115 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30 分
Consider the following RLC circuit (Figure 1):
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(a) Please calculate the transfer function .
(b) Define the state variables and , input and output variables to be and , respectively, please find the state space representation (in terms of , , , and ).
(c) Let . Is the system controllable? Observable?
(d) Let , one utilizes the linear state feedback control to stabilize the system, please find the stability condition of the closed-loop system.
(e) Please calculate the natural frequency and damping ratio of the corresponding closed-loop system for .
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核心觀念
本題考查 RLC 電路的阻抗分析、狀態空間建模,以及線性系統的可控制性、可觀測性與閉迴路穩定性。
依圖定義 ,其極性為左正右負,因此 ; 的方向向下。輸出為 ,輸入為 。圖中的電容與上方電阻並聯,接在輸入節點與輸出節點之間;右側的電阻與電感並聯,接在輸出節點與接地之間。
解題方法
(a) 傳遞函數
輸入與輸出節點之間的等效阻抗,以及輸出端對地的等效阻抗分別為
由阻抗分壓,
(b) 狀態空間表示
輸出節點電壓為
在輸出節點套用 KCL:由輸入側經電阻與電容流入的電流,等於由輸出節點經負載電阻與電感流出的電流。因此
代入 ,得
電感兩端電壓為 ,且電流方向向下,故
也就是
因此狀態空間表示為
(c) 可控制性與可觀測性
令 ,則
可控制矩陣為
其秩為 ,所以系統不可控制。
可觀測矩陣為
第 2 題20 分
Consider a unit feedback system with open-loop transfer function as .
Please sketch the corresponding root locus plot for . Note: (2% for each term) The following terms should be identified for the root loci if there exists- poles, zeros, number of separate root loci, intersection of asymptotes, asymptotes, root loci on the real axis, angle of departure, intersection on the imaginary axis, breakaway points, and the corresponding values of .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考察單位回授系統的根軌跡。閉迴路特徵方程為
其中
根軌跡分析重點包括:
- 開迴路極點與零點
- 根軌跡分支數
- 實軸根軌跡
- 漸近線
- 複數極點出發角
- 虛軸交點
- 分離點與對應增益
解題方法
1. 開迴路極點與零點
由
可得開迴路極點:
以及
因此
系統沒有有限零點。
2. 根軌跡分支數
根軌跡分支數等於開迴路極點數:
因此共有 4 條根軌跡,分別由四個開迴路極點出發,最後全部朝無限遠處行進。
3. 實軸上的根軌跡
實軸上的點若其右側有奇數個實軸極點與零點,則該點位於根軌跡上。
檢查各區間:
- :右側有 兩個實軸極點,為偶數,不在根軌跡上。
- :右側只有 一個實軸極點,為奇數,在根軌跡上。
- :右側沒有實軸極點,為偶數,不在根軌跡上。
所以實軸根軌跡為
4. 漸近線
因為極點數 ,零點數 ,所以有
條漸近線。
漸近線交點為所有極點的平均位置:
因此漸近線交於
漸近線角度為
所以
5. 複數極點的出發角
考慮上半部極點
由其他極點指向此極點的角度為:
總和為
由根軌跡角度條件,出發角為
因此:
- 上半部極點 的出發角:
- 下半部極點 的出發角:
本題沒有有限零點,因此沒有零點到達角。
6. 虛軸交點
閉迴路特徵方程為
展開得
建立 Routh 表:
第 3 題24 分
Consider the feedback system in Figure 2, where is a constant gain. For , the closed-loop system is stable. The Nyquist plot (for ) and its enlarged views are shown in Figure 3, where the Nyquist path is in the clockwise direction. Note that in the bottom-left corner of Figure 3, the small circle centered at with radius 0.1288 is tangent to the Nyquist plot at .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(a) What are the gain margin and the phase margin of this system?
(b) Let be the unit impulse. Then, what is the value of ?
(c) Let . The steady-state error is also a sinusoidal function with the same frequency , i.e. , where and are the magnitude and the phase of , respectively. Note that and depend on . Find such that is maximum, and find this maximal .
(d) Find the ranges of such that the closed-loop system is stable.
(e) Find the values of such that the closed-loop system has pure imaginary poles. What are these pure imaginary poles?
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核心觀念
本題考查:
- Nyquist 圖上的增益裕度與相位裕度。
- 單位負回授系統的誤差信號。
- 頻率響應與穩態正弦誤差。
- Nyquist 圖縮放後判斷不同 值的穩定範圍。
- Nyquist 圖穿越負實軸時所對應的純虛數閉迴路極點。
令開迴路傳遞函數為
由圖中標示可讀得:
- 單位增益交越頻率:,此時
- 相位交越頻率:,此時
- Nyquist 曲線距離 的最小距離為 ,發生於
(a) 增益裕度與相位裕度
增益裕度
相位交越點位於負實軸上的 ,因此
以分貝表示:
相位裕度
在 時,幅值約為 。其相位為
由於系統相位為負值,相位裕度為
(b) 單位脈衝輸入時的
閉迴路傳遞函數為
單位脈衝輸入為 ,所以
利用初值定理:
由圖示系統的 為嚴格真有理函數,故
因此
(c) 使穩態誤差振幅最大的頻率與最大振幅
單位負回授下,
當 時,穩態誤差振幅為
第 4 題26 分
Consider the feedback system in Figure 4, where and , .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(a) Show that if , the closed-loop system always has a pair of pure imaginary poles.
(b) Let and . Find the gain crossover frequency and the phase margin of the system in terms of . What is the phase margin when ?
(c) Find and such that the phase margin is at least .
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核心觀念
此題考查:
- 單位負回授系統的閉迴路特徵方程式。
- 純虛根判斷。
- 增益交越頻率 。
- 相位裕度定義:
其中開迴路傳遞函數為
解題方法
(a) 證明 時有一對純虛根
單位負回授系統的閉迴路特徵方程式為
因此
整理得
令
則特徵方程式變為
分組因式分解:
所以閉迴路極點為
因為 ,所以 為一對純虛數極點。故系統處於臨界穩定狀態,會產生持續等幅振盪。
(b) 時的增益交越頻率與相位裕度
當 時,
因此開迴路傳遞函數為
令 ,其大小為
增益交越頻率滿足 ,因此
平方後得
令 ,則
取正根:
開迴路相位為
所以相位裕度為
代入 :
當
此時
因此
故
(c) 設計 與 ,使相位裕度至少為
為了給出 的設計,取指定增益交越頻率
開迴路函數為
其相位為