MASTERY · CONTROL ENGINEERING

2009 年上海交通大学 816 自动控制原理 参考答案

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2009 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 115-121 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:原件第一题解答因题目参数不全直接标注略去,正文照录。 注:原件第四题(2.3)小节中子标题「当k=-2」「当k<-2」原文缺少下标 1,正文照录。 注:原件第七题 a 问中代入幅频特性公式分母「100T^2+1」之平方微有涂改痕迹,正文按算式结果链照录。


上海交通大学二OO九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、略(题目参数不全,大家可以看看真题对此题的回忆即可,故此题解答略去)。

二、解:Ei1C1s//R1=−U2R2+1C2s\dfrac{E_i}{\dfrac{1}{C_1s} // R_1} = -\dfrac{U_2}{R_2+\dfrac{1}{C_2s}}   U2R3=−EoR4\dfrac{U_2}{R_3} = -\dfrac{E_o}{R_4}

⇒Eo(s)Ei(s)=R1R2R4C1C2s2+(R1C1+R2C2)R4s+R4R1R3C2s=R4(R2C1R3s+R1C1+R2C2R1R3C2+1R1R3C2s)\Rightarrow \frac{E_o(s)}{E_i(s)} = \frac{R_1R_2R_4C_1C_2s^2+(R_1C_1+R_2C_2)R_4s+R_4}{R_1R_3C_2s} = R_4\left(\frac{R_2C_1}{R_3}s + \frac{R_1C_1+R_2C_2}{R_1R_3C_2} + \frac{1}{R_1R_3C_2s}\right)

=Kp+Kds+Ki1s= K_p + K_ds + K_i\frac{1}{s}

Kp:  R1C1+R2C2R1R3C2R4Kd:  R4R2C1R3Ki:  R4R1R3C2K_p :\; \frac{R_1C_1+R_2C_2}{R_1R_3C_2}R_4 \qquad K_d :\; \frac{R_4R_2C_1}{R_3} \qquad K_i :\; \frac{R_4}{R_1R_3C_2}

三、分析:先求系统的传函,然后根据题目要求,求出满足题目的 K1K_1、K2K_2。

解:由结构图得,系统的开环传函为

G(s)=K1Ks(s+2+K2K)化为标准形式G(s)=\frac{K_1K}{s(s+2+K_2K)}\text{化为标准形式}

G(s)=K1K2+K2Ks(12+K2Ks+1)G(s)=\frac{\dfrac{K_1K}{2+K_2K}}{s\left(\dfrac{1}{2+K_2K}s+1\right)}

由题目要求 kv>5k_v > 5,即 K1K2+K2K>5\dfrac{K_1K}{2+K_2K} > 5  ①

系统的闭环传函为 Φ(s)=K1Ks2+(2+K2K)s+K1K\Phi(s)=\dfrac{K_1K}{s^2+(2+K_2K)s+K_1K}

由标准二阶形式 Φ(s)=ωn2s2+2ξωns+ωn2\Phi(s)=\dfrac{\omega_n^2}{s^2+2\xi\omega_n s+\omega_n^2},得 {ωn=K1Kξ=2+K2K2K1K\begin{cases} \omega_n = \sqrt{K_1K} \\ \xi = \dfrac{2+K_2K}{2\sqrt{K_1K}} \end{cases}

由题目要求,ξ=0.5\xi = 0.5,ts≤2s(Δ=5%)t_s \leq 2\text{s}(\Delta = 5\%)

即 2+K2K2K1K=0.5\dfrac{2+K_2K}{2\sqrt{K_1K}} = 0.5  ②  3ξωn≤2,  ωn≥3\dfrac{3}{\xi\omega_n} \leq 2,\;\omega_n \geq 3

K1K≥3\sqrt{K_1K} \geq 3  ③

联立①②③得 {K1K≥90<K2<1K2K≥1K1K>10+5K2K\begin{cases} K_1K \geq 9 \\ 0 < K_2 < 1 \\ K_2K \geq 1 \\ K_1K > 10+5K_2K \end{cases}

评注:①分清开环闭环传函;②记住环节标准形式.

四、解:G(s)=k1(s+a)s(s2+2s+2),  D(s)=1+G(s)=0G(s)=\dfrac{k_1(s+a)}{s(s^2+2s+2)},\; D(s)=1+G(s)=0

得 D(s)=s(s2+2s+2)+k1(s+a)=s(s2+2s+2+k1)+k1a=0D(s)=s(s^2+2s+2)+k_1(s+a)=s(s^2+2s+2+k_1)+k_1a=0

故令 G0(s)=k1as(s2+2s+2+k1)G_0(s)=\dfrac{k_1a}{s(s^2+2s+2+k_1)}

其中,P1=0,  P2,3=±−(1+k1)−1P_1=0,\; P_{2,3}=\pm\sqrt{-(1+k_1)}-1

(1)当 k1>0k_1 > 0 时,P1=0,  P2,3=−1±j1+k1P_1=0,\; P_{2,3}=-1\pm j\sqrt{1+k_1},此时画 180∘180^\circ 根轨迹

①实轴上:(−∞,0)(-\infty, 0)

②渐近线:σa=∑Pi−∑Zin−m=−23,  φa=±60∘,  180∘\sigma_a=\dfrac{\sum P_i - \sum Z_i}{n-m} = -\dfrac{2}{3},\;\varphi_a=\pm 60^\circ,\;180^\circ

③出射角:φP2=±180∘−90∘−(90∘+arctan⁡11+k1)=arctan⁡11+k1\varphi_{P_2} = \pm 180^\circ - 90^\circ - \left(90^\circ + \arctan\dfrac{1}{\sqrt{1+k_1}}\right) = \arctan\dfrac{1}{\sqrt{1+k_1}}

图

(2)当 k1<0k_1 < 0 时,

(2.1)−1<k1<0-1 < k_1 < 0 时,P1=0,  P2,3=−1±j1+k1P_1=0,\; P_{2,3}=-1\pm j\sqrt{1+k_1},此时画 0∘0^\circ 根轨迹

①实轴上:(0,+∞)(0, +\infty)

②渐近线:σa=−23,  φa=0∘,  ±120∘\sigma_a=-\dfrac{2}{3},\;\varphi_a=0^\circ,\;\pm 120^\circ

图

(2.2)k1=−1k_1 = -1 时,P1=0,  P2,3=−1P_1=0,\; P_{2,3}=-1,此时画 0∘0^\circ 根轨迹

①实轴上:(0,+∞)(0, +\infty)

②渐近线:σa=−23,  φa=0∘,  ±120∘\sigma_a=-\dfrac{2}{3},\;\varphi_a=0^\circ,\;\pm 120^\circ

(2.3)k1<−1k_1 < -1 时,P1=0,  P2,3=−1±−(1+k1)P_1=0,\; P_{2,3}=-1\pm\sqrt{-(1+k_1)} 为 2 个实数

   当 −2<k1<−1-2 < k_1 < -1       当 k=−2k = -2       当 k<−2k < -2

图

五、【思路解析】本题主要考查劳斯判据的应用和 Bode 图的绘制,Nyquist 判据的应用.

【完整步骤】

(1)劳斯判据:D(s)=s(s+3)(s+4)+k=s3+7s2+12s+k=0D(s)=s(s+3)(s+4)+k=s^3+7s^2+12s+k=0.

s3112s27ks184−k7s0k\begin{array}{c|cc} s^3 & 1 & 12 \\ s^2 & 7 & k \\ s^1 & \dfrac{84-k}{7} & \\ s^0 & k & \end{array}

则 {84−k7>0k>0\begin{cases} \dfrac{84-k}{7} > 0 \\ k > 0 \end{cases},得 0<k<840 < k < 84

当 k=84k=84 时,验证系统稳定,所以 0<k≤840 < k \leq 84 时系统稳定,kk 最大为 84.

(2)Nyquist 判据(Bode 图)

图

画出系统的 Bode 图如图,ω0\omega_0 大小与 kk 有关,求

ωg:−180∘=−90∘−arctan⁡13ωg−arctan⁡14ωg\omega_g : -180^\circ = -90^\circ - \arctan\dfrac{1}{3}\omega_g - \arctan\dfrac{1}{4}\omega_g.

得 ωg=23\omega_g = 2\sqrt{3}.

在相频特性最低频率端,向角度增大的方向延伸 v⋅90∘=90∘v \cdot 90^\circ = 90^\circ.

由奈氏判据可知,需要 20lg⁡∣G(jωg)∣≤020\lg\left|G(j\omega_g)\right| \leq 0(即 ω0≤ωg\omega_0 \leq \omega_g)

20lg⁡∣G(jωg)∣=20lg⁡∣kωgωg2+9ωg2+16∣≤0,解得 0<k≤84,所以 k 最大为 84.20\lg\left|G(j\omega_g)\right| = 20\lg\left|\frac{k}{\omega_g\sqrt{\omega_g^2+9}\sqrt{\omega_g^2+16}}\right| \leq 0\text{,\quad 解得 } 0 < k \leq 84\text{,\quad 所以 } k \text{ 最大为 } 84.

【题后点评】要注意判断临界点是否稳定,要能够灵活运用 Bode 图和 Nyquist 判据。

六、【分析】本题没有要求 ωc\omega_c 的值,只对相角、幅值裕度做出要求,要自行分析采用何种校正方法.

解:先将待校正传函化为标准型:G(s)=k5s(s+1)(0.2s+1)G(s)=\dfrac{\dfrac{k}{5}}{s(s+1)(0.2s+1)}

又由 kv≥10k_v \geq 10 可知,设 G0(s)=10s(s+1)(0.2s+1)G_0(s)=\dfrac{10}{s(s+1)(0.2s+1)},即 k=50k=50

由剪切频率定义:∣G0(ωc0)∣=1|G_0(\omega_{c0})|=1,即 ∣10jωc0(jωc0+1)(j0.2ωc0+1)∣=1\left|\dfrac{10}{j\omega_{c0}(j\omega_{c0}+1)(j0.2\omega_{c0}+1)}\right|=1

可得 {ωc0=2.85 rad/sγ0=180∘+∠G0(jωc0)=−1∘\begin{cases} \omega_{c0} = 2.85\,\text{rad/s} \\ \gamma_0 = 180^\circ + \angle G_0(j\omega_{c0}) = -1^\circ \end{cases}  不满足设计要求,且需补偿相角约为 60∘60^\circ

超前校正已无法满足,采用滞后校正 设校正传函为 T1s+1T2s+1  (T1<T2)\dfrac{T_1s+1}{T_2s+1}\;(T_1 < T_2)

由希望频率法取理想截止频率为 0.5 rad/s0.5\,\text{rad/s},并留有余量

将 ωc=0.5 rad/s\omega_c = 0.5\,\text{rad/s} 代入 G(s)=10(T1s+1)s(s+1)(0.2s+1)(T2s+1)G(s)=\dfrac{10(T_1s+1)}{s(s+1)(0.2s+1)(T_2s+1)} 中取 ∣G(jωc)∣=1|G(j\omega_c)|=1 可得

T2=17.8T1T_2 = 17.8T_1,由一般情况取 1T1=(15∼110)ωc\dfrac{1}{T_1}=\left(\dfrac{1}{5}\sim\dfrac{1}{10}\right)\omega_c,不妨令 {T1=16.7T2=297.3\begin{cases} T_1=16.7 \\ T_2=297.3 \end{cases},验证可得

{ωc=0.5 rad/sγ=51.3∘\begin{cases} \omega_c = 0.5\,\text{rad/s} \\ \gamma = 51.3^\circ \end{cases},{ωg=2.16 rad/sGM=20lg⁡1∣G(jωg)∣=20lg⁡10.1=20 dB\begin{cases} \omega_g = 2.16\,\text{rad/s} \\ G_M = 20\lg\dfrac{1}{|G(j\omega_g)|} = 20\lg\dfrac{1}{0.1} = 20\,\text{dB} \end{cases}

满足设计要求,故校正传函 Gc(s)=16.7s+1297.3s+1G_c(s)=\dfrac{16.7s+1}{297.3s+1}

【点评】要熟练应用计算器快速求出 ωc\omega_c、γ\gamma

七、分析:主要考察非线性系统分析

解:(1)结构图归化. 将系统等效为典型的结构形式,其中非线性部分的描述函数为

N(x)=42πx;线性部分的传递函数 G(s)=10Ks(Ts+1)(0.1s+1).N(x)=\frac{4\sqrt{2}}{\pi x}\text{;\quad 线性部分的传递函数 } G(s)=\frac{10K}{s(Ts+1)(0.1s+1)}.

(2)稳定性分析及参数确定,负倒描述函数为 −1N(x)=−π42x-\dfrac{1}{N(x)} = -\dfrac{\pi}{4\sqrt{2}}x

显然,−1N(0)=0,  −1N(∞)=−∞-\dfrac{1}{N(0)}=0,\; -\dfrac{1}{N(\infty)}=-\infty

线性部分的频率特性为 G(jω)=10Kjω(jTω+1)(j0.1ω+1)G(j\omega)=\dfrac{10K}{j\omega(jT\omega+1)(j0.1\omega+1)} 概略绘制 TGT_G 与 −1N(x)-\dfrac{1}{N(x)} 的曲线如图所示.

图

由图可知,TGT_G 与 −1N(x)-\dfrac{1}{N(x)} 曲线存在交点且当振幅 xx 增大时,−1N(x)-\dfrac{1}{N(x)} 曲线从不稳定区域进入稳定区域,所以系统在满足下列 TT、KK 时呈现 ω=10\omega=10 的稳定自振.

线性环节与负实轴相交时:ωc=10.1T=ωc=10⇒T=0.1\omega_c = \dfrac{1}{\sqrt{0.1T}} = \omega_c = 10 \Rightarrow T = 0.1

G(jωc)=−10K×0.1×T0.1+T=−K2G(j\omega_c) = -\frac{10K\times 0.1\times T}{0.1+T} = -\frac{K}{2}

又 ∵xc=0.1\because x_c = 0.1,故自振时非线性环节的振幅为 x=xc⋅A(ωc)∣ωc=10=0.110100T2+1=22x = x_c \cdot A(\omega_c)\Big|_{\omega_c=10} = 0.1 \dfrac{10}{\sqrt{100T^2+1}} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}

∴−1N(x)=G(jωc)⇒−π42x=−K2⇒K=π4\therefore -\frac{1}{N(x)} = G(j\omega_c) \Rightarrow -\frac{\pi}{4\sqrt{2}}x = -\frac{K}{2} \Rightarrow K = \frac{\pi}{4}

b. 由系统微分方程 x¨+f(x,x˙)=0\ddot{x}+f(x,\dot{x})=0 可得 dx˙dx=−f(x,x˙)x˙\dfrac{d\dot{x}}{dx} = -\dfrac{f(x,\dot{x})}{\dot{x}},其中 dx˙dx\dfrac{d\dot{x}}{dx} 表示相平面上相轨迹的斜率,若取斜率为常数,则上式可改写成 α=−f(x,x˙)x˙\alpha = -\dfrac{f(x,\dot{x})}{\dot{x}},该式为等倾线方程.

故:1)Tx¨+x˙2+x=0T\ddot{x}+\dot{x}^2+x=0

∴Tx˙dx˙dx=−(x˙2+x)\therefore T\dot{x}\dfrac{d\dot{x}}{dx} = -(\dot{x}^2+x),令 dx˙dx=α\dfrac{d\dot{x}}{dx}=\alpha,故等倾线方程为 x˙2+αTx˙=−x\dot{x}^2+\alpha T\dot{x} = -x.

2)Tx¨+x˙=MT\ddot{x}+\dot{x}=M

∴Tx˙dx˙dx+x˙=M\therefore T\dot{x}\dfrac{d\dot{x}}{dx}+\dot{x}=M,令 dx˙dx=α\dfrac{d\dot{x}}{dx}=\alpha,故等倾线方程为 x˙=M1+αT\dot{x}=\dfrac{M}{1+\alpha T}.

【评注】1. 掌握常用描述函数解题方法

  1. 等倾线方程要记住 x¨=x˙dx˙dx\ddot{x}=\dot{x}\dfrac{d\dot{x}}{dx}.

八、【思路解析】第一问由传递函数写能控标准型是基本功. 第二问考查极点配置。由于要配置三个极点,故第一问可加一个 −10-10 极点写成三阶

完整步骤:

(1)将传递函数改写为

G(s)=s+10(s2+5s+6)(s+10)=s+10s3+15s2+56s+60G(s)=\frac{s+10}{(s^2+5s+6)(s+10)} = \frac{s+10}{s^3+15s^2+56s+60}

由此传递函数可直接写出能控标准型状态空间表达式

x˙=[010001−60−56−15]x+[001]u,y=[1010]x\dot{x} = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ -60 & -56 & -15 \end{bmatrix} x + \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} u,\quad y = \begin{bmatrix} 10 & 1 & 0 \end{bmatrix} x

(2)由于该形式是能控标准型,即完全能控,可通过状态反馈任意配置极点

原特征方程是

D(s)=s3+15s2+56s+60D(s)=s^3+15s^2+56s+60

期望特征方程为

D∗(s)=(s+10)(s+2+j4)(s+2−j4)=s3+14s2+60s+200D^*(s)=(s+10)(s+2+j4)(s+2-j4)=s^3+14s^2+60s+200

由于是能控标准型的实现,因此状态反馈阵为

【题后点评】

要做成本题除了要掌握由传递函数写状态空间表达式的方法,还要掌握极点任意配置的条件,状态反馈控制器设计方法等.

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