112年 高普考 高考三級 機械工程 自動控制 試卷

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112年公務人員高等考試三級考試試題
類 科
:
機械工程
科 目
:
自動控制
考試時間
:
2
小
時
座號
:
※注意:可以使用電子計算器。
不必抄題,作答時請將試題題號及答案依照順序寫在試卷上,於本試題上作答者,不予計分。
本科目除專門名詞或數理公式外,應使用本國文字作答。
代號:
37750
頁次:
2
-
1
一、圖一為一控制系統方塊圖,其中r(t)為輸入,y(t)為輸出。
(每小題10分,共30分)
圖一
假設K= 1且輸入為ㄧ單位步階(unit step)函數,求解輸出y(t)。
假設K= 1,求解此系統之增益邊界(gain margin),以分貝(dB)為
單位。
如欲使此系統之相位邊界(phase margin)為135°,比例控制器K值該如
何設計?
二、圖二為一典型的倒單擺系統,包含台車、支桿、與一個位於支桿頂端的重
物。F是施加於台車的力,倒單擺支桿與垂直地面的夾角為θ,而x表示台
車的位移。
圖二
經過簡化後,假設此倒單擺系統的動態方程式可表示成:
0.1󰇘 − 0.01󰇘=
0.2󰇘− 10 = 󰇘
求解此系統之轉移函數(transfer function),ℒ{}/ℒ{},其中ℒ代表拉
普拉斯轉換(Laplace transform)。(10分)
繪出此系統(輸入為F,輸出為
)之波德圖(Bode plot)以表示其之頻
率響應。波德圖應包含以分貝(dB)為單位之增益(gain)圖與相位
(phase)圖兩個部分。(20分)
代號:
37750
頁次:
2
-
2
三、考慮一單位負回授(unity negativefeedback)閉迴路(closed-loop)控制系
統,其開迴路(open-loop)轉移函數為 2
( 4)( 5)
4
K s s
s
。
欲使此閉迴路控制系統穩定之K值範圍為何?(5分)
設定K為正數。繪製此閉迴路控制系統之根軌跡圖(rootlocusplot),並標
示出極點(pole)、零點(zero)、根軌跡與虛數軸交會之位置、根軌跡離
開實數軸的位置(breakawaypoint)與進入實數軸的位置(re-entrypoint),
以及各所對應之K值。(20分)
如欲使此閉迴路控制系統對於步階輸入之2%安定時間(settling time)為
2秒,則K值該如何設計?且此設計下控制系統的阻尼比(damping ratio)
應為何?(10分)
如欲使此閉迴路控制系統對於步階輸入之穩態誤差(steady state error)
為-10%,則K值又該如何設計?(5分)
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