2000 年上海交通大学 816 自动控制原理 参考答案
来源:1996-2023年上海交通大学答案.pdf 第 33-40 页
说明:逐字录入原件文字,原扫描件斜向红色水印已剔除。
注:原答案第一题(2)最后开环传递函数分母漏印平方(印为 s(61s+1)),正文照录。
上海交通大学二〇〇〇年攻读硕士学位研究生
入学考试试题参考答案
注意:答案必须写在答题纸上,写在试卷或草稿纸上均无效。
一、【分析】本题考查 K 的取值对于系统稳定性的影响以及临界稳定的定义。
【解】(1) a. 根据题意,当 K=100 时,Φ=−180∘,G(jω′)H(jω′)=−0.31×5=−1.55
,∣G(jω′)H(jω′)∣=1.55>1,不满足幅值裕量的稳定条件,系统不稳定。
b. 当取 K′ 时,系统临界稳定。则 K′=0.3120=64.5
(2) 由于系统为三阶二型系统,且有一个开环零点 s=−1
则可设开环传递函数为 G(s)=s2(s+a)k(s+1),GB(s) 为闭环传递函数
相应的闭环传递函数为 GB(s)=1+G(s)H(s)G(s) 其中该系统为单位反馈 H(s)=1,
GB(s)=s3+as2+Ks+KK(s+1) 那么
s3+as2+Ks+K=(s+4)(s2+2s+b)=s3+6s2+(b+8)s+4b
⎩⎨⎧K=b+8K=4ba=6⇒⎩⎨⎧K=332b=38a=6
那么,开环传递函数为:G(s)=s(61s+1)916(s+1)
二、【分析】本题考查单位反馈下,由开环传递函数,写成闭环传递函数。并求一个输入 r 的稳态误差计算问题。
【解】单位反馈时,R(s)E(s)=1−GB(s),其中 GB(s) 为闭环传递函数
GB(s)=s2+0.5s+55R(s)E(s)=s2+0.5s+5s2+0.5s
输入 r(t)=sint=Asin(ω⋅t+φ),其中 A=1,ω=1,φ=0∘
A′=s2+0.5s+5s2+0.5ss=j⋅1=4+j0.5−1+j0.5=0.28
φ′=∠s2+0.5s+5s2+0.5ss=j⋅1=∠4+j0.5−1+j0.5=146∘
∴ess(t)=0.28sin(ωt+146∘)=0.28sin(t+146∘)ω=1
三、【分析】本题考查根轨迹的绘制和 T 的范围对系统的影响。
【解】(1)系统的特征方程 D(s)=s2+(2T−2)s+2
可得系统等效开环传递函数 G′(s)=s2−2s+22Ts
①系统有两个开环极点 P1,2=1±j 和一个零点 z=0
②系统与虚轴的交点 s=jω 代入
得 −ω2+(2T−2)jω+2=0
③系统的分离点 d[G′(s)]/ds=0 可得 s=2
可得根轨迹图如图:

(2)当 T>1 时,无超调量,当 s=−2,为有无超调量的临界点,当 s=−2 时,
代入 D(s),2+(2T−2)(−2)+2=0,T=2+1
所以闭环响应无超调量时,T 的范围:2+1<T<∞
(3)若使系统不稳定,只需根轨迹全部位 s 平面的右侧
设 s=jω 求临界,因此 0<T<1 系统不稳定
【评注】1. 当参数不是增益时,应学会用闭环特征多项式求出开环传递函数,所求的参数位于传递函数的增益位置。2. 记住根轨迹在无超调及不稳定时的取值条件,根轨迹绘制的步骤在 1997 年的根轨迹题的评注中有详细书写
四、【分析】本题考查伯德图的相关知识以及无源串联校正的分析方法。
【解】

(1)由图可知 G(s)=s(T1s+1)(T2s+1)k=s(2s+1)(0.1s+1)k
I 型系统,初始频率与横轴的交点,可知 kv=ωc=10=k
可得系统开环传递函数 G(s)=s(0.1s+1)(2s+1)10
kp=lims→0G(s)H(s)=∞
r(t)=3,R0=3
essp=1+kpR0=1+kp3=0
kv=lims→0sG(s)H(s)=k=10
r(t)=t,R=1
essv=KvR=k1=0.1
(2)系统原剪切频率 ωc=5≈2.2rad⋅s−1
γ原=180∘−90∘−arctan2ωc−arctan0.1ωc=0.4∘<40∘
φm=γ−γ原+(5∘∼15∘)=40∘−0.4∘+(5∘∼15∘)=55∘
1−sin55∘1+sin55∘=10−10lga=−10dB⇒ωm=3.97rad⋅s−1
aT1=ωm⇒aT=0.79T=0.079Gc(s)=0.079s+11+0.79s
已校正系统开环传递函数 Gc(s)G(s)=s(0.079s+1)(2s+1)(0.1s+1)10(0.79s+1)
ωc′=3.95rad⋅s−1>2rad⋅s−1
γ′=180∘+φ(ωc′)=40.56∘>40∘(满足)
【评注】1. 由题目的伯德图,应该可以写出系统的开环传递函数,注意题目的转折频率的问题。另外,伯德图写出的开环传递函数一般写成尾 1 的标准型。
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当求系统增益 k 时,有几种方法可供选择,但其中最简单的便是用初始频率与横轴的交点来确定 k 值,具体可以参考交大课本 P147。至于其他求 k 的方法在往年真题中多次出现,同学们注意总结。
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校正是必考题型,弄清交大教材的三种校正的具体步骤,P172 的超前校正更为重要,同学们可以多看其中的例题。
五、【分析】本题考查非线性系统以及其相轨迹的画法。
【解】此为复杂的结构图将其化简为下图。令输入端为零,可化为

得 ⎩⎨⎧c˙2=−2c+A1c˙2=A2c˙2=2c+A3c≥1−1<c<1c≤−1相轨迹为开口向左的抛物线相轨迹为平行于横轴的直线相轨迹为开口向右的抛物线
由 c˙(0)=1c(0)=1 初始点为 (1,1),可得相轨迹

【评注】1. 学习相平面方框图的等效变换法,将复杂的方框图化为简化图,同学们应该加强练习,具体知识可以参考交大课本 P228,可以做其等效的相关练习。
- 相轨迹绘制时,应该确认其开关线,同时确定相轨迹的线的形状。为直线、抛物线或椭圆线之类,同时正负确认其开口方向,找到初始点,那么相轨迹便可以画出。
六、【分析】本题考查转移矩阵以及状态转移矩阵的逆阵和判别。
【解】(1)由于矩阵 A 是约旦型,则状态转移阵可直接写成:
(2)a 是,根据凯莱-哈密顿定理:eAt=α0(t)I+α1(t)A
由所给矩阵知,A 有两个特征值 −1,−2。
{e−t=α0(t)−α1(t)e−2t=α0(t)−2α1(t){α0(t)=2e−t−e−2tα1(t)=e−t−e−2t
所以
b 不是,因为根据所给矩阵,矩阵 A 应有三个特征值 −2,−1,1,而实际 A2×2 特征值只有两个,所以它不是状态转移矩阵。
七、【分析】本题考查可控性、可观性判断以及 极点配置问题。
【解】
(1)rankPc=rank(BABA2B)=rank010100000=2<3 系统不完全可控
rankPo=rankCCACA2=rank010000100100010−309=3=n 所以系统可观.
(2)系统的可控性指数为 2,在 Pc 中选两个线性无关的列,即 010100
构造变换矩阵 P−1=010100001P=010100001
系统可控性分解为
x^˙=01000000−3x^+100uy=(100101)x^+(12)u
(3)可控子系统为 (x^˙1x^˙2)=(0100)(x^1x^2)+(10)u
设:状态反馈矩阵 k=[k1,k2]
∣sI−(A−Bk)∣=(s+1−j)(s+1+j)
s2+k1s+k2=s2+2s+2
那么 k=(2,2)⇒可得 k总=(2,2,0)
【评注】1. 学习系统判别可控性、可观性的方法以及公式,该种题型较为基础,为必得分考题。
- 对系统进行能控性能观性分解是交大也常考的一种类型,只要做好本教材对应的例题,便可以理解掌握,对可控性部分进行极点 配置和常规极点配置题别无二致,但需在能控性分解时,算对 Aˉ,Bˉ,Cˉ 矩阵。
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