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EE3331C PART 2~PAGE 1 EE3331C PART 2~PAGE 1 BEN M. CHEN, NUS ECE BEN M. CHEN, NUS ECE EE3331C: Feedback Control Systems Part 2: Frequency Domain Methods EE3331C: Feedback Control Systems Part 2: Frequency Domain Methods Ben M. Chen Professor & Provost’s Chair Department of Electrical & Computer Engineering Office: E40608, Phone: 65162289 Email: [email protected] http://www.bmchen.net

EE3331C: Feedback Control Systems - NUS UAVuav.ece.nus.edu.sg/~bmchen/courses/EE3331.pdf · EE3331C PART2~ PAGE1 BENM. CHEN, NUS ECE EE3331C: Feedback Control Systems Part 2: Frequency

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EE3331CPART 2 ~PAGE 1EE3331CPART 2 ~PAGE 1 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

EE3331C: Feedback Control SystemsPart 2: Frequency Domain Methods

EE3331C: Feedback Control SystemsPart 2: Frequency Domain Methods

Ben M. Chen

Professor & Provost’s ChairDepartment of Electrical & Computer Engineering

Office: E4‐06‐08, Phone: 6516‐2289Email: [email protected]    http://www.bmchen.net

EE3331CPART 2 ~PAGE 2EE3331CPART 2 ~PAGE 2 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Introduction & Background Materials

EE3331CPART 2 ~PAGE 3EE3331CPART 2 ~PAGE 3 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

o G. F. Franklin, J. D. Powell and A. Emami‐Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Pearson Prentice Hall

o R. C. Dorf and R. H. Bishop, Modern Control Systems, Pearson Prentice Hall

Text and References

o No fixed time for consultation

o Appointment through email is recommended 

Consultation

EE3331CPART 2 ~PAGE 4EE3331CPART 2 ~PAGE 4 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Motivation

Learning Objectives

o Ability to find the gain and the phase of a system when the sinusoidal waveforms at its input and output are given

o Ability to compute the gain and the phase of a transfer function at a given frequency

o Ability to find the steady‐state output of a transfer function for a given sinusoidal input

o Ability to compute the crossover frequencies

The design of feedback control systems in industry is probably accomplished using frequency‐response methods more often than any other. This approach provides good designs in the face of uncertainty in the plant model. The so‐called frequency response of a system lies at the core of these methods. 

An introduction to frequency response is covered in this unit.

EE3331CPART 2 ~PAGE 5EE3331CPART 2 ~PAGE 5 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Final Grades for Part 2

Final Grade = 80% Final exam marks for Part 2 (max = 50)  + 

20% Part 2 Test marks (max = 50) 

There will be a in class (10–11:30am in LT4) test for Part 2 on Tuesday, 

24 October 2017.

EE3331CPART 2 ~PAGE 6EE3331CPART 2 ~PAGE 6 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Controller

What is a control system?

System to be controlled

Desired Performance

REFERENCE

INPUTto the system

Information about the system:

OUTPUT

+–

DifferenceERROR

Objective: To make the system OUTPUT and the desired REFERENCE as close

as possible, i.e., to make the ERROR as small as possible.

Key Issues: (1) How to describe the system to be controlled? (Modeling)

(2) How to design the controller? (Control)

aircraft, missiles, economic systems, 

cars, etc 

EE3331CPART 2 ~PAGE 7EE3331CPART 2 ~PAGE 7 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Some Control Systems Examples

System to be controlledController+

OUTPUTINPUTREFERENCE

Economic SystemDesired 

Performance Government 

Policies

EE3331CPART 2 ~PAGE 8EE3331CPART 2 ~PAGE 8 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

A Control System Design Example – Unmanned Helicopter

Bare Helicopter

Positioning/SLAM

Flight Control System

Motion Planning

Mission Management

Drone

Autonomous UAS

Model Aircraft

EE3331CPART 2 ~PAGE 9EE3331CPART 2 ~PAGE 9 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Modeling – Data Collection

Data Collection Procedure:

1). Chirp‐like signal issued 

in single channel;

2). Chirp‐like signal issued 

in multi‐channels;

3). Step‐like and random

signals issued for validation.

Example of chirp‐like signal

Chirp‐like signal and corresponding responses

EE3331CPART 2 ~PAGE 10EE3331CPART 2 ~PAGE 10 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Modeling – Test Flights

Flight testing for modeling purpose

EE3331CPART 2 ~PAGE 11EE3331CPART 2 ~PAGE 11 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Domain Responses

EE3331CPART 2 ~PAGE 12EE3331CPART 2 ~PAGE 12 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Unmanned Helicopter Control System

EE3331CPART 2 ~PAGE 13EE3331CPART 2 ~PAGE 13 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

A Hybrid UAV Control System

Auto‐landing on moving platform…

03.201303.2013 09.201309.2013 03.201403.2014

20172017

20162016

EE3331CPART 2 ~PAGE 14EE3331CPART 2 ~PAGE 14 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

International Micro Air Vehicle Competition, Toulouse, France 

Positioning/SLAM

Flight Control System

Motion Planning

Mission Management

NUS Team Instinct Cougar 

EE3331CPART 2 ~PAGE 15EE3331CPART 2 ~PAGE 15 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Linear Systems 

Let y1(t) be the output produced by an input signal u1(t) and y2(t) be the output 

produced by another input signal u2(t). Then, the system is said to be linear if 

a) the input is  u1(t), the output is  y1(t), where  is a scalar; and

b) the input is u1(t) + u2(t), the output is y1(t) + y2(t).

Or equivalently, the input is  u1(t) +  u2(t),  the output is  y1(t) +  y2(t).  Such a 

property is called superposition. For the circuit example on the previous page,

It is a linear system! We will mainly focus on linear systems in this course.

Systemu(t) y(t)

)()()()()()()( 21221

21

21

221

21

2 tytytuRR

RtuRR

RtutuRR

Rty

EE3331CPART 2 ~PAGE 16EE3331CPART 2 ~PAGE 16 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Summary of Laplace transform properties 

Property f (t) F (s)

Linearity

Scaling

Time shift

Frequency shift

Time derivative

Time integration

Time periodicity

Initial value

Final value

Convolution

t

df0

sTesF1)(1

)0( f

EE3331CPART 2 ~PAGE 17EE3331CPART 2 ~PAGE 17 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Some commonly used Laplace transform pairs

2

1

2

1

1

!

1

1)(1

1

)(

)(

)(

aste

ase

snt

st

st

sF

t

tf

at

at

nn

2

1

2

1

1

!

1

1)(1

1

)(

)(

)(

aste

ase

snt

st

st

sF

t

tf

at

at

nn

22

22

22

22

22

22

cos

sin

sincos)cos(

cossin)sin(

cos

sin

)()(

asaste

aste

sst

sst

sst

st

sFtf

at

at

22

22

22

22

22

22

cos

sin

sincos)cos(

cossin)sin(

cos

sin

)()(

asaste

aste

sst

sst

sst

st

sFtf

at

at

EE3331CPART 2 ~PAGE 18EE3331CPART 2 ~PAGE 18 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Operations of complex numbers

Coordinates:  Cartesian Coordinate and Polar Coordinate

125tan

2239.01

51213512j

j eejreal part       imaginary part          magnitude       argument

Euler’s Formula:

Additions: It is easy to do additions (subtractions) in Cartesian coordinate.

)()()()( wbjvajwvjba

Multiplication's: It is easy to do multiplication's (divisions) in Polar coordinate.

)()( jjj eruuere )(

j

j

j

eur

uere

sincos je j

EE3331CPART 2 ~PAGE 19EE3331CPART 2 ~PAGE 19 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Responses

EE3331CPART 2 ~PAGE 20EE3331CPART 2 ~PAGE 20 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The frequency response of a system is defined as the steady‐state responseof the system to a sinusoidal input signal.

Ref: Modern Control Systems, Richard C. Dorf & Robert H. Bishop

When a stable linear system is subject to sinusoidal input of frequency i rad/s

the output and all intermediate signals are sinusoidal of frequency i rad/s in the steady state

)sin()( tAtu i

)sin()( tBty iss

Linear system G(s)

)()()( tytyty sstr

the output and the intermediate signals differ from the input in amplitude and phase.

Frequency Response 

EE3331CPART 2 ~PAGE 21EE3331CPART 2 ~PAGE 21 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Response Example 

Example: Response of a 1st‐order system to sinusoidal input

10010)()10sin()(,

11)( 2

s

sUttus

sG

)100()1(

)100(10

)1(1)(

2

2

sCBs

sA

sssYSolution:

)100()()()1()1()100(10

2

2

CAsCBsBAsCsBssA

10110,

10110,

10110

10100,0,0

CBA

CACBBA

)10sin(101

1)10cos(10110

10110)(

)10(10

1011

)10(10110

)1(101/10)( 2222

ttety

sss

ssY

t

)8410sin(1011

10110)( tety t )8410sin(

1011

10110

2

1

ty

ey t

EE3331CPART 2 ~PAGE 22EE3331CPART 2 ~PAGE 22 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Response 

)sin()( tAtu i

)sin()( tBty iss

Linear system G(s)

)()()( tytyty sstr

Gain of the system:ABM

Phase of the system:

Gain & phase vary with the frequency of the input sinusoid

M() and  () define the frequency response of the linear system

[amplitude scaling]

[shift in time]

EE3331CPART 2 ~PAGE 23EE3331CPART 2 ~PAGE 23 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Response 

)sin()( tAtu i

)sin()( tBty iss

Linear system G(s)

)()()( tytyty sstr

Measurement of frequency response:a) Apply a sinusoidal input to the system under testb) Allow sufficient time for transient to decayc) Measure amplitudes of the input and the output; ratio of amplitudes 

is the gaind) Measure time‐shift of the output with reference to the input and 

determine the phasee) Repeat steps (a) to (d) for different frequencies min < i < max

1 2 3 4 5 6 7 8 …..

Gain M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 ….Phase 1 2 3 4 5 6 7 8 ….

In modern equipment, the measurement steps are automated

EE3331CPART 2 ~PAGE 24EE3331CPART 2 ~PAGE 24 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Frequency Response (cont.) 

G (s): Transfer function of a linear systemM (i): Gain of the system at frequency i rad/s (i): Phase of the system at frequency i rad/s

Then,

)()(,)()( iiii jGjGM

9310)( 2

ss

sGExample: Find the gain and the phase at  = 4 rad/s for

25.12072.0

712tan127

10127

109)4(3)4(

10)4(122

2 jjjjG

EE3331CPART 2 ~PAGE 25EE3331CPART 2 ~PAGE 25 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

57.0)(,2.0)(01.0 jGjG

71.5)(,199.0)(1.0 jGjG

31.11)(,196.0)(2.0 jGjG

57.26)(,179.0)(5.0 jGjG

45)(,141.0)(1 jGjG

43.63)(,089.0)(2 jGjG

69.78)(,039.0)(5 jGjG

29.84)(,020.0)(10 jGjG

43.89)(,002.0)(100 jGjG

94.89)(,0002.0)(1000 jGjG

10-2 10-1 100 101 102 1030

0.05

0.1

0.15

0.2

Frequency (rad/sec)

Mag

nitu

de

10-2 10-1 100 101 102 103-100

-50

0

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

Example:

Let us a series RL circuit with the following transfer function:

Thus, it is straightforward, but very tedious, to compute its amplitude and phase.  

1

2.0)(s

sG

12

tan1

2.0)()(1

2.0)(

jGjGj

jG

EE3331CPART 2 ~PAGE 26EE3331CPART 2 ~PAGE 26 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Note that in the plots of the magnitude and phase responses, we use a log scale for the 

frequency axis. If we draw in a normal scale, the responses will look awful.

There is another way to draw the frequency response. i.e., directly draw both magnitude 

and phase on a complex plane, which is called the polar plot. For the example 

considered, its polar plot is given as follows:   

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

read axis

imag

axi

s

10-2

10-1

100

101

102

103

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Frequency (rad/sec)

Mag

nitu

de

10-2 10-1 100 101 102 103-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

The red‐line curves are more accurate plots using MATLAB.

EE3331CPART 2 ~PAGE 27EE3331CPART 2 ~PAGE 27 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

What can we observe from the frequency response?

10-2 10-1 100 101 102 1030

0.05

0.1

0.15

0.2

Frequency (rad/sec)

Mag

nitu

de

10-2 10-1 100 101 102 103-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

At low frequencies, magnitude response is relatively a large. Thus, the corresponding output will be large.

For large frequencies, the magnitude response is small and thus signals with large frequencies is attenuated or blocked.

EE3331CPART 2 ~PAGE 28EE3331CPART 2 ~PAGE 28 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Lowpass System

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (second)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Time (second)

Lowpass System

Lowpass Systems  

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

Time (second)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (second)

rad/sec1.0

rad/sec10

EE3331CPART 2 ~PAGE 29EE3331CPART 2 ~PAGE 29 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Time Delay 

Delay(td)

Element causing delay of td seconds

)()( dttuty )(tu )(tu

)()(

)()(

..

..

sUettu

sUtu

dst

TLd

TL

dd

tsts

esU

sUesUsYsG

)(

)()()()(delay

)(ty

t

t

dt

dtjejG )(delay

d

tj

t

eM d

1

EE3331CPART 2 ~PAGE 30EE3331CPART 2 ~PAGE 30 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Time Delay 

No difference between amplitudes of two signals

)sin()(

tAtu

i )sin()(

tAty

i

dtT

degree180rad

didi tt

Tttftt d

ddii

d

22

The phase of the delay unit is  rad

1M

Phase of delay unit is 

)sin()sin()(

iii tAtAty

EE3331CPART 2 ~PAGE 31EE3331CPART 2 ~PAGE 31 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 1‐1

A sine wave of unity amplitude and frequency 5 Hz is applied to a linear system described by the transfer function

)50)(1()10()(

ssssG

What is the steady‐state output?

Solution:

22 10010)()10sin()2sin()(,

)50)(1(10)(

s

sUttftuss

ssG

0.00735473 1002500

104940

10010

110

0.00584059100110

499

10010

5010

10050110010

)50)(1(10)()()(

250

22

21

22

2222

s

s

sssB

sssA

sDCs

sB

sA

sssssUsGsY

EE3331CPART 2 ~PAGE 32EE3331CPART 2 ~PAGE 32 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

2222 100500.00735473

10.00584059

10010

)50)(1(10)()()(

sDCs

sssssssUsGsY

)100)(50)(1())(50)(1()100)(1(0.00735473)100)(50(0.00584059

22

2222

sss

DCsssssss

)100)(50)(1()501000.0073547350000.00584059()0.007354739(0.0058405

22

223

sss

DsC

0.01319532 00.007354730.00584059 CC

0.37357712 100501000.0073547350000.00584059 22 DD

2222 10037357712.0

10001319532.0

500.00735473

10.00584059)(

sss

sssY

)4810sin(0.01776289 0.007354730.00584059)10sin(0.01189133)10cos(0.013195320.007354730.00584059)(

50

50

teetteety

tt

tt

EE3331CPART 2 ~PAGE 33EE3331CPART 2 ~PAGE 33 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Alternatively, we calculate

480.01776289

32.1201856.06534.729691.32

1051)10(501010)10( 2

j

jjG

)4810sin(0.01776289 )( ttyss

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

System: sysFrequency (rad/sec): 31.2Magnitude (dB): -35

Mag

nitu

de (

dB)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)10-2 10-1 100 101 102 103

-90

-60

-30

0

System: sysFrequency (rad/sec): 31.5Phase (deg): -48

Pha

se (d

eg)

It is even easier 

to use 

MATLAB…

EE3331CPART 2 ~PAGE 34EE3331CPART 2 ~PAGE 34 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

For any system, there may exist one or more frequencies at which the gain of the system is unity (1). Such a frequency is called the gain‐crossover frequency. We’ll use the symbol cg to represent it, i.e., 

9310)( 2

ss

sGExample: Find the gain‐crossover frequency cg of

Solution:

Gain‐crossover frequency 

1)( cgjG

1

39

1039

1093)(

10)(22222

cgcgcgcgcgcgcg jjj

jG

100391039 222222 cgcgcgcg

rad281.3765.100199 2222 cgcgcgcg

EE3331CPART 2 ~PAGE 35EE3331CPART 2 ~PAGE 35 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Phase‐crossover frequency 

For any system, there may exist one or more frequencies at which the phase of the system is 180. Such a frequency is called the phase‐crossover frequency. We’ll use the symbol cp to represent it, i.e.,

)2)(1(10)(

ssssGExercise 1‐3: Find the phase‐crossover frequency cp of

180)( cpjG

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Mag

nitu

de (

dB)

10-2 10-1 100 101 102-270

-225

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/sec): 1.41Phase (deg): -180

Pha

se (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

Frankly, it is really troublesome to calculate the crossover frequencies (gain and frequency) using pen and paper…

EE3331CPART 2 ~PAGE 36EE3331CPART 2 ~PAGE 36 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 1‐2

Find the gain‐crossover frequency of the following transfer function 

)50)(1()10(100)(

ssssG

Use MATLAB to verify your result.

Solution: 

1)50()1(

10100

501

10100)(

222

222

22

222

jj

jjG

rad/s 35.877629.7384

09975007499)(2

222

10-2

10-1

100

101

102

103

-90

-45

0

Phas

e (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-20

-10

0

10

20

30

System: sysFrequency (rad/s): 87.2Magnitude (dB): -0.0184

Mag

nitu

de (d

B)

EE3331CPART 2 ~PAGE 37EE3331CPART 2 ~PAGE 37 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Key Concepts Learnt

o Frequency response is defined for linear systems only

o If input to a stable linear system is sinusoidal of frequency i, then its output in the steady‐state is also sinusoidal of frequency i Input an output may differ in amplitude and phase

o Gain of the linear system is the ratio between the output (steady‐state) amplitude and the input amplitude Gain varies with frequency

o Phase defines the delay between the input sinusoid and the output sinusoid Phase varies with frequency

)()(,)()( iiii jGjGM

o If a system’s transfer function is G(s), then its gain and phase at i are

o For a transfer function G(s), the crossover frequencies are defined as

180)(,1)( cpcg jGjG

EE3331CPART 2 ~PAGE 38EE3331CPART 2 ~PAGE 38 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot 

The plots of the magnitude and phase responses of a transfer function are called the Bode 

plot. The easiest way to draw Bode plot is to use MATLAB (i.e., bode function). However, there 

are some tricks that can help us to sketch Bode plots (approximation) without computing 

detailed values. To do this, we need to introduce a scale called dB (decibel). Given a positive 

scalar a, its decibel is defined as                      . For example,)(log20 10 a

dB 00)(log201 10 aaa

dB 2020)(log2010 10 aaa

dB 4040)(log20100 10 aaa

dBin dBin )(log20)(log20)(log20 101010 aa

dBin dBin )(log20)(log20)(log20 101010

aa

In the dB scale, the product of two scalars becomes an addition and the division of two 

scalars becomes a subtraction.

EE3331CPART 2 ~PAGE 39EE3331CPART 2 ~PAGE 39 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – an integrator

We start with finding the Bode plot asymptotes for a simple system characterized by 

Examining the amplitude in dB scale, i.e.,

it is simple to see that

901)()(1)(1)(

jGjGj

jGs

sG

dBlog201log20)(log20 101010

jG

dB01log20)1(log201 1010 jG

dB2010log20)10(log2010 1010 jG

dBlog2020log2010log20

10log20log20)(log2010

11011010

11021021012

jG

Thus, the above expressions clearly indicate that the magnitude is reduced by  20 dB

when the frequency is increased by 10 times. It is equivalent to say that the magnitude is 

rolling off 20 dB per decade.

EE3331CPART 2 ~PAGE 40EE3331CPART 2 ~PAGE 40 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The phase response of an integrator is  90 degrees, a constant. The Bode plot of an 

integrator is given by

-60

-40

-20

0

20

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

-91

-90.5

-90

-89.5

-89

Phas

e (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

rolling off 20 

dB per 

decade

constant 

phase 

response

EE3331CPART 2 ~PAGE 41EE3331CPART 2 ~PAGE 41 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – an differentiator

The Bode plot of G(s) = s can be done similarly…

-20

0

20

40

60

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

89

89.5

90

90.5

91

Phas

e (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

constant 

phase 

response

rolling up 20 

dB per 

decade

EE3331CPART 2 ~PAGE 42EE3331CPART 2 ~PAGE 42 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – a general first order system

The Bode plot of a first order system characterized by a simple pole, i.e.,

Let us examine the following situations.

1

12

111

1

1 tan1

1

1

1)(1

1)(

jjGss

sG

dB) 3707.0(45707.0tan1

1)(1

112

1

1

11

jG

01tan1

1)(1

12

1

1

jG

90tan1

1)( 1

1

12

1

1

jG

These give us the approximation (asymptotes) of the Bode curves…

EE3331CPART 2 ~PAGE 43EE3331CPART 2 ~PAGE 43 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Example

Consider a 1st order system                             where 1 = 10 rad/sec is called the corner 

frequency. 1011)( ssG

10-1 100 101 102 103-40

-30

-20

-10

0

10

Mag

nitu

de (d

B)

Frequency (rad/sec)

10-1 100 101 102 103-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

101

rolling off 20 

dB per 

decade

101

110red: asymptotes

blue: actual curves

EE3331CPART 2 ~PAGE 44EE3331CPART 2 ~PAGE 44 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – a general first order unstable system

The Bode plot of a first order system characterized by a simple pole, i.e.,

Let us examine the following situations.

1

12

111

1

1 tan1801

1

1

1)(1

1)(

jjGss

sG

dB) 3707.0(135707.0tan1

1)(1

112

1

1

11

jG

1801tan1801

1)(1

1

2

1

1

jG

90tan1801

1)( 1

1

1

2

1

1

jG

These give us the approximation (asymptotes) of the Bode curves…

EE3331CPART 2 ~PAGE 45EE3331CPART 2 ~PAGE 45 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

10-1

100

101

102

103

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Mag

nitu

de (

dB)

10-1

100

101

102

103

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

Pha

se (

degr

ee)

Frequency (rad/sec)

Example

Consider a 1st order system                             where 1 = 10 rad/sec is called the corner 

frequency. 1011)( ssG

101

rolling off 20 

dB per 

decade

101

110

red: asymptotes

blue: actual curves

EE3331CPART 2 ~PAGE 46EE3331CPART 2 ~PAGE 46 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – a simple zero factor

The Bode plot of                               can be done similarly…1

1)( ssG

10-1 100 101 102 103-10

0

10

20

30

40

Frequency (rad/sec)

Mag

nitu

de (d

B)

10-1 100 101 102 103

0

20

40

60

80

100

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

1 rolling up 20 

dB per 

decade

101

110

red: asymptotes

blue: actual curves

EE3331CPART 2 ~PAGE 47EE3331CPART 2 ~PAGE 47 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

10-1 100 101 102 103-10

0

10

20

30

40

Mag

nitu

de (d

B)

10-1 100 101 102 103-100

-80

-60

-40

-20

0

Pha

se (d

eg)

Frequency (rad/s)

Bode plot – a simple unstable zero factor

The Bode plot of                               can be done similarly…1

1)( ssG

1 rolling up 20 

dB per 

decade

101

110red: asymptotes

blue: actual curves

EE3331CPART 2 ~PAGE 48EE3331CPART 2 ~PAGE 48 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot – putting all together

Assume a given system has only simple poles and zeros, i.e.,

or

In the dB scale, we have

Similarly, 

Thus, the Bode plot of a complex system can be broken down to the additions and subtractions of some simple systems…

)()()()()(

1

1

011

1

011

1

m

mmn

nn

mm

mm

pspszszsb

asasasbsbsbsbsG

)1()1(

)1()1(

)()()()()(

1

1

1

1

1

1

n

qm

m

mm

ps

pss

ps

zsk

pspszszsbsG

dB in1dB in 1 dB in dB in 1dB in 1dB in dB )(11 11 nm p

jp

jqzj

zjkjG

11

11 9011)(11 nm p

jp

jqzj

zjkjG

EE3331CPART 2 ~PAGE 49EE3331CPART 2 ~PAGE 49 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103-60

-40

-20

0

20

40

60

Frequency (rad/sec)

Mag

nitu

de (d

B)

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103-100

-50

0

50

100

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

egre

es)

Example

We consider a system characterized by)101(

)1.01(1.0

)10()1.0(10)( ss

s

ssssG

s1

1.01 s

1011s

1.0k

EE3331CPART 2 ~PAGE 50EE3331CPART 2 ~PAGE 50 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The actual Bode plot

-50

0

50

Mag

nitu

de (d

B)

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

-90

-45

0

Phas

e (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

EE3331CPART 2 ~PAGE 51EE3331CPART 2 ~PAGE 51 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot of a typical 2nd order system with complex poles

So far, we haven’t touched the case when the system has complex poles. Consider

When  < 1, it has two complex conjugated poles at

2222

2

22

2

21

1)1()(2

)(

nn

nn

n

nn

n

ssssssG

21 nn

is called the damping ratio of the system

n is called the natural frequency

This 2nd order prototype is the 

most important system for classical 

control.

EE3331CPART 2 ~PAGE 52EE3331CPART 2 ~PAGE 52 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Examining

we have 

nnnnjjj

jH

21

1

21

1)(22

01121

1)( 2

nn

n

jjH

18021

1)(22

2

nn

nn

n

jjH

n

10 10 1 1001 1 1( ) in dB 20log 20log 20log

2 26 dB 20logH j

9021

21

21

1)( 2

jj

jH

nn

0 dB in magnitude and 0 degree phase at low 

frequencies

roll off 40 dB per decade at 

high frequencies

G

G

G

G

|G

EE3331CPART 2 ~PAGE 53EE3331CPART 2 ~PAGE 53 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot of the 2nd order prototype

rolling off 40 

dB per 

decade

221

bygiven isfrequency (resonant)peak

then the,707.0 If

nr

2121

is magnitudepeak The

rM

EE3331CPART 2 ~PAGE 54EE3331CPART 2 ~PAGE 54 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

10-1 100 101-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Frequency (rad/s)

Mag

nitu

de (d

B)

05.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

nrr MMw

dB 20dB 20rad/s 1

dB 14dB 1.14rad/s 99.0

dB 8dB 3.8rad/s 96.0

dB 5.4dB 3.5rad/s 91.0

dB 0.2dB 6.3rad/s 82.0

dB 02.0dB 3rad/s 71.0

Resonant frequency r is considerably lower than natural frequency n when  > 0.2.

EE3331CPART 2 ~PAGE 55EE3331CPART 2 ~PAGE 55 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Modeling and System Identification

EE3331CPART 2 ~PAGE 56EE3331CPART 2 ~PAGE 56 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Modeling from the Bode Plot

Motivation

Learning Objectives

Ability to estimate the transfer function model of a system from its Bode plot

Frequency response data can be generated by performing experiments. It is a common practice to find a transfer function model of the dynamic system from the experimentally obtained frequency response. In this unit, we learn how to estimate a transfer function model from the Bode plot.

EE3331CPART 2 ~PAGE 57EE3331CPART 2 ~PAGE 57 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Features of Bode (Magnitude) Plot

a) Low frequency gradient: dB/decade20)(N(gradient)low_freq

N: Number of integrators in G(s)negative value of N implies differentiator

o By measuring the low‐frequency gradient of Bode (magnitude) plot, we can determine the value of N

N = ?N = ?

EE3331CPART 2 ~PAGE 58EE3331CPART 2 ~PAGE 58 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

(n‐m) = ? (n‐m) = ?

b) High frequency gradient:dB/decade20)(m)(n

dB/decade20)(m20)(n(gradient)high_freq

n: Number of poles in G(s)m: Number of zeros in G(s)

By measuring the high frequency gradient of Bode (magnitude) plot, we can determine the value of (n‐m)  Pole Excess

EE3331CPART 2 ~PAGE 59EE3331CPART 2 ~PAGE 59 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

c) At the corner frequency of a zero, the slope is changed by +20 dB/decade

d) At the corner frequency of a pole, the slope is changed by ‐20 dB/decade

o Change in the gradient is an indicator of the presence of corner frequency or natural frequency

o Bending upward indicates presence of zeroo Bending downward means pole 

EE3331CPART 2 ~PAGE 60EE3331CPART 2 ~PAGE 60 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Two 1st‐order factors shown below have identical magnitude plots but different phase plots

Phase of System with RHS Pole/ Zero

A transfer function with RHS zeros is called non‐minimum phase system

)tan180()()(

tan)()(

122

122

aaajas

aaajas

js

js

o Two transfer functions can have identical magnitude plots though their phase plots are different)10(

)1(10

ss

)10()1(10

ss

EE3331CPART 2 ~PAGE 61EE3331CPART 2 ~PAGE 61 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Two functions may have identical magnitude plots but different phase plots if transmission delays are different

Phase of System with Delay

180tan)()(

tan)()(

122

122

dtj

jsst

js

ta

aeajeas

aaajas

dd

Magnitude plot alone is not enough for identification of model

EE3331CPART 2 ~PAGE 62EE3331CPART 2 ~PAGE 62 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 2‐1: Find the transfer function model from the Bode plot given

-60

-40

-20

0

20

Mag

nitu

de (

dB)

10-1 100 101 102 103 104-90

-60

-30

0

Pha

se (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

10011

41)(

s

ssksG

4.010

dB 820/8

k

)100(

410)(

ss

ssG

EE3331CPART 2 ~PAGE 63EE3331CPART 2 ~PAGE 63 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 2‐2: Find the transfer function model from the Bode plot given

10-1

100

101

102

103

104

-150

-100

-50

0

50

10-1

100

101

102

103

104

-300

-250

-200

-150

-100

-50

Rolling off 20 dB per decade

Rolling off 40 dB per decade

– 300

20 dB

dste

s

ssG

8011

10)(

180180300

10000

dd tt

ms 0.21 s00021.0

dt

80 rad/s

EE3331CPART 2 ~PAGE 64EE3331CPART 2 ~PAGE 64 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Steady State Responses

EE3331CPART 2 ~PAGE 65EE3331CPART 2 ~PAGE 65 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Motivation

Learning Objectives

Putting a controller in cascade with the plant effectively modifies the properties of the loop transfer function and hence its frequency response. What modification is desirable and what is not? It is important to know the properties of the loop transfer function that would give the desired performance. 

Understanding Design Specifications (Steady-State Error)

1) Ability to determine the target properties of the loop transfer function, given the desired specifications on steady‐state error

2) Ability to design the feedback loop so that it meets the steady‐state error specifications (only)

EE3331CPART 2 ~PAGE 66EE3331CPART 2 ~PAGE 66 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Design of feedback: start with the simplest feedback loop possible

o Only one parameter (K) to choose

o Needs 

o Minimum number of components (in analog implementation) or

o Minimum computational delay (in digital implementation)

K Gp(s)er

+

+++ y+

d nu (t)

EE3331CPART 2 ~PAGE 67EE3331CPART 2 ~PAGE 67 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

A simple control system: Toilet water tank…

EE3331CPART 2 ~PAGE 68EE3331CPART 2 ~PAGE 68 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Can we meet the design requirements with the simplest solution?

1. Tracking Performance: How closely does the output follow the reference?

If the desired speed of a motor is 100 RPM, does it spin at 100 RPM or 99.5 RPM?

How do we specify the design requirements?

During transient, the output is still changing towards the final steady‐state value. Tracking performance is defined by the difference between output and reference in the steady‐state.

ssss yre

Reference is a step function )(tr

)(ty )()(lim)(lim tytrtett

EE3331CPART 2 ~PAGE 69EE3331CPART 2 ~PAGE 69 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

2. Transient Performance:

How fast does the output reaches the steady‐state?

What is the nature of the transient response? Does the response reach steady‐state exponentially? Does it oscillate?

How do we specify the design requirements?

In this unit, we consider only the tracking performance. We’ll also consider stability issue. Transient specifications are discussed later.

EE3331CPART 2 ~PAGE 70EE3331CPART 2 ~PAGE 70 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The output signal may or may not follow the reference in a feedback controlsystem. If the output is not following the reference, there is an error.

How do we find the steady‐state error?

)()()( tytrte

According to the Final Value Theorem, for any signal x(t), )(lim)(0

ssXtxst

K Gp(s)er

+

+++ y+

d nu (t)

EE3331CPART 2 ~PAGE 71EE3331CPART 2 ~PAGE 71 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

sAsX )(

A

t

x(t)

x(t)t

Aas

AssAsssX

sss

000

limlim)(lim

asA

sAsX

eAtx at

)(

1)(

1t

x(t)

x(t)t

t

ss

txA

sAsssX

)(

lim)(lim00

A A

eAtx at

1)(

Final Value Theorem (Illustrations)

EE3331CPART 2 ~PAGE 72EE3331CPART 2 ~PAGE 72 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

K Gp(s)er +

+++ y

+

d n

u (t)

How do we find the steady‐state error?

)(lim)(0

ssEtest

NUDGYEKU

p

)(

)()(1

1)()(1

)()(

)(11

)()(1

1)()(1

)()(

)(11)(

)1(

sNsL

sDsL

sGsR

sL

sNsKG

sDsKG

sGsR

sKGsE

NDGREKH

p

pp

p

p

pp

NEKGDGRNUGDGR

YRE

pp

pp

function transfer loop open called is )()( sKGsL p

EE3331CPART 2 ~PAGE 73EE3331CPART 2 ~PAGE 73 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

K Gp(s)er

+

+++ y+

d nu

How do we find the steady‐state error?

It is easily concluded from the previous slide that, the steady‐state error depends on

a) the Open Loop Transfer Function L(s) and  b) the type of reference signal

)()(1

1lim)(0

sRsL

stest

If r(t) is a step function,

)(lim1)(1lim)(

00 sL

AsL

Ates

st

psksL

)(lim

0

(Position Error Constant)

sAsRAttr )(,)( 0

EE3331CPART 2 ~PAGE 74EE3331CPART 2 ~PAGE 74 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

)()(1

1lim)(0

sRsL

stest

If r(t) is a ramp function,

)(lim

)(lim

)(11lim)(

0

0

20

ssLA

ssLsA

sA

sLste

s

s

st

vskssL

)(lim

0

(Velocity Error Constant)

If r(t) is a parabolic function,

)(lim2

)(2lim

2)(1

1lim)(

2

0

220

30

sLsA

sLssA

sA

sLste

s

s

st

asksLs

)(lim 2

0

(Acceleration Error Constant)

21 )(,)(

sAsRAttr

32 2)(,)(

sAsRAttr

EE3331CPART 2 ~PAGE 75EE3331CPART 2 ~PAGE 75 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 3‐1: Find the steady‐state error for ramp‐input in the following system

10er

+

+++ y

+

d n

u (t))12(

1ss

)12(10)(

ss

sL

10)12(

10lim)(lim00

ss

sssLss

1.01011)(

vt k

te

EE3331CPART 2 ~PAGE 76EE3331CPART 2 ~PAGE 76 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Ker

+

+

y+

nu (t)

Exercise 3‐2: Find the value of K so that steady‐state error for step‐input is < 10%

10310

2 ss

10310)( 2

ssKsL

KssKsLk

ssp

103

10lim)(lim 200

91.0

1.011.01

1)(

pp

t kKk

te

EE3331CPART 2 ~PAGE 77EE3331CPART 2 ~PAGE 77 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Exercise 3‐3: Find the closed loop poles of the simple proportional control feedback system from the previous slide.

o What is the damping coefficient?o Sketch the step response of this feedback system? o Is this a good design?

)()(1

)()(

)(111)()()()(

)(11)( sR

sKGsKG

sRsKG

sYsYsRsRsKG

sEp

p

pp

222

2

2

101015.0290

100390

103901

10390

)(1)(

)()(

ssss

ss

sssKG

sKGsRsY

p

p

The closed loop poles of the control feedback system are

9.95.12,1 js

10,15.0 n

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.5

1

1.5Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

EE3331CPART 2 ~PAGE 78EE3331CPART 2 ~PAGE 78 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Steady‐state error for different input signals:

Step Ramp Parabolic

Steady‐state error ps

kA

sLA

1)(lim10 vs

kA

ssLA

)(lim0 as

kA

sLsA 2

)(lim2

2

0

If zero‐error is desired for step‐input, kp must be infinity which requires the loop transfer function L(s) to have at least one integrator

1),(1)( NsPs

sL NP(s) has no integrator in it

Number of integrators present in the loop transfer function is called System Type. A Type 0 has no integrator, Type 1 has one integrator, and so on

To achieve zero steady‐state error, 

o Step input: the loop transfer function L(s) must be Type 1 or highero Ramp input: L(s) must be Type 2 or highero Parabolic input: L(s) must be Type 3 or higher

EE3331CPART 2 ~PAGE 79EE3331CPART 2 ~PAGE 79 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Going back to the slide where we said, “start with the simplest feedback loop possible”, such design may not satisfy many other design specifications. We may even end up with an unstable system.

o How to test stability of the closed loop system?o How to predict the transient response of the closed loop?

K Gp(s)er

+

+++ y+

d n

u (t)

So, we need to answer two more questions:

EE3331CPART 2 ~PAGE 80EE3331CPART 2 ~PAGE 80 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Stability Margins

EE3331CPART 2 ~PAGE 81EE3331CPART 2 ~PAGE 81 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

A given system is stable if the system does not have poles on the right‐half plane (RHP). It is 

unstable if it has at least one pole on the RHP. In particular,

marginally stable

unstable

stable

The above diagram also shows the relationship the locations of poles and natural responses.

EE3331CPART 2 ~PAGE 82EE3331CPART 2 ~PAGE 82 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Motivation

Learning Objectives

o While designing a feedback system, we start with a known model of plant and then add a controller such that target specifications (for example, steady‐state error specification) are met. 

o We didn’t consider the stability issue in earlier. o How to test stability? 

We can derive the closed loop transfer function and find its poles to test stability. 

But it is more convenient if we can assess closed loop stability from the open loop transfer function.

o We also need to determine the range of stable operation as model parameters are not accurate for any practical system. 

o Ability to assess the closed loop stability from the knowledge of the open loop transfer function L(s)

o Ability to find the gain margin and phase margin of a given L(s)o Ability to explain the significance of the stability margins

EE3331CPART 2 ~PAGE 83EE3331CPART 2 ~PAGE 83 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Recap:

o Gain‐crossover frequency (cg) – frequency at which gain is 1 or unity (0 dB)

o Phase‐crossover frequency (cp) – frequency at which phase is 180

o If cg and cp are the same frequency for a loop transfer function L(s) then the resulting closed loop has poles on the imaginary axis

Closed loop will be marginally stable if no closed loop pole lies in the right hand side of the complex s‐plane

)(1)(

)(1)(

)()(

sLsL

sKGsKG

sRsY

p

p

Recall the transfer function of the closed‐loop system is given by

The closed‐loop poles can be found by solving 

18011)(0)(1 sLsL

If we have an  such that such that L(j) = 1 180, which implies j is a pole.

EE3331CPART 2 ~PAGE 84EE3331CPART 2 ~PAGE 84 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

K=10er+

+

y+

nu (t)

Exercise 4‐1: Find the crossover frequencies of the system of Exercise 3‐2

10310

2 ss

EE3331CPART 2 ~PAGE 85EE3331CPART 2 ~PAGE 85 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode plot of L(s) for different values of K

10310)( 2

ssKsL

K=10K=20K=50

What is the effect of varying K on cg?

What is the relation between K and cp?

EE3331CPART 2 ~PAGE 86EE3331CPART 2 ~PAGE 86 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

In this example, gain can be increased before cg and cp become equal

cg

180)( cg

180

cp

0)( cpdBM

)56(15)( 2

sss

sL

The resulting closed loop will not have poles on the j‐axis.

cpcg

For this case:

Gain Margin (GM): Variation in gain that can be allowed before the condition for marginal stability is met 

EE3331CPART 2 ~PAGE 87EE3331CPART 2 ~PAGE 87 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Next slide shows numerical example of computing gain margin

180

cp

0)( cpdBM

)56(15)( 2

sss

sL

GM

)(log20

)(0

cp

cpdB

jL

MGM

EE3331CPART 2 ~PAGE 88EE3331CPART 2 ~PAGE 88 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

In this example, cg & cp can become equal due to delay (negative phase).

cg

180)( cg

180

cp

0)( cpdBM

)56(15)( 2

sss

sL

Phase Margin (PM): Variation in phase that can be allowed before the condition for marginal stability is met 

EE3331CPART 2 ~PAGE 89EE3331CPART 2 ~PAGE 89 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

180

cg

180)( cp

)56(15)( 2

sss

sL

PM )180()(PM cgjL

GM expressed in dB

EE3331CPART 2 ~PAGE 90EE3331CPART 2 ~PAGE 90 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

gaincrossoverfrequency

phasecrossoverfrequency

gainmargin

phasemargin

Gain and phase margins (recap)

EE3331CPART 2 ~PAGE 91EE3331CPART 2 ~PAGE 91 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The stability margins (GM and PM) can be used as indicators of closed loop stability

For most practical systems (second order or higher), increasing loop gain makes the system more oscillatory and eventually may lead to instability.We use this assumption to find a relation between GM/PM and closed loop stability.

dBjGK )(1

dBjGK )(2

dBm jGK )(

12 KKK m

)()( jGKjL mFor

cpcg

Closed loop will have poles on the j‐axis

)(1 jGK

)(2 jGK

Based on the assumption made above,

Unstable CL

Stable CL

EE3331CPART 2 ~PAGE 92EE3331CPART 2 ~PAGE 92 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

)180()(PM cgjL

Stable UnstablePM > 0 PM < 0

0 dB 0 dB

0PM 0PM

EE3331CPART 2 ~PAGE 93EE3331CPART 2 ~PAGE 93 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Mag

nitu

de (

dB)

10-2 10-1 100 101 102-270

-225

-180

-135

-90

Pha

se (d

eg)

*

*

*

*

*

*

K = 10, PM > 0

K =100, PM < 0K = 30, PM = 0

)56()( 2

sssKsL

Closed‐loop Poles

K = 30

– 6; 0  j 2.24

K = 10

– 5.42; – 0.29  j 1.33

K = 100

– 7.22; 0.61  j 3.67

Unstable!

Example

EE3331CPART 2 ~PAGE 94EE3331CPART 2 ~PAGE 94 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

)(log20)(0GM cpdBcp jLjL

0 dB 0 dB0GM

0GM

Stable UnstableGM > 0 GM < 0

EE3331CPART 2 ~PAGE 95EE3331CPART 2 ~PAGE 95 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Nyquist Plot

Instead of separating into magnitude and phase diagrams as in Bode plots, Nyquist plot 

maps the open‐loop transfer function L(s) directly onto a complex plane, e.g.,

Harry Nyquist 1889–1976 

EE3331CPART 2 ~PAGE 96EE3331CPART 2 ~PAGE 96 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

–1

PM

1GM

Gain and phase margins

The gain margin and phase margin can also be found from the Nyquist plot by zooming in 

the region in the neighbourhood of the origin. 

Remark: Gain margin is the maximum 

additional gain you can apply to the closed‐

loop system such that it will still remain 

stable. Similarly, phase margin is the 

maximum phase you can tolerate to the 

closed‐loop system such that it will still 

remain stable.

EE3331CPART 2 ~PAGE 97EE3331CPART 2 ~PAGE 97 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Summary

Stable CL poles on the j-axis

Unstable

K < Km K = Km K > Km

cg< cp cg = cp cg > cp

GM > 0 GM = 0 GM < 0|L(jcp)| < 1 |L(jcp)| = 1 |L(jcp)| > 1

PM > 0 PM = 0 PM < 0L(jcg)| > 180 L(jcg)| = 180 L(jcg)| < 180

o These conditions are based on the assumption that increasing gain makes a marginally stable system unstable and decreasing gain makes it stable

o This assumption holds for most practical systemso However, there are cases when it is violated

EE3331CPART 2 ~PAGE 98EE3331CPART 2 ~PAGE 98 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Transient Responses

EE3331CPART 2 ~PAGE 99EE3331CPART 2 ~PAGE 99 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Motivation

Learning Objectives

If we know how the frequency domain properties of the open loop transfer function L(s) are related to the transient response of the closed loop, we can modify the loop by adding controller in a way to meet the transient specifications.  

Ability to determine the target properties of the loop transfer function, given the desired specifications on transient response

EE3331CPART 2 ~PAGE 100EE3331CPART 2 ~PAGE 100 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Taking the process output from one level to another is not the only need. How it reaches the final level is just as important. Transient profile is used to define the trajectory of the output in transition.

Transient specifications are typically described in terms of step response.

We have learnt how to modify the loop transfer function to meet specifications on steady‐state error with polynomial input signal.

If the closed loop is dominant 1st‐order, then its transient response is characterized by the time constant.

Initial slope = 

2 3 4 5

1

EE3331CPART 2 ~PAGE 101EE3331CPART 2 ~PAGE 101 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

If the closed loop transfer function is dominant 2nd‐order, then its transient is characterized by the rise time, the settling time and the overshoot.

In this note, closed loop represented by dominant 2nd‐order transfer function (two complex poles) is considered for quantifying the frequency‐domain specifications. 

22

2

2)(

nn

nCL ss

KsG

Step response of a typical 2nd order system

EE3331CPART 2 ~PAGE 102EE3331CPART 2 ~PAGE 102 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Unit step response for the 2nd order prototype

This is very important for the 2nd part of this course in designing a meaningful control system. 

We consider the 2nd order prototype

)1()(2)( 222

2

22

2

nn

n

nn

n

ssssH

21 nn

is the damping ratio of the system

n is the natural frequency

It can be shown that its unit step response is 

given as

( ) 1 cos sintd d

d

y t e t t

EE3331CPART 2 ~PAGE 103EE3331CPART 2 ~PAGE 103 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Unit step response for the 2nd order prototype (cont.)

Graphically,

It can be observed that the smaller damping ratio yields larger overshoot.

EE3331CPART 2 ~PAGE 104EE3331CPART 2 ~PAGE 104 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

104

Unit step response for the 2nd order prototype (cont.)

The typical step response can be depicted as 

1 or 2%pMpt

rt

stt

19.0

1.0

rise time

1% settling time

peak time

nrt

8.1

4.6s

n

t

21

n

pt

ttety d

dd

t sincos1)(

overshoot21 eM p

all in sec

2% settling time 4s

n

t

EE3331CPART 2 ~PAGE 105EE3331CPART 2 ~PAGE 105 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

A loop transfer function with two poles gives a closed loop transfer functionof this type

22

2

2)(

nn

nCL ss

KsG

L(s)+

-

Y(s)

R(s)

)(1)()(sL

sLKsGCL

22

2

2

2)(

)2()(

nn

nCL

n

n

ssKsG

sssL

1)(1)(

))((1)(

2

absbasKsG

bsassL

CL

K

Examples

EE3331CPART 2 ~PAGE 106EE3331CPART 2 ~PAGE 106 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Let’s find the gain‐crossover frequency and the phase margin of the loop transfer function

)2()(

2

n

n

sssL

)2)(()(

2

n

n

jjjL

2

12

1)(

nnn

n

n

jjjjjL

21)(

jj

jLn

22 41)(

jL

Gain‐crossover frequency can be obtained by solving

14

1)(22

jL

EE3331CPART 2 ~PAGE 107EE3331CPART 2 ~PAGE 107 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

1414

1 2222

cgcgcgcg

014 224 cgcg 142 422 cg

142 42 cg

142 42 ncgn

cgcg

Conclusion:

Higher the gain‐crossover frequency of the loop transfer function, higher is the natural frequency (n) of the dominant 2nd‐order CL poles  shorter rise time

This can be used as a design guideline

EE3331CPART 2 ~PAGE 108EE3331CPART 2 ~PAGE 108 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Conclusion:PM is related to the damping factor of the dominant closed loop pole

njjjL

,

21)(

2

tan90)( 1 jL

2

tan90)( 1 cgcgjL

cg

cg

cgjL

2tan

2tan90

)(180PM

1

1

142

2tanPM42

1

2

cg

cg2tan 1

2

tan 1 cg

EE3331CPART 2 ~PAGE 109EE3331CPART 2 ~PAGE 109 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The relation between PM and the damping factor of the closed loop poles can 

be approximated by the following for PM < 60

)2()(

2

n

n

sssL

142

2tanPM42

1

100PM

(This is commonly used as the design formula)

EE3331CPART 2 ~PAGE 110EE3331CPART 2 ~PAGE 110 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

110

This example shows that if we try to meet the time‐domain specifications, the frequency domain parameters (cg and PM) are also fixed…

1 or 2%pMpt

rt

stt

19.0

1.0

rise time

peak time

nrt

8.1

21

n

pt

overshoot21 eM p

2% settling time 4s

n

t

Time‐domain specs

142 42 ncg

142

2tanPM42

1

Frequency‐domain parameters

EE3331CPART 2 ~PAGE 111EE3331CPART 2 ~PAGE 111 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Lead and Lag Compensators

EE3331CPART 2 ~PAGE 112EE3331CPART 2 ~PAGE 112 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Motivation

Learning Objectives

o Feedback design is usually carried out in stages starting with the attempt to meet the steady‐state error which can be done by adjusting DC‐gain (gain‐adjustment phase). However, it doesn’t take into consideration the transient response or stability. 

o A compensator is a circuit/system that compensates for the discrepancy remaining after the gain‐adjustment stage.

1) Ability to explain the role of compensator in a feedback system

2) Ability to explain the effects of 1st‐order compensator on the frequency response of the loop transfer function

3) Ability to recognize the difference between two types of 1st‐order compensator

EE3331CPART 2 ~PAGE 113EE3331CPART 2 ~PAGE 113 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Recap:

The steady state error with polynomial signals depends on different error constants

)(lim

,1

1

0sLk

ke

sp

pss

)(lim

,1

0ssLk

ke

sv

vss

)(lim

,1

2

0sLsk

ke

sa

ass

For step input For ramp input For parabolic input

o These error constants are limiting values of certain transfer function as s0

In frequency domain, they represent the DC gain of the corresponding transfer function

)(lim)(lim00

jLksLk p

js

sp

EE3331CPART 2 ~PAGE 114EE3331CPART 2 ~PAGE 114 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Recap:

Parameters that characterize the transient response (for example, and n)are related to the gain‐crossover frequency (cg) and phase‐margin (PM) ofthe loop transfer function.

60PM,100PM

142 42 ncg

142

2tanPM42

1

o Gain adjustment to meet the steady‐state error specificationsEffect in frequencies around cg are not considered at this stage

o Design compensator to modify the loop around crossover frequencycg and PM can also be changed by adjusting the gain but such adjustment affects the DC‐gain as well and result of gain‐adjustment stage is therefore undone.

Phase margin is an indicator of stability and stability margin.

Design in stages:

EE3331CPART 2 ~PAGE 115EE3331CPART 2 ~PAGE 115 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Ker

+

+

y+

n

ym

u (t)

Exercise 3‐2 revisited:

10310

2 ss

Desired steady‐state error is less the 10% for step input:

9,1.01

11.0,

pp

stepss

kk

e

Position error constant: KssKk

sp

103

10lim 20

10let,99 KKkp

103100)( 2

ss

sL

EE3331CPART 2 ~PAGE 116EE3331CPART 2 ~PAGE 116 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Plot of L(s) of this example:

PM 20

Can you find PM numerically?What kind of transient response will the closed loop give?What is the GM for this case?

EE3331CPART 2 ~PAGE 117EE3331CPART 2 ~PAGE 117 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

What can be done to achieve higher PM?

K=10PM 20

Use lower value of K so that cgis shifted to a lower frequency

K=2PM 45

K=10K=2

Change in K has no effect on phase

What will happen to steady‐state error performance if lower value of K is used?

EE3331CPART 2 ~PAGE 118EE3331CPART 2 ~PAGE 118 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Ideally what we want?

Increase the phase at this frequency without changing the gain

These solutions are not feasible by varying K. Compensator gives a realizable approximation of these solutions by 

modifying gain/phase in a selected range of frequency.   

K=10 (meets steady-state specs)

Reduce the gain at this frequency without changing DC gain

Soln#1

Soln#2

EE3331CPART 2 ~PAGE 119EE3331CPART 2 ~PAGE 119 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

C(s)er

+

yu (t)

G(s)

Solution?

Add a compensator…

0,1

1)(

TTs

TssC

o If 0 <  < 1, C(s) is called a lead compensator as it will add a positive phase to the resulting open loop transfer function L(s).

o If  > 1, C(s) is called a lag compensator as it will add a negative phase to the resulting open loop transfer function L(s).

EE3331CPART 2 ~PAGE 120EE3331CPART 2 ~PAGE 120 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Compensators: Sketch the Bode plot of the following two transfer functions:

112)(1

sssC 15

1)(2

sssC

1

15.0

s

s

12.0

1

s

s

10-2

10-1

100

101

102

-2

0

2

4

6

8

Mag

nitu

de (

dB)

10-2

10-1

100

101

102

0

5

10

15

20

Pha

se (

deg)

Frequency (rad/sec)

10-2

10-1

100

101

102

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Mag

nitu

de (

dB)

10-2

10-1

100

101

102

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Pha

se (

deg)

Frequency (rad/sec)

EE3331CPART 2 ~PAGE 121EE3331CPART 2 ~PAGE 121 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Transfer functions shown on the previous slide can be generalized in this form

10,0,1

1)(

TTs

TssC

Such a transfer function is a 1st‐order compensator.

o The value of T determines the corner frequency of the zero (let’s name it z)

o The values of  and T determine the corner frequency of the pole (let’s name it p) 

T1

z

o The value of  determines whether z > p or p > z and also the separation between these two frequencies

T 1

p

pz

EE3331CPART 2 ~PAGE 122EE3331CPART 2 ~PAGE 122 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Two examples:

o < 1

125.012

112)(1

s

ssssC

151

151)(2

s

ssssC

rad/s5.021,2 zT

rad/s0.125.0

1,5.0

pzp

sT z rad/0.111,1

rad/s2.015

1,5

ppz

o > 1

EE3331CPART 2 ~PAGE 123EE3331CPART 2 ~PAGE 123 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Compensator with 0 <  < 1

10,1

1)(

TsTssC

pz

m

mIt adds positive phase (phase lead). So it is called Lead Compensator.

It can be used to improve phase margin by choosing m of the compensator at a frequency near gain‐crossover frequency of the loop before compensation. Positive phase of the lead compensator is the feature that we want to use.

Soln#1 can be approximated by this!

EE3331CPART 2 ~PAGE 124EE3331CPART 2 ~PAGE 124 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Soln#1: By a lead compensation…

Increase the phase at this frequency without changing much in the gain

EE3331CPART 2 ~PAGE 125EE3331CPART 2 ~PAGE 125 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Compensator with  > 1

1,1

1)(

TsTssC

It adds negative phase (phase lag). So it is called Lag Compensator.

Soln#2 can be approximated by this!

p

z

m

m

o Gain is negative dB and fairly constant for  >> z.

o Phase is negligibly small for  >> z. o DC gain is 0 dB.

If we need to reduce the gain at some frequency x without changing the phase significantly and without affecting DC gain, we can use a lag compensator such that z << x. 

EE3331CPART 2 ~PAGE 126EE3331CPART 2 ~PAGE 126 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Soln#2: By a lag compensation…

Reduce the gain at this frequency without changing DC gain

EE3331CPART 2 ~PAGE 127EE3331CPART 2 ~PAGE 127 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Undesirable (but Unavoidable) Consequence:

pz

m

m

Phase lead is the desirable effect. But the gain is also altered in frequencies greater than z. Attention must be paid to this when we design lead compensator.

p

z

m

m

To achieve gain reduction without significant change in phase, z must be chosen much lower than the frequency at which gain reduction is desired.

This affect low‐frequency gain of the loop though the DC‐gain is unaffected.

EE3331CPART 2 ~PAGE 128EE3331CPART 2 ~PAGE 128 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Issues to Consider while Designing a Lead Compensator

Phase of lead compensator

Phase after compensation

Gain of lead compensator

cg gets shifted after compensation

EE3331CPART 2 ~PAGE 129EE3331CPART 2 ~PAGE 129 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Issues to Consider while Designing a Lag Compensator

Bode plot of Lu(s)

Desired PMPhase after compensation

cg shifted to lower frequency after compensation

Gain of lag compensator

Phase of lag compensator

EE3331CPART 2 ~PAGE 130EE3331CPART 2 ~PAGE 130 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

How to design a lag compensator?

Example: Consider the 1st‐order process

15.01)(p

s

sG

Design a controller to meet the following specifications ‐

a) Zero steady‐state error for step inputb) 5% error for ramp inputc) Phase margin of 45

First use gain‐adjustment so that specifications (a) and (b) are met.

C(s)er

+

yu (t) G(s)

EE3331CPART 2 ~PAGE 131EE3331CPART 2 ~PAGE 131 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Loop transfer function that meets specs (a) and (b):

)15.0(20)()( pu

ss

sGsKsL

The subscript u is used to imply that the loop is uncompensated.

Does it meet the 3rd specification of PM (related to transient response)?

rad/s 2.6ωcg

162)ω( cgu jL

18PMu

)15.0(20)(u

jj

jL

To find PM, we need to know the gain‐crossover frequency.

Phase at the gain‐crossover frequency:

Phase margin: 18)180(162 Let’s use the symbol PMu for this.

EE3331CPART 2 ~PAGE 132EE3331CPART 2 ~PAGE 132 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Lag compensator can be used to reduce gain in a range of frequencies

-130

(1) Find the frequency where phase is ‐180+target PM.

(2) Find how much gain reduction is required at that frequency.

Caution: Lag compensator introduces a small phase lag. Choose target PM slightly greater (5) than the one given in the specifications. (50 and not 45)

EE3331CPART 2 ~PAGE 133EE3331CPART 2 ~PAGE 133 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Find the frequency at which phase of Lu is  130

)5.0(tan90 1

rad/s7.1x

)15.0(20)(u

jj

jL

Find the uncompensated gain at this frequency

We want to make the compensated gain at this frequency to be 1 (equivalent to 0 dB).

130)5.0(tan90 1x

40)5.0(tan 1x

125.020)(

2u

xx

xjL

91)7.1(25.07.1

20)7.1(2u

jL

91

)7.1(1)7.1(1)7.1()7.1(

uu

jLjCjLjC

EE3331CPART 2 ~PAGE 134EE3331CPART 2 ~PAGE 134 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

If we choose z of the compensator << 1.7 rad/s,

11)(

11)(

Tj

TjjCTs

TssC

Tz1

7.1

17.117.1)7.1(

Tj

TjjC

z7.1

Under this condition,

1,17.17.1

17.117.1)7.1(

Tj

TjTj

TjjC

Required reduction in gain at this frequency,

91

)7.1(1)7.1( jL

jCu

9

T17.1 17.1 T

EE3331CPART 2 ~PAGE 135EE3331CPART 2 ~PAGE 135 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

How to find the 2nd parameter T ?

11)(

11)(

Tj

TjjCTs

TssC

Tz1

7.1

17.117.1)7.1(

Tj

TjjC

15416

11)(6

7.110107.1

ss

TsTssCTT

A factor of 10 is usually good enough,

Homework: Find gain and phase of C(s) at  = 1.7 rad/s and verify if they satisfy the requirements, i.e., gain equal to 1/9 and small negative phase.

Tz17.1 17.1 T

EE3331CPART 2 ~PAGE 136EE3331CPART 2 ~PAGE 136 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/s)10

-310

-210

-110

010

1-60

-30

0

System: sysFrequency (rad/s): 1.7Phase (deg): -4.99

Phas

e (d

eg)

-20

-15

-10

-5

0

System: sysFrequency (rad/s): 1.7Magnitude (dB): -19

Mag

nitu

de (d

B)

15416)(

sssC 19 dB = 8.9

EE3331CPART 2 ~PAGE 137EE3331CPART 2 ~PAGE 137 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-100

-50

0

50

100

150

System: sysFrequency (rad/s): 1.71Magnitude (dB): -0.0475

Mag

nitu

de (d

B)

10-3

10-2

10-1

100

101

102

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 1.7Phase (deg): -135

Phas

e (d

eg)

Green Curve:

Uncompensated open loop transfer function

cg = 6.2 rad/sPM = 18

Blue Curve:

Compensated open loop transfer function

cg,new = 1.7 rad/sPM = 45

EE3331CPART 2 ~PAGE 138EE3331CPART 2 ~PAGE 138 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Procedure to design a lag compensator…

i. Find the phase margin of the uncompensated system and compare it to the 

design specs on phase margin (say, req). To be safe, we usually choose a 

value m > req to start with the design. 

ii. Find the frequency x such that the uncompensated loop at which has a 

phase response of –180 + m.

iii. Find the corresponding gain value (say, Gx) of the uncompensated loop at x.

iv. Compute = Gx and               .                               

v. The required lag compensator is given as                          .

vi. Verify your result. Repeat the above steps if necessary.

xω10

T

11)(

Ts

TssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 139EE3331CPART 2 ~PAGE 139 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

How to design a lead compensator?

Example: Consider the same problem but repeat the design using lead compensator

15.01)(p

s

sG

Specifications:a) Zero steady‐state error for step inputb) 5% error for ramp inputc) Phase margin of 45

Gain‐adjustment stage is same as in the previous example.

)15.0(20)()( pu

ss

sGsKsL

First two specifications are met but phase margin is only 18. We now use a lead compensator to improve phase margin to  45.

EE3331CPART 2 ~PAGE 140EE3331CPART 2 ~PAGE 140 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Lead compensator can be used to increase phase lead

-130

Try a compensator with m = cg that gives m = 27.

m

PMu = 18

rad/s2.6cg

m

27PMPM uspecreq,app

EE3331CPART 2 ~PAGE 141EE3331CPART 2 ~PAGE 141 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

How m and m of compensator (lead or lag) are related to the compensator parameters T and ?

11)(

11)(

Tj

TjjCTs

TssC

TT 11 tantan

One way to find m is to express  as function of  and solve              , where0

dd

Tz1 Tz

1Tp 1

Tp 1

Alternatively,

)log(21

2loglog

log pzpz

m

pzm

T1

m

TT 1,1

pz

EE3331CPART 2 ~PAGE 142EE3331CPART 2 ~PAGE 142 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Find the relation between m and compensator parameters

11)(

11)(

Tj

TjjCTs

TssC

TT 11 tantan

TT m1

m1

m tantan

11m tan1tan

11

1

tan m

21tan m

BABABA

BABABA

tantan1tantan)tan(

tantan1tantan)tan(

)1(

m

)1(

2

11sin m

11

mm TT

EE3331CPART 2 ~PAGE 143EE3331CPART 2 ~PAGE 143 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Let’s choose a compensator that gives m = 27 at m = 6.2 rad/s

11sin m

T1

m

1127sin

1145.0 4.0

4.012.6

T

25.0T

11.0125.0)(

sssC

)15.0(20)(u

ss

sL

)11.0)(15.0()125.0(20)(

sssssL

Lead Compensator

Uncompensated open loop

Compensated open loop

EE3331CPART 2 ~PAGE 144EE3331CPART 2 ~PAGE 144 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

System: sysFrequency (rad/sec): 6.22Magnitude (dB): 3.91

Mag

nitu

de (

dB)

10-1 100 101 102 1030

5

10

15

20

25

30 System: sysFrequency (rad/sec): 6.22Phase (deg): 25.4

Pha

se (d

eg)

11.0125.0)(

sssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 145EE3331CPART 2 ~PAGE 145 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

-100

-50

0

50

System: sysFrequency (rad/sec): 8.32Magnitude (dB): 0.037

Mag

nitu

de (

dB)

10-1 100 101 102 103-180

-150

-120

-90

System: sysFrequency (rad/sec): 8.32Phase (deg): -142

Pha

se (d

eg)

The new gain cross‐over  frequency is about 

cg,new = 8.3 rad/s

PM = 38

EE3331CPART 2 ~PAGE 146EE3331CPART 2 ~PAGE 146 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

rad/s2.6cg

We get the desired phase at the original cg. However, the gain‐crossover is shifted to higher frequency as the lead compensator adds positive dB gain.

newcg,

Do we know this?

Phase of Luat cg,new is slightly more negative than phase at cg.

)( jL

EE3331CPART 2 ~PAGE 147EE3331CPART 2 ~PAGE 147 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

30)1845(1.1

)PMPM(1.1 uspecreq

req,app

req,appreq,appreq

1.11.0

Rule of Thumb:

We need a compensator that would add maximum phase

30m

11sin m 3.0

1)()( mum jLjC

Then we choose m in a way so that the compensated gain becomes 1 at the frequency where compensator phase is maximum.

Do we know any of these two terms?

EE3331CPART 2 ~PAGE 148EE3331CPART 2 ~PAGE 148 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

11)(

11)(

m

mm

Tj

TjjCTj

TjjC

What is |C(jm)| of a compensator?

11

mm TT

11)(

2m

jC

jj

jj

jC

11

)(1

1

m

As we have already chosen , we know what |C(jm)| is.

3.011)( m

jC

3.0)(

1)(m

mu

jC

jL1)()( mum jLjC

As the uncompensated transfer function Lu is known, we can find the frequency at which this condition is met.

EE3331CPART 2 ~PAGE 149EE3331CPART 2 ~PAGE 149 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

rad/s4.871m

13333.0

20)125.0(2

2m

2m

75or712m

1065.01217.0)(

sssC

)15.0(20)(u

ss

sL)1065.0)(15.0(

)1217.0(20)(

sssssL

125.020)(

)15.0(20)(

2uu

jLjj

jL

Find m by solving 3.0)( mu jL

3.0125.0

202mm

53324 2m

4m

By solving this equation:

217.03.04.8

11m

T

T

EE3331CPART 2 ~PAGE 150EE3331CPART 2 ~PAGE 150 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

1065.01217.0)(

sssC

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

0

2

4

6

8

10

12

System: sysFrequency (rad/s): 8.39Magnitude (dB): 5.22

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

System: sysFrequency (rad/s): 8.4Phase (deg): 32.6

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 151EE3331CPART 2 ~PAGE 151 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The new gain cross‐over  frequency is 

about 

cg,new = 8.4 rad/s

PM = 46

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-100

-50

0

50

System: sysFrequency (rad/s): 8.41Magnitude (dB): 0.0367

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 8.4Phase (deg): -134

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 152EE3331CPART 2 ~PAGE 152 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Procedure to design a lead compensator…

i. Find the phase margin of the uncompensated system and compare it to the 

design specs to obtain the necessary phase needed (say, req) to be added 

to the loop. To be safe, we usually choose m > req to start with the design. 

ii. From                         , we find .

iii. We look for a frequency (m) that has an uncompensated gain of       .

iv. Computer                    .

v. The required lead compensator is given as                          .

vi. Verify your result. Repeat the above steps if necessary.

11sin m

m

1T

11)(

Ts

TssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 153EE3331CPART 2 ~PAGE 153 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Step Response of the Closed Loop

)15.0(20)(u

ss

sL

205.020)( 2CL

ss

sG

15416)(lag

sssC

201215.5427)16(20)( 23CL

sssssG

106.012.0)(lead

sssC

6654.1667.18)5(133)( 23CL

sssssG

Without compensator

With lag compensator

With lead compensator

Without compensator

Which one is with lead compensator?

Which one is with lag compensator?

EE3331CPART 2 ~PAGE 154EE3331CPART 2 ~PAGE 154 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Example A.1: For the system given below

C(s)er

+

yu (t) G(s)

)1000)(2()(

sssKsG

1) Design a lead compensator C(s) and find K such that

PM  45ess (ramp)  0.02

2) Obtain the step response of the uncompensated and compensated systems.

EE3331CPART 2 ~PAGE 155EE3331CPART 2 ~PAGE 155 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Solution: (1) Since the compensator we studied in this module has a unity DC gain, i.e.,

The velocity error constant is then given by 

000,10002.01

2000)1000)(2(lim)(lim)()(lim

000v

KKssKsCsGsCsk

sss

11

1lim)(lim00

Ts

TssCss

i. Find the phase margin of the uncompensated system and compare it to the 

design specs to obtain the necessary phase needed (say, req) to be added 

to the loop. To be safe, we usually choose m > req to start with the design. 

From the Bode plot of the uncompensated open loop transfer function given on the next page, we have

PM = 180 – 169 = 11 (at frequency around 10 rad/s)

EE3331CPART 2 ~PAGE 156EE3331CPART 2 ~PAGE 156 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

To be safe, we choose to add an additional phase of

req = (45–11)+5 = 39

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

System: sysFrequency (rad/s): 9.9Magnitude (dB): -0.00191

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

104

105

-270

-225

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 9.97Phase (deg): -169

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 157EE3331CPART 2 ~PAGE 157 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

ii. From                         , we find .

11sin m

227.063.039sin11

iii. We look for a frequency (m) that has an uncompensated gain of       .

rad/s 6.14dB 44.6227.0 m

iv. Computer                    

iv. The required lead compensator is given as 

iv. Verify your result. Repeat the above steps if necessary.

m

1T

144.0227.06.14

11

m

T

1033.01144.0

1144.0227.01144.0

11)(

ss

ss

TsTssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 158EE3331CPART 2 ~PAGE 158 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

0

5

10

15

System: sysFrequency (rad/s): 14.6Magnitude (dB): 6.45

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

0

10

20

30

40

System: sysFrequency (rad/s): 14.6Phase (deg): 38.8

Phas

e (d

eg)

1033.01144.0)(

sssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 159EE3331CPART 2 ~PAGE 159 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The new gain cross‐over  frequency is 

about 

cg,new = 14.3 rad/s

PM = 46

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

System: sysFrequency (rad/s): 9.9Magnitude (dB): -0.00191

System: sysFrequency (rad/s): 14.2Magnitude (dB): 0.125

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

104

105

-270

-225

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 9.97Phase (deg): -169

System: sysFrequency (rad/s): 14.2Phase (deg): -134

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 160EE3331CPART 2 ~PAGE 160 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

(2) Obtain the step response of the uncompensated and compensated systems. 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

Blue:  UncompensatedGreen:  Compensated

Exercise A.1: Solve the problem in Example A.1 using a lag compensator. 

EE3331CPART 2 ~PAGE 161EE3331CPART 2 ~PAGE 161 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Example A.2: For the system given below

C(s)er

+

yu (t) G(s)

)5)(4()(

sssKsG

1) Design a lag compensator C(s) and find K such that

PM  45Kv 5

2) Obtain the step response of the uncompensated and compensated systems.

EE3331CPART 2 ~PAGE 162EE3331CPART 2 ~PAGE 162 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Solution: (1) The velocity error constant is then given by 

100520)5)(4(

lim)(lim)()(lim000v

KK

ssKsCsGsCsk

sss

To be safe, we choose 

m = 45 + 5 = 50

i. Find the phase margin of the uncompensated system and compare it to the 

design specs on phase margin (say, req). To be safe, we usually choose a 

value m > req to start with the design. 

ii. Find the frequency x such that the uncompensated loop at which has a 

phase response of –180 + m.

x = 1.63 rad/s

EE3331CPART 2 ~PAGE 163EE3331CPART 2 ~PAGE 163 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Looking for a frequency that gives us the required m.

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

System: sysFrequency (rad/s): 1.63Magnitude (dB): 8.59

Mag

nitu

de (d

B)

10-1

100

101

102

103

-270

-225

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 1.63Phase (deg): -130

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 164EE3331CPART 2 ~PAGE 164 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

iii. Find the corresponding gain value (say, Gx) of the uncompensated loop at x.

Gx = 8.59 dB                      Gx = 2.7 

iv. Compute = Gx and               .            

= 2.7   and   T = 6.135

v. The required lag compensator is given as                      

vi. Verify your result. Repeat the above steps if necessary.

xω10

T

156.161135.6

1135.67.21135.6

11)(

ss

ss

TsTssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 165EE3331CPART 2 ~PAGE 165 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

System: sysFrequency (rad/s): 1.62Magnitude (dB): -8.59

Mag

nitu

de (d

B)

10-3

10-2

10-1

100

101

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

System: sysFrequency (rad/s): 1.62Phase (deg): -3.62

Phas

e (d

eg)

156.161135.6)(

sssC

EE3331CPART 2 ~PAGE 166EE3331CPART 2 ~PAGE 166 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

The new gain cross‐over  frequency is 

about 

cg,new = 1.64 rad/s

PM = 46

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

-150

-100

-50

0

50

100

System: sysFrequency (rad/s): 1.63Magnitude (dB): 0.0389

Mag

nitu

de (d

B)

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

-270

-225

-180

-135

-90

System: sysFrequency (rad/s): 1.63Phase (deg): -134

Phas

e (d

eg)

EE3331CPART 2 ~PAGE 167EE3331CPART 2 ~PAGE 167 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

(2) Obtain the step response of the uncompensated and compensated systems. 

0 2 4 6 8 10 120

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

Blue:  UncompensatedGreen:  Compensated

Exercise A.2: Solve the problem in Example A.2 using a lead compensator. 

EE3331CPART 2 ~PAGE 168EE3331CPART 2 ~PAGE 168 BEN M.CHEN,NUSECEBEN M.CHEN,NUSECE

That’sall,folks!

ThankYou!

That’sall,folks!

ThankYou! BugsBunny1940–