108 年 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系碩士班丙組《控制系統(B)》
第 1 題
- A PI-controller is used to improve the steady state error of a unity feedback control system as shown in Fig.1, where is the controller and is the plant.
(a) Determine the value of to achieve for a parabolic input. (7%)
(b) Plot the root locus of the system as a function of by using the value of in (a). (10%)
(c) Please find the value of to achieve a real pole at -1, and solve the other two poles. (8%)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
R(s)
+
E(s)
C(s)
D(s)
G(s)
Fig.1
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核心觀念
此題考查:
- PI 控制器與系統型別
- 拋物線輸入的穩態誤差
- 加速度誤差常數
- 根軌跡與閉迴路特徵方程
- Routh–Hurwitz 穩定判據
- 指定閉迴路極點的位置代入特徵方程
開迴路傳遞函數為
整理得
系統具有兩個原點極點,因此為第二型系統,能對拋物線輸入產生有限的穩態誤差。
(a) 求
對單位拋物線輸入
穩態誤差為
其中加速度誤差常數
因此
題目要求
所以
代入可得
因此
(b) 以 為參數繪製根軌跡
閉迴路特徵方程由
得到
代入
可得
因此根軌跡方程為
根軌跡起點
當 時,
其三個根約為
以及
所以根軌跡的三個起點為:
- 一個實軸極點:
- 一對複數極點:
實軸根軌跡
令 為實數。由
可知 的實軸範圍為
因此,位於 的實根會沿實軸向右移動,最後趨近原點:
虛軸交點與穩定範圍
特徵方程為
對三階多項式使用 Routh–Hurwitz 判據,穩定條件為
因此
在虛軸交越時,令 :
分離實部與虛部:
第 2 題
- A DC motor drive system is shown in Fig. 2, where is moment of inertia; is gear number; is damping ratio; is armature resistance; is input voltage; is output rotational angle. The torque versus rotational speed relation of the DC motor is also given.
(a) Derive the differential equations of mathematical model for the overall system. (10%)
(b) Find the transfer function . (15%)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
R(s)
+
E(s)
C(s)
D(s)
G(s)
Fig.1
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
+
kg-m²
N-m-s/rad
kg-m²
N-m-s/rad
(N-m)
100
50 V
150
(rad/s)
Fig. 2
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核心觀念
本題考查直流馬達的:
- 電樞電壓、反電動勢與電流的關係
- 馬達轉矩與電流的關係
- 轉矩—轉速特性
- 齒輪系統的速度、位移轉換
- 慣量與阻尼折算至馬達側
- 由微分方程推導轉移函數
直流馬達基本方程為
其中 為反電動勢常數, 為轉矩常數。
解題方法
由圖中轉矩—轉速特性,在 時:
- 時,
- 時,
因此直線方程為
即
由直流馬達關係式
比較係數可得
且
所以馬達的輸入—轉矩關係為
其中亦可得到
(a) 整體系統微分方程
1. 馬達側
馬達側的轉動方程為
代入圖中數值 、:
電氣方程與轉矩方程可合併為
因此馬達側也可寫成
即
2. 齒輪關係
理想齒輪的齒數比為
因此
又因為 、,所以
負號表示輸出軸與馬達軸旋轉方向相反。
3. 將負載折算至馬達側
負載慣量與阻尼折算至馬達側:
第 3 題
- A linear time-invariant causal control system can be described by the 2nd order differential equation as
(a) Derive the state equation with the state variables , .
(10%)
(b) Derive the initial state in terms of , and . (15%)
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核心觀念
狀態方程 的右側只能含狀態 與輸入 ,不能含輸入的導數 。本題微分方程含有 ,因此若直接取 、,就無法寫成題目要求的標準形式。要消去 ,需將第二個狀態改成 。
解題方法
由題目微分方程
兩邊除以 ,得
若依題目字面設定 、,則
其中仍含 ,所以不能整理成題目指定的 ,且 也不會含 。
為得到只含 的標準狀態方程,令
因此
再對 微分,並代入原方程: