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moea_joint_essay 110年 [儀電] 計算機概論、自動控制

第 一 題

📖 題組:
六、考慮【圖 2】系統。(共 3 題,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請寫出此系統之狀態方程式。(5 分)
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觀察方塊圖中的三個積分器。定義積分器的輸出由右至左分別為狀態變數 x1, x2, x3。根據圖中的訊號流向列出狀態空間表示法。

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假設從右至左的三個積分器輸出分別為 $x_1, x_2, x_3$。 由圖可知: 右側積分器的輸入為 $\dot{x}_1 = x_2$。

小題 (二)

請證明系統的可控制性(controllability)與可觀測性(observability)。(5 分)
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建立可控制性矩陣與可觀測性矩陣,並計算兩者的行列式,確認是否為滿秩 (Rank = 3)。

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給定 $A = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1 \ 0 & -5 & -2 \end{bmatrix}$, $B = \begin{bmatrix} 0 \ 0 \ 1 \end{bmatrix}$, $C = \begin{bmatrix} -4 & 6 & 3 \end{bmatrix}$。

  1. 可控制性證明: 可控制性矩陣 $M_c = \begin{bmatrix} B & AB & A^2B \end{bmatrix}$

小題 (三)

請寫出此系統之轉移函數。(10 分)
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可利用公式 H(s) = C(sI - A)^-1 B 或是梅森法則 (Mason's Gain Formula) 直接由方塊圖求出。

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利用梅森法則由系統方塊圖計算: 前向路徑: $P_1 = \frac{1}{s} \cdot \frac{1}{s} \cdot \frac{1}{s} \cdot (-4) = -\frac{4}{s^3}$

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