常见的非线性特性分析

1.死区（不灵敏区）特性

死区特性如图8.1.1（a）所示。一般控制系统的测量元件、执行元件都存在死区（-a≤x≤a），也称为不灵敏区域。例如某些测量元件当被检测信号很小而达不到一定值时，其输出为零；当给执行机构的驱动信号比较小时，执行机构不会动作。在控制系统中，由于有死区特性的存在，当＜a时，系统处于开环状态，失去调节作用，从而使系统产生稳态误差，降低系统的精度。

2.饱和特性

饱和特性如图8.1.1（b）所示。在饱和特性中，当输入信号仅在一定范围内（|x|≤a）变化时，输入与输出呈线性关系；当输入信号的绝对值超出一定范围（|x|＞a）时，输出则保持为一个常值。控制系统中常用的放大器和执行元件通常都具有饱和非线性特性，由于受到能源、功率等条件的限制，许多元件的运动范围、运动速度也都具有饱和特性。有时从系统安全性的角度考虑，常常在控制系统中加入各种限幅装置，其特性也属于饱和特性。

饱和特性通常使系统在大信号作用下的等效增益下降，稳态误差增大，为避免饱和特性使系统动态性能变差，一般应尽量设法扩大元部件的线性工作范围。

3.间隙特性

间隙特性如图8.1.1（c）所示，其特点是，当输入量的变化方向改变时，输出量保持不变，一直到输入量的变化超出一定数值（间隙）后，输出量才跟着变化。机械传动一般都有间隙存在，例如齿轮传动，当主动轮转向时，需先越过两倍的齿隙，才能驱动从动轮反向运行。

间隙的存在会降低系统的跟踪精度，而且会使系统的输出产生相位滞后，使系统稳定裕度减小，使系统动态性能恶化，容易产生自振。(www.xing528.com)

图8.1.1　死区、饱和、间隙非线性特性

（a）死区特性；（b）饱和特性；（c）间隙特性

4.继电特性

理想继电特性如图8.1.2所示。继电器、接触器等都具有继电特性。实际继电器工作时，只有流经线圈的电流大于吸合值后，继电器的衔铁方能吸合，所以，继电特性一般都有死区存在，如图8.1.2（b）所示。此外，由于继电器的吸合电流一般都大于释放电流，因此，实际的继电特性具有滞环的特点，如图8.1.2（c）和图8.1.2（d）所示。继电特性常常使系统产生振荡现象，但如果选择合适的继电特性则可提高系统的响应速度，也可构成正弦信号发生器。

图8.1.2　几种典型的继电特性

（a）理想继电器；（b）带死区的继电器；（c）带滞环的继电器；（d）带死区和滞环的继电器