T E L K O M N I K T elec o m m un ica t io n,  Co m pu t ing ,   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.   18 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0 ,   p p .   3 1 6 4 ~3 1 7 2   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   ac cr ed ited   First Gr ad b y   Kem en r is tek d i k ti,  Dec r ee   No : 2 1 /E/KPT /2 0 1 8   DOI : 1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI K A. v 1 8 i6 . 1 6 2 5 6     3164       J o ur na ho m ep a g e h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   A nov el   two - po ly no mia l crit eria   for hig her - o rd er sy stems  sta bility bo unda ri es dete ction a nd  c o ntrol        N.   M ir - Na s iri 1 ,   M d .   H a zr a t   Ali 2   1 De p a rt m e n o M e c h a tr o n ics   E n g in e e rin g ,   S win b u r n e   Un iv e rsit y ,   M a lay sia   2 De p a rt m e n o M e c h a n ica a n d   Ae ro sp a c e   En g i n e e ri ng,   Na z a rb a y e v   Un i v e rsity ,   Ka z a k h sta n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   5 ,   2 0 2 0   R ev is ed   Ma y   2 0 ,   2 0 2 0   Acc ep ted   J u n   2 5 ,   2 0 2 0       Th e re   a re   m a n y   m e th o d fo r   id e n ti fy i n g   th e   sta b il it y   o c o m p lex   d y n a m ic   sy ste m s.  Ro u t h   a n d   Hu rwitz’s   c r it e ri o n   is  o n e   o f   th e   e a rli e st  a n d   c o m m o n ly   u se d   a n a l y ti c a t o o ls  a n a l y sin g   t h e   sta b il it y   o d y n a m ic  sy ste m s .   H o we v e r,   it   re q u ires   ted i o u s   a n d   len g th y   d e riv a ti o n o f   a ll   c o m p o n e n ts o t h e   Ro u t h   a r ra y   to   so l v e   t h e   sta b il i ty   p r o b lem .   T h e re fo re ,   it   is  n o t   a   sim p le   m e th o d   to   d e fin e   a n a ly ti c a ll y ,   sta b il i ty   b o u n d a ri e fo th e   c o e fficie n ts  o t h e   sy ste m   c h a ra c teristic  e q u a ti o n .   T h e   p ro p o se d   b ra n d - n e c rit e rio n   is  a n   e ffe c ti v e   a lt e rn a ti v e   tec h n i q u e   in   id e n t ify i n g   sta b il i ty   h ig h e r - o r d e li n e a ti m e - in v a rian t   d y n a m ic  sy st e m   th a b in d s   th e   c o e fficie n ts  o t h e   sy ste m   c h a ra c teristic   p o l y n o m ial  a t h e   sta b il it y   b o u n d a ries   b y   m e a n o a n   a d d it i o n a l   sin g le  c o n sta n k .   I d e fi n e th e   n e c e ss a ry   a n d   su fficie n c o n d it i o n f o t h e   a b so l u te  sta b il it y   o h i g h e r - o rd e d y n a m ic   sy ste m s.  I a lso   a ll o ws   th e   a n a ly sin g   o th e   sy ste m ’s  p re c ise   m a rg in a sta b il it y   o m a rg in a in sta b il it y   c o n d it i o n   wh e n   th e   ro o ts  a re   re lo c a ted   o n   ima g in a ry   - a x is  o s - p lan e .   Th e   c rit e rio n   p r o p o se d   b y   th e   a u th o rs,  in   c o n tras to   Ro u t h   c rit e ria,  sim p li fies   th e   id e n ti f ica ti o n   o f   m a x imu m   a n d   m in imu m   sta b il it y   li m it fo a n y   c o e fficie n o th e   h i g h e r - o r d e r   c h a ra c teristic  e q u a ti o n   sig n ifi c a n tl y .   T h e   d e ri v e d   in   th p a p e sta b il it y   b o u n d a r y   f o rm u las   f o r   th e   p o ly n o m ial  c o e fficie n ts   a re   su c c e ss fu ll y   u se d   f o th e   p ro p o rt io n a l   in teg ra l   d e riv a ti v e   ( P ID )   c o n tr o ll e with   sin g le  o m u lt i p le  g a in s se lec ti o n s   in   c l o se d - lo o p   c o n tro l   sy ste m s .     K ey w o r d s :   Ab s o lu te    C h ar ac ter is ti p o ly n o m ial    Hig h er - o r d er   d y n am ics   M ar g in al  s tab ilit y   Stab ilit y   b o u n d a r ies    T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Md .   Haz r at  Ali ,   Dep ar tm en t   o f   Me ch an ical  an d   Aer o s p ac E n g in ee r in g ,   SEDS,   Naz ar b ay e v   Un iv er s ity ,   5 3   Kab n a b ay   B aty r   Av e,   0 1 0 0 0 0   Nu r - Su ltan ,   Kaz ak h s tan .   E m ail: m d . ali@ n u . ed u . k z       1.   I NT RO D UCT I O N   T h r esear ch   o n   t h s tab ilit y   o f   h i g h er - o r d e r   s y s tem s   was  in itiated   b y   E d war d   R o u th   an d   Ad o l f   Hu r witz  lo n g   ag o ,   th eir   th eo r y   is   b ein g   u s ed   n o b y   co n tr o ex p er ts   wh ile  an aly s in g   th s tab ilit y   o f   d y n am ic   s y s tem s   an d   ad d ed   to   m an y   b o o k s   o n   co n tr o en g in ee r i n g   [ 1 - 4 ] .   I p r o v id es  an   ef f ec tiv to o f o r   id en tify i n g   s tab ilit y   co n d itio n   d y n am ic   s y s tem   a n d   r o o ts   o f   its   s y s tem   p o ly n o m ial  o n   th e   - ax is   o f   s - p lan e.   Nev er t h eless ,   it  d o es  n o p r o v id an   ef f ec tiv m eth o d   f o r   id en tif y in g   p r ec i s s tab ilit y   lim it s   o f   h ig h er - o r d er   s y s tem   o p er atio n   an aly tically   o r   n u m er ically   b y   m ath em atica lly   a n aly s in g   th co ef f ic ien ts   o f   t h s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial.   Der iv in g   an aly tic al  ex p r ess io n s   b ased   o n   t h R o u th   ar r a y   is   v er y   ted io u s   a n d   len g th y   p r o ce s s .     It   b ec o m es a   f o r m id ab le  task   f o r   s y s tem s   with   an   o r d er   h ig h er   th an   f o u r .   B esid es,  f o r   s p ec i al  ca s es o f   all  ze r o s   in   an   ar r a y   r aw,   th e   u s o f   s tan d ar d   R o u th   p r o ce d u r e   d o es n o t p r o v id e   s o lu tio n   t o   th p r o b lem .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   n o ve l tw o - p o ly n o mia l c r eteria   fo r   h ig h er o r d er sys tems st a b ilit b o u n s a r ies.. .   ( Md .   Ha z r a t A li )   3165   So m r esear ch er s   h a v m an ag ed   to   s o lv s p ec if ic  s y s tem   s tab ilit y   p r o b lem s   b y   u s in g     th R o u th - Hu r witz  cr iter io n .   I n   p ap er   [ 5 ] ,   th e   au th o r s   u s ed   t h Her m ite - B ieh ler   th eo r em   to   d er iv e     th R o u th - Hu r witz  cr iter io n   a n d   m an ag e d   to   ca p tu r th s y s tem s   u n s tab le  r o o co u n tin g .   W h ile  p er f o r m in g   s tab ilit y   an aly s is ,   th R o u th   a r r ay   m ay   s u f f er   s o m s in g u lar ities .   On ex am p le  is   wh en   th f ir s elem en o f   r o tu r n s   o u t o   b ze r o .   T h e   s o lu tio n   to   t h is   ca s was  d is cu s s ed   in   s o m p a p er s   [ 5 - 7 ]   a n d   tex tb o o k s   [ 1 - 4 ] .   So m r esear ch er s   h av u s ed   th ϵ - m eth o d   to   s o lv th s tab ilit y   p r o b lem   f o r   th s p ec ial  ca s wh en   th er ar ze r o   lef tm o s elem en ts   to g eth er   with   an   all - ze r o   r o in   th R o u th   ar r ay   [ 6 ] .   m in o r   r ec o n s tr u cti o n   o f   R o u th s   a r r ay   is   d em o n s tr ated   in   [ 7 ]   to   s o l v p ar ticu lar   ca s o f   lead in g   el e m en ts   in   th ar r a y   b ec o m in g   z er o .   I n   r ec o n s tr u cted   ar r ay ,   l o ca tio n s   o f   p o ly n o m i al  r o o a r d e f in ed   b y   m ea n s   o f   co n s id er in g   f ir s t - co l u m n   s ig n   ch an g es,  s im ilar   to   R o u th s   m eth o d ,   wh ich   elim in ates th u s o f   th ϵ - ap p r o ac h .     T h s in g u lar ity   i n   th R o u t h   ar r ay   w o u ld   o cc u r   i n   ca s o f   all  elem en ts   in   a   r o b ec o m ze r o .     I n   [ 8 ] ,   th au th o r s   h av p r ese n ted   s o lu tio n   f o r   th r o o ts   o f   p o ly n o m ial  in   th r ig h t - h a lf   o f   s - p lan an d   o n     th - ax is   f o r   th ca s wh en   a   f ew  r o elem en ts   in   th e   R o u th   ar r ay   b ec o m ze r o .   T h ey   h a v e   u s ed   th e   co n tin u ed   f r ac tio n   a p p r o ac h   to   s o lv t h p r o b lem .   W h en   s y s tem   p ar am eter   is   o f   t h ϵ - o r d er ,   th ad v a n tag o f     th ϵ - m eth o d   o f   th R o u th - Hu r witz  cr iter io n   f o r   th e   ze r o   r o ws  was  elab o r ated   i n   [ 9 ] .   I n   [ 1 0 ] ,   a u th o r s   h av e   r ep lace d   ze r o   r o co ef f icien ts   with   th d er iv ativ o f   th e   p o ly n o m ial  co r r esp o n d in g   t o   th r o n ex t   to     th ze r o - r o to   f ill  th r o w   as  an   ad d itio n al  p r o ce d u r an d   d o in g   th at  th ey   h a v m an ag ed   to   id e n tify     th p o ly n o m ial  r o o ts   lo ca ted   s y m m etr ically   o n   th r ig h t a n d   lef t a n d   o n   th - a x is .   [ 7 ] .     I m p o r ta n tly th R o u th - H u r wi tz  cr iter io n   u n a b le  to   d eter m i n th ca s o f   in s tab ilit y   f o r   t h ca s o f   m u ltip le  r o o ts   o n   th - ax i s   o f   th s - p lan [ 2 ,   4 ,   1 1 ] .   R o u th   ar r ay   d o es  n o p r o v id s o lu tio n   f o r     th n u m b er   o f   m u ltip le  - ax is   r o o ts   u n less   s o lv in g   i with   th au x iliar y   p o ly n o m ial.   Ho wev er ,   e v en     th ap p licatio n   o f   a u x iliar y   p r o ce d u r d o es  n o s h o s ig n   ch an g in   th f ir s co lu m n   o f   R o u th s   ar r ay   f o r   s o m e   u n s tab le  s y s tem s   th at  h av r ep ea ted   m u ltip le  r o o ts   o n   - ax is   an d   n o   r o o ts   o f   th s y s tem   p o ly n o m i als  in     th r ig h h alf   s - p lan [ 1 1 ] .   I n   [ 1 0 ] ,   th au th o r s   ar m an ag e d   to   co u n th n u m b e r   o f   r o o ts   o n   - ax is   th at  ar e   co m p lex   p o l y n o m ials .   T h a u th o r s   in   [ 1 2 ]   h a v in v esti g a ted   p o s s ib le  r elatio n   b etwe en   th m u ltip licity   o f     - ax is   p o les  a n d   th ze r o   r o w s   n u m b e r s   in   th R o u th   a r r ay .   T h m ain   o u tco m e   was  p r o o f   th at   th e x is ten ce   o f   m u ltip le  ze r o   r o ws  in   th e   R o u th   a r r ay   is   a   s o u r ce   o f   in s ta b ilit y   o f   th e   s y s tem   d esp ite   s ig n   ch a n g e   in   t h f ir s co lu m n .   I n   p ap er   [ 1 3 ] ,   au th o r s   h av aim ed   at  th m o d ellin g   o f   cy clic  p h y s ical  p h en o m e n o n   an d   in v esti g ated   h ar m o n ic  o s cillatio n s   o f   s y s tem s   at  th b o r d er s   o f   s tab ilit y   r eg io n s .   Stab ilit y   b o u n d ar y   o s cillatio n s   ar u s ed   in   m an y   s cien ce   an d   e n g in ee r in g   ap p licatio n s   [ 1 3 ] .   T h a u th o r s   in   [ 1 4 ,   1 5 ]   c o n d u c ted   b o u n d a r y   lo cu s   an a ly s is   to   ac h iev s tab le  co n tr o l sy s te m   d esig n .   T h au th o r s   id en tifi ed   s tab ilit y   r eg io n s   o f   co n tr o ll er   co ef f icien ts   b ased   o n   s o lu tio n   o f   ch a r ac ter is tic  eq u atio n   in   s   d o m ain   ( s = ).   I n   th r esear ch   p ap er   [ 1 3 ] ,   th au th o r s   h av id en t if ied   th h ar m o n ic  o s c illatio n   b o u n d ar y   o f   s y s tem s   b y   m atch in g   th r o o ts   o f   th ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial   with   am p litu d e - an g le  ( )   p lan a n d   r ep r esen ti n g   r o o ts   o f   th p o ly n o m ial  as λ   =  .   An o th er   co m m o n   m et h o d   o f   n - th   o r d er   s y s tem s   s tab ilit y   s tu d ies  is   r elate d   to   an al y s in g   n u m er ical  eig en v alu es   o f   n   s tate  eq u atio n s   [ 1 6 ,   1 7 ] .   Ho wev er ,   it  d o es  n o s im p lify   th e   s o lu tio n   o f   th e   p r o b lem   f o r     th n - th   o r d e r   s y s tem ,   th d im en s io n s   o f   m atr ix   o f   eig en v a lu es  an d   m atr ix   A ,   i.e .   ( λ I - A ) ,   ar o f   th s am n - th   o r d er .   T h er ef o r e,   t h lev el  o f   co m p lex ity   o f   s tab ilit y   p r o b le m   s o lu tio n   is   th s am as  to   l o o k   in t o   th r o o ts   o f   th o r ig in al  n - th   o r d er   s y s tem   ch ar ac t er is tic  p o ly n o m ial.   I n   o th er   wo r d s ,   it  r eq u ir es  ca lc u latio n   n u m er ically     th r o o ts   λ   o f   n - th   o r d er   p o ly n o m ial  to   v er if y   th s tab ilit y   o f   g iv en   s y s tem .   T h er ef o r th e   an aly tical  s o lu tio n   o f   th e   p r o b lem   is   n o p o s s ib le.   T h n ew  t h eo r y   o f   s tab ilit y   wa s   in iti ally   in tr o d u ce d   in   [ 1 8 ]   a n d   s u cc ess f u lly   u s ed   to   id en tify   th b o u n d ar y   co n d itio n s   an aly tically   f o r   u p   to   s ix th   o r d er   s y s tem s .   T h L a p lace   tr an s f o r m   o f   p o ly n o m ial  eq u atio n   is   in tr o d u ce d ,   an d   th m an i p u latio n   o f   s ig n als  an d   s y s tem s   in   ter m s   o f   s tab ilit y   in     th L ap lace   d o m ai n   ex p lain ed   [ 1 9 ] .   An o th er   wo r k   p r esen ts   s im p le  to o ls   to   q u ick ly   d eter m i n wh eth er   a   g iv en   s y s tem   is   s tab le,   an d   to   d eter m in th v alu r an g o f   c o ef f icien ts   [ 2 0 ] .   Glo b al  asy m p to tic  s tab ilit y   o f     th eq u ilib r iu m   p o in o f   d elay ed   s y s tem   g i v e n   b y   h ig h e r - o r d e r   d ela y ed   d if f er en tial  e q u atio n   o f   r etar d e d     ty p with   s ev er al   tim e - v ar y i n g   d ela y s   is   ex ap lin e d   [ 2 1 ] h ig h er - o r d er   s h ea r   d ef o r m atio n   th e o r y   is     u s ed   to   d eter m in e   th e   s tab ilit y   o f   elastic  p lates   in   [ 2 2 ] .   Stab ilit y   b o u n d a r ies  an d   later a l   p o s tu r e   co n tr o is   d is ce r ib ed   in   [ 2 3 ] .     T h liter atu r r ev iew  h as  s h o wn   th at  s o   f ar   th er e   is   n o   an y   s y s tem atic  an d   ex ac s o lu tio n   f o r   s tab ilit y   p r o b lem   o f   lin ea r   h ig h e r - o r d er   d y n am ic  s y s tem s   th at  ca n   id e n t if y   ex ac s tab ilit y   b o u n d a r ies  o f   s y s tem   b eh av io u r   th r o u g h   th c o ef f icien ts   o f   its   p o ly n o m ial  e q u atio n   an d   d o in g   th at  is   ab le  th o r o u g h l y   to   a n aly s an d   d if f e r en tiate  m ar g in al  s tab ilit y   o r   i n s tab ilit y   o f   s y s tem s   at  th e   b o u n d ar y   r eg io n s   o f   s tab ilit y .   T h im p o r t an ce   o f   s u c h   th eo r y   co u ld   also   c o n tr ib u te  to   clo s ed - lo o p   co n tr o ller s   d esig n   an d   s elec tio n   o f   g ain s   f o r   t h co n tr o ller   o f   d y n am i c   s y s tem s .   T h clo s e d - lo o p   co n tr o ller   g ain s   ar p ar o f   th s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m i al  co ef f icien ts   an d ,   th er ef o r e,   s tab ilit y   lim its   o f   th co ef f icien ts   ca n   b u s ed ,   in   tu r n ,   to   id en tif y   s tab ilit y   l im its   f o r   th g ain s .     T h m eth o d   d escr ib ed   in   th is   p ap er   aim s   to   s o lv t h ese  p r o b lem s .   B es id es,  it  ca n   p r ec is ely   d ef in th n u m b e r   an d   ty p es  o f   c o n ju g ate  - ax is   r o o ts   o n   th s - p lan wh ile  th d y n am ic  s y s tem   is   at  th s tab il ity   b o u n d ar y   r e g io n   an d   th eir   in f lu en ce   o n   m a r g in a l stab ilit y   o r   in s tab ilit y   f o r   s o m s p ec ial  ca s es o f   ze r o   co e f f i cien ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                     I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :    316 4   -   317 2   3166   I n   th c u r r en p ap er   in   s ec tio n   2   p r esen ts   co m p letely   m o d if ied   an d   s im p ler   ap p r o ac h   f o r   i d en tify in g   s tab ilit y   o f   h ig h er - o r d er   t im e - i n v ar ian t lin ea r   d y n am ic  s y s tem s   with   o n ly   two   p o ly n o m ials   as a n   alter n ativ to   th r en o wn e d   R o u th - Hu r witz  cr iter io n   an d   an y   o th er   m et h o d .   T h d is co v er ed   c r iter io n   an d   alg o r ith m s   f o r   s y s t em   s tab il ity   ar n ew  an d   h av n ev er   b ee n   p u b lis h ed   in   r e latio n   to   th s tab ilit y   co n tr o o f   d y n am ic  s y s tem s .   T h alg o r it h m s   in   th is   p a p e r   h av e   b ee n   d ev elo p ed   in t u itiv ely   b ased   o n   ce r tain   s y s tem atic  r elatio n s   o f     th co ef f icien ts   o f   s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o l y n o m ial  at  t h b o u n d ar ies  o f   s tab ilit y .   T h alg o r ith m s   ar e   s u cc es s f u lly   ap p lied   to   v ar i o u s   ty p es  o f   h i g h er - o r d e r   d y n am ic   s y s tem s   as  well  as  p o ly n o m ials   o f   s o m e   s elec ted   en g in ee r in g   ap p licatio n s   with   clo s ed - lo o p   co n tr o ller s .   T h e   p r esen ted   alg o r it h m s   ar ess en t ial  to o ls   to   id en tif y   m ar g in al  s tab ilit y   o r   i n s tab ilit y   o f   th e   s y s tem s   f o r   t h ca s o f   m u ltip le  r o o ts   o f   th p o ly n o m ials   o n   - ax is   o f   th s - p lan e.   Sectio n   3   d em o n s tr ates  th u s o f   th d ev elo p ed   th eo r y   f o r   d ef in in g   s tab ilit y   li m its   f o r   s in g le  an d   m u ltip le  g ain s   o f   clo s ed - lo o p   co n tr o ller s   f o r   v ar io u s   en g in e er in g   s y s t em s   with   h ig h e r - o r d er   d y n am ic   m o d els T h is   m eth o d   is   s u cc ess f u lly   test ed   o n   th e   m o d el  o f   h a r d   d i s k   d r iv with   s in g le - g ai n   lea d   co m p en s ato r   [ 2 4 ]   an d   th m o d el  o f   two - in e r tia  s y s tem   with   m u ltip le  g ain   co n tr o ller   d esig n   [ 2 5 ] .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D     2 . 1 .     G ener a l st a bil it y   cr it er i a   I n   g e n e r a l ,   t h e   c h a r a c t e r i s t i c   p o l y n o m i a l   f o r   t h e   h i g h e r - o r d e r   d y n a m i c   s y s t e m   c a n   b e   p r e s e n t e d   a s   f o l l o w s :     + 1 1 + 2   2 + + 1 + 0   = 0   ( 1 )     O n e   o f   t h e   c o n d i t i o n s   o f   p o s s i b l e   s ta b i l it y   i s   t h at   a l l   t h e   c o e f f i c i e n ts   o f   t h e   p o l y n o m i a l   m u s t   b e   p o s i ti v e   r e al  n u m b e r s   [ 2 3 ] .   H o w e v e r ,   p o s i ti v e   v a l u e s   o f   t h e   c o e f f i ci e n ts   a l o n e   d o   n o t   p r o v i d e   t h e   s t a b il i t y   o f   t h e   s y s t e m .     T h e   c u r r e n t   p a p e r   p r e s e n t s   s t ab i l i t y   c r i t e r i a   o f   t h e   h i g h e r - o r d e r   s y s t e m s   w i t h   a l l   p o s i t i v e   v al u e s   c o e f f i c i e n t s   a s   w e l a s   w h e n   s o m e   c o e f f ic i e n ts   h a v e   z e r o   v al u e s ,   w h i c h   l e a d s   t o   s p e ci a l   c a s e s   o f   m a r g i n a s tab i l i t y   o r   i n s t a b i l it y .   T h e   g e n e r a l   n e c es s a r y   s t a b il i t y   c r i t e r i f o r   a n y   n - o r d e r   d y n a m i c   s y s t e m   ( w h e r e     3 )   c a n   b e   s o l e l y   e x p r es s e d   b y   t h e   s e o f   t w o   n o n l i n e a r   ( 2 )   o r   ( 3 )   w i t h   t h e   i n t r o d u c t i o n   o f   an   a d d i t i o n a l   u n k n o w n   v a r i a b l e     t h a t   c o u p l es   b o t h   e q u a t i o n s   t o g e t h e r .   I f   t h e   s y s t em   o r d e r   n   i s   a n   odd  n u m b e r ,   t h e n   t w o   e q u a t i o n s   a r e   p r e s e n te d ,   a s   f o l l o ws :     =         ( 2 ( 4 ( 3 1 ) ) )     ( 2 )   1 = ( 3 ( 5 ( 2 0 ) ) )     I f   th h i g h est  o r d e r   o f   th s y s tem   n   is   an   even   n u m b er ,   t h en   t wo   eq u atio n s   ar e   p r esen ted   d if f er en tly ,   as  f o llo ws:     =         ( 2 ( 4 ( 2 0 ) ) )     ( 3 )   1 = ( 3 ( 5 ( 3 1 ) ) )     I ca n   b s ee n   f r o m   ( 2 )   an d   ( 3 )   th at  u n k n o wn   p ar a m eter   k   m u s b a   r ea l   p o s itiv n u m b e r   to   en s u r e   th at  co ef f icien ts     an d   1   ar p o s itiv r ea n u m b er s ,   wh ich   is   an   o b v io u s   s tab ilit y   co n d itio n   f o r   th s y s tem .   T h f u n d am e n tal  law  o f   m ar g in al  o r   b o u n d a r y   s tab ilit y   o f   a n y   d y n am ic   s y s tem   with   o r d e r   3   is   s tated   as   f o llo ws:   “if   ( 2 )   o r   ( 3 )   a r s atis f ied   an d   th er e x is ts   s o lu tio n   o f   th ese  eq u a tio n s   with   at  leas t o n co m m o n   as  p o s itiv r ea r o o t,  th en   all  th co ef f icien ts   in   ( 1 )   ar h a v in g   s tab ilit y   b o u n d a r y   v alu es  an d   th s y s tem   u n d er   co n s id er atio n   is   in   th s tate  o f   m ar g in al  o r   b o u n d ar y   s tab ilit y   co n d itio n ”.   At  th is   s ta g e ,   s o m o f   th r o o t s   o f   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  ( 1 )   f o r m   co n j u g ate  p air s   an d   s tr ictly   lo ca ted   o n   th im a g in ar y   - ax is   o f   th s - p lan e.   T h er ef o r e,   ( 2 )   o r   ( 3 )   r ep r esen th n ec ess ar y   an d   s u f f icien t   cr i ter ia   to   d ef in ac c u r ately   s tab il ity   b o u n d ar y   v alu e   f o r   all  th c o ef f icien o f   s y s tem s   with   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  o r d er   3 ,   p r o v id e d   alg eb r a ic  ( 2 ) ,   o r   ( 3 )   h a v e   at   least  o n e   co m m o n   p o s itiv e   r ea s o lu tio n   f o r   k .   I n   o t h er   wo r d s ,   if   c o n d itio n s   ( 2 )   o r   ( 3 )   s atis f y ,   t h en   th d y n a m ic  s y s tem   is   in   th s tate  o f   m ar g in al  s tab ilit y   o r   in s tab ilit y ,   i.e . ,   it  is   p r ec is e ly   in   b etwe en   th s tab le  an d   u n s tab le  zo n es  o f   b e h av io u r .   T h e   b o u n d ar y   v al u es  f o r   th e   co ef f icie n ts   o f   th n - t h   o r d er   s y s tem   ( 1 )   ca n   b o b tain ed   b y   m ath em atica lly   ex clu d in g   u n k n o wn   k   f r o m   b o th   ( 2 )   o r   ( 3 ) .   T h n ewly   d ev el o p ed   ( 2 )   o r   ( 3 )   h av n o   a n alo g y   to   an y   s tab ilit y   cr iter ia  s h o wn   s o   f ar   in   th liter atu r e.   T h r ela tio n s h ip   b etwe en   th co ef f icien ts   o f   th ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  at  th s tate  o f   s y s tem   s tab ilit y   b o u n d ar y   r eg io n s   h as  b ee n   d is co v er e d   in tu itiv ely .   Sti ll,  i ca n   b e   v er if ied   b y   an y   o th er   m eth o d   t h at  d escr ib es st ab ilit y   b o u n d ar y   co n d itio n s   f o r   a   d y n am ic  s y s tem .       3.   RE SU L T A ND  AN AL Y SI S     3 . 1 .     S t a bil it y   ra ng f o t he  c lo s ed - lo o p c o ntr o l sy s t em s   I n   ( 4 ) ,   R ( s )   is   th in p u s ig n al,   Y(s)   is   th o u tp u s ig n al,   H( s )   is   th f ee d b ac k   s ig n al,   G( s )   is   th p lan m o d el  ( s y s tem   u n d er   o b s er v atio n ) ,   an d   K ( s )   is   th co n tr o lle r   m o d el.   I n   ( 2 )   o r   ( 3 )   ca n   b s u c ce s s f u lly   ap p lied   to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   n o ve l tw o - p o ly n o mia l c r eteria   fo r   h ig h er o r d er sys tems st a b ilit b o u n s a r ies.. .   ( Md .   Ha z r a t A li )   3167   id en tify   s tab ilit y   r an g es  f o r   th g ain s   o f   t h clo s ed - l o o p   co n tr o l sy s tem   ( 4 ) .   T h e   s - d o m ain   t r an s f er   f u n ctio n   f o r   th clo s ed - lo o p   co n tr o l sy s tem   ca n   b e x p r ess ed   as f o llo ws:     ( ) ( ) = ( ) ( ) 1 + ( ) ( ) ( )   ( 4 )     3 . 1 . 1 .   Ca s o f   s ing le  g a in co n t ro ller  des ig   T h s tab ilit y   an aly s is   o f   s y s t em   with   a   s in g le  g ain   co n tr o ll er   ca n   b d em o n s tr ated   o n   th e   m o d el   o f     h ar d   d is k   d r iv with   th lead   co m p en s ato r .   T h p lan m o d el  o f   th h ar d   d is k   d r iv s y s tem   ca n   b ex p r ess ed   as f o llo ws [ 1 9 ] :     ( ) = /   ( 5 )     = 4 4 + 3 3 + 2 2 + 1 + 0 ,     = 10 10 + 9 9 + 8 8 +     + 4 4 + 3 3 + 2 2 ,     wh er e:      4 = 1 . 197 10 26 ,   3 = 2 . 12 10 29 , 2 = 5 . 826 10 34 ,     1 = 4 . 366 10 37 ,   0 = 6 . 189 10 42 10 = 1 , 9 = 5336 ,       8 = 4 . 124 10 9 ,   7 = 1 . 302 10 13 ,   6 = 4 . 216 10 18 ,       5 = 6 . 72 10 21 ,     4 = 1 . 198 10 27 ,   3 = 7 . 496 10 29 ,     2 = 9 . 668 10 34 .     T h lead   co m p en s ato r   with   p r o p o r tio n al  g ain   k p   ca n   b p r esen ted   as f o llo ws:     ( ) = ( 4 + 2 ) / ( + 2 )   ( 6 )     Su b s titu tin g   ( 5 ) ,   ( 6 )   in to   ( 4 )   an d   ass u m in g   ( ) = 1 ,   y ield s   th f o llo win g   clo s e - lo o p   s y s tem   ch ar ac ter is tic   p o ly n o m ial  o f   1 1 th   or d er   d y n a m ic  s y s tem ,   wh er e:     11 = 10 10 = 9 + 2 10 ,   9 = 8 + 2 9 ,     8 = 7 + 2 8 ,   7 = 6 + 12 7 ,   6 = 5 + 2 6 ,     5 = 4 + 2 5 + 4 4 , 4 = 3 + 2 4 + 2 ( 2 3 + 4 ) ,     3 = 2 + 2 3 + 2 ( 2 2 + 3 ) ,     2 = 2 2 + 2 ( 2 1 + 2 ) , 1 = 2 ( 2 0 + 1 ) ,       0 = 2 0 .     Fo r   th elev en th   ( o d d )   o r d er   c h ar ac ter is tic  p o ly n o m ial,   two   s tab ilit y   b o u n d ar y   p o ly n o m ial s   ca n   b p r esen ted   as   ( 2 ) .   B y   s u b s titu tin g   all  th c o ef f icien ts   in to   ( 2 )   an d   d iv id in g   o n b y   an o th er ,   th e   p r o p o r ti o n al  g ain     ca n   b e   ex clu d ed   f r o m   th r esu ltin g   s i n g le  alg eb r aic  6 th   o r d er   s tab ilit y   b o u n d ar y   eq u atio n   with   v a r i ab le  k   as f o llo ws:     6 6 + 5 5 + 4 4 + 3 3 + 2 2 + 1 + 0 ,   ( 7 )     w h er e   co ef f icien ts   ar f u n ctio n s   o f   o n l y   g iv e n   co n s tan p ar a m eter s .     T h s o lu tio n   o f   ( 7 )   y ield s   f o u r   r ea an d   two   co m p lex   r o o t s .   I n   ac co r d an ce   with   r u les  o f   s tab ilit y o n ly   r ea r o o ts   o f   ( 7 )   co u ld   b e   co n s id er ed   f o r   th e   m ar g in al  s tab ilit y   o f   t h clo s ed - l o o p   s y s tem .   Fo u r   r ea r o o ts   ar 0 . 4 9 1 2 * 1 0 - 6 ,   0 . 0 1 3 9 * 1 0 - 6 ,   0 . 0 0 7 7 * 1 0 - 6 ,   0 . 0 0 0 6 * 1 0 - 6 .   Va lu o f   at  th s tate  o f   m ar g in al  s tab ilit y   ca n   b e   ca lcu lated   f r o m   ( 3 2 )   an d   p r ese n ted   as f o llo ws:     C /D,   wh er e   ( 8 )     C =    11  9 +  7 2  5 3 +  3 4  1 5 ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                     I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :    316 4   -   317 2   3168   D =    5 3  3 4 +  1 5 .     Su b s titu tin g   f o u r   r ea r o o ts   o f   ( 7 )   in to   ( 8 )   y ield   th r ee   p o s itiv es  an d   o n n eg ativ v alu es  o f   .   Neg ativ v alu e   lead s   to   in s tab ilit y   o f   th s y s tem   b ec au s o f   t h co ef f icien 0   o f   th s y s tem   is   d ir ec tly   p r o p o r tio n al   to   i.e .   0 = 2 0 ,   an d   ca n n o t b n eg ativ e.   As a  r esu lt,  th m in im u m   s tab ilit y   l im it f o r   th   is   ze r o ,   i. e.   = 0 .   T h r em ain i n g   t h r ee   ca lcu lated   p o s itiv v alu e   f o r     ar 0 . 0 0 7 9 ,   0 . 2 1 1 9 ,   0 . 1 7 2 6 .   So lv in g   f o r     th r o o ts   o f   elev e n th   o r d er   ch a r ac ter is tic  p o ly n o m ial  f o r   th es th r ee   v alu es  o f     y ield s   p air   o f   r o o ts   lo ca ted   o n   th e   im ag in ar y   ax i s   o f   s - p lan ± 0 . 1427 10 4 , ± 0 . 8488 10 4 , ± 1 . 1411 10 4 ,   r esp ec tiv ely .   T h e   an aly s is   o f   all  s o lu tio n s   s h o ws  th at  o n l y   o n e   g ain   v alu   =0 . 0 0 7 9   co r r esp o n d s   to   th e   m ar g in al   s tab ilit y   co n d itio n   o f   th clo s ed - l o o p   s y s tem ,   wh er all  th r o o ts   lo ca ted   at  th lef t h alf   o f   t h s - p lan e.       3. 1 . 2 .   Ca s o f   m ultiple g a in co ntr o ller  des ig n   T h ad v an tag e   o f   ap p ly i n g   ( 2 )   an d   ( 3 )   f o r   s tab ilit y   an aly s is   o f   h ig h e r - o r d er   cl o s ed - lo o p   d y n am ic   s y s tem s   ca n   b d em o n s tr ated   f o r   th ca s o f   ap p ly in g   m u ltip le  g ain   co n tr o ller s   to   th s y s tem .   T h cr iter ia  ( 2 )   an d   ( 3 )   w er e   test ed   o n   th e   ex a m p le  o f   th e   m o d el  o f   two - i n er tia  s y s tem   with   p r o p o r tio n al - d if f er en tial   ( PD )   co n tr o ller .   T h p lan m o d el  o f   s u ch   two - in er tia  s y s tem   ca n   b ex p r ess ed   as f o llo ws [ 2 0 ] :     ( ) = 0 / (   4 4 + 3 3 + 2 2 + 1 + 0 ) ,   wh er e:   ( 9 )     0 = 0 . 0625 4 = 1 3 = 2 2 = 1 . 5 1 = 0 . 5     0 = 0 . 0625 .     Su b s titu tin g   ( 9 ) ,   ( ) = +   in to   ( 4 )   an d   ass u m in g   ( ) = 1   y ield s   th f o llo win g   f o u r th - o r d e r   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  o f   th clo s ed - lo o p   s y s tem :     4 4 + 3 3 + 2 2 + ( 1 + 0 ) + ( 0 + 0 ) = 0   ( 1 0 )     T h e   t w o   s t a b i l i t y   b o u n d a r y   p o l y n o m i a l s   ( 3 )   f o r   t h e   c h a r a c t e r i s t i c   p o l y n o m i a l   ( 1 0 . 4 5 )   c a n   b e   p r e s e n t e d   a s   f o l l o w s :     4 = 2 2 ( 0 + 0 )   ( 1 1 )     3 = ( 1 + 0 )   ( 1 2 )     B y   d iv id in g   ( 1 1 )   b y   ( 1 2 ) ,   th f o llo win g   ex p r ess io n   f o r     ca n   b d er iv ed :     = [ 2 3 3 ( 0 0 ) 1 4 ] 0 4     ( 1 3 )     Su b s titu tin g   ( 1 3 )   in to   ( 1 2 )   y ield s   th f o llo win g   q u ad r atic  eq u atio n :     ( 0 3 + 3 0 ) 2 2 3 + 3 4 = 0   ( 1 4 )     T h s o lu tio n   o f   ( 1 4 )   ca n   b p r esen ted   as f o llo ws:     = [ 2 ± 2 2 4 4 ( 0 + 0 ) ] 2 ( 0 + 0 )   ( 1 5 )     T h s tab ilit y   b o u n d ar y   is   ac h iev ed   wh en   th e x p r ess io n   u n d er   th s q u a r r o o is   eq u al  ze r o ,   an d     th s o lu tio n   o f   ( 1 5 )   y iel d s   s in g le  p o s itiv an s wer   f o r     ( s tab ilit y   r u le) .   As  a   r esu lt,  at   th s tab ilit y   b o u n d ar y   co n d itio n   f o r   t h s y s tem   th e x p r ess io n   f o r   m ax im u m   lim i t o f     ca n   b d e r iv ed   f r o m   ( 1 5 )   as f o llo ws:      = ( 2 2 4 0 4 ) ( 4 4 0 )   ( 1 6 )     T h m in im u m   lim it  o f     ca n   b o b tain ed   f r o m   t h co n d itio n   th at  f o r   a   s tab le  s y s tem ,   all  t h co ef f icien ts   o f   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  ( 1 0 )   m u s b p o s itiv e.   T h er e f o r e,   th c o ef f icien 0 + 0   m u s h av a   p o s itiv e   v alu an d   th m in im u m   v alu e   f o r     ca n   b ca lcu lated   as f o llo ws:     = 0 / 0   ( 1 7 )     T o   p r o v id a b s o lu te  s tab ilit y   o f   th clo s ed - lo o p   s y s tem ,   th f o llo win g   co n d itio n   f o r     m u s t b p r o v i d ed :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   n o ve l tw o - p o ly n o mia l c r eteria   fo r   h ig h er o r d er sys tems st a b ilit b o u n s a r ies.. .   ( Md .   Ha z r a t A li )   3169    < <        ( 1 8 )     Fo r   an y   v alu o f     with in   lim its   ( 1 8 ) ,   two   v alu es  f o r      ar b ca l cu lated   f r o m   ( 1 5 )   a n d   s u b s eq u en tly   two   co r r esp o n d i n g   lim it   v alu es  f o r     ca n   b ca lcu lated   f r o m   ( 1 3 ) .   An   ad d itio n al   co n d itio n   f o r   th e   s y s tem   s tab ilit y   is   th at  th m in im u m   li m it  f o r     m u s b m o r th a n   o n e   ca lcu lated   f r o m   t h co r r esp o n d in g   c o ef f icien t   o f   th s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial,   i.e .         > 1 / 0 .   ( 1 9 )     Usi n g   all  th s tab ilit y   co n d itio n s   ( 1 3 ) ,   ( 1 5 )   to   ( 1 9 ) ,   th f o llo win g   g r ap h   o f   f u n ctio n   = ( )   f o r     th b o u n d ar y   v alu es  ca n   b o b tain ed ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   1 .   Fo r   all  th b o u n d ar y   v alu es  o f   th s y s tem   g ain s ,   th s o lu tio n   o f   th ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  ( 1 0 )   y ield s   o n p air   o f   co n ju g ate  r o o ts   at  th im ag in ar y   ax is   o f     s - p lan e,   i.e . ,   th e   s y s tem   is   at  th co n d itio n   o f   m a r g in al  s tab ili ty .           Fig u r 1 .   Stab ilit y   b o u n d ar y   c u r v es f o r   = ( )       Fig u r e   2   s h o w s   t h e   r e g i o n   o f   ab s o l u t e   s t a b i li t y   o f   t h e   s y s t e m   t h a t   l i es   i n   b e t w ee n   t h e   u p p e r   a n d   l o w e r   l i n e s   o f   t h e   g r a p h .   T h e   h i g h e s t   r a n g e   o f   s t a b i l i t y   i s   a t   = 1 ,   w h e r e   - < < 40 .   A t      =   8 ,   t h e   s t a b i l i t y   r e g i o n   i s   r e d u c e d   t o   a   s i n g l e   v a l u = 16.   I n   c a s e   o f   a p p l y i n g   P I D   c o n t r o l l e r   ( ) = + + /   t o     t h e   m o d e l   o f   t h e   t w o - i n e r ti a   s y s t e m   [ 1 9 ] ,   t h e   f o l l o wi n g   f i f t h - o r d e r   c h a r a c t e r is t i c   e q u at i o n   c a n   b e   o b t a i n e d :       4 5 + 3 4 + 2 3 + ( 1 + 0 ) 2 + ( 0 + 0 ) + + 0 = 0   ( 2 0 )     T wo   s tab ilit y   b o u n d ar y   p o ly n o m ials   ( 2 )   f o r   th c h ar ac ter is tic  p o ly n o m ial  ( 2 0 . 5 5 )   ca n   b p r esen ted   as f o llo ws:     4 = 2 2 ( 0 + 0 ) ,   ( 21)     3 = ( 1 + 0 ) 2 0   ( 2 2 )     B y   d iv id in g   ( 2 1 )   b y   ( 2 2 ) ,   th f o llo win g   f o r m u la  f o r     ca n   b o b tain ed :     = ( 2 3 1 4 0 4 ) / ( 0 3 )     ( 2 3 )     ( 0 3 0 4 ) / ( 0 3 )     Su b s titu tin g   ( 2 3 )   in to   ( 2 1 )   y ield s   th f o llo win g   q u ad r atic  eq u atio n :     ( 0 ) 2 ( 1 + 0 ) + 3 = 0   ( 2 4 )     T h s o lu tio n   o f   ( 2 4 )   ca n   b p r esen ted   as f o llo ws:     = [ 1 + 0 ± ( 1 + 0 ) 2 4 3 0 ] ( 2 0 )   ( 2 5 )     T h s tab ilit y   b o u n d a r y   is   ac h iev ed   wh en   th ex p r ess io n   o f   s q u ar r o o in   ( 2 5 )   is   eq u al  ze r o ,   an d     th s o lu tio n   o f   ( 2 5 )   y ield s   s in g le  p o s itiv an s wer   f o r     ( s ta b ilit y   r u le ).   T h is   co n d itio n   y ie ld s   th f o llo wi n g   b o u n d ar y   e q u atio n   f o r   :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                     I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :    316 4   -   317 2   3170   ( 0 2 ) 2 + ( 2 0 1 ) + 1 2 4 0 3 = 0     ( 2 6 )     T h s o lu tio n   o f   ( 2 6 )   y ield s   th e   b o u n d ar y   eq u atio n   f o r     as f o llo ws:     = 1 ± 2   3 0   ( 2 7 )     s tab ilit y   b o u n d ar y   is   ac h iev ed   wh en   th e x p r ess io n   o f   s q u ar r o o in   ( 2 7 )   is   eq u al   to   ze r o ,   i.e . ,   wh en     =   0 .   T h er ef o r e,   f o r   th a b s o lu te  s tab ilit y   o f   th clo s ed - lo o p   s y s tem ,   th f o llo win g   co n d itio n   m u s t b s atis f ied       > 0   ( 2 8 )     Fo r   an y   v alu > 0 ,   f o r m u la  ( 2 7 )   y ield s   two   lim it in g   v alu es  f o r   T h ad d itio n al  co n d itio n   f o r   t h s y s tem   s tab ilit y   is   th at  th m in im u m   li m it  f o r     m u s b m o r th a n   o n e   ca lcu lated   f r o m   t h co r r esp o n d in g   c o ef f icien t   o f   th s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial,   i.e .       > 1 / 0 .   ( 2 9 )     B y   s u b s titu tin g   th two   lim i tin g   v alu es  o f     in to   ( 2 5 )   an d   s u b s eq u en tly   in to   ( 2 3 ) ,   th r em ain in g   two     lim itin g   v alu es  f o r     ca n   b o b tain ed .   An   ad d itio n al  co n d itio n   f o r   th s y s tem   s tab ilit y   is   th at  th m in im u m   l im it  f o r     m u s b m o r th a n   o n ca lcu lated   f r o m   t h co r r esp o n d in g   co ef f icien o f   th s y s te m   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ial,   i.e .         > 0 / 0 .   ( 3 0 )     U s i n g   a l l   t h e   s t a b i l i t y   c o n d i t i o n s   ( 2 3 ) ,   ( 2 5 ) ,   ( 2 7 )   t o   ( 3 0 ) ,   t h e   f o l l o w i n g   3 D   g r a p h   o f   f u n c t i o n   = ( , )   f o r   t h e   b o u n d a r y   l i n e s   o f   ,   g a i n s   v e r s u s   a   f e w   v a l u e s   o f     i s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   T h e   a b s o l u t e   s t a b i l i t y   o f     t h e   s y s t e m   i s   c o n f i n e d   w i t h i n   t h e   s p a c e   o u t l i n e d   b y   t h e   l i m i t i n g   v a l u e s   o f   t h r e e   g a i n s .   F i g u r e   3   s h o w s   t h e   o n l y   2 D   v i e w   o f   t h e   l i n e s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   T h e   m a x i m u m   v a l u e s   f o r   ,   g a i n s   a r e   d e f i n e d   b y   t h e   t e r m i n a l   c o n d i t i o n   w h e n   =    f o r   r a i s i n g   i n   s t e p s   v a l u e s   o f     ( 2 8 )   a n d   i s   c a l c u l a t e d   o n   M A T L A B   s o f t w a r e .   I n c r e a s i n g     r e d u c e s   t h a t   s t a b i l i t y   r a n g e   o f   t h e   s y s t e m ,   i . e . ,   s t a b i l i t y   r a n g e s   f o r   t h e   o t h e r   t w o   g a i n s .   F o r   a l l   t h e   b o u n d a r y   v a l u e s   o f   t h e   s y s t e m   g a i n s   t h e   s o l u t i o n   o f   t h e   c h a r a c t e r i s t i c   p o l y n o m i a l   ( 5 5 )   y i e l d s   o n e   p a i r   o f   c o n j u g a t e   r o o t s   a t   t h e   i m a g i n a r y   a x i s   o f   s - p l a n e ,   i . e . ,   t h e   s y s t e m   i s   a t   t h e   c o n d i t i o n   o f   m a r g i n a l   s t a b i l i t y .   A n   e x c e p t i o n   i s   f o r   t h e   p o i n t s   w h e r e     =  .   F i g u r e   4   s h o w s   a   2 D   g r a p h   o f   = ( )   f o r   a   s i n g l e   v a l u e   = 0 .             Fig u r 2 .   3 Stab ilit y   b o u n d ar y   cu r v es f o r   = ( , )           Fig u r 3 .   2 Stab ilit y   cu r v es f o r   = ( , )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   n o ve l tw o - p o ly n o mia l c r eteria   fo r   h ig h er o r d er sys tems st a b ilit b o u n s a r ies.. .   ( Md .   Ha z r a t A li )   3171       Fig u r 4 .   2 Stab ilit y   b o u n d ar y   cu r v es f o r   = ( )   =   0       If    =   0 ,   th en   = 8 < <4 0   an d   = 1< <8   as  s h o wn   in   Fig u r 4 .   At  th lef in ter s ec tio n   o f   l i n e s   ( = 8   a n d   = 1 ) ,   t h e   r o o t s   o f   t h e   c l o s e d - l o o p   s y s t e m   a r e :   - 1 . 0 0 0 0 + 0 . 7 0 7 1 i ;   - 1 . 0 0 0 0 - 0 . 7 0 7 1 i ;   0 . 0 0 0 0 + 0 . 0 0 0 0 i ;   - 0 . 0 0 0 0 - 0 . 0 0 0 0 i ;   - 0 . 0 0 0 0 - 0 . 0 0 0 0 i .   A t   t h e   r i g h t   i n t e r s e c t i o n   o f   l i n e s   (  = 40   a n d     = 1 ) , the   r oots   of   the   c l ose d l oop   s ys te m   a r e :   - 2 +0 . 0 0 0 0 i;   - 0 . 0 0 0 0 + 1 . 2 2 4 6 i;  - 0 . 0 0 0 0 - 1 . 2 2 4 6 i;     - 0 . 0 0 0 0 +0 . 0 0 0 0 i;  - 0 . 0 0 0 0 + 0 . 0 0 0 0 i.   W h en     r ea c h es  its   m ax i m u m   v alu e   (  = 1 8 ) ,   th p lo ts   o n   Fig u r e     an d   Fig u r e   3   ar e   co n v er g e d   t o   s in g le  p o in a n d   o th er   g ain s   r ea ch   th eir   s in g le  m a x im u m   v al u es,  i.e .    = 8  = 40 .   T h r o o ts   o f   th s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ia at  th is   p o in ar e   - 2 . 0 0 0 0 + 0 . 0 0 0 0 i;    - 0 . 0 0 0 0 +0 . 8 6 6 0 i;  - 0 . 0 0 0 0   - 0 . 8 6 6 0 i;  0 . 0 0 0 0 +0 . 8 6 6 0 i;  0 . 0 0 0 0 - 0 . 8 6 6 0 i,  i.e . ,   th s y s tem   h a s   d o u b l co n ju g ate   r o o ts   o n   im a g in ar y   ax is   o f   s - p l an e.         4.   CO NCLU SI O N     T h e   p a p e r   p r e s e n t s   a n   e f f e ct i v e   a n d   s i m p l e   t o o l   f o r   t h e   a n a ly t i c a l   s o l u t i o n   o f   t h e   s t a b i li t y   p r o b l e m   o f   h i g h e r - o r d e r   l i n e a r   t i m e - i n v a r i an t   d y n a m i c   s y s te m s .   I t   h as   a   s i g n i f i c a n t   a d v a n t a g e   c o m p a r e d   t o   t h e   R o u t h - H u r w it t e c h n i q u e .   T h p r o p o s ed   u n iv er s al  s tab i lity   cr iter ia  ( 2 )   o r   ( 3 )   estab lis h   u n iq u r elatio n s   b etwe en   th s tab ilit y   b o u n d ar y   v alu es  o f   th e   s y s tem   ch ar ac ter is tic  p o l y n o m ial  co ef f icien ts   an d   th n ewly   in tr o d u ce d   ad d itio n al   p ar am eter   k .   I is   n ew  ap p r o ac h ,   a n d   t h er ar e   n o   s im ilar ities   f o u n d   t o   th e s cr iter i in   th liter atu r e .     T h n ewly - d ev elo p ed   m et h o d   is   u n iv e r s al  o n e   an d   ca n   b ap p lied   t o   a n y   h ig h e r - o r d er   d y n am ic  s y s tem .     T h au th o r s   o f   th is   p ap e r   h a v d is co v er ed   an d   estab lis h ed   s et  o f   g e n er al  e x p r ess io n s   ( 2 )   o r   ( 3 )   th at  ca n   b ap p lied   f o r   d e r iv atio n   o f   n ec ess ar y   s tab ilit y   cr iter ia  f o r   an y   o r d er   lin ea r   tim e - in v a r ian t d y n a m ic  s y s tem .   T h e s r esu lts   ar n ew  an d   h av e   n o b ee n   p u b lis h ed   cu r r en tly   in   th liter atu r an d   wer o b tain ed   f o r   s p ec ial  ca s es  o f   m ar g in al  s tab ilit y   wh e n   th e   s am ex ac s et  o f   ze r o   c o ef f icien ts   th s y s tem   ca n   b eith er   in   t h s tate  o f   m ar g in al   s tab ilit y   o r   m ar g in al  in s tab ilit y ,   i.e . ,   th s y s tem   e x h ib its   d u al  b eh a v io u r .   Sectio n   3   is   d e d icate d   to   t h u s e   o f   cr iter ia  ( 2 )   an d   ( 3 )   to   p r o v i d m ar g in al  an d   a b s o lu te  s tab ilit y   f o r   th cl o s ed - lo o p   c o n tr o s y s tem s   with   p r o p o r tio n al,   d er iv ativ e,   an d   i n teg r al  g ain s .   T h p a p er   d is cu s s es  in   d etail  th d er iv atio n   o f   e q u atio n s   f o r   p r ec is e   s tab ilit y   b o u n d a r y   v alu es  o f   , ,   g ain s   b ased   o n   th two - p o ly n o m ial  cr iter ia  ( 2 )   an d   ( 3 ) .   T h o b tain ed   r esu lts   o f   th an aly tical  ca lcu latio n   o f   p r ec is io n   s tab ilit y   b o u n d a r y   v al u es  f o r   m u ltip l e - g ain   h i g h er - o r d e r   clo s ed - lo o p   s y s tem   d o   n o h a v an   an alo g y   cu r r e n tly   in   th e   co n tr o th eo r y .   T h r esu lts   o b tain ed   in   th is   p ap er   p r o v e   th at  t h d e v elo p e d   s y s t em   s tab ilit y   cr iter ia  o r   alg o r it h m   f o r   s tab ilit y   a n aly s is   o f   h ig h er - o r d e r   lin ea r   dyna m ic  s y s tem   is   s tep   f o r war d   in   an aly s in g   s tab ilit y   co n d itio n s   o f   co m p lex   d y n am ic  s y s tem s   an d   d er iv in g   p r ec is an aly tical  ex p r ess io n s   f o r   m u ltip le  g ain s   o f   cl o s ed - lo o p   co n t r o l sy s tem s .         RE F E R E NC E S     [1 ]   N.  S .   Nise ,   Tran sie n re sp o n se   s tab il it y ,   in   Co n tro S y st.  En g . ,   5 th   In t.   S tu d e n e d .   S in g a p o re Wi ley ,   ch a p ter .   6 ,     se c .   2 4 ,   p p .   2 9 1 3 0 6 2 0 0 8 .   [2 ]   R.   C.   D o rf  a n d   R.   H.   Bish o p ,   Th e   sta b il it y   o f   li n e a fe e d b a c k   sy ste m s,”   in   M o d e rn   C o n tr o S y ste ms ,   1 2 t h   e d .     P re n ti c e - Ha ll ,   c h a p ter.   6 ,   se c .   2 ,   p p .   3 9 1 3 9 8 2 0 1 1 .   [3 ]   M .   G o p a l,   Co n c e p o sta b il i ty   a n d   t h e   Ru th   S tab il i ty   Cri terio n ,   i n   Co n tro l   S y ste ms ,   Prin c i p les   a n d   De sig n ,   2 n d   e d .   M c G ra w Hil l,   ch a p ter.  5 ,   se c .   4 ,   p p .   3 1 4 - 3 2 6 2 0 0 3 .   [4 ]   B.   Ku o   a n d   M .   F .   G o ln a ra g h i,   S t a b il it y   o li n e a c o n tr o sy ste m s,”   in   Au to ma ti c   Co n tr o S y ste ms ,   7 th   e d .   En g lew o o d   Cli ffs,  NJ P re n t ice - Ha ll ,   c h a p ter   6 ,   se c .   5 ,   p p .   3 3 4 3 4 3 ,   1 9 9 5 .   [5 ]   M .   Ho ,   A.  Da tt a ,   a n d   S .   P .   Bh a tt a c h a ry y a ,   An   e lem e n tary   d e ri v a ti o n   o th e   Ro u th - H u rwitz  c rit e rio n ,   IEE T ra n s.  Au to m.   Co n tro l ,   v o l.   4 3 ,   n o .   3 ,   p p .   4 0 5 - 4 0 9 ,   M a r ch   1 9 9 8 .     [6 ]   M. M.  Fa hm y a nd  J . O R e il ly , “ A  no te  o n the  R o uth - H u rwitz t e st,”  IEE T ra n s.  Au t o m.  Co n tro l ,   v o l.   AC - 2 7 ,   n o .   2 ,   p p .   4 8 3 - 4 8 5 ,   Ap r il  1 9 8 2 .     [7 ]   K.  S .   Ye u n g ,   Ro u t h - Hu rwitz  tes u n d e v a n is h in g   lea d in g   a rra y   e lem e n ts,”  IEE T ra n s.  A u to m.  Co n tro l   v o l.   AC - 2 8 ,   n o .   1 ,   p p .   1 0 4 - 1 0 6 ,   J a n u a ry   1 9 8 3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                     I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :    316 4   -   317 2   3172   [ 8 ]   K .   K h a t w a n i ,   O n   R o u t h - H u r w i t z   c r i t e r i o n ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   A u t o m a t i c   C o n t r o l ,   v o l .   2 6 ,   n o .   2 ,   p p .   5 8 3 - 584,   1981.   [9 ]   S .   P il lai,   Th e   ε   m e th o d   o t h e   Ro u t h - Hu rwitz  c rit e rio n , ”  IEE T r a n sa c ti o n o n   Au t o ma t ic  Co n tr o l ,   v o l.   2 6 ,   n o .   2 ,     p p .   5 8 4 - 5 8 4 ,   Ap r il   1 9 8 1 .   [1 0 ]   S .   S .   Ch e n   a n d   J.   S .   H.  Tsa i,   On   t h e   sin g u lar  c a se o th e   c o m p lex   Ro u t h   a lg o rit h m   fo r   sta b il i ty   tes ts,”  IM A   J .   M a t h .   Co n tr.  I n f o rm . ,   v o l.   1 0 ,   p p .   7 1 8 2 ,   M a rc h   1 9 9 3 .     [ 1 1 ]   R .   N .   C l a r k ,   T h e   R o u t h - H u r w i t z   s t a b i l i t y   c r i t e r i o n ,   r e v i s i t e d ,   I E E E   C o n t r o l   S y s t e m s ,   v o l .   1 2 ,   n o .   3 ,   p p .   1 1 9 - 120,   1992.   [1 2 ]   M .   A.   Ch o g h a d i   a n d   H.   A.   Tale b i,   Th e   r o u th - h u rwitz   sta b il it y   c rit e rio n ,   re v isit e d :   th e   c a se   o f   m u lt ip le  p o les   o n   ima g in a ry   a x is ”,  IE EE   T r a n sa c ti o n o n   A u t o ma ti c   C o n t r o l v o l .   5 8 n o .   7 ,   p p .   1 8 6 6 - 1 8 6 9 ,   Ju l y   2 0 1 3 .   [1 3 ]   B.   B.   Ala g o z ,   On   t h e   h a rm o n ic  o sc il latio n   o h i g h - o rd e li n e a ti m e - in v a rian s y ste m s ,   Co mp u ter   S c ien c e ,   Disc re te  M a t h e ma ti c s,  a rXiv p p . 1 - 1 2 ,   2 0 1 4 .   [1 4 ]   N.  Tan ,   Co m p u tatio n   o S tab il i z in g   P a n d   P ID  c o n tro ll e rs  fo r   p ro c e ss e with   t ime   d e lay ,   IS A   T ra n sa c ti o n s   v o l.   4 4 ,   n o .   2 ,   p p   2 1 3 - 2 2 3 ,   A p ril   2 0 0 5 .   [1 5 ]   T.   V.   M o g h a d d a m   a n d   Ab b a si   Y.  Tu n in g   a   fra c ti o n a l   o r d e P a n d   P ID  c o n tr o ll e r   with   lea d   c o m p e n sa to f o r   i n teg ra ti n g   t ime - d e lay   sy ste m s ,   J o u rn a o El e c trica a n d   C o n tr o l   En g i n e e rin g ,   v o l.   2 ,   p p   3 4 - 4 1 ,   2 0 1 4 .   [1 6 ]   J.  Ch e n ,   P .   F u ,   S ta b il it y   a n a l y sis  o p o l y n o m ially   d e p e n d e n t   sy ste m b y   e ig e n v a lu e   p e rtu r b a ti o n ,   IEE E   T ra n sa c ti o n o n   Au to ma ti c   Co n tr o l ,   v o l .   6 2 ,   iss u e   1 1 ,   p p .   5 9 1 5 - 5 9 2 2 ,   2 0 1 7 .   [1 7 ]   L.   Wan g ,   B.   K.  P .   Ho r n ,   G .   S tran g ,   Ei g e n v a l u e   a n d   e ig e n v e c to a n a ly sis o sta b il it y   fo a   li n e   o tra ffic ,   S tu d ies   in   Ap p li e d   M a t h e ma ti c s J o u r n a l ,   v o l.   1 3 8 ,   n o .   1 ,   p p .   1 0 3 - 1 3 2 ,   S e p tem b e 2 0 1 6 .   [1 8 ]   N.  M ir - Na siri,   M .   H.  Ali ,   n e a lg o rit h m   to   c o n tr o d y n a m ic  sta b il it y   o f   h i g h e r - o r d e sy ste m s ,   Pro c e e d in g o f   IEE In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Co n tro l   S y ste ms ,   Co mp u ti n g   a n d   En g i n e e rin g ,   N o v e m b e 2 0 1 8 .   [1 9 ]   M a rk   A.  Ha id e k k e r,   S o lv in g   Di ffe re n ti a Eq u a ti o n in   th e   La p lac e   Do m a in ,   Li n e a F e e d b a c k   C o n t ro ls,   El se v ier ,     p p .   2 7 - 5 6 ,   2 0 1 3 .   [2 0 ]   M a rk   A.  Ha id e k k e r,   S tab i li ty   A n a ly sis  fo Li n e a S y ste m s,   Li n e a F e e d b a c k   Co n tro ls,   El se v ier ,   p p .   1 3 9 - 1 4 8 ,   2 0 1 3 .   [2 1 ]   T a k a sh i   A m e m iy a ,   De lay - in d e p e n d e n sta b il it y   o h ig h e r - o rd e s y ste m s ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o Co n tro l ,   v o l .   50 n o .   1,   p p .   1 3 9 - 1 4 9 ,   1 9 8 9 .   [2 2 ]   J.   N.  Re d d y ,   N.   D.  P h a n ,   S ta b il it y   a n d   v i b ra ti o n   o f   iso tr o p ic,   o rth o tro p ic  a n d   lam in a ted   p late a c c o rd in g   t o     a   h ig h e r - o rd e sh e a d e f o rm a ti o n   t h e o ry ,   J o u rn a o S o u n d   a n d   Vi b ra ti o n ,   v o l.   9 8 ,   n o .   2,   p p .   1 5 7 - 1 7 0 ,   Ja n u a ry   1 9 8 5 .   [2 3 ]   Erwin   E .   H .,   et   al . ,   S tab il it y   b o u n d a ries   a n d   late ra p o st u re   c o n tro l   in   p a rk i n so n   d ise a se ,   M o t o c o n tr o l v o l. 5 ,   n o .   3 ,   p p .   2 5 4 - 2 6 9 ,   Au g u st   2 0 0 1 .   [2 4 ]   A.  Na th ,   S .   Ka it wa n id v il a i,   Hig h - p e rfo rm a n c e   HD se rv o   sy ste m   u sin g   G b a se d   fix e d   st ru c tu re   ro b u st     lo o p   S h a p i n g   c o n tro l ,   Pr o c e e d in g o f   IEE E   In ter n a ti o n a l   Co n f e re n c e   o n   R o b o ti c a n d   Bi o mim e ti c (ROB IO)   p p .   1 8 5 4 - 1 8 5 9 ,   Ja n u a ry   20 10 .   [2 5 ]   G .   Zh a n g ,   J.  F u r u sh o ,   S p e e d   c o n tro l   o tw o - in e rt ia  sy ste m   b y   P I /P ID  c o n tr o l”,  IE EE   T r a n sa c ti o n o n   I n d u stria l   El e c tro n ics ,   v o l.   4 7 ,   no   3 ,   p p .   6 0 3 - 6 0 9 ,   Ju l y   2 0 0 0 .       B I O G RAP H I E S   O F   AU T H O RS        Na z im   M ir - Na sir i,   fr o m   2 0 1 3   u n ti 2 0 1 9   h a d   h e ld   t h e   p o siti o n   o f   P ro fe ss o o E lec tri c a a n d   El e c tro n ics   De p a rtme n a th e   S c h o o o E n g i n e e rin g   o Na z a rb a y e v   Un i v e rsity   i n   As tan a ,   Ka z a k h sta n .   Th r o u g h o u t   h is  c a r e e r,   h e   h a p u b li s h e d   m o re   t h a n   8 0   s c ien ti fic  p a p e rs  in     th e   fiel d s o h is i n tere st:  De sig n   o M e c h a n ism s,  Ro b o De sig n   a n d   Co n tr o l,   M a c h i n e   Visio n ,   In telli g e n S y ste m s.  He   is  a   m e m b e o IEE a n d   IET ,   t h e   e d it o rial  b o a rd   m e m b e o   th e   In tern a ti o n a J o u r n a o M e c h a tro n ics   a n d   Au to m a ti o n   (IJ M A) ,   In d e rsc ien c e   P u b li sh e r a n d   In tern a ti o n a J o u r n a o A u t o m a ti o n   a n d   C o m p u t in g   (IJA C)” ,   S p ri n g e Ve rlag .   He   h a re c e iv e d   se v e ra a wa rd a t h e   In tern a ti o n a l   Ex h i b it i o n a n d   Co m p e ti ti o n i n   K u a la  Lu m p u r   fo h is  i n n o v a ti v e   d e sig n   wo r k   wh il e   h e   wa h o ld i n g   t h e   p o siti o n   o f   P ro fe ss o a n d   Co o rd i n a to r   o th e   M e c h a tro n ics   P ro g ra m   a th e   S c h o o o E n g i n e e rin g   o S win b u rn e   Un i v e rsity   o Tec h n o l o g y   (M a lay sia n   c a m p u s o Au stra li a n   u n i v e rsity fr o m   2 0 0 5   to   2 0 1 2           Md .   H a z r a Al is  a n   a ss istan t   p r o fe ss o a S E DS ,   Na z a rb a y e v   Un i v e rsity ,   K a z a k h sta n   a n d   a   se n io m e m b e o I EE E.   Dr . Ali  o b tai n e d   h is  B. S c .   a n d   M . S c .   in   M e c h a tro n ics   E n g i n e e rin g   fro m   IIUM ,   M a lay sia ,   a n d   P h i n   M e c h a n ica En g in e e rin g   fro m   Ky u sh u   Un iv e rsit y ,   Ja p a n .   He   wa a w a rd e d   S il v e a n d   Bro n z e   m e d a ls   fo h is  sc ien ti fic  re se a r c h   a c c o m p li sh m e n ts  in   th e   Tec h n o lo g y   In n o v a ti o n   E x h i b it io n   2 0 1 0 ,   K u a la  Lu m p u r,   M a l a y sia .   He   h a n e a rly   1 0 0   sc ien ti fic p u b li c a ti o n s i n   j o u r n a ls,  c o n fe re n c e   p r o c e e d in g s,   a n d   sy m p o siu m s.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.