110 年 國立臺灣聯合大學系統(清華、政治、陽明交通、中央四校聯招)研究所電機類《控制系統》
第 1 題28 分
Consider the two-mass system in Figure 1, where and are spring constants; and are displacements of and , assuming that both springs have their natural lengths when . The surface is frictionless and is an external force applied to .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Figure 1: Two-mass system
(a) (6%) Choose as the output of the system. Write down the state space representation using as the state vector, where denotes the time derivative of for .
(b) (8%) Find the transfer function from to .
(c) (6%) Suppose that and . Find the resonant frequencies of the system in terms of .
(d) (8%) Let and . Find , and such that for all .
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核心觀念
本題考查:
- 牛頓第二定律建立雙質量—彈簧系統之運動方程式。
- 狀態空間表示法。
- 拉氏轉換與傳遞函數。
- 系統自然頻率(共振頻率)由特徵方程式求得。
- 利用輸入—輸出關係反推特殊初始條件。
依原卷圖示, 正方向皆向右,外力 作用於 。
(a) 狀態空間表示
解題方法
對兩個質量分別使用牛頓第二定律。
對 :
對 :
令狀態向量為
則
因此狀態空間形式為
其中
輸出為 ,所以
其中
(b) 到 的傳遞函數
解題方法
假設初始條件為零,對運動方程式取拉氏轉換:
由第二式得
代回第一式:
因此
展開分母可得
(c) 系統共振頻率
題目條件
依原卷圖示,條件為
解題方法
系統特徵方程式由傳遞函數分母給出:
除以 :
代入條件:
令 ,則
令 ,得到
解得
第 2 題22 分
Consider the feedback control system in Figure 2, where
, , .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Figure 2: Feedback Control System
(a) (6%) Find the conditions on and such that the closed-loop system is stable.
(b) (8%) Find and to satisfy the following requirements simultaneously:
i. The closed-loop transfer function from to is a stable, 2nd order rational function.
ii. The steady-state error with respect to the unit-ramp input , , is less than 0.2.
iii. The percent maximum overshoot with respect to the unit-step input , , is less than 10%.
(c) (8%) Let . Draw the root locus when increases from 0 to . If , what is the gain margin of the system?
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核心觀念
本題考查:
- 單位負回授閉迴路傳遞函數。
- 三階特徵方程式的 Routh–Hurwitz 穩定判據。
- 型別一系統的斜坡穩態誤差。
- 二階系統阻尼比與最大超越量。
- 根軌跡的實軸區段、分離點、漸近線與增益裕度。
令開迴路傳遞函數為
因此閉迴路傳遞函數為
整理分母得
(a) 閉迴路穩定條件
三階多項式
穩定的必要且充分條件為
套用本題:
由題設 ,前三個條件自動成立,剩下
化簡:
所以穩定條件為
也可寫成:
-
若 ,則
-
若 ,則對所有 均穩定。
(b) 同時滿足三項規格
第一步:使閉迴路成為二階有理函數
原本分母為三階,若要約化成二階,必須使控制器零點
與被控體極點 或 抵消。
因此有兩種可能:
情況一:
此時 ,可與極點 抵消。
所以
此為二階系統,且 時穩定。
情況二:
此時
可與極點 抵消:
此時同樣是穩定二階系統,條件為 。
第二步:斜坡輸入的穩態誤差
系統為型別一,因此單位斜坡輸入的穩態誤差為
其中
對兩種抵消情況皆有
因此
得到
第三步:最大超越量小於
二階標準型為
最大超越量為
要求 ,因此
其中
檢查
此時
與標準型比較:
所以
要求 :
因此
配合斜坡誤差條件 ,得到
檢查
此時
因此
最大超越量小於 要求
第 3 題32 分
Consider the following feedback system with plant and controller .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Let , where . The controller .
(a) (6%) Plot the root locus for and , respectively.
(b) (5%) Sketch the Nyquist plot for .
(c) (4%) Analyze the stability from Nyquist plot for all .
(d) (6%) To stabilize the system, a control engineer chooses , where . Show that the root locus contains a circle for .
(e) (4%) As in part (d), design the closed-loop poles at , design the controller .
(f) (3%) From the root locus in part (d), what are the Gain margin?
(g) (4%) In part (e) and input , what is the steady state output?
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核心觀念
本題考查:
- 根軌跡的開迴路極點、零點、實軸判斷與分離點。
- Nyquist 圖與閉迴路穩定性。
- 利用特徵方程判斷補償器參數。
- 增益裕度與頻率響應。
- 正弦輸入下的穩態輸出。
以下依原題常見架構,採用「單位負回授」:
(a) 與 的根軌跡
時的特徵方程
因此
或寫成根軌跡形式:
開迴路極點為 ,開迴路有兩個重零點 。
由
可知實軸上 的區段為
分離點由
求得:
所以分離點為
代回得
閉迴路極點為
因此:
- :兩根位於負實軸,分別由 與 往左移動。
- :兩根在 重合。
- :根離開 成為共軛複數根,最後由左半平面趨近於原點。
所以 的根軌跡完全位於左半平面。
實軸上 的區段為
當 時:
- 一根由 出發,沿 趨近原點。
- 另一根由正無限遠處出發,沿 趨近原點。
由特徵方程
因為 ,其中一根必在右半平面。因此 時系統不穩定。
(b) 的 Nyquist 圖
已知
因此
此頻率響應的實部永遠為零,虛部為負值。
當 :
當 :
所以正頻率的 Nyquist 曲線沿負虛軸,由原點往 延伸;負頻率部分為其關於實軸的鏡射,沿正虛軸返回原點。
曲線不會包圍 。
(c) 由 Nyquist 圖分析所有 的穩定性
開迴路
沒有右半平面極點,因此 。
Nyquist 圖不包圍 ,所以
由 Nyquist 判據:
閉迴路沒有右半平面極點,系統穩定。
此時回授增益為零,系統極點為
因此系統穩定。
由特徵方程
二階系統的係數中,。將方程式除以 :
其中
故兩根乘積為負,一根在左半平面、一根在右半平面,系統不穩定。
因此:
(d) 使用 時的圓形根軌跡
新的開迴路傳遞函數為
特徵方程為
所以
展開得
根軌跡條件為
令
要使 為實數,虛部必須為零。整理後得到:
除了實軸根軌跡 外,複數根軌跡滿足
因此根軌跡包含一個以原點為圓心、半徑為
的圓。
在圓上有
且
所以 時須滿足