2018年11期

(三门峡职业技术学院公共教学部，河南三门峡，472000)

引言

随着社会经济的不断发展，在当前的工业生产当中主要以工业生产效率作为其发展的重要支柱，而自动化控制系统则为工业生产带来了巨大的发展潜能，借助计算机技术以及自动控制技术进一步加快工业生产的效率，进而有效推动社会经济的发展。除此之外，自动化技术也逐步向着人们生活中的各个领域迈进，以加强对各个领域的控制和管理工作。在自动化控制当中，线性与非线性是其两大核心内容，线性系统具有一定的规律性，在应用当中能够有章可循，而非线性控制系统则恰恰相反。事实上，在当前的自动化控制系统当中，大都呈现非线性的系统控制，为了加强工业生产及各个领域的发展，则需要进一步加强对非线性系统的控制工作，以实现非线性控制系统的应用与实践。

1 非线性控制系统概述

状态变量与输出变量相对于输入变量的运动特性，且不能用线性关系描述的控制系统就称为非线性控制系统。即状态量和输出量不成比例关系，因而非线性控制系统不满足线性因果关系的基本属性，不能够满足叠加原理。非线性系统的数学模型是按其变量的形式，可以分为非线性微分方程组和非线性差分方程组。形成非线性控制系统的原因，大致分为两种，一是在被控制的系统当中包含一些非线性因素且不能被忽略，即就是在控制系统当中存在一些非线性元件，进而导致系统整体成为非线性控制系统。二是为了进一步加快工业生产，且有效提升自动化控制系统的工作效率，在循环系统当中为了增强控制系统的控制性能或者简化控制系统的结构，从而人为的采用非线性元件，以构成非线性控制系统。60年代以来，非线性系统的理论进入了一个新的发展阶段，而在这个过程当中，突变理论，耗散结构等以非线性系统为研究对象的新学科不断衍生，同时也巩固了非线性控制系统的科学地位。非线性控制系统相对于线性控制系统来说，有更大的应用价值和实用意义，能够有效实现自动化控制，以结合当前的高新技术有效推动各个行业及领域的发展，具有一定的时代意义和特性。在自动控制系统当中，非线性控制系统能够加快对控制器，被控对象，执行机构和变送器等各环节的控制工作，使得自动控制系统能够更加精确，且不受外界环境的干扰。同时，非线性控制系统又能够将所获取的信息及时的反馈到控制系统，以实现对机械设备的全面控制，以有效增强机体及其各设备之间的信号传递，利用输出量同期望值偏差加强对自动控制系统的控制工作，以此来保障自动控制系统具有较好的控制性能，进而达到自动控制系统的反馈控制，有效增强自动化控制系统装置制造行业的竞争力。

2 非线性控制系统的特点

与线性控制系统相比，非线性控制系统的结构缺乏一定的规律性，同时非线性控制系统的结构相对于线性控制系统较为复杂，且无法运用简单的线性微分方程来表示。将线性控制系统与非线性控制系统相比较，在比较的过程当中就会发现，非线性控制系统具有较强的实用意义。非线性控制系统理论的研究对象是具体的生活现象且为非线性现象，其反映的是非线性系统运动本质的现象，因而在其研究的过程当中不能采用线性系统的理论来解释其非线性理论。在刚开始研究非线性控制系统时，气象学家主要是依据天气预报问题，根据大气对流模型的数值进行研究，进而发现了一种非线性现象。通过研究发现非线性控制系统在一定参数范围内对初始参数较为敏感，进而会产生一种非周期性的，看起来非常混乱的输出，没有一定的规律可言且缺乏理论的实践验证。线性系统的输出特性及其稳定性，主要依靠线性系统本身的结构和具体参数的变化，且具有一定的规律性。而非线性系统的稳定性与其输出的动态过程，以及系统结构及参数密切相关，同时还与非线性系统运行的初始条件及其信号的输入大小有关。因而在自动控制当中，要加强对非线性控制系统参数控制，将非线性控制系统能够稳定实施做为基础，以结合实际情况不断优化非线性控制系统的运行效果，加强其控制性能，进而有效增强自动控制系统的准确性及稳定性。例如，在非线性控制系统当中，在其幅值大的初始条件下，系统运动是相对较稳定的，幅值较小的初始条件下，系统运动是不稳定的，进而导致非线性控制系统在运行过程当中，有很多客观且不可预见的外界因素造成非线性控制系统的控制性能降低。当然，非线性控制系统与线性控制系统都具有一定的周期，只不过非线性控制系统的周期不稳定，因而在非线性控制系统当中，很有可能观察不到具体的周期解及具体的平衡状态。事实上，在一些非线性控制系统当中，即使没有外部输入的作用也会产生一定振幅和频率的震荡。当然，非线性控制系统的控制条件来自于多个方面，我们可以通过改变控制系统的相关参数进而改变自动控制系统中自激振荡的振幅和频率，进而实现自动控制系统的非线性控制。在实际的工业生产及工程项目当中，这种人为干扰的自动控制系统能够进一步加快工业生产的效率。例如，在自动控制系统当中，为了加强对机械设备的温度控制，可以结合温度对机械设备的影响，实现对机械设备的非线性系统控制，以通过温度的变化加强对设备的震荡调节，或者减轻设备振动，以此实现对设备温度的调节作用。

3 非线性控制系统的优势

非线性控制系统是一种比例增益可变的控制作用，常用于具有严重非线形特征的工艺对象，如温度值的控制。在非线性控制系统与线性控制系统的对比过程当中，非线性控制系统的数学模型不满足叠加原理，在非线性控制系统当中，由于非线性控制系统本身存在的特性，非线性控制系统的不灵敏性，在机械测量元件的环节当中会存在死区的现象，即测量元件的相关系数变化不明显，几乎处于停滞状态。当然，当外界环境达到机械设备测量的需求之后，其相关数据会呈爆炸式的增长，进而达到饱和状态。在实际的应用当中，非线性控制系统能够对机械设备及电器件等形成限制，例如，功率限制。当电器件的功率达到额定电压之后，即处于饱和状态时，非线性控制系统就能够通过反馈系统有效加强对机械设备的控制，保护机械设备电气元件，以有效延长机械设备及电器元件的寿命，有效延长机器设备及电器元件的使用寿命，极大缩减相应的维修检修工程。除此之外，非线性控制系统还有继电器特性以及变放大系数特性。在非线性控制系统的具体应用过程当中，要综合考虑到非线性控制系统的复杂性，综合考虑多方面的因素对非线性控制系统造成的影响，进一步加强对非线性控制系统的结构控制，有效加强非线性控制系统的信号输出，保证非线性控制系统在其工作环节当中能够与其初始状态密切相关，进而以实现非线性控制系统的零输入响应。在非线性控制系统当中，主要是通过机械震荡及极限环等新方式加强对非线性控制系统的控制工作。因而要加强机械振动中的振幅和频率的宏观调控，使得非线性控制系统能够不受外界环境即初始状态的影响，进而有效提升非线性控制系统的稳定性及准确性。

4 非线性控制系统的应用条件

在我国当前的市场经济影响下，电子计算机技术在不断的发展，同时也取得了显著的成果，非线性控制系统也逐步应用到更多的领域当中，广泛应用于工业生产，机械设备研发，以及生态环境监管等多个领域当中。事实上，单从非线性控制系统来看，非线性控制系统更加符合当前社会经济发展的需求，在很多自动控制过程当中，难以实现非线性控制工作，且在自动控制环节当中，会受到外界环境以及设备的影响，进而导致自动控制系统难以高效稳定的开展，且无法避免众多客观因素带来的影响。为了有效提升自动控制系统的稳定性及准确性，则需要加强对自动控制系统外界环境及其设备的调解工作，以此来保障非线性控制系统能够准确稳定的运行。非线性控制系统的结构相对较复杂一些，因而在考虑非线性控制系统应用的过程当中，要综合多方面的因素，为非线性控制系统的应用创立相应的条件。非线性控制系统相对于线性控制系统来说，其工作的难度较大，缺乏能够统一处理的数学模型及工数学具，因而在实际的工程应用当中，很难结合实际情况精确的确定非线性控制系统的输出过程。因而在非线性控制系统的应用过程当中，要考虑到以下三方面的问题：一是控制系统是否稳定。非线性控制系统在应用过程当中，其输出状态与输入状态密切相关，且与输入状态下的温度及环境有着较为密切的联系，因而在非线性控制系统的应用过程当中，首先要考虑到外界环境是否能够达到非线性控制系统应用的基础条件，以此保障非线性控制系统运行的稳定性。二是系统是否能够产生自激振荡，以及其自己正当振幅，频率的测量方法。在非线性控制系统的应用过程当中，首先要考虑到该系统是否能够发生非线性振动，如果能发生非线性振动，则要考虑其振幅及其频率的求解和测量过程，进而在非线性控制系统的应用过程当中，能够排除客观因素对非线性控制系统造成的影响。三是在非线性控制系统当中，还会出现对初始条件极为敏感的运动，例如自激震动等，这会对非线性控制系统造成严重的危害，因而在非线性控制系统的应用当中，要了解一些基本的非线性振动，掌握其典型特征，以此保障非线性控制系统应用的准确性及稳定性。当然还要进一步加强对自激振荡的振幅消除工作，使得非线性控制系统在应用的过程当中，能够避免客观因素造成的影响。事实上，在非线性控制系统的应用过程当中，为了保障非线性控制系统应用的效果，要加强对工程特性及运动模式的分析探究，以加强对非线性控制系统的修正和整改，以此有效提升非线性控制系统的控制性能。