2019 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 197-204 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:
- 第二题(2)小问:梅森公式分母展开中两两不相接回路和项为 (l1l2+l1l7+l2l7);原件文字“没有三条及以上不相接触的回路:”系原作者笔误(此前已有三三不相接回路,此处实际意为没有四条及以上不相接回路),本处忠实保留原件文字。
- 第三题:原件解题首行印刷排版为 Φ(s)=1+G(s)H(s)G(s)=1+s(s+1)k(1+Ts)s(s+1)k=…(“1+”误排在第一个分式之前);且二阶标准型对比处原件印刷为 ζωn,=1+kT(漏写系数 2,但后续计算中按 2ζωn 正确计算得到 T≈0.025)。
- 第五题:原件展开式第三个等号处印刷为 =1+ω22K−jω(1+ω2)K(ω2−1)(无负号);第 201 页倒数第 3 行“系统临界稳定”处“界”字原件缺损。
- 第六题:原件检验剪切频率处印刷为“令 ∣aGc(jω)G(jω)∣=1⇒ωc′′≈4.63rad/s>4.5rad/s”(真题指标为 ≥4.4rad/s)。
- 第七题:原件线性部分传递函数写作 G(s)=s(s+1)(0.25s+1)2(与真题卷分子含有 2s 相比,实为消去 s 后的形式);与实轴交点处原件含有负号:−T1+T2KT1T2=−1+412⋅1⋅41=−52。
- 第八题:评注中原件印刷“极点得充要条件”误用“得”字,忠实保留。
上海交通大学二零一九年攻读硕士学位研究生
入学考试试题参考答案
考生注意:答案务必写在答题纸上,并标明题号。答在试题上无效。
一、分析:常规题,由控制系统构建框图。
解:

图 1 结构框图
工作原理 系统首先给定一个期望的液位,液位检测器提供当前液位信息给液位控制器,液位控制器计算出控制量;与此同时,流量检测器提供进水的流量信息,由流量控制器计算出控制量;然后液位控制器输出的控制量与流量控制器输出的控制量相加,共同调控出水阀门的大小。
当前液位低于期望液位时,液位控制器减小出水阀门开合度使液位上升;反之,当当前液位高于期望液位时,液位控制器增大阀门开合度使液位下降。
当流量检测器检测到进水流量增大时,流量控制器增加出水阀门的开合度使液面下降;反之,当流量检测器检测到进水流量减小时,流量控制器减小出水阀门的开合度使得液面上升。
液位控制器与流量控制器共同作用,保持实际液位稳定在期望液位附近。
2、操纵变量:出水口的流量
被控变量:液位
被控对象:水槽
评注:常规题目,考察系统建模以及基本概念。
二、分析:考察梅森公式,记得用梅森公式之前必须有信号流图。
解:(1)单独的回路有 4 条:l1=−G1(s)G2(s)H1(s)
l2=−G2(s)G3(s)H2(s)
l3=G2(s)G3(s)G4(s)
l4=−G1(s)G2(s)G3(s)
没有两条及以上不相接的回路
前向通路有 1 条 P1=G1(s)G2(s)G3(s) Δ1=1
由梅森公式 R(s)Y(s)=Δ∑PiΔi=1−(l1+l2+l3+l4)P1Δ1
=1+G1(s)G2(s)H1(s)+G2(s)G3(s)H2(s)−G2(s)G3(s)G4(s)+G1(s)G2(s)G3(s)G1(s)G2(s)G3(s)
(2)单独回路有 7 条:l1=−G4(s)H1(s)
l2=−G6(s)H2(s)
l3=−G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)G6(s)H3(s)
l4=−G4(s)G5(s)G6(s)H3(s)
l5=−G2(s)G3(s)G4(s)G6(s)H3(s)
l6=−G4(s)G6(s)H3(s)
l7=−G2(s)G8(s)H3(s)
两两不相接回路有 3 条 l1l2=G4(s)G6(s)H1(s)H2(s)
l1l7=G2(s)G4(s)G8(s)H1(s)H3(s)
l2l7=G2(s)G6(s)G8(s)H2(s)H3(s)
三三不相接的回路有 1 条:l1l2l7=−G2(s)G4(s)G6(s)G8(s)H1(s)H2(s)H3(s)
没有三条及以上不相接触的回路:
前向通路有 5 条 P1=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)G6(s) Δ1=1
P2=G1(s)G4(s)G5(s)G6(s) Δ2=1
P3=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G6(s) Δ3=1
P4=G1(s)G4(s)G6(s) Δ4=1
P5=G1(s)G2(s)G8(s)
Δ5=1+G4(s)H1(s)+G6(s)H2(s)+G4(s)G6(s)H1(s)H2(s)
由梅森公式:R(s)Y(s)=Δ∑PiΔi=1−(l1+l2+l3+l4+l5+l6+l7)+(l1l2+l1l7+l2l7)−l1l2l7P1Δ1+P2Δ2+P3Δ3+P4Δ4+P5Δ5

评注:上交老传统,梅森公式最后极其复杂,希望各位多加训练,不要漏掉回路。
三、分析:考察二阶系统时域指标
解:Φ(s)=1+G(s)H(s)G(s)=1+s(s+1)k(1+Ts)s(s+1)k=s2+(kT+1)s+kk
对比二阶标准形可得 k=ωn2 ζωn=1+kT
由 σ%=20%,σ=e−1−ζ2ζπ⇒ζ≈0.46
峰值时间 tp=ωdπ≈ωn1−ζ2π=0.1s⇒ωn≈35.38rad/s
从而解得 k≈1251.74,T≈0.025
上升时间 tr=ωn1−ζ2π−arccosζ≈0.065s
调整时间 ts=ζωn4.4≈0.27s
评注:送分题,记牢概念就能解题。
四、考察根轨迹的绘制
解:单位负反馈系统绘制 180° 根轨迹
①开环极点 P0=0,P1=−3,P2=−3 n=3 m=0
②实轴上根轨迹区域 (−∞,0)
③渐近线与实轴的交点 σa=n−m∑Pi−∑Zi=3−3−3=−2
与实轴夹角 φa=n−m(2K+1)π=±3π,π
④分离点 d1+d+31+d+31=0⇒d=−1
⑤与虚轴交点
特征方程 D(s)=s(s+3)2+k=0
令 s=jω,虚实部分别为 0,得 {9ω−ω3=0k−6ω2=0⇒{ω=±3rad/sk=54
在分离点处 k=s(s+3)2=4
绘制根轨迹如图 2 所示:

图 2 概略根轨迹曲线
系统在欠阻尼状态 4<k<54
Kv=s→0limsG(s)=9k,ess(∞)=Kv1≤0.2⇒k≥45
综上所述,满足要求 k 的取值范围为 [45,54)
评注:按照常规根轨迹绘制法则即可
五、分析:考察奈氏判据
解:令 s=jω,G(jω)=jω(jω+1)K(jω−1)=ω(1+ω2)2Kω−jK(ω2−1)=1+ω22K−jω(1+ω2)K(ω2−1)
与实轴交点 Im{G(jω)}=0⇒ω=±1rad/s,Re{G(j1)}=K
当 K<0 时奈氏曲线起点 G(j0+)=2K−j∞,终点 G(j∞)=0。如图 3 所示

图 3 K<0 的概略奈氏曲线
当 K>0 时,起点 G(j0+)=2K+j∞,G(j∞)=0 如图 4 所示

图 4 K>0 的概略奈氏曲线
当 K>0 时,N+=0,N−=21,P=0
Z=P−2N=P−2(N+−N−)=1=0,系统闭环不稳定
当 K<0 且 −1<K 时,N+=0,N−=0,P=0
Z=P−2N=P−2(N+−N−)=0,系统稳定
当 K=−1 时,奈氏曲线穿越 (−1,j0) 点,系统临界稳定
当 K<−1 时,N+=0,N−=1,P=0
Z=P−2N=P−2(N+−N−)=2=0,系统不稳定
综上所述,当 −1<K<0 时,系统稳定
评注:本题用劳斯判据很快,但题目未要求,可草稿上验证。
六、分析考察超前校正装置的使用,只要满足题目设计要求的校正装置都是可行的。
解:令 K=Kv=10,G(s)=s(s+1)10
开环 Bode 图如图 5 所示:

图 5 Bode 图
由伯德图知 ωc′=3.16rad/s,γ′=17.55∘
要求新的剪切频率大于 4.4rad/s,相角大于 45∘,故采用超前校正
设校正装置 Gc(s)=1+Ts1+aTs
要校正角度 φmax=45∘−17.55∘=27.45∘,取 φmax=30∘
a=1−sinφmax1+sinφmax=3,取 a=5
超前装置提升的分贝数为 10lga≈6.99dB
由伯德图可知新的 ωc′′≈4.74rad/s
Ta1=ωc′′⇒T≈0.094,故 Gc(s)=1+0.094s1+0.47s
校正后 Gc(s)G(s)=s(s+1)(1+0.094s)10(1+0.47s)
检验新的剪切频率,令 ∣aGc(jω)G(jω)∣=1⇒ωc′′≈4.63rad/s>4.5rad/s
新的相角裕度:
γ′′=180∘−90∘+arctan(0.47ωc′′)−arctanωc′′−arctan(0.094ωc′′)≈53.99∘>45∘
满足题目设计要求
评注:取 a 值时最好先在草稿纸上检验完再写在试卷上。
七、分析:本题考察负倒描述曲线以及线性部分奈氏图的画法。
解:线性部分传递函数 G(s)=s(s+1)(0.25s+1)2
G(jω)=jω(jω+1)(0.25jω+1)2=(1−41ω2)2+1625ω2−2.5−jω[(1−41ω2)2+1625ω2]2(1−41ω2)
当 ω=0+ 时,Re[G(jω)]=−2.5,Im[G(jω)]→−∞
当 ω=∞ 时,Re[G(jω)]=0,Im[G(jω)]→0
Im[G(jω)]=0 与实轴交点为 −T1+T2KT1T2=−1+412⋅1⋅41=−52
穿越频率 ωx=T1T21=1⋅411=2rad/s
非线性环节负倒曲线 −N(A)1=−4πA=−52⇒A=5π8
如图 6,两曲线交点处为自振荡点,振幅为 5π8,频率为 2rad/s

图 6 非线性系统与线性环节的奈氏曲线
评注:此题与 18 年非线性题仅有一点点差别。
八、思路解析:考察状态反馈极点配置,送分题。
解:系统能控性判别矩阵 Qc=[bAbA2b]=0010102−12
rankQc=3=n,因此故系统完全可控,极点可任意配置。
设状态反馈矩阵 k=[k1k2k3]
闭环特征多项式:f(λ)=det[λI−(A−bk)]=detλ−1−3k1−2λ+1k2−20−1λ+k3
=λ3+k3λ2+(k2−9)λ+2k1−k2−7k3+2
根据给定极点,期望特征多项式:
f∗(λ)=(λ+10)(λ+1+j3)(λ+1−j3)=λ3+12λ2+24λ+40
对比系数得 ⎩⎨⎧k3=12k2−9=242+2k1−k2−7k3=40⇒⎩⎨⎧k1=77.5k2=33k3=12
故状态反馈阵为 k=[77.53312]
评注:状态反馈对系统任意配置极点得充要条件是系统完全可控。此题与 15 年的现控题目仅仅有一个数字的差别。
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