XVI Contents
7 The Control Problem and Design of Simple Controllers . . . . 253
7.1 Closed-Loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.1.1 Feedback Control Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.2 Steady-State Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3 Control PerformanceIndices ..............................257
7.3.1 Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.3.2 Integral Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3.3 Control Quality and Frequency Indices . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.3.4 Poles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.4 PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.4.1 Description of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.4.2 PID Controller Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.4.3 Setpoint Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.4.4 Simple Rules for Controller Selection . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.4.5 Practical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.4.6 Controller Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.6 Exercises ...............................................294
8 Optimal Process Control ..................................297
8.1 Problem of Optimal Control and Principle of Minimum . . . . . . 297
8.2 Feedback Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.3 Optimal Tracking, Servo Problem, and Disturbance Rejection . 317
8.3.1 Tracking Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.3.2 Servo Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.3.3 LQ Control with Integral Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
8.4 Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.4.1 Continuous-Time Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.4.2 Dynamic Programming for Discrete-Time Systems . . . . . 329
8.4.3 Optimal Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.5 Observers and State Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.5.1 State Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.5.2 Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
8.6 Analysis of State Feedback with Observer and Polynomial
PolePlacement .........................................340
8.6.1 Properties of State Feedback with Observer . . . . . . . . . . . 340
8.6.2 Input-Output Interpretation of State Feedback
with Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
8.6.3 Diophantine Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.6.4 Polynomial Pole Placement Control Design . . . . . . . . . . . 354
8.6.5 Integrating Behaviour of Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.6.6 Polynomial Pole Placement Design for Multivariable
Systems..........................................361
8.7 The Youla-Kuˇcera Parametrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
8.7.1 Fractional Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366