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Control System Engineering

by Jntu HeroesJntu Heroes
Type: NoteInstitute: Jawaharlal nehru technological university anantapur college of engineering Offline Downloads: 330Views: 3561Uploaded: 11 months ago

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Control System Design
Department of Automatic Control Lund Institute of Technology Box 118 SE-221 00 LUND Sweden c 2002 by Karl Johan Åström. All rights reserved. &
Contents 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . 1.2 A Brief History . . . . . . . . . . 1.3 Process Control . . . . . . . . . . 1.4 Manufacturing . . . . . . . . . . 1.5 Robotics . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Power . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Aeronautics . . . . . . . . . . . . 1.8 Electronics and Communication 1.9 Automotive . . . . . . . . . . . . 1.10 Computing . . . . . . . . . . . . . 1.11 Mathematics . . . . . . . . . . . 1.12 Physics . . . . . . . . . . . . . . . 1.13 Biology . . . . . . . . . . . . . . . 1.14 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 9 14 17 19 21 25 28 34 36 39 40 42 44 2. Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Simple Forms of Feedback . . . . . . 2.3 Representation of Feedback Systems 2.4 Properties of Feedback . . . . . . . . 2.5 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Open and Closed Loop Systems . . . 2.7 Feedforward . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 45 46 49 58 64 66 68 69 3. Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . 3.2 Two Views on Dynamics . . . . . 3.3 Ordinary Differential Equations 3.4 Laplace Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 71 72 77 82 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Contents 3.5 3.6 3.7 3.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 117 125 143 4. Simple Control Systems . . . . . . . . . 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Cruise Control . . . . . . . . . . . . 4.3 Bicycle Dynamics . . . . . . . . . . . 4.4 Control of First Order Systems . . . 4.5 Control of Second Order Systems . 4.6 Control of Systems of High Order* 4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 144 145 149 154 162 168 176 5. Feedback Fundamentals . . . . . . . . 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . 5.2 The Basic Feedback Loop . . . . . 5.3 The Gang of Six . . . . . . . . . . 5.4 Disturbance Attenuation . . . . . 5.5 Process Variations . . . . . . . . . 5.6 When are Two Processes Similar? 5.7 The Sensitivity Functions . . . . . 5.8 Reference Signals . . . . . . . . . 5.9 Fundamental Limitations . . . . . 5.10 Electronic Amplifiers . . . . . . . . 5.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 177 178 181 188 191 197 200 203 207 211 214 6. PID Control . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . 6.2 The Algorithm . . . . . . . . . . . 6.3 Filtering and Set Point Weighting 6.4 Different Parameterizations . . . 6.5 Windup . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Computer Implementation . . . . 6.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 216 217 219 222 226 232 237 250 7. Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Stability and Robustness to Process Variations 7.3 Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Specifications Based on Optimization . . . . . . 7.6 Properties of Simple Systems . . . . . . . . . . . 7.7 Poles and Zeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 Relations Between Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 252 252 256 259 262 263 267 268 4 Frequency Response . State Models . . . . . Linear Time-Invariant Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systems . . . . . . . . . .

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