background image

Pole Placement Approaches for Linear and Fuzzy 

Systems 

 

S. Preitl

*

, R.-E. Precup

*

, P.A. Clep

*

, I.-B. Ursache

*

, J. Fodor

**

 and I. Škrjanc

***

 

*

 Dept. of Automation and Applied Informatics, “Politehnica” University of Timisoara, Timisoara, Romania 

**

 Institute of Intelligent Engineering Systems, Budapest Tech Polytechnical Institution, Budapest, Hungary 

***

 Laboratory of Modelling, Simulation and Control, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia 

stefan.preitl@aut.upt.ro, radu.precup@aut.upt.ro, alexandru.clep@aut.upt.ro, bogdan.ursache@aut.upt.ro, 

fodor@bmf.hu, igor.skrjanc@fe.uni-lj.si 

 
 

Abstract—The paper investigates several pole placement 
methods in the linear case and suggests a new pole 
placement method by means of fuzzy linear equations. The 
linear methods concern the constant real part poles, the 
poles places on a circle, Butterworth configurations without 
and with the correction of the imaginary part, the pole-zero 
cancellation, and the poles placed on an ellipse. Low order 
systems are considered. The pole placement methods are 
compared by the digital simulation of control systems’ 
behaviors with respect to the modification of the reference 
input. The conclusions are useful for continuous control 
systems, and they can be extended easily to digital control 
systems including quasi-continuous ones. 

I. 

I

NTRODUCTION

 

The well accepted necessity behind the pole placement 

design of state feedback control system (SFCS) is justified 

due to [1]: 

The performance specifications including the stability 

request, the sensitivity analysis and the performance 

indices defined in systems’ dynamic behaviors 

(overshoot, settling time, etc.) can be defined 

adequately. 

The implementation of the state feedback controllers  

(SFCs) can be accomplished easily by pole placement 

ensuring an elegant way to insert supplementary 

nonlinear functionalities such as limitations and Anti-

Windup-Reset (AWR) measures. 

The pole placement for single input-single output 

(SISO) systems allows the univocal determination of 

the state feedback gain matrix. The problem is not 

solved in case of multi input-multi output (MIMO) 

systems where the degrees of freedom need additional 

constrains [1-4]. 

The SFCS performance indices are influenced directly 

by the SFC design. Many methods are available with this 

regard because the placement of poles and zeros ensures 

the desired control system behavior and performance. 

Therefore the classical subject of pole placement is still 

actual and present in the literature [5-8]. 

The paper presents the basic rules of pole placement 

(with the placement of zeros in certain cases). The 

approaches deal with constant real part poles, poles placed 

on a circle, Butterworth configurations without and with 

the correction of the imaginary part, and pole-zero 

cancellation. Also, another advantageous method 

mentioned in [9] and characterized by the poles placed on 

an ellipse is suggested and analyzed here. 

The SFC gain matrix is obtained usually in case of 

SISO linear control systems in terms of Ackermann’s 

formula given the state mathematical model of the 

controlled plant and the desired / imposed positions of 

poles. Ackermann’s formula can be viewed as a linear 

equation or a system of linear equations given the desired 

characteristic polynomial of the closed-loop system (the 

SFCS). However in real-world applications the designer 

might encompass a difficult task in imposing crisp 

positions of the poles accounting for the set of constraints 

regarding the SFCS behavior. So the first idea of this 

paper is to accept the poles characterized by fuzzy 

numbers and positions imposed in the framework of the 

new ellipse-based pole placement method from the linear 

case. Nevertheless, the plant model can be subject to 

uncertainties and the second idea of this paper is to 

consider the plants characterized by linear models with 

fuzzy parameters. Therefore the SFC gain matrix will be 

obtained as the solution to a system of fuzzy linear 

equations. The method is simple and straightforward 

compared to similar methods reported in [5-8], [10]. 

The paper is organized as follows. The next Section 

presents methods for pole placement for linear SFCSs and 

addresses the pole-zero cancellation issue. Section III is 

dedicated to the ellipse-based pole placement method. 

Aspects concerning the new pole placement method based 

on fuzzy linear equations are highlighted in Section IV. 

Case studies for third, fourth and fifth order SFCSs are 

presented in Section V together with a comparative 

analysis of several pole placement methods. Section VI 

outlines the concluding remarks. 

II.  P

OLE 

P

LACEMENT 

M

ETHODS FOR 

L

INEAR 

S

YSTEMS

 

The classical SFCS structure extended with zero error 

controller (ZEC), reference block (RB) and disturbance 

compensation block (DCB) is presented in Fig. 1 (with CP 

– controlled plant). The general principles concerning pole 

placement designs applied to SFCSs are well known: 

Due to the stability conditions, the poles must be 

placed in the left-hand half-plane 

0

}

Re{

<

s

 keeping 

a stability margin delimited by 

sm

σ

The pole placement must ensure as small as possible 

settling times in system’s transients. This leads to the 

necessity for the absolute value of the real part of all 

1-4244-2407-8/08/$20.00 ©2008 IEEE

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

poles (

n

k

i

p

k

k

k

,

1

,

=

ω

+

σ

=

 with 

n

 – system’s 

order), 

|

|

|

}

Re{

|

k

k

p

σ

=

, to be as big as possible, and 

|

|

|

|

}

Im{

k

k

k

p

σ

ω

=

. The last requirement can be 

expressed under the form of the condition 

|

|

|

|

max

σ

<

σ

k

The choice of an extremely big value of 

|

|

max

σ

 

implies difficulties to be avoided: big values of the 

SFC gains, increased sensitivity with respect to 

disturbance inputs, additional power at the actuator 

level, etc. 

Because of these motives, the literature does not offer 

ideal or univocal recommendations on the pole placement. 

In addition, the recommendations become less and less 

accurate when the system order increases. 

The above mentioned principles are expressed in terms 

of the recommended domain of feasible poles D

p

 

illustrated in Fig. 2 in two versions, a and B. The version a 

presented in Fig. 2 a is used frequently. The limitations 

imposed through the values of 

min

σ , 

max

σ  and 

max

ψ

 

depend on the maximum imposed settling time, the 

overshoot 

1

σ  and the damping factor specific to the 

transients,  ρ  and the constraints related to the 

implementation of the SFC. One usual relationship is 

 

)

3

(

2

/

min

max

>

σ

σ

, (1) 

 

Fig. 1. Extended structure of state feedback control system 

 

Fig. 2. Two versions of the domain of feasible poles 

and the minimum value 

min

σ  is correlated often with the 

following sum: 

 

¦

=

ν

ν

σ

n

p

n

1

min

|

}

Re{

|

1

. (2) 

The value of 

M

ψ  is usually about 45

o

. The maximum 

value, 

max

σ , is fixed arbitrarily but in correlation with the 

constraints related to the implementation of the SFC. 

The first placement rule, which is common to many 

methods, involves the hard constraint on the position of 

two dominant poles p

1

 and p

2

 corresponding to the points 

M

1

 and M

2

 in Fig. 2 a. The rule involves also the soft 

constraint on the positions of the other poles p

3

p

4

, etc. in 

the domain D

p

. The classical methods of pole placement 

concern the placement of the remaining (n–2) poles, they 

are presented as follows and referred to as I to IV. 

I. All poles fulfill the placement condition 

 

n

p

p

,

3

 ,

}

Re{

}

Re{

min

2

,

1

=

ν

σ

=

=

ν

. (3) 

The poles are placed on a parallel line to the imaginary 

axis according to Fig. 3 a. 

II. The poles are placed on a circle of radius 

0

ω  

centered in the origin. The circle contains the poles p

1

 and 

p

2

 poles. The angle between two consecutives poles is 

constant (Fig. 3 b). 

Both methods are easy to use, but II ensures smaller 

settling time. The performance of the SFCSs designed by 

the methods I and II are satisfactory, but the settling time 

takes generally big values. 

III. The Butterworth configuration corresponds to the 

poles of Butterworth filters. This method is recommended 

when the CP and the SFCS do not have dominant zeros. 

The placement condition is 

 

n

n

n

i

p

,

1

 

]},

2

)

1

2

(

2

[

exp{

0

=

ν

π

+

π

ω

=

ν

. (4) 

The method places the poles on a on a circle of radius 

0

ω  centered in the origin according to Fig. 4. For n>2 the 

placed poles drop outside the recommended domain so the 

system becomes more and more oscillating. Three 

possibilities of pole placements can be used. They 

correspond to three Butterworth circles: 

 

Fig. 3. Poles with constant real part (a) and placed on a circle (b) 

 

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

 

Fig. 4. Butterworth configurations 

 

-

 

the internal Butterworth circle of radius 

min

σ  with the 

poles 

n

p

i

,

1

,

=

ν

ν

, resulting in the slowest SFCS, 

-

 

the medium Butterworth circle of radius 

min

0

2

σ

=

ω

 with the poles 

n

p

m

,

1

,

=

ν

ν

-

 

the external Butterworth circle of radius 

'
0

ω  with the 

poles 

n

p

e

,

1

,

=

ν

ν

, resulting in the fastest SFCS. 

Only the settling times differ for the three previously 

presented versions. The larger the system order is the 

larger the overshoot will be. 

IV. The minimization of the ITAE performance 

criterion [11] 

 

³

=

0

d

|

)

(

|

t

t

e

t

I

, (5) 

sets indirectly the pole placement. The calculation of the 

integral becomes complicated for n >10. 

V. If the controlled plant contains zeros, they will be 

preserved in the SFCS structure that will exhibit more and 

more oscillating transients as the zeros become more 

dominant. That is the reason why it is advised to place the 

poles such that they cancel the zeros as follows: 

-

 

zeros placed in the left-hand half-plane are canceled 

by poles taking the same values (Fig. 5 a), 

-

 

zeros placed in the right-hand half-plane are canceled 

by poles placed symmetrically on the imaginary axis 

(Fig. 5 b). 

If the cancellation process is imperfect, its favorable effect 

will be lost. This is important when the zeros are close to 

the imaginary axis. 

 

Fig. 5. Pole-zero cancellation 

 

III.

 

E

LLIPSE

-

BASED 

P

OLE 

P

LACEMENT 

M

ETHOD

 

The idea behind this new method is to impose rigidly 

that the two dominant poles p

1

 and p

2

 to be placed in the 

points  M

1

 and M

2

 (Fig. 2 a) with 

min

2

,

1

}

Re{

σ

=

p

 and 

the other poles 

n

p

,

3

,

=

ν

ν

, are placed on an ellipse 

centered in the origin and passing through the points M

1

M

2

 and B

0

 (Fig. 2). The coordinates of the imposed poles 

are illustrated in Fig. 6 (the domain D

p

 is inside the dashed 

region) and calculated according to the following steps: 
-

 

Step 1. The values of 

min

σ  and 

max

σ  are set 

accounting for the desired control system 

performance indices and the constraints related to the 

implementation of the SFC. Next the values of 

0

ω  

and 

'
0

ω  are determined. 

-

 

Step 2. The poles 

n

p

e

,

1

,

=

ν

ν

, are placed making use 

of the external Butterworth configuration 

 

n

n

n

i

p

e

,

1

 

]},

2

)

1

2

(

2

[

exp{

'
0

=

ν

π

+

π

ω

=

ν

. (6) 

The first two poles must fulfill the condition 

 

min

2

,

1

}

Re{

σ

=

p

. (7) 

-

 

Step 3. Two situations arise depending on the position 
of the point 

)

0

,

(

'
0

'

0

i

B

ω

 with respect to the point 

)

0

,

(

max

0

i

B

σ

 indicating the fastest Butterworth 

filter. Firstly, if 

'

0

 is placed on the right-hand side of 

0

, then no correction is needed. Secondly, if 

'

0

 is 

placed on the left-hand side of 

0

, then it will be 

necessary to analyze whether the designed solution 

fulfills the performance indices and constraints. If 
not, then the position of 

'

0

 will be position is 

bounded to 

0

 and a compromise to the value of 

min

σ  will needed possibly by approach to the origin. 

Hence the control system becomes slower and the 

abscissa of those poles will set the abscissa of the new 

poles placed on the ellipse. 

 

Fig. 6. Ellipse-based pole placement 

 

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

-

 

Step 4. The poles 

n

p

i

,

1

,

=

ν

ν

, are placed on the 

internal Butterworth circle 

 

n

n

n

i

p

i

,

1

 

]},

2

)

1

2

(

2

[

exp{

'
min

=

ν

π

+

π

σ

=

ν

, (7) 

where the radius 

'
min

σ  is calculated in (8): 

 

2

/

2

)

2

2

sin(

0

'
min

ω

=

π

+

π

σ

n

, (8) 

for 

1

=

ν

 and 

o

45

max

=

ψ

. These ordinate of these 

poles will fix the ordinate of the new poles placed on 

the ellipse. 

Step 5. The dominant poles 

p

1

 and 

p

2

 are imposed to 

be placed in the points 

M

1

 and 

M

2

 belonging to the 

medium Butterworth circle of radius 

min

0

2

σ

=

ω

 

for 

o

45

max

=

ψ

 but moved away from the poles 

n

p

m

,

1

,

=

ν

ν

Step 6. Making use of (8), the 

n

 poles will be placed 

on an ellipse centered in the origin and passing 
through the points 

M

1

M

2

 and 

'

0

B

 

.

 ,

,

1

),

2

2

sin(

)

2

2

cos(

'
0

'
min

'
min

'
0

ω

<

σ

=

ν

π

+

π

σ

+

π

+

π

ω

=

ν

n

n

i

n

p

 (9) 

The equation of that ellipse is 

 

1

)

/

(

)

/

(

2

'
min

2

'
0

=

σ

ω

+

ω

σ

. (10) 

It may degenerate to a circle under certain conditions. 

IV.

 

P

OLE 

P

LACEMENT 

M

ETHOD 

B

ASED ON 

F

UZZY 

L

INEAR 

E

QUATIONS

 

Ackermann’s formula can be employed easily in case of 

SISO linear systems resulting in the SFC gain matrix 

k

T

 

)

(

]

1

...

0

0

[

1

A

S

k

P

T

=

, (11) 

where 

S

 is the controllability matrix, with its well 

accepted expression. 

]

...

 

[

1

b

A

b

A

b

S

=

n

. The 

matrix polynomial term 

)

(

A

P

 is obtained from the 

desired characteristic polynomial of the closed-loop 

system (the SFCS) calculated from the imposed poles 

n

p

,

1

,

=

ν

ν

 

=

ν

ν

=

n

p

s

s

P

1

)

(

)

(

. (12) 

In uncertain environments, the crisp equation obtained 

from the transformation of (11): 

 

]

1

...

0

0

[

)

(

1

=

S

A

k

P

T

, (13) 

can be viewed as a fuzzy equation. Unlike crisp equations, 

which imply the identity of the left and right-hand 

expressions, fuzzy equations do not necessarily carry this 

implication. Several definitions of fuzzy equations are 

given in [12] accepting the fuzzy sets A,  B on R, a real 

crisp variable x, and considering * an operator satisfying 

Zadeh’s extension principle. Two such definitions are: 

-

 

A type-Į equation is defined as A*x=B; the equation 

means that the fuzzy set A*x is the same as the fuzzy 

set B

-

 

A type-Ȗ equation is defined as A*x§B; this definition 

is one of the weak equalities and it is interpreted as 

B

x

A

=

*

 if 

≥∈

)

.

*

(

B

x

A

S

, where S  is  some  scalar 

measure of the similarity between two fuzzy sets and 

 is a suitable threshold value. 

In case of fuzzy numbers, a fuzzy linear equation is in 

form of 

B

x

A

~

~

 

~

=

, where  A

~

,  B

~

 and  x~  are fuzzy numbers. 

It is well know that there exist no inverse numbers under 

fuzzy numbers arithmetic addition and multiplication 

respectively. 

If  F is a mathematical function involving fuzzy 

parameters, then a number X can not be found generally 

such that F(X)=B. Even if a solution does exist it becomes 

difficult to find. A procedure to determine the degree to 

which a proposed solution satisfies a given equation to 

settle for a solution which only makes the given equation 

only approximately true has been suggested in [13]. 

Large applicability in control systems can be found for 

matrix equations 

b

x

A

~

~

 

~

=

 where 

1

]

~

[

~

×

=

n

j

x

x

n

n

ij

a

×

=

]

~

[

~

A

 

is a matrix with fuzzy numbers as entries and 

1

]

~

[

~

×

=

n

i

b

b

 

is a vector of fuzzy numbers. Differently expressed, the 

fuzzy linear equation is 

 

n

i

b

x

a

i

n

j

j

ij

,

1

 ,

~

~

~

1

=

=

¦

=

. (14) 

Systems of linear interval equations are obtained taking 

the Į-levels of (14). But these interval equations are hard 

to solve, consequently the exact solution does not always 

exists, and a first solution has been proposed in [14]. The 

idea of this paper is to consider the equations (13) in the 

framework of (14) accounting for the fuzzy modeling of 

the controlled plant and the fuzzy pole placement. 

V.  C

ASE 

S

TUDIES

 

The following six versions of pole placement methods 

have been considered for third, fourth and fourth order 

linear SFCSs: poles placed on the medium Butterworth 

circle (B-m), poles placed on the external Butterworth 

circle (B-e), poles resulted from the minimization of the 

ITAE performance criterion (abbreviated by ITAE), poles 

placed on a parallel line to the imaginary axis in terms of 
the method I (M-I), poles placed on a circle of radius 

0

ω

 

centered in the origin in terms of the method II (M-II), and 

poles placed in terms of the ellipse-based pole placement 

method presented in Section III (abbreviated EBPP). For 
all six versions it is accepted that 

'

0

 is placed on the 

right-hand side of 

0

 and 

22

.

3

/

1

'
0

max

ω

σ

. The pole 

configurations are calculated and presented in Table I 

corresponding to all six pole placement versions. 

 

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

TABLE I. 

P

OLE 

C

ONFIGURATIONS

 

Method Case 

study 

n=3 

n=4 

n=5 

B-m 

–0.5

±0.866i

–1 

–0.3827

±0.924i

–0.924

±0.3827i 

–0.309

±0.5877i

–0.809

±0.951i

–1 

B-e 

–0.707

±1.2247i

–1.4142 

–0.707

±1.707i

–1.707

±0.707i 

–0.707

±2.176i

–1.851

±1.345i

–2.288 

ITAE 

–0.521

±1.068i

–0.707 

–0.424

±1.263i

–0.626

±0.414i 

–0.3764

±1.292i

–0.575

±0.534i

–0.8955 

M-I 

–0.707

±0.707i

–0.707 

–0.707

±0.707i

–0.707

±0.3824i 

–0.707

±0.707i

–0.707

±0.293i

–0.707 

M-II 

–0.707

±0.707i

–1 

–0.707

±0.707i

–0.966

±0.2588i 

–0.707

±0.707i

–0.924

±0.3824i
–1 

EBPP 

–0.707

±0.707i

–1.4142 

–0.707

±0.707i

–0.707

±0.292i 

–0.707

±0.707i

–1.851

±0.437i

–2.288 

 

The controlled plant is characterized by the following 

transfer functions [9]: 

 

s

 

1

.

0

 ,

s

 

166

.

0

,

s

 

25

.

0

 ,

s

 

5

.

0

 ,

s

 

1

),

/

1

)(

/

1

)(

/

1

)(

/

1

)(

/

1

(

)

(

s,

 

1

.

0

 ,

s

 

25

.

0

 ,

s

 

5

.

0

 ,

s

 

1

),

/

1

)(

/

1

)(

/

1

)(

/

1

(

)

(

,

s

 

1

.

0

 ,

s

 

5

.

0

 ,

s

 

1

),

/

1

)(

/

1

)(

/

1

(

)

(

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

4

3

2

1

4

3

2

1

3

2

1

3

2

1

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

T

T

T

T

T

s

T

s

T

s

T

s

T

s

T

s

P

T

T

T

T

s

T

s

T

s

T

s

T

s

P

T

T

T

s

T

s

T

s

T

s

P

 (15) 

The SFCS structure is presented in Fig. 7, where d

1

 and d

2

 

are disturbance inputs. The application of Ackermann’s 

formula (11) for the three case studies gives the SFC 

matrices presented in Table II. 

The behaviors of the designed SFCSs can be analyzed 

considering the effects in the system response with respect 

to the modification of the reference input, the disturbance 

input. The behavior in the frequency domain can be 

analyzed, too [9]. The parametric modifications of the 

controlled plant can be analyzed in both the frequency and 

the time domain in terms of the sensitivity analysis and 

eventually the robustness one. 

Only the system behavior with respect to the unit step 

modification of the reference input is presented here. With 

this regard the several linguistic terms corresponding to 

the performance indices defined in the time variation of 

the controlled output are defined: 

-

 

definitions for the overshoot 

1

σ : VG (very good) for 

%

 

7

%

 

0

1

<

σ

, G (good) for 

%

 

11

%

 

7

1

<

σ

, A 

(acceptable) for 

%

 

15

%

 

11

1

<

σ

, AQ (acceptable 

but questionable) for 

%

 

15

1

σ

-

 

definitions for the first settling time 

1

: VG for 

s

 

05

.

0

s

  

0

1

<

≤ t

, G for 

s

 

07

.

0

s

 

05

.

0

1

<

≤ t

, A for 

s

 

1

.

0

s

 

07

.

0

1

<

≤ t

, AQ for 

s

 

1

.

0

1

t

-

 

definitions for the settling time 

s

: VG for 

s

 

08

.

0

s

  

0

<

s

t

, G for 

s

 

12

.

0

s

 

08

.

0

<

s

t

, A for 

s

 

15

.

0

s

 

12

.

0

<

s

t

, AQ for 

s

 

15

.

0

s

t

-

 

definitions for the IAE performance criterion 

³

=

0

d

|

)

(

|

t

t

e

J

: VG for 

5

.

0

0

<

≤ J

, G for 

1

5

.

0

<

≤ J

, A for 

5

.

1

1

<

≤ J

, AQ for 

5

.

1

J

Therefore the behavior of the fifth order system case study 

in (15) with respect to the reference input is highlighted in 

Table III. 

 

TABLE II. 

S

TATE 

F

EEDBACK 

C

ONTROLLER 

M

ATRICES

 

Method Case 

study

 

n=3 

n=4 

n=5 

B-m 

[.05  .1  .2] 

[.13  .0334 

.0865  .263] 

[.0021  .0067 

.0218  .0072  .324] 

B-e 

[.14  .2  .203] 

[.013  .206 

.291 .403] 

[.131  .105 

.261  .457  .74] 

ITAE 

[.05  .107 

.175] 

[.012  .0327 

.0833  .21] 

[.0021  .0071 

.0229  .0833  .28] 

M-I 

[.035  .1  .212] 

[.007  .027 
.008  .203] 

[.0009 .0045 

.02  .0931 .354] 

M-II 

[.05  .107 

.241] 

[.0125  .042 

.118  .335] 

[.0021  .009 

.033  .1312  .426] 

EBPP [.707 

 

.15 

.283] 

[.037  .096 

.221  .4828] 

[.0172  .0496 

.131  .3593  .74] 

 

 

Fig. 7. State feedback control system used in case studies 

 

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

TABLE III. 

P

ERFORMANCE 

I

NDICES OF 

F

IFTH 

O

RDER 

S

YSTEM 

C

ASE 

S

TUDY 

(15)

 

IN 

U

NIT 

S

TEP 

M

ODIFICATION OF 

R

EFERENCE 

I

NPUT

 

Method Performance 

index

 

ı

t

t

s

 

B-m G  VG  A 

VG 

B-e G VG VG 

AQ 

ITAE G  G  VG 

VG 

M-I AQ AQ  G VG 

M-II AQ  AQ  A G 

EBPP VG G 

(VG) VG A 

VI.

 

C

ONCLUSION

 

The ellipse-based pole placement method suggested 

here for linear control systems exhibits the following 

advantages with respect to other ellipse-based methods 

reported in the literature: 
-

 

The method does not require sophisticated either 

reasoning and / or calculus. 

-

 

The method ensures the univocal placement of poles 

inside the recommended domain. 

-

 

The dominant poles are placed in the very favorable 

points  M

1

 and M

2

 of the recommended domain that 

ensures good SFCS performance indices 

characterized by very good overshoot 

(

%

5

%

4

1

σ

) and small settling time. 

-

 

The real part of the remaining (n–2) poles is 

increasing and their imaginary part is decreasing. This 

results in fast and well damped SFCS transients. 

-

 

The method is subject to easy implementation in 

terms of algorithms and computer-aided design due to 

its systematic six steps formulation. 

However the single shortcoming, which is generally met 

in all the other pole placement methods, is the rational 
setting of 

min

σ  and 

'
0

ω . 

The pole placement method based on fuzzy linear 

equations method proves to be easily understandable for 

the designer and practitioner. Hence this original method 

can be implemented in the framework of low-cost 

automation solutions when the numerical problems 

associated with it can be solved. 

Both methods proposed here, the ellipse-based one and 

the fuzzy linear equations-based one, can be extended to 

the designs of state feedback observers by pole placement. 

Extension to quasi-continuous digital control, digital 

control, implementations, additional tests and applications 

[15-20] represent directions of future research. 

The linguistic characterization defined in the previous 

Section allows the fuzzy characterization of system’s 

behavior. This aspect leads to the idea of a new adaptive 

fuzzy control system to be tackled in the future research. 

A

CKNOWLEDGMENT

 

This work was supported by the cooperation between 

Budapest Tech Polytechnical Institution and “Politehnica” 
University of Timisoara (PUT), and University of 
Ljubljana and PUT, in the framework of the Hungarian-
Romanian and Slovenian-Romanian Inter-governmental S 

& T Cooperation Programs. The support from the 
CNCSIS and CNMP of Romania is acknowledged. The 
contribution of Mrs. Dipl. Ing. Angela Porumb in the early 
phase of this project is appreciated. 

R

EFERENCES

 

[1]  B. C. Kuo and F. Golnaraghi, Automatic Control Systems, 8

th

 

Edition. New York: John Wiley & Sons, 2002. 

[2]  J. Ackermann, “Entwurf durch Polvorgabe,” Regelungstechnik

vol. 25, pp. 173–179, April 1977. 

[3]  H. -R. Buehler, “Minimierung der Norm des Rückführvektors bei 

der Polvorgabe,” Automatisierungstechnik, vol. 34, pp. 152–155, 

April 1986. 

[4]  U. Konigorski, “Entwurf robuster, strukturbeschränkter 

Zustandsregelungen durch Polgebietsvorgabe mittels 
Straffunktionen,”  Automatisierungstechnik, vol. 35, pp. 457–463, 

Sept. 1987. 

[5]  W. Assawinchaichote and S. K. Nguang, “Fuzzy H

 output 

feedback control design for singularly perturbed systems with pole 
placement constraints: an LMI approach,” IEEE Trans. Fuzzy 

Syst., vol. 14, pp. 361–371, June 2006. 

[6]  Y. G. Sun, L. Wang, G. Xie, and M. Yu, “Improved overshoot 

estimation in pole placements and its application in observer-based 
stabilization for switched systems,” IEEE Trans. Autom. Control

vol. 51, pp. 1962–1966, Dec. 2006. 

[7]  Y. Kaiyang and R. Orsi, “Static output feedback pole placement 

via a trust region approach,” IEEE Trans. Autom. Control, vol. 52, 

pp. 2146–2150, Nov. 2007. 

[8]  U. Helmke, J. Rosenthal, and X. Wang, “Pole placement results 

for complex symmetric and Hamiltonian transfer functions,” in 
Proc. 46

th

 IEEE Conference on Decision and Control, New 

Orleans, LA, 2007, pp. 3450–3453. 

[9]  S. Preitl and A. Porumb, “About poles placement for sate feedback 

control systems design,” in Proc. First International Conference 
on Technical Informatics CONTI’94
, Timisoara, Romania, 1994, 

vol. 3, pp. 119–128. 

[10]  F. Liu, “Fuzzy pole placement design with H

 disturbance 

attenuation for uncertain nonlinear systems,” in Proc. 2003 IEEE 
Conference on Control Applications
, Istanbul, Turkey, 2003, vol. 

1, pp. 392–396. 

[11]  R. C. Dorf and R. H. Bishop, Modern Control Systems, 9

th

 Edition. 

Upple Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2007. 

[12]  D. Dubois and H. Prade, Fuzzy Sets and Systems: Theory and 

Applications. New York: Academic Press, 1980. 

[13]  D. P. Filev and R. Yager, “Operations on fuzzy numbers via fuzzy 

reasoning,”  Fuzzy Sets and Systems, vol. 91, pp 137–142, Oct. 

1997. 

[14]  J. Buckley and Y. Qu, “Solving systems of linear fuzzy 

equations,” Fuzzy sets and Systems, vol. 43, pp 33–43, Sept. 1991. 

[15]  K. Tanaka, T. Ikeda, and H. O. Wang, “Fuzzy regulators and 

fuzzy observers: relaxed stability conditions and LMI-based 

designs,” IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 6, pp. 250–265, May 1998. 

[16]  L.  Horváth  and  I.  J.  Rudas,  Modeling and Problem Solving 

Methods for Engineers. Burlington, MA: Academic Press, 

Elsevier, 2004. 

[17]  A. Sala, T. M. Guerra, and R. Babuška, “Perspectives of fuzzy 

systems and control,” Fuzzy Sets and Systems, vol. 156, pp. 432–

444, Dec. 2005. 

[18]  I. Skrjanc, S. Blazic, and O. Agamennoni, “Interval fuzzy model 

identification using l

-norm,” IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 13, 

pp. 561–568, Dec. 2005. 

[19]  T. Orlowska-Kowalska and K. Szabat, “Control of the drive 

system with stiff and elastic couplings using adaptive neuro-fuzzy 
approach,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, pp. 228–240, Feb. 

2007. 

[20]  R. -E. Precup, S. Preitl, and P. Korondi, “Fuzzy controllers with 

maximum sensitivity for servosystems,” IEEE Trans. Ind. 

Electron., vol. 54, pp. 1298–1310, June 2007. 

 

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:51 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.