Введение
В теории систем управления метод описывающей функции (DF), разработанный Николаем Митрофановичем Крыловым и Николаем Боголюбовым в 1930-х годах и расширенный Ральфом Коченбургером, представляет собой приближенный метод анализа определенных нелинейных задач управления. Он основан на квазилинеаризации, то есть на приближении исследуемой нелинейной системы линейной стационарной (LTI) передаточной функцией, зависящей от амплитуды входного сигнала. По определению, передаточная функция истинной LTI-системы не может зависеть от амплитуды входного сигнала, поскольку LTI-система является линейной. Таким образом, эта зависимость от амплитуды порождает семейство линейных систем, которые объединяются в попытке отразить основные особенности поведения нелинейной системы. Описывающая функция – один из немногих широко применимых методов проектирования нелинейных систем и широко используется как стандартный математический инструмент для анализа предельных циклов в системах управления с обратной связью, таких как системы управления промышленными процессами, сервомеханизмы и электронные генераторы.
Метод
Рассмотрим обратную связь вокруг нелинейности, имеющей разрыв (но кусочно-непрерывной), например, усилителя с насыщением или элемента с эффектом мёртвой зоны, каскадно соединенной с медленной устойчивой линейной системой. Область непрерывности, в которой обратная связь воздействует на нелинейность, зависит от амплитуды выходного сигнала линейной системы. По мере уменьшения амплитуды выходного сигнала линейной системы нелинейность может переходить в другую область непрерывности. Этот переход между областями непрерывности может генерировать периодические колебания. Метод функции описания (describing function method) пытается предсказать характеристики этих колебаний (например, их основную частоту), предполагая, что медленная система действует как фильтр нижних или верхних частот, концентрируя всю энергию вблизи одной частоты. Даже если выходная форма сигнала содержит несколько мод, метод всё равно может дать представление о таких свойствах, как частота и, возможно, амплитуда; в этом случае метод функции описания можно рассматривать как описание скользящего режима системы с обратной связью. Используя это предположение о фильтрации нижних частот, системный отклик можно описать одной из серии синусоидальных форм сигнала; в этом случае система будет характеризоваться функцией описания синусоидального входного сигнала (SIDF), определяющей системный отклик на вход, состоящий из синусоидальной волны с амплитудой A и частотой. Эта SIDF является модификацией передаточной функции, используемой для характеристики линейных систем. В квазилинейной системе, при синусоидальном входном сигнале, выходной сигнал будет синусоидальной волной той же частоты, но с масштабированной амплитудой и сдвинутой фазой, определяемыми многими системами, которые приблизительно квазилинейны в том смысле, что, хотя отклик на синусоидальный сигнал и не является чистой синусоидой, большая часть энергии в выходном сигнале действительно приходится на ту же частоту, что и входной. Это связано с тем, что такие системы могут обладать внутренними фильтрующими свойствами нижних или верхних частот, которые естественным образом ослабляют гармоники, или потому, что для этой цели добавляются внешние фильтры. Важным применением метода SIDF является оценка амплитуды колебаний в синусоидальных электронных генераторах. Другие типы функций описания, которые использовались, включают функции описания для уровневых сигналов и для гауссовского шума. Хотя функции описания не дают полного описания системы, они часто достаточны для ответа на конкретные вопросы, касающиеся управления и устойчивости. Методы функций описания лучше всего подходят для анализа систем со сравнительно слабыми нелинейностями. Кроме того, функции описания синусоидального входного сигнала высшего порядка (HOSIDF) описывают отклик класса нелинейных систем на гармоники частоты синусоидального входного сигнала. HOSIDF являются расширением SIDF для систем, в которых нелинейные характеристики существенно влияют на отклик.
Кавеат
Хотя метод описывающих функций может давать достаточно точные результаты для широкого класса систем, для других он может давать серьезно неверные результаты. Например, метод может оказаться неприменимым, если система выделяет высшие гармоники нелинейности. Такие примеры были приведены Цыпкиным для систем с переключением. Довольно похожим примером является замкнутый осциллятор, состоящий из неинвертирующего триггера Шмитта, за которым следует инвертирующий интегратор, выход которого подается на вход триггера Шмитта. Выход триггера Шмитта будет иметь форму прямоугольной волны, а выход интегратора (следующего за ним) – форму треугольной волны с пиками, совпадающими с фронтами прямоугольной волны. Каждая из этих двух ступеней осциллятора запаздывает сигнал ровно на 90 градусов (относительно своего входа). Если бы кто-то применил DF-анализ к этой схеме, треугольная волна на входе триггера Шмитта была бы заменена ее первой гармоникой (синусоидальной волной), которая, проходя через триггер, вызвала бы сдвиг фазы менее 90 градусов (потому что синусоидальная волна сработала бы на триггер раньше, чем треугольная волна), в результате чего система, казалось бы, не осциллировала бы таким же (простым) образом. Кроме того, в случае, когда выполняются условия гипотез Айзермана или Калмана, методом описывающих функций периодические решения не находятся, однако известны контрпримеры со скрытыми периодическими аттракторами. Контрпримеры к методу описывающих функций могут быть построены для разрывных динамических систем, когда участок установившегося состояния разрушает предсказанные предельные циклы. Следовательно, применение метода описывающих функций требует дополнительного обоснования.