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7/29/2019 matlab control tools

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F r o m P r o c . I E E E C o n f e r e n c e o n C o n t r o l A p p l i c a t i o n s , H a r t f o r d , C o n n e c t i c u t , O c t o b e r 1 9 9 7

c

I E E E

M A T L A B T o o l s f o r L i n e a r a n d N o n l i n e a r S y s t e m

S t a b i l i t y T h e o r e m I m p l e m e n t a t i o n

J a m e s H . T a y l o r & C h e n e y C h a n

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g

U n i v e r s i t y o f N e w B r u n s w i c k

P O B o x 4 4 0 0 , F r e d e r i c t o n , N B C A N A D A E 3 B 5 A 3

e m a i l : j t a y l o r @ u n b c a

A b s t r a c t

T h r e e m a t l a b - b a s e d t o o l s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r t h e

c o n v e n i e n t a s s e s s m e n t o f s t a b i l i t y c o n d i t i o n s f o r l i n e a r

a n d n o n l i n e a r s y s t e m s . T h e r s t i s a m o r e h e l p f u l a n d

d e n i t i v e v e r s i o n o f n y q u i s t , w h i c h h a s f e a t u r e s o f a u -

t o m a t i c z o o m i n g ( t o s h o w a l l c r o s s i n g s o f t h e r e a l a x i s

a n d t h u s d i s p l a y t h e c o r r e s p o n d i n g c r i t i c a l g a i n p o i n t s )

a n d w h i c h d i s p l a y s o n t h e r e a l a x i s a n u m e r a l ( ` 0 ' , ` 1 '

e t c . ) t h a t r e p r e s e n t s t h e n u m b e r o f u n s t a b l e ( r i g h t - h a l f

p l a n e ) p o l e s t h a t w i l l o c c u r i n a c l o s e d - l o o p s y s t e m w i t h

f e e d b a c k g a i n k i f t h e p o i n t ? 1 = k i s l o c a t e d i n t h a t r e -

g i o n . T h e s e c o n d t o o l i s b u i l t o n t h i s e x t e n d e d n y q u i s t

c o m m a n d , a n d m a k e s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e n o n l i n e a r

t i m e - v a r y i n g s y s t e m C i r c l e C r i t e r i o n e q u a l l y s i m p l e a n d

d e n i t i v e . F i n a l l y , a P o p o v C r i t e r i o n t o o l i s i n c l u d e d

t o a c h i e v e b e t t e r s e c t o r b o u n d s f o r t h e n o n l i n e a r t i m e -

i n v a r i a n t c a s e . E x a m p l e s a r e p r e s e n t e d t o s h o w t h e

e c a c y o f t h e s e e x t e n s i o n s w i t h i n t h e m a t l a b e n v i r o n -

m e n t .

1 I n t r o d u c t i o n

E x i s t i n g m a t l a b c o m m a n d s f o r t h e s t a b i l i t y a n a l y s i s

o f l i n e a r s y s t e m s a r e n o t e a s y t o i n t e r p r e t b y t h e l e s s -

t h a n - e x p e r t u s e r , a n d t o o l s f o r a s s e s s i n g t h e s t a b i l i t y

o f n o n l i n e a r s y s t e m s a r e n o n e x i s t e n t i n m a t l a b I n

t h e l i n e a r c a s e , i n t e r p r e t i n g t h e u s u a l m a t l a b N y q u i s t

p l o t i s n o t h a r d i f t h e p l a n t i s s t a b l e a n d t h e W ( j ! )

l o c u s i s n o t c o m p l i c a t e d , b u t i t m a y b e c o n f u s i n g , e s -

p e c i a l l y i f t h e r e a r e m u l t i p l e r e a l - a x i s c r o s s i n g s a n d / o r

o p e n - l o o p p o l e s o n t h e i m a g i n a r y a x i s o r i n t h e r i g h t -

h a l f p l a n e ( r h p ) . I n t h e n o n l i n e a r c a s e , n o n e o f t h e

c l a s s i c a l a b s o l u t e s t a b i l i t y c r i t e r i a a r e i m p l e m e n t e d i n

m a t l a b , a n d w e h a v e a d d r e s s e d t h a t l a c k b y c r e a t i n g

c o m p a r a b l y u s e r - f r i e n d l y t o o l s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f t h e

C i r c l e C r i t e r i o n f o r t h e t i m e - v a r y i n g c a s e a n d t h e P o p o v

C r i t e r i o n f o r t i m e - i n v a r i a n t n o n l i n e a r s y s t e m s 1 , 2 , 3 ] .

2 S t a b i l i t y C r i t e r i a

I n t h i s s e c t i o n w e s t a t e t h e l i n e a r a n d n o n l i n e a r s t a -

b i l i t y c r i t e r i a , e m p h a s i z i n g t h e i r c l a s s i c a l g e o m e t r i c i n -

t e r p r e t a t i o n s . A s a p r e l i m i n a r y , t h e c l a s s o f s y s t e m s

c o n s i d e r e d i s d e p i c t e d i n F i g . 1 , w h e r e i t i s a s s u m e d

t h a t t h e f o r w a r d - p a t h t r a n s f e r f u n c t i o n i s e x p r e s s e d i n

s t a t e - s p a c e f o r m a s :

W ( s ) = C ( s I ? A )

1

B + D ( 1 )

o r i n L a p l a c e n o t a t i o n a s a r a t i o o f p o l y n o m i a l s , w i t h

t h e o r d e r o f t h e n u m e r a t o r n o t e x c e e d i n g t h a t o f t h e

d e n o m i n a t o r :

W ( s ) =

b

m

s

m

+ + b

1

s + b

0

s

n

+ a

n 1

s

n 1

+ : : : a

1

s + a

0

m n ( 2 )

k o r f ( )

o r

f ( t )

W ( s )

- -

6

-

+

{

F i g u r e 1 : C l o s e d - l o o p L i n e a r / N o n l i n e a r S y s t e m

T h e N y q u i s t c r i t e r i o n s t a t e s t h a t t h e c l o s e d - l o o p s y s t e m

i n F i g . 1 w i t h k i n t h e f e e d b a c k p a t h w i l l b e s t a b l e i f

t h e p o i n t ? 1 = k i s n o t i n t h e W ( s ) - m a p o f t h e r i g h t -

h a l f o f t h e s - p l a n e ( r h p ) . I n t h e c a s e o f a s t a b l e p l a n t

W ( s ) , t h i s m a p i s s i m p l y t h a t r e g i o n t o t h e r i g h t a s o n e

t r a v e r s e s t h e N y q u i s t p l o t o f W ( j ! ) . I n t h e c a s e o f a

p l a n t w i t h q p o l e s i n t h e r i g h t - h a l f p l a n e , t h i s m a p m u s t

t a k e i n t o c o n s i d e r a t i o n q m a p l a y e r s d u e t o e x c l u d i n g


2/6

t h e s e s i n g u l a r i t i e s b y t r a v e r s i n g a s m a l l c i r c l e a r o u n d

e a c h i n t h e c o u n t e r - c l o c k w i s e s e n s e , w h i c h r e s u l t s i n a

l a r g e c i r c l e t r a v e r s e d i n t h e c l o c k w i s e s e n s e f o r e a c h . A s

a n e x a m p l e , c o n s i d e r t h e u n s t a b l e p l a n t :

W ( s ) =

s + 2

s

2

? 4 s ? 5

( 3 )

T h e n t h e s - p l a n e r e g i o n b e i n g m a p p e d i s d e p i c t e d i n

F i g . 2 a n d t h e r e s u l t i n g c o m p l e t e N y q u i s t d i a g r a m i s

0 5 10 15 20

20

15

10

5

0

5

10

15

20

Infinite

semicircle

Circle excluding

unstable pole

F i g u r e 2 : s - p l a n e r e g i o n m a p p e d f o r N y q u i s t c r i t e r i o n

p o r t r a y e d i n F i g . 3 . O b s e r v e t h a t t h e o n l y r a n g e o f k

l e a d i n g t o s t a b i l i t y i s 4 < k


3/6

3 D e s c r i p t i o n o f m a t l a b S t a b i l -

i t y R o u t i n e s

G i v e n t h e a b o v e p r o b l e m d e n i t i o n , t h e f o l l o w i n g e x -

c e r p t s f r o m t h e \ h e l p " d i s p l a y s c o n s t i t u t e a c o n c i s e

\ u s e r s ' m a n u a l " f o r t h e r o u t i n e s n e w n y q c i r c l e a n d

p o p o v

N E W N Y Q ( A , B , C , D ) p r o d u c e s a N y q u i s t p l o t . T h e f r e -

q u e n c y r a n g e , n u m b e r o f p o i n t s a n d s c a l i n g a r e s e t a u -

t o m a t i c a l l y , a n d a \ z o o m " f e a t u r e d i s p l a y s a l l r e a l - a x i s

c r o s s i n g s . I n a d d i t i o n , t h e k r a n g e ( s ) f o r c l o s e d - l o o p s t a -

b i l i t y a r e r e p o r t e d , a n d t h e n u m b e r o f u n s t a b l e c l o s e d -

l o o p p o l e s f o r - 1 / k o n v a r i o u s r e g i o n s o f t h e r e a l a x i s

a r e d i s p l a y e d .

N E W N Y Q ( A , B , C , D , 1 ) w i l l c a u s e t h e r i g h t - h a l f p l a n e

m a p p i n g o f W ( s ) = C ( s I ? A ) B + D t o b e i n d i c a t e d b y

h a t c h i n g .

N E W N Y Q ( N U M , D E N ) a n d N E W N Y Q ( N U M , D E N , 1 ) a r e c o r r e -

s p o n d i n g v a r i a n t s f o r W ( s ) p r o v i d e d i n r a t i o o f p o l y n o -

m i a l f o r m .

C I R C L E ( A , B , C , D , F m i n , F m a x ) w i l l c h e c k i f t h e C C

i s s a t i s e d f o r t h e s e c t o r - b o u n d e d n o n l i n e a r i t y a n d

W ( s ) = C ( s I ? A ) B + D

C I R C L E ( A , B , C , D , F m i n ) w i l l d e t e r m i n e t h e m a x i m u m

v a l u e o f F m a x ( F ) f o r w h i c h t h e C C i s s a t i s e d .

C I R C L E ( A , B , C , D , N a N , F m a x ) w i l l d e t e r m i n e t h e m i n i -

m u m v a l u e o f F m i n ( F ) f o r w h i c h t h e C C i s s a t i s e d .

C I R C L E ( N U M , D E N , F m i n , F m a x ) e t c e t e r a a r e c o r r e s p o n d -

i n g f o r m s f o r W ( s ) p r o v i d e d i n r a t i o o f p o l y n o m i a l f o r m .

F m i n , F m a x ] = C I R C L E ( A , B , C , D , F m i n ) e t c e t e r a w i l l r e -

t u r n t h e s e c t o r b o u n d s f o r w h i c h t h e C C i s s a t i s e d

( e v e n i f , f o r e x a m p l e , F m i n , F m a x a r e s u p p l i e d f o r w h i c h

t h e C C i s N O T O K ) .

T h e c o m m a n d s u m m a r i e s f o r p o p o v a r e i d e n t i c a l t o

t h o s e f o r c i r c l e

4 A l g o r i t h m O v e r v i e w

T h e C i r c l e C r i t e r i o n i s i m p l e m e n t e d a s f o l l o w s : F i r s t ,

t h e n i t e - s e c t o r t r a n s f o r m ( E q n . 6 ) i s a p p l i e d t o r e d u c e

t h e c r i t e r i o n f o r u a s i l t o r e q u i r i n g t h a t t h e N y q u i s t l o -

c u s o f

f

W ( j ! ) m u s t l i e t o t h e r i g h t o f a v e r t i c a l l i n e

p a s s i n g t h r o u g h

e

U = ? 1 = ( F ? F ) . ( W i t h a z e r o

l o w e r s e c t o r b o u n d , t h e c i r c l e d e g e n e r a t e s i n t o a v e r -

t i c a l l i n e . ) T h e n w e a n a l y t i c a l l y s o l v e t h e p o l y n o m i a l

e q u a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o d

e

U ( j ! ) = d ! = 0 u s i n g t h e

r o o t c o m m a n d , a n d t h u s l o c a t e a l l l o c a l m i n i m a a n d

m a x i m a o f

e

U ( j ! )

4

= R e

f

W ( j ! ) . T h e s e a r e i n s p e c t e d

t o d e t e r m i n e t h e g l o b a l m i n i m u m , i . e . , t h e l e f t - m o s t

p o i n t o n t h e N y q u i s t l o c u s o f

f

W ( j ! ) . D e n o t i n g t h e

r e a l p a r t o f t h i s l e f t - m o s t p o i n t a s R

m i n

, t h e m a x i -

m u m u p p e r s e c t o r b o u n d p e r m i t t e d b y t h e C i r c l e C r i -

t e r i o n i s g i v e n b y F = F ? 1 = R

m i n

. T h i s m a x i m u m

u p p e r b o u n d i s r e p o r t e d t o t h e u s e r i f o n l y t h e l o w e r

b o u n d i s g i v e n ( c i r c l e ( n u m , d e n , F m i n ) ) , o r i t i s u s e d

t o t e s t t h e u s e r ' s u p p e r b o u n d i f i t i s a l s o p r o v i d e d

( c i r c l e ( n u m , d e n , F m i n , F m a x ) )

T h e a l g o r i t h m f o r t h e P o p o v C r i t e r i o n i s a l s o b a s e d o n

t h e a n a l y s i s o f

f

W ( j ! ) . I t i s m o r e c o m p l i c a t e d , s i n c e

t h e P o p o v l i n e m a y h a v e a n a r b i t r a r y o r i e n t a t i o n ( a n -

g l e w i t h r e s p e c t t o t h e r e a l a x i s ) . I n e s s e n c e , w e d e -

n e a n a u x i l i a r y f u n c t i o n F ( ) t o b e t h e d i e r e n c e b e -

t w e e n t h e t w o l e f t - m o s t p o i n t s o f t h e P o p o v l o c u s r o -

t a t e d b y t h e a n g l e a n d u s e t h e m a t l a b f u n c t i o n -

s o l v e r f z e r o t o n d

s u c h t h a t t h i s d i e r e n c e i s z e r o

{ t h i s i s t h e s l o p e o f t h e P o p o v l i n e . O n c e t h e s l o p e

i s k n o w n , t h e p o i n t w h e r e t h e P o p o v l i n e c r o s s e s t h e

r e a l a x i s i s r e a d i l y d e t e r m i n e d ; d e n o t i n g t h i s p o i n t a s

R

m i n

, t h e m a x i m u m u p p e r s e c t o r b o u n d p e r m i t t e d b y

t h e P o p o v C r i t e r i o n i s a g a i n g i v e n b y F = F ? 1 = R

m i n

T h i s u p p e r b o u n d i s r e p o r t e d t o t h e u s e r i f o n l y t h e

l o w e r b o u n d i s g i v e n ( p o p o v ( n u m , d e n , F m i n ) ) , o r i t i s

u s e d t o t e s t t h e u s e r ' s u p p e r b o u n d i f i t i s a l s o p r o v i d e d

( p o p o v ( n u m , d e n , F m i n , F m a x ) )

5 E x a m p l e s

F i r s t w e i l l u s t r a t e t h e u s e o f n e w n y q a n d c i r c l e o n a

r e l a t i v e l y s i m p l e s t a b l e p l a n t :

W ( s ) =

s + 1

s

4

+ 2 s

3

+ 2 5 s

2

+ 3 s + 1

( 7 )

N o t e t h a t t h e u p p e r p l o t i s s i m i l a r t o t h a t p r o d u c e d b y

t h e m a t l a b n y q u i s t c o m m a n d e x c e p t f o r t h e n u m e r a l s

o n t h e r e a l a x i s i n d i c a t i n g t h e c o r r e s p o n d i n g n u m b e r

o f u n s t a b l e c l o s e d - l o o p p o l e s . T h e l o w e r p l o t i n F i g . 4

i l l u s t r a t e s t h e f e a t u r e o f a u t o m a t i c z o o m i n g ( t o s h o w a l l

c r o s s i n g s o f t h e r e a l a x i s ) ; t h e o n l y m a n u a l o p e r a t i o n s

i n p r o d u c i n g t h i s g u r e w e r e t h e t e x t c o m m a n d s t o

d o c u m e n t t h e p r o b l e m ( r e c o r d n u m a n d d e n a n d t h e

s t a b l e k r a n g e ) . T h e r e p o r t t h a t n e w n y q p r o v i d e s a f t e r

i t i s i n v o k e d f o r t h i s p r o b l e m i s :

> > n e w n y q ( n u m , d e n )

s t a b l e k r a n g e

- 1 < k < 4 3 . 1 7


4/6

0.5 0 0.5 1 1.52

1

0

1

2

Real Axis

ImagAxis

Nyquist Study of a Stable Plant

0 2 1 0

num = [ 1 1 ]

den = [ 1 2 25 3 1 ]

0.04 0.03 0.02 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

0.015

0.01

0.005

0

0.005

0.01

0.015

Real Axis

ImagAxis

0 2 1

stable k range:

1 < k < 43.17

F i g u r e 4 : N y q u i s t C r i t e r i o n E x a m p l e ( S t a b l e P l a n t ,

w i t h Z o o m i n g )

F i n a l l y , t h e n u m e r a l s 0 , 1 , 2 w r i t t e n o n t h e r e a l a x i s r e p -

r e s e n t t h e n u m b e r o f r i g h t - h a l f - p l a n e c l o s e d - l o o p p o l e s

t h a t w o u l d r e s u l t i f ? 1 = k w e r e t o l i e i n e a c h r e g i o n .

O n c e t h e N y q u i s t p l o t h a s b e e n v i e w e d , o n e m a y r e q u e s t

t h a t t h e c c b e a p p l i e d t o t h e s a m e W ( j ! ) a n d a l o w e r

s e c t o r b o u n d o f F

m i n

= 2 . 5 . T h e c c l o c u s i s s h o w n o n

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.40.2

0.15

0.1

0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Real Axis

ImagAxis

Circle Criterion Study of a Stable Plant

num = [ 1 1 ]

den = [ 1 2 25 3 1 ]

F_min = 2.5

> F_max = 11.59

F i g u r e 5 : C i r c l e C r i t e r i o n E x a m p l e ( S t a b l e P l a n t )

t h e N y q u i s t p l o t ( F i g . 5 ) , a n d t h e r e p o r t t h a t c i r c l e

p r o v i d e s a f t e r i t i s i n v o k e d f o r t h i s p r o b l e m i s :

> > c i r c l e ( n u m , d e n , 2 . 5 )


- 1 < k < 4 3 . 1 7

c i r c l e c r i t e r i o n i s s a t i s f i e d

m a x i m u m s e c t o r b o u n d F _ m a x = 1 1 . 5 9

( n o t e t h a t i t i n c l u d e s t h e n e w n y q r e p o r t , a s s h o w n

a b o v e ) . A g a i n { t h e o n l y m a n u a l s t e p s i n p r e p a r i n g

F i g . 5 w e r e t h e d o c u m e n t a t i o n n u m = d e n = F m i n

= e t c . d e n i n g t h e p r o b l e m a n d t h e r e s u l t . T h e i n t e r -

p r e t a t i o n o f t h i s r e s u l t i s t h a t f ( t ) i n F i g . 1 m u s t l i e

i n t h e s e c t o r 2 5 1 1 5 9 ] , i . e . ,

2 5

f ( t )

1 1 5 9 ( 8 )

i n o r d e r t o g u a r a n t e e a b s o l u t e s t a b i l i t y .

W e c o n c l u d e t h i s e x a m p l e b y i l l u s t r a t i n g t h e o b s e r v a -

t i o n i n S e c t i o n 2 t h a t t h e \ i n t e r i o r " o f t h e C C c i r c l e

m a y i n c l u d e t h e p o i n t 1 b y t a k i n g F

m i n

= ? 0 5 f o r t h e

a b o v e p l a n t . T h e r e s u l t i s s h o w n i n t h e f o l l o w i n g r e p o r t

a n d F i g . 6 :

> > c i r c l e ( n u m , d e n , - 0 . 5 )


- 1 < k < 4 3 . 1 7


m a x i m u m s e c t o r b o u n d F _ m a x = 0 . 6 8 9 7

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.52

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

Real Axis

ImagAxis

Second CC Study of a Stable Plant Negative F_min

num = [ 1 1 ]

den = [ 1 2 25 3 1 ]

F_min = 0.5

> F_max = 0.6897

F i g u r e 6 : C i r c l e C r i t e r i o n R e s u l t f o r N e g a t i v e F m i n

N e x t , w e p r o v i d e t h e m a t l a b p l o t s o b t a i n e d a p p l y i n g

n e w n y q a n d c i r c l e t o t h e u n s t a b l e p l a n t i n E q n . 3 .

T h e r e s u l t i n g \ n e w N y q u i s t " p l o t i s d e p i c t e d i n F i g .

7 ; n o t e t h a t i t i s s i m i l a r t o F i g . 3 e x c e p t t h a t t h e

\ l a r g e ( i n n i t e ) c i r c l e " a r i s i n g f r o m t h e e x c l u s i o n o f t h e

r i g h t - h a l f - p l a n e s i n g u l a r i t y i s n o t s h o w n ( t o a v o i d u n -

n e c e s s a r y c l u t t e r ) ; t h a t c i r c l e i s , h o w e v e r , t h e b a s i s f o r


5/6

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 00.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Real Axis

ImagAxis

Nyquist Study of an Unstable Plant

1 2 0 1

num = [ 1 2 ]

den = [ 1 4 5 ]

stable k range:

4 < k < Inf

F i g u r e 7 : N y q u i s t C r i t e r i o n E x a m p l e ( U n s t a b l e P l a n t )

t h e n u m e r a l 1 a t t h e f a r l e f t o n t h e r e a l a x i s ( m e a n -

i n g t h a t a n y k s u c h t h a t ? 1 = k F_max = 27.83

F i g u r e 8 : C i r c l e C r i t e r i o n E x a m p l e ( U n s t a b l e P l a n t )

T o i l l u s t r a t e t h e a p p l i c a t i o n o f t h e C i r c l e C r i t e r i o n t o o l

t o t h e s a m e u n s t a b l e p l a n t , w e s p e c i f y a l o w e r b o u n d o f

F = 5 , w h i c h i s i n t h e N y q u i s t r a n g e a s r e q u i r e d , a n d

t h e r e p o r t t h a t c i r c l e p r o v i d e s f o r t h i s p r o b l e m i s :

> > c i r c l e ( n u m , d e n , 5 )


4 < k < I n f


m a x i m u m s e c t o r b o u n d F _ m a x = 2 7 . 8 3

A g a i n , w e n o t e t h a t t h e c o r r e s p o n d i n g c i r c l e i n t h e

N y q u i s t p l a n e l i e s c o m p l e t e l y w i t h i n t h e \ n o m a p p i n g "

p o r t i o n o f t h e p l o t .

A n o t h e r f e a t u r e o f c i r c l e a l l o w s u s t o s p e c i f y t h e u p p e r

b o u n d ( F

m a x

) a n d o b t a i n t h e m i n i m u m c o r r e s p o n d i n g

l o w e r b o u n d t h a t g u a r a n t e e s u a s i l . T o d e m o n s t r a t e

t h i s w e i s s u e t h e c o m m a n d c i r c l e ( n u m , d e n , N a N , 1 0 0 )

f o r t h e a b o v e u n s t a b l e p l a n t . W e r e c e i v e t h e f o l l o w i n g

r e p o r t a n d p l o t :

> > c i r c l e ( n u m , d e n , N a N , 1 0 0 )


4 < k < I n f


m i n i m u m s e c t o r b o u n d F _ m i n = 5 . 3 9 2

0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.20.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Real Axis

ImagAxis

Second CC Study of an Unstable Plant F_min Sought

num = [ 1 2 ]

den = [ 1 4 5 ]

F_max = 100.0

> F_min = 5.392

F i g u r e 9 : C i r c l e C r i t e r i o n R e s u l t , U p p e r B o u n d G i v e n

F i n a l l y , w e a p p l y t h e P o p o v C r i t e r i o n t o o l t o t h e s a m e

s t a b l e p l a n t W ( s ) a s b e f o r e , r s t f o r t h e c a s e w h e n F =

0 , s o t h e P o p o v l o c u s i s r e n d e r e d f o r t h e s a m e W ( j ! ) a s

s h o w n i n F i g . 4 : T h e r e p o r t f o r t h i s c a s e i s a s f o l l o w s :


6/6

1 0.5 0 0.5 1 1.50.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.05

0.1

Re(W(j ))

Im(W

(j))

Popov Criterion Study of a Stable Plant, Fmin

= 0

num = [ 1 1 ]

den = [ 1 2 25 3 1 ]

Fmin

= 0

Fmax

= 8.4706

F i g u r e 1 0 : P o p o v C r i t e r i o n E x a m p l e ( S t a b l e P l a n t , F

= 0 )

> > p o p o v ( n u m , d e n , 0 )

p o p o v c r i t e r i o n i s s a t i s f i e d

m i n i m u m s e c t o r b o u n d F _ m i n = 0 - >

m a x i m u m s e c t o r b o u n d F _ m a x = 8 . 4 7 0 6

N o w , t h e s a m e t o o l i s a p p l i e d t o t h e c a s e F = 2 . 5 ,

w h i c h m a y b e c o m p a r e d d i r e c t l y w i t h t h e C C e x a m -

p l e d e p i c t e d i n F i g . 5 : T h e r e p o r t f o r t h i s c a s e i s a s

0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.05

0.1

0.15

Re(W(j ))

Im(W(j))

Popov Criterion Study of a Stable Plant, Fmin

= 2.5

num = [ 1 1 ]

den = [ 1 2 25 3 1 ]

Fmin

= 2.5

Fmax

= 25.0191

F i g u r e 1 1 : P o p o v C r i t e r i o n E x a m p l e ( S t a b l e P l a n t , F

= 2 . 5 )

f o l l o w s :

> > p o p o v ( n u m , d e n , 2 . 5 )

p o p o v c r i t e r i o n i s s a t i s f i e d

m i n i m u m s e c t o r b o u n d F _ m i n = 2 . 5 - >

m a x i m u m s e c t o r b o u n d F _ m a x = 2 5 . 0 1 9

T h e C C g a v e t h e s u b s t a n t i a l l y s m a l l e r u p p e r s e c t o r

b o u n d F m a x = 1 1 . 5 9 , w h i c h i s n o t s u r p r i s i n g c o n s i d -

e r i n g t h a t t h e C C g u a r a n t e e s u a s i l f o r n o n l i n e a r t i m e -

v a r y i n g s y s t e m s w h i l e t h e P o p o v C r i t e r i o n r e q u i r e s t h a t

f b e t i m e i n v a r i a n t . I n f a c t , t h e C C u p p e r s e c t o r b o u n d

m a y b e o b t a i n e d b y d r a w i n g a v e r t i c a l l i n e t h a t j u s t

t o u c h e s t h e P o p o v l o c u s i n F i g . 1 1 , s i n c e t h e l e f t - m o s t

e x t e n t o f t h e P o p o v a n d N y q u i s t l o c i a r e t h e s a m e s i n c e

t h e a b s c i s s a f o r b o t h p l o t s i s t h e s a m e ( U = R e W ( j ! ) ] ) .

6 C o n c l u s i o n

T h e s e t o o l s p r o v i d e a s i m p l e e n v i r o n m e n t f o r t h e d e t e r -

m i n a t i o n o f s t a b i l i t y c o n d i t i o n s f o r l i n e a r a n d n o n l i n e a r

p l a n t s . T h e c o n v e n i e n c e a n d a d d e d s u p p o r t t h e y s u p -

p l y c a n b e r e a d i l y a p p r e c i a t e d f r o m t h e e x a m p l e s p r e -

s e n t e d i n S e c t i o n 4 . W e h a v e i n s t a l l e d t h e s e r o u t i n e s o n

o u r w e b p a g e , u r l = h t t p : / / w w w . e e . u n b . c a / j t a y l o r / f o r

y o u r a c c e s s . A c o p y o f t h i s p a p e r i s a l s o a v a i l a b l e t h e r e ,

t o s e r v e a s a s m a l l \ U s e r ' s G u i d e " .

R e f e r e n c e s

1 ] N a r e n d r a , K . S . a n d G o l d w y n , R . M . \ A G e o m e t -

r i c a l C r i t e r i o n f o r t h e S t a b i l i t y o f C e r t a i n N o n l i n -

e a r N o n a u t o n o m o u s S y s t e m s " , i e e e T r a n s . C i r c u i t

T h e o r y , C T - 1 1 , N o . 3 , 1 9 6 4 .

2 ] P o p o v , V . M . , \ N o u v e a u x C r i t e r i u m s d e S t a b i l i t e

p o u r l e s S y s t e m e s A u t o m a t i q u e s N o n - L i n e a r i e s " ,

R e v u e d ' E l e c t r o t e c h n i q u e e t d ' E n e r g e t i q u e , A c a d .

d e l a P o p u l a i r e R o m a i n e , 5 , N o . 1 , 1 9 6 0 .

3 ] N a r e n d r a , K . S . a n d T a y l o r , J . H . , F r e q u e n c y

D o m a i n C r i t e r i a f o r A b s o l u t e S t a b i l i t y , A c a d e m i c

P r e s s I n c . , R e a d i n g , M A , 1 9 7 3 .

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