107
ی ط خ رل ت ن ک های م ت س ی س ر ت ی ا پ1389 ! ن م ح ر ل م ا... ا س+ ب م ي ح ر ل ا اده ل ز ی ع ما س د ا ی+ ج م د ی س ر کت د- دی ی ل+ پ! ن سي ح ر کت د

سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

سیستمهای کنترل خطی

1389پاییز

بسم ا... الرحمن الرحيم

دکتر حسين بلندي- دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Page 2: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Recap.

• Optimal Systems,• Index of Performance,• Introduction to Ess.

2

Page 3: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Steady-State Tracking & System Types

3

Page 4: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

In General:

• Unity feedback control:

G(s) C(s)+

-r(s) e y(s)

plant

Go.l.(s)+

-r(s) e

y(s)ol

ol

G

G

sr

sy

1)(

)(

T.F. get & open, loop cut i.e.

yto e from T.F. loop open the is )()(

)(.. sG

se

sylo

4

Page 5: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

s.an cancelcan otherwise ,0 need ,0 If

0

0but

0, 0

)1()1)(1(

)1()1)(1(

:into factored be alwayscan

0

0

011

011

11

1

01

21..

..

bN

ba

bK

anpN

aaaN

asasasasas

bsbsb

sTsTsTs

sTsTsTKG

G

mN

N

N

NN

NN

nn

n

mm

pN

mbalo

lo

5

Page 6: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

psloss

slos

ss

lo

lo

lo

KsGe

ssR

sG

ssRsseete

sRsG

sysRse

sRsG

sGsy

1

1

)(1

1step to

1)(:input stepFor

)(1

)()(lim)(

: trackingstate-steady

)()(1

1)()()(:error tracking

)()(1

)()(:loop-closed

0..

0..0

..

..

..

6

Page 7: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

r, respect to with 0" type" called is system the,0 If

)K control alproportion with confused be not to p, small use here(

1

1step toThen

const.error position static called

)0()(lim denote

P

....0

N

Ke

GsGK

pss

lolos

p

7

Page 8: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

01

1step to

)0(

,2 or type ,1 typecalled is system

larger or ,2or ,1 If

. zero-non input with step acan track system 0 type

..

pss

lop

ss

Ke

GK

N

e

8

Page 9: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

higheror 1 for type 0

0 for type 1

1

then,)(:unitnot is step If

higheror 1 for type 0

0 for type 1

1

:input stepunit For

. zero input with step acan track higher or 1 typeof systemA

RKe

s

Rsr

Ke

e

pss

pss

ss

9

Page 10: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

const errorvelocity static called

:denote

ramp to

:ramp unit is If

)(lim

1

)(

1lim

)(

1lim

)(1

1

lim

)(1

)(lim

1)(

)(

0

0

0

2

0

0

2

ssGK

KssG

ssGssGs

s

sG

ssre

ssr

sr

ols

v

vols

ols

ols

ols

ss

r(t)

t

10

Page 11: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

signal. input ramp a track not can system 0 type

ramp to

system, 0 type For

vss

s

n

mm

sv

Ke

a

bs

asas

bsbsbsK

baN

1

0lim

lim

0,0,0

0

0

0

01

01

0

00

11

Page 12: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

. error statesteady zero-non

withramp tracks system 1 type

finiteramp to

finite,

1: type For

ss

vss

n

mm

s

n

mm

sv

e

Ke

a

b

asas

bsbsb

asas

bsbsbsK

baaN

,01

0lim

lim

!0,0,0,1

1

0

121

01

0

01

01

0

010

12

Page 13: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

. no withinput ramp a

track can system higher or 2 type

ramp to

higher, or 2 type For

factor a as s has still ones cancel

ss

vss

n

mm

s

n

mm

sv

e

Ke

sasas

bsbsb

asasasas

bsbsbsK

baa

N

01

lim

lim

0,0

,3,2

22

31

01

0

0

012

23

3

01

0

010

13

Page 14: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

1type if :then

unit, not is ramp If

2type if

1type if

0type if

:input ramp unit For

RK

e

s

Rsr

b

a

Ke

vss

vss

1

)(

0

1

2

0

1

14

Page 15: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

)(12

1)(

1)(:

2

3

tttr

ssr

input onaccelerati unit

ass

ssss

ss

KsGssGss

sGs

s

sG

ssre

e

1

)(

1lim

)(

1lim

)(1

1

lim)(1

)(lim

20220

3

00

acc to

r(t)

t0

15

Page 16: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

ass

s

n

mm

sa

sa

Ke

a

bs

asas

bsbsbsK

as

ssGK

1acc to

0lim

lim

0 den.in offactor no system, 0 For type

constant.error on accelerati theis )(lim

0

02

0

01

012

0

0

0

16

Page 17: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

sig. acc. tract tcan' system 1 or 0 type

acc to

bu i.e.

den. in of factor one i.e.

. in of factor one system, 1 type For

ass

s

nn

n

mm

sa

Ke

a

bs

asasas

bsbsbsK

aa

s

sGs

1

0lim

lim

0,0

)(1

1

0

0

011

1

012

0

10

17

Page 18: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

error. s.s. finite withsig.acc tract can system 2 type

acc to

or

den. in of factors two or,

in of factors two :2 type

01

)0(0

lim

0,0,0

1,2

0

2

02

0

22

11

012

0

210

b

a

Ke

ba

b

sasas

bsbsbsK

aaa

s

Gs

N

ass

nn

n

mm

sa

18

Page 19: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

error. s.s. no withsig.acc tract can syst. higher or 3 type

acc to

higher or 3 type

01

0

lim

0,0

3

0

33

11

012

0

0210

ass

nn

n

mm

sa

Ke

b

sasas

bsbsbsK

baaa

N

19

Page 20: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

stabilize. to difficult are system higher or 2 type but

tracting. bettertyper larger like seems

:Caution

by A. multiplied be to needs then,

:rather acc, unit not If

3type if

2type if

0,1type if

acc to

:input acc. forsummary

ss

ass

e

ttA

b

a

Ke

)(12

1

0

1

2

0

2

20

Page 21: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

r(t)=R·1(t)r(s)=R/s

r(t)=R·t·1(t)r(s)=R/s2

r(t)=R·1/2·t2

r(s)=R/s3

type 0(N=0 a0≠0)

Kp=b0/a0

ess=R/(1+Kp)

Kv=0

ess=∞

Ka=0

ess=∞

type 1(N=1 a0=0 a1≠0 b0≠0 )

Kp= ∞

ess=0

Kv=b0/a1

ess=R/Kv

Ka=0

ess=∞

type 2, N=2a0=a1=0

a2≠0,b0≠0

Kp= ∞

ess=0

Kv= ∞

ess=0

Kp=b0/a2

ess=R/Ka

type≥3, N ≥ 3a0=a1=a2=0

b0≠0

Kp= ∞

ess=0

Kv= ∞

ess=0

Ka= ∞

ess=0

sys.type

ref.input

21

Page 22: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Example of tank

ass

vss

ppss

avpp

plo

p

p

Ke

Ke

RKKe

KKRKGK

NRAs

RKsHsCsG

KsCRAs

RsH

K

1acc to

1ramp to

1

1

1

1step to

0,)0(

0 type0,1

)()()(

)(,1

)(

:control

..

H+

- C

22

Page 23: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

ass

Ivss

pss

aIs

vp

Ip

IpIp

Ke

RKKe

Ke

KRKssGKK

Ns

RAss

RKsKsHsCsG

s

KsK

s

KKsC

sH

1

11

01

1

0,)(lim,

1

)1(

)()()()(

)(

),(

0

acc to

ramp to

step to

type den, in of factor one

but

same :control PI

23

Page 24: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

the to loop the following from path the in #

T.F. loop open the in #i.e.

in # is w.r.t.type sys.

type. sys. is tracking statesteady toKey

es

s

sGs

sr

1

1

)(1

)(

+r(s)

Kps+KI

s+

-

r(s) e ωn2

s(s+2ξ ωn)

1

Ts+1

)(1

srs

w.r.t.2 type 2 :path in #count

e.g.

24

Page 25: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

example

1type one is there

:default Take

specified. dist. or input No :Note

acc. ramp. step. to error statesteady &

constants error type, system find

,1

)5.0)(5.1(

)15.3()(

s

sss

sKsG

G(s)r(s) e(s) y(s)

25

Page 26: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

KKe

e

e

K

KK

ssGK

K

vss

ss

ss

a

sv

p

2.4

11

0

0

2.45.05.1

15.3)(lim

0

ramp to

1 type for acc to

1 type for step to

1 type for

1 type for

26

Page 27: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

121

12

1

512

15)(lim

20

0

2,

221

)5)(12(

)1(5)(

2

0

2

ass

sa

ss

ss

vp

Ke

sGsK

e

e

KKs

sss

ssG

acc to

typeramp to

step to

type

type ,#

:Example

27

Page 28: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

The stability of linear feedback systems.

28

Page 29: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

The concept of stability.

29

Page 30: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

30

The stability of a cone.

Page 31: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

31

Tacoma Narrows Bridge

As oscillation begins

At catastrophic failureon November 7, 1940.

Page 32: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

32

Bounded Input - Bounded Output criterion

An unconstrained linear system is stable if the output response is bounded for all bounded inputs.

Note: By a bounded input, we mean an input variable that stays within upper and lower limits for all values of time

Page 33: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

33

Example: BI-BO criterion

Q.If the step function is applied at the input of continuous system and the output remains below a certain level for all time, is the system stable?

Page 34: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

34

Example: BI-BO criterion

Q.If the step function is applied at the input of continuous system and the output remains below a certain level for all time, is the system stable?

A.The system is not necessarily stable since the output must be bounded for every bounded input.

A bounded output to one specific bounded input does not ensure stability.

Page 35: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

35

Example: BI-BO criterion

Q. If the step function is applied at the input of continuous system and the output is of the form y = t, is the system stable or unstable?

Page 36: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

36

Example: BI-BO criterion

Q. If the step function is applied at the input of continuous system and the output is of the form y = t, is the system stable or unstable?

A. This system is unstable since a bounded input produced an unbounded output.

Page 37: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

37

Characteristic root locations criterion

A system is stable if all the poles of the transfer function have negative real parts.

Stability in the s-plane.

Page 38: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

38

Stable system

A necessary and sufficient condition for a feedback system to be stable is that all the poles of the transfer function have negative real parts.

This means that all the poles are in the left-hand s-plane.

Page 39: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

39

• Determine in each case if the set of roots represents, stable, marginally stable, or unstable systems.

a) -1, -2 e) -2 + j, -2 - j, 2j, -2jb) -1, +1 f) 2,-1,-3c) -3,-2,0 g) -6,-4,7d) -1 + j, -1- j h) -2 + 3j, -2 -3j, -2

Page 40: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

40

• Determine in each case if the set of roots represents, stable, marginally stable, or unstable systems.

a) -1, -2 e) -2 + j, -2 - j, 2j, -2jb) -1, +1 f) 2,-1,-3c) -3,-2,0 g) -6,-4,7d) -1 + j, -1- j h) -2 + 3j, -2 -3j, -2

Page 41: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

41

Marginally stable

If there are any poles on the jω-axis (with none on the right hand side), then the system is considered marginally stable.

Page 42: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

42

Unstable

If there are one or more poles in the right-hand s-plane or there are repeated roots on the jω-axis, the system is unstable.

Page 43: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

43

Example: Poles and zeros

Q. A system has poles at -1 and -5 and zeros at 1 and -2. Is the system stable?

Page 44: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

44

Example: Poles and zeros

Q. A system has poles at -1 and -5 and zeros at 1 and -2. Is the system stable?

A. The system is stable since the poles are roots of the system characteristic equation which have negative real parts.

The fact that the system has a zero with a positive real part does not affect its stability.

Page 45: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

45

Example: Characteristic equation

Q. Determine if the system with the following characteristic equation is stable:

(s+1)(s+2)(s-3) = 0

Page 46: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

46

Example: Characteristic equation

Q. Determine if the system with the following characteristic equation is stable:

(s+1)(s+2)(s-3) = 0

A. This characteristic equation has the roots

-1,-2, and 3 and therefore represent an unstable systems since there is a positive real root.

Page 47: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

47

Example: integrator

Q. The differential equation of an integrator may be written as follows:

dy/dt = x

Determine if an integrator is stable.

Page 48: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

48

Example: integrator

y(t) x(t)dt0

Y(s) 1

sX(s)

Y(s)X(s)

1s

s s1 0 0 j0

Page 49: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

49

Example: integrator

A. The characteristic equation of his system is s = 0. Since the root does not have a negative real part, an integrator is not stable.

Since it has no roots with positive real parts, integrator is marginally stable

Page 50: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

50

Stability in the s-plane.

NOT STABLESTABLE

Page 51: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

The Routh-Hurwitz Stability Criterion.

51

Page 52: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

52

Introduction

• Goal: Determining whether the system is stable or unstable from a characteristic equation in polynomial form without actually solving for the roots.

• Routh’s stability criterion is useful for determining the ranges of coefficients of polynomials for stability, especially when the coefficients are in symbolic (nonnumerical) form.

Page 53: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

53

A necessary condition for Routh Stability

• A necessary condition for stability of the system is that all of the roots of its characteristic equation have negative real parts, which in turn requires that all the coefficients be positive.

A necessary (but not sufficient) condition for stability is that all the coefficients of the polynomial

characteristic equation be positive.

Page 54: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

54

A necessary and sufficient condition for Stability

• Routh’s formulation requires the computation of a triangular array that is a function of the coefficients of the polynomial characteristic equation.

A system is stable if and only if all the elements of

the first column of the Routh array are positive

Page 55: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

55

Characteristic Equation

• Consider an nth-order system whose the characteristic equation (which is also the denominator of the transfer function) is:

q(s) ansn an 1s

n 1 an 2sn 2 a1s a0

Page 56: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

56

Determining the Routh array

• Consider the characteristic equation:

• First arrange the coefficients of the characteristic equation in two rows, beginning with the first and second coefficients and followed by the even-numbered and odd-numbered coefficients:

q(s) an sn an 1sn 1 an 2s

n 2 an 3sn 3 a1s a0

sn : an an 2 an 4 sn 1 : an 1 an 3 an 5

Page 57: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

57

Routh array: method (cont’d)

• Then add subsequent rows to complete the Routh array:

sn : an an 2 an 4 sn 1 : an 1 an 3 an 5 sn 2 : bn 1 bn 3 bn 5 sn 3 : cn 1 cn 3 cn 5

s2 :

s1 :

s0 : hn 1

?!

Page 58: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

58

Routh array: method (cont’d)

• Compute elements for the 3rd row:

sn : an an 2 an 4 sn 1 : an 1 an 3 an 5 sn 2 : bn 1 bn 3 bn 5 sn 3 : cn 1 cn 3 cn 5

s2 : * *

s1 : *

s0 : *

bn 1 1

an 1

an an 2

an 1 an 3

,

bn 3 1

an 1

an an 4

an 1 an 5

,

cn 1 1

bn 1

an 1 an 3

bn 1 bn 3

Page 59: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

59

Routh-Hurwitz Criterion

• The Routh-Hurwitz criterion states that the number of roots of q(s) with positive real parts is equal to the number of changes in sign of the first column of the Routh array.

Page 60: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

60

Three distinct cases of the first column array

1. No element in the first column is zero.

2. There is a zero in the first column and in this row.

3. There is a zero in the first column and the other zero

in this row.

Page 61: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

61

Case1. No element in the first column is zero

012

2)( asasasq

0

00

1

1

2

0

1

2 a

b

aa

s

ss

01

02

11

2011 0

1)0(a

a

aa

aa

aaab

Page 62: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

62

Second-order system

012

2)( asasasq

The requirement for a stable second-order system is that all the coefficients be positive or all coefficients be negative.

Page 63: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

63

Third-order system

012

23

3)( asasasasq

s3

s2

s1

s0

a3

a2

b1

c1

a1

a0

0

0

Page 64: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

64

Third-order system

2

30121 a

aaaab

01

011 a

b

abc

012

23

3)( asasasasq

For system to be stable, it is necessary and sufficient

that the coefficients a0 ,a1, a2, a3 be positive

and a2a1 > a0a3.

Page 65: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

65

Unstable system

s3

s2

s1

s0

1

1 22

24

2

240

0

Two roots of q(s) lie in the right-hand s-plane.

q(s) s3 s2 2s 24

q(s) (s 1 j 7)(s 1 j 7)

Page 66: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

66

Two changes in sign

Page 67: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

67

Case 2: There is a zero in the first column and in this row.

Ksssssq 234)(

s4

s3

s2

s1

s0

1

1

c1

K

1

1

K0

0

K

0

00

0

KK

c1

The system is unstable for all values of gain K.

Page 68: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

68

Case 3:A zero in the first column and the other zero in this row.

q(s) s3 2s2 4sKFor a stable system:

U(s) = 2s2 + 8 = 2 (s + j2)(s - j2)

q(s) (s 2)(s j2)(s j2)

For a marginal stability: K=8

0 < K < 8

s3 1 4

s2 2 K

s1 8 K

20

s0 K 0

Page 69: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

69

Ex. A six-legged micro robot

It is equipped with sensor network that includes 150 sensors of 12 different types. The legs are instrumented so that the robot can determine the lay of the terrain, the surface texture, hardness, and color.

Page 70: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

70

Micro robot

Page 71: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

71

Micro robot

633244)( 2345 ssssssq

s5

s4

s3

s2

s1

1

1

20

210

4

24

60

630

3

63

0

00

)3)(3(21)3(216321)( 22 jsjssssU

The auxiliary polynomial:

Page 72: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

72

The auxiliary polynomial

• The equation that immediately precedes the zero entry in the Routh array.

Page 73: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

73

Micro robot

213

)( 232

ssss

sq

s3

s2

s1

s0

1

1 20

21

1

210

0

s 1 j 6

The robot is using flexible legs with high-gaincontrollers that may become unstable and oscillate.

Page 74: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

74

Example :

Given the characteristic equation,

is the system described by this characteristic equation stable?

Answer:• One coefficient (-2) is negative.

• Therefore, the system does not satisfy the necessary condition for stability.

4s4ss2s3s4s)s(a 23456

Page 75: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

75

Example :

Given the characteristic equation,

is the system described by this characteristic equation stable?

Answer:• All the coefficients are positive and nonzero.• Therefore, the system satisfies the necessary condition for

stability.• We should determine whether any of the coefficients of

the first column of the Routh array are negative.

44234)( 23456 sssssssa

Page 76: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

76

Example (cont’d): Routh array

44234)( 23456 sssssssa

?:s

??:s

??:s

???:s

???:s

0424:s

4131:s

0

1

2

3

4

5

6

Page 77: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

77

Example (cont’d): Routh array

?:

??:

??:

???:

4025:

0424:

4131:

0

1

2

3

4

5

6

s

s

s

s

s

s

s

44234)( 23456 sssssssa

2

5

4

10

4

4321

04

0

4

4141

44

16

4

4401

Page 78: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

78

Example (cont’d): Routh array

?:

??:

??:

05122:

4025:

0424:

4131:

0

1

2

3

4

5

6

s

s

s

s

s

s

s

44234)( 23456 sssssssa

2)2(25

25204

5

12

5

2032

25

25444

Page 79: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

79

Example (cont’d): Routh array

4:

01576:

43:

05122:

4025:

0424:

4131:

0

1

2

3

4

5

6

s

s

s

s

s

s

s

44234)( 23456 sssssssa

The elements of the 1st column are not all positive:

the system is unstable

Page 80: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

80

Example : Stability versus Parameter Range

Consider a feedback system such as:

The stability properties of this system are a function of the proportional feedback gain K. Determine the range of K over which the system is stable.

Page 81: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

81

Example (cont’d)

0)6)(1(

11

sss

sK

Page 82: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

82

Example (cont’d)

• Expressing the characteristic equation in polynomial form, we obtain:

0)6(5 23 KsKss

0)6)(1(

11

sss

sK

Page 83: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

83

Example (cont’d)

• The corresponding Routh array is:

• Therefore, the system is stable if and only if

q(s) s3 5s2 (K 6)sK

Ks

Ks

Ks

Ks

:

5)304(:

5:

61:

0

1

2

3

4K 30

5 0 and K 0

K 7.5 and K 0

K 7.5

Page 84: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

84

Example (cont’d)

• Solving for the roots gives:

-5 and ±1.22j for K=7.5=> The system is unstable (or critically stable) for K=7.5

-4.06 and –0.47 ±1.7j for K=13-1.90 and –1.54 ±3.27j for K=25

=> The system is stable for both K=13 and K=25

KsKsssa )6(5)( 23

Page 85: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

85

Example : Stability versus Two Parameter Range

Consider a Proportional-Integral (PI) control such as:

Find the range of the controller gains so that the PI feedback system is stable.

)K,K( 1

Page 86: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

86

Example (cont’d)

• The characteristic equation for the system is given by:

021

11 1

)s)(s(s

KK

Page 87: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

87

Example (cont’d)

• Expressing the characteristic equation in polynomial form, we obtain:

023 123 Ks)K(ss

021

11 1

)s)(s(s

KK

Page 88: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

88

Example 4 (cont’d)

• The corresponding Routh array is:

• For stability, we must have:

KsKsssa )6(5)( 23

10

11

12

3

336

3

21

K:s

)KK(:s

K:s

K:s

23

0 11

KKandK

Page 89: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

89

The Routh-Hurwitz criterion

Page 90: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

90

Relative Stability

• Further characterization of the degree of stability of a stable closed loop system.

• Can be measured by the relative real part of each root or pair of roots.

Page 91: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

91

Root r2 is relatively more stable than roots r1 and r1’.

Page 92: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

92

Axis shift

464)( 23 ssssq

14)1(6)1(4)1( 2323 nnnnnn ssssss

sn3

sn2

sn1

sn0

1

10

1

1

10

0

)1)(1())((1)( 2 jsjsjsjsssU nnnn

Page 93: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

93

EX. Flow graph diagram

11

sL

12 3 sL

L3 Ks 2

)3()3(1)(1 221121321

sKsssLLLLL

s2 2s (K 3) 0 K 3 for stability

Page 94: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

94

Ex. Block diagram model.

T(s) KG1(s)G2(s)

1 KG1(s)G2(s)

(s) 1KG1(s)G2(s) 0

0)3(2)3)(1()( 2 KssKsss

1

1)(1

ssG

G2(s) 1

s 3

K 3 for stability

Page 95: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

95

Tracked vehicle turning control.

Select K and a so that the system is stable and ess≤ 24%of a ramp command.

Page 96: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

96

Characteristic equation:

1Gc (s)G(s) 0

1K(s a)

s(s1)(s 2)(s 5)0

s4 8s3 17s2 (K 10)sKa 0

Page 97: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

97

Routh array

s4

s3

s2

s1

s0

1

6

b1

c1

Ka

17

K 10

Ka

Ka

b1 126 K

8c1

b1(K 10) 8Ka

b1

b1 126 K

8c1

b1(K 10) 8Ka

b1

Page 98: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

98

Ramp response for a=0.6 and K=70

Page 99: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

99

The steady-state error

E(s) 1

1Gc (s)G(s)R(s)

E(s) s(s1)(s 2)(s 5)

s(s1)(s 2)(s 5) K(s a)

A

s2

ess(t) limsE (s) 10A

aKfor s 0

Page 100: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

100

The closed-loop T(s)

T(s) 70s 42

s4 8s3 17s2 80s 42s 7.08

s 0.58

s 0.17 3.2 j

s 0.17 3.2 j

Page 101: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

101

The stable region

K 126

Ka 0

(K 10)(126 K) 64Ka 0

ess AKa

10

0.24

Ka 42

K 70 a 0.6

Page 102: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

102

Absolute Stability

• A closed loop feedback system which could be characterized as either stable or not stable.

Page 103: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

103

Stable System

• A stable system is a dynamic system with a bounded response to a bounded input.

Page 104: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

104

Stability of S.S. Eqn.

xx A0)( xAI

0)det( AI

Page 105: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

105

Example: Closed epidemic system

2

1

00

10

01

0

0

0

u

u

dt

dx

x

0

0

0

00

00

00

det)det(

AI

Page 106: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

106

0)(

0)(

det)det( AI

]))([()det( 2 AI

Page 107: سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389 بسم ا... الرحمن الرحيم دکتر حسين بلندي - دکتر سید مجید اسما عیل زاده

107

0)]()([()det( 22 AI