非線性控制系統的特點與應用條件分析

(三門峽職業技術學院公共教學部，河南三門峽，472000)

引言

隨著社會經濟的不斷發展，在當前的工業生產當中主要以工業生產效率作為其發展的重要支柱，而自動化控制系統則為工業生產帶來了巨大的發展潛能，借助計算機技術以及自動控制技術進一步加快工業生產的效率，進而有效推動社會經濟的發展。除此之外，自動化技術也逐步向著人們生活中的各個領域邁進，以加強對各個領域的控制和管理工作。在自動化控制當中，線性與非線性是其兩大核心內容，線性系統具有一定的規律性，在應用當中能夠有章可循，而非線性控制系統則恰恰相反。事實上，在當前的自動化控制系統當中，大都呈現非線性的系統控制，為了加強工業生產及各個領域的發展，則需要進一步加強對非線性系統的控制工作，以實現非線性控制系統的應用與實踐。

1 非線性控制系統概述

狀態變量與輸出變量相對于輸入變量的運動特性，且不能用線性關系描述的控制系統就稱為非線性控制系統。即狀態量和輸出量不成比例關系，因而非線性控制系統不滿足線性因果關系的基本屬性，不能夠滿足疊加原理。非線性系統的數學模型是按其變量的形式，可以分為非線性微分方程組和非線性差分方程組。形成非線性控制系統的原因，大致分為兩種，一是在被控制的系統當中包含一些非線性因素且不能被忽略，即就是在控制系統當中存在一些非線性元件，進而導致系統整體成為非線性控制系統。二是為了進一步加快工業生產，且有效提升自動化控制系統的工作效率，在循環系統當中為了增強控制系統的控制性能或者簡化控制系統的結構，從而人為的采用非線性元件，以構成非線性控制系統。60年代以來，非線性系統的理論進入了一個新的發展階段，而在這個過程當中，突變理論，耗散結構等以非線性系統為研究對象的新學科不斷衍生，同時也鞏固了非線性控制系統的科學地位。非線性控制系統相對于線性控制系統來說，有更大的應用價值和實用意義，能夠有效實現自動化控制，以結合當前的高新技術有效推動各個行業及領域的發展，具有一定的時代意義和特性。在自動控制系統當中，非線性控制系統能夠加快對控制器，被控對象，執行機構和變送器等各環節的控制工作，使得自動控制系統能夠更加精確，且不受外界環境的干擾。同時，非線性控制系統又能夠將所獲取的信息及時的反饋到控制系統，以實現對機械設備的全面控制，以有效增強機體及其各設備之間的信號傳遞，利用輸出量同期望值偏差加強對自動控制系統的控制工作，以此來保障自動控制系統具有較好的控制性能，進而達到自動控制系統的反饋控制，有效增強自動化控制系統裝置制造行業的競爭力。

2 非線性控制系統的特點

與線性控制系統相比，非線性控制系統的結構缺乏一定的規律性，同時非線性控制系統的結構相對于線性控制系統較為復雜，且無法運用簡單的線性微分方程來表示。將線性控制系統與非線性控制系統相比較，在比較的過程當中就會發現，非線性控制系統具有較強的實用意義。非線性控制系統理論的研究對象是具體的生活現象且為非線性現象，其反映的是非線性系統運動本質的現象，因而在其研究的過程當中不能采用線性系統的理論來解釋其非線性理論。在剛開始研究非線性控制系統時，氣象學家主要是依據天氣預報問題，根據大氣對流模型的數值進行研究，進而發現了一種非線性現象。通過研究發現非線性控制系統在一定參數范圍內對初始參數較為敏感，進而會產生一種非周期性的，看起來非?；靵y的輸出，沒有一定的規律可言且缺乏理論的實踐驗證。線性系統的輸出特性及其穩定性，主要依靠線性系統本身的結構和具體參數的變化，且具有一定的規律性。而非線性系統的穩定性與其輸出的動態過程，以及系統結構及參數密切相關，同時還與非線性系統運行的初始條件及其信號的輸入大小有關。因而在自動控制當中，要加強對非線性控制系統參數控制，將非線性控制系統能夠穩定實施做為基礎，以結合實際情況不斷優化非線性控制系統的運行效果，加強其控制性能，進而有效增強自動控制系統的準確性及穩定性。例如，在非線性控制系統當中，在其幅值大的初始條件下，系統運動是相對較穩定的，幅值較小的初始條件下，系統運動是不穩定的，進而導致非線性控制系統在運行過程當中，有很多客觀且不可預見的外界因素造成非線性控制系統的控制性能降低。當然，非線性控制系統與線性控制系統都具有一定的周期，只不過非線性控制系統的周期不穩定，因而在非線性控制系統當中，很有可能觀察不到具體的周期解及具體的平衡狀態。事實上，在一些非線性控制系統當中，即使沒有外部輸入的作用也會產生一定振幅和頻率的震蕩。當然，非線性控制系統的控制條件來自于多個方面，我們可以通過改變控制系統的相關參數進而改變自動控制系統中自激振蕩的振幅和頻率，進而實現自動控制系統的非線性控制。在實際的工業生產及工程項目當中，這種人為干擾的自動控制系統能夠進一步加快工業生產的效率。例如，在自動控制系統當中，為了加強對機械設備的溫度控制，可以結合溫度對機械設備的影響，實現對機械設備的非線性系統控制，以通過溫度的變化加強對設備的震蕩調節，或者減輕設備振動，以此實現對設備溫度的調節作用。

3 非線性控制系統的優勢

非線性控制系統是一種比例增益可變的控制作用，常用于具有嚴重非線形特征的工藝對象，如溫度值的控制。在非線性控制系統與線性控制系統的對比過程當中，非線性控制系統的數學模型不滿足疊加原理，在非線性控制系統當中，由于非線性控制系統本身存在的特性，非線性控制系統的不靈敏性，在機械測量元件的環節當中會存在死區的現象，即測量元件的相關系數變化不明顯，幾乎處于停滯狀態。當然，當外界環境達到機械設備測量的需求之后，其相關數據會呈爆炸式的增長，進而達到飽和狀態。在實際的應用當中，非線性控制系統能夠對機械設備及電器件等形成限制，例如，功率限制。當電器件的功率達到額定電壓之后，即處于飽和狀態時，非線性控制系統就能夠通過反饋系統有效加強對機械設備的控制，保護機械設備電氣元件，以有效延長機械設備及電器元件的壽命，有效延長機器設備及電器元件的使用壽命，極大縮減相應的維修檢修工程。除此之外，非線性控制系統還有繼電器特性以及變放大系數特性。在非線性控制系統的具體應用過程當中，要綜合考慮到非線性控制系統的復雜性，綜合考慮多方面的因素對非線性控制系統造成的影響，進一步加強對非線性控制系統的結構控制，有效加強非線性控制系統的信號輸出，保證非線性控制系統在其工作環節當中能夠與其初始狀態密切相關，進而以實現非線性控制系統的零輸入響應。在非線性控制系統當中，主要是通過機械震蕩及極限環等新方式加強對非線性控制系統的控制工作。因而要加強機械振動中的振幅和頻率的宏觀調控，使得非線性控制系統能夠不受外界環境即初始狀態的影響，進而有效提升非線性控制系統的穩定性及準確性。

4 非線性控制系統的應用條件

在我國當前的市場經濟影響下，電子計算機技術在不斷的發展，同時也取得了顯著的成果，非線性控制系統也逐步應用到更多的領域當中，廣泛應用于工業生產，機械設備研發，以及生態環境監管等多個領域當中。事實上，單從非線性控制系統來看，非線性控制系統更加符合當前社會經濟發展的需求，在很多自動控制過程當中，難以實現非線性控制工作，且在自動控制環節當中，會受到外界環境以及設備的影響，進而導致自動控制系統難以高效穩定的開展，且無法避免眾多客觀因素帶來的影響。為了有效提升自動控制系統的穩定性及準確性，則需要加強對自動控制系統外界環境及其設備的調解工作，以此來保障非線性控制系統能夠準確穩定的運行。非線性控制系統的結構相對較復雜一些，因而在考慮非線性控制系統應用的過程當中，要綜合多方面的因素，為非線性控制系統的應用創立相應的條件。非線性控制系統相對于線性控制系統來說，其工作的難度較大，缺乏能夠統一處理的數學模型及工數學具，因而在實際的工程應用當中，很難結合實際情況精確的確定非線性控制系統的輸出過程。因而在非線性控制系統的應用過程當中，要考慮到以下三方面的問題：一是控制系統是否穩定。非線性控制系統在應用過程當中，其輸出狀態與輸入狀態密切相關，且與輸入狀態下的溫度及環境有著較為密切的聯系，因而在非線性控制系統的應用過程當中，首先要考慮到外界環境是否能夠達到非線性控制系統應用的基礎條件，以此保障非線性控制系統運行的穩定性。二是系統是否能夠產生自激振蕩，以及其自己正當振幅，頻率的測量方法。在非線性控制系統的應用過程當中，首先要考慮到該系統是否能夠發生非線性振動，如果能發生非線性振動，則要考慮其振幅及其頻率的求解和測量過程，進而在非線性控制系統的應用過程當中，能夠排除客觀因素對非線性控制系統造成的影響。三是在非線性控制系統當中，還會出現對初始條件極為敏感的運動，例如自激震動等，這會對非線性控制系統造成嚴重的危害，因而在非線性控制系統的應用當中，要了解一些基本的非線性振動，掌握其典型特征，以此保障非線性控制系統應用的準確性及穩定性。當然還要進一步加強對自激振蕩的振幅消除工作，使得非線性控制系統在應用的過程當中，能夠避免客觀因素造成的影響。事實上，在非線性控制系統的應用過程當中，為了保障非線性控制系統應用的效果，要加強對工程特性及運動模式的分析探究，以加強對非線性控制系統的修正和整改，以此有效提升非線性控制系統的控制性能。

5 結束語

綜上所述，非線性控制系統在現階段的工業生產及社會經濟發展當中有著非常重要的地位，因而在當前的自動化控制技術中需要進一步加強非線性控制系統的應用。同時能夠結合實際情況，為非線性控制系統的應用創建合適的應用條件，以加快非線性控制系統的理論分析和技術研發工作。