Application of Group Method of Data Handling and New Optimization Algorithms for Predicting Sediment Transport Rate under Vegetation Cover

Planting vegetation is one of the practical solutions for reducing sediment transfer rates. Increasing vegetation cover decreases environmental pollution and sediment transport rate (STR). Since sediments and vegetation interact complexly, predicting sediment transport rates is challenging. This study aims to predict sediment transport rate under vegetation cover using new and optimized versions of the group method of data handling (GMDH). Additionally, this study introduces a new ensemble model for predicting sediment transport rates. Model inputs include wave height, wave velocity, density cover, wave force, D50, the height of vegetation cover, and cover stem diameter. A standalone GMDH model and optimized GMDH models, including GMDH honey badger algorithm (HBA) GMDH rat swarm algorithm (RSOA)vGMDH sine cosine algorithm (SCA), and GMDH particle swarm optimization (GMDH-PSO), were used to predict sediment transport rates. As the next step, the outputs of standalone and optimized GMDH were used to construct an ensemble model. The MAE of the ensemble model was 0.145 m3/s, while the MAEs of GMDH-HBA, GMDH-RSOA, GMDH-SCA, GMDH-PSOA, and GMDH in the testing level were 0.176 m3/s, 0.312 m3/s, 0.367 m3/s, 0.498 m3/s, and 0.612 m3/s, respectively. The Nash Sutcliffe coefficient (NSE) of ensemble model, GMDH-HBA, GMDH-RSOA, GMDH-SCA, GMDH-PSOA, and GHMDH were 0.95 0.93, 0.89, 0.86, 0.82, and 0.76, respectively. Additionally, this study demonstrated that vegetation cover decreased sediment transport rate by 90 percent. The results indicated that the ensemble and GMDH-HBA models could accurately predict sediment transport rates. Based on the results of this study, sediment transport rate can be monitored using the IMM and GMDH-HBA. These results are useful for managing and planning water resources in large basins.Comment: 65 pages, 10 figures, 5 table

Controller design for gantry crane system using modified sine cosine optimization algorithm

The objective of this research paper is to design a control system to optimize the operating works of the gantry crane system. The dynamic model of the gantry crane system is derived in terms of trolley position and payload oscillation, which is highly nonlinear. The crane system should have the capability to transfer the material to destination end with desired speed along with reducing the load oscillation, obtain expected trolley position and preserving the safety. Proposed controlling method is based on the proportional-integral-derivative (PID) controller with a series differential compensator to control the swinging of the payload and the system trolley movement in order to perform the optimum utilization of the gantry crane.  Standard sine cosine optimization algorithm is one of the most-recent optimization techniques based on a stochastic algorithm was presented to tune the PID controller with a series differential compensator. Furthermore, the considered optimization algorithm is modified in order to overcome the inherent drawbacks and solve complex benchmark test functions and to find the optimal design's parameters of the proposed controller. The simulation results show that the modified sine cosine optimization algorithm has better global search performance and exhibits good computational robustness based on test functions. Moreover, the results of testing the gantry crane model reveal that the proposed controller with standard and modified algorithms is effective, feasible and robust in achieving the desired requirements

A novel modified sine-cosine optimized MPPT algorithm for grid integrated PV system under real operating conditions

This research work presents a modified sine-cosine optimized maximum power point tracking (MPPT) algorithm for grid integration. The developed algorithm provides the maximum power extraction from a photovoltaic (PV) panel and simplified implementation with a benefit of high convergence velocity. Moreover, the performance and ability of the modified sine-cosine optimized (MSCO) algorithm is equated with recent particle swarm optimization and artificial bee colony algorithms for comparative observation. Practical responses is analyzed under steady state, dynamic, and partial shading conditions by using dSPACE real controlling board laboratory scale hardware implementation. The MSCO-based MPPT algorithm always shows fast convergence rate, easy implementation, less computational burden and the accuracy to track the optimal PV power under varying weather conditions. The experimental results provided in this paper clearly show the validation of the proposed algorithm

Chaotic-based particle swarm optimization algorithm for optimal PID tuning in automatic voltage regulator systems

Introduction. In an electrical power system, the output of the synchronous generators varies due to disturbances or sudden load changes. These variations in output severely affect power system stability and power quality. The synchronous generator is equipped with an automatic voltage regulator to maintain its terminal voltage at rated voltage. Several control techniques utilized to improve the response of the automatic voltage regulator system, however, proportional integral derivative (PID) controller is the most frequently used controller but its parameters require optimization. Novelty. In this paper, the chaotic sequence based on the logistic map is hybridized with particle swarm optimization to find the optimal parameters of the PID for the automatic voltage regulator system. The logistic map chaotic sequence-based initialization and global best selection enable the algorithm to escape from local minima stagnation and improve its convergence rate resulting in best optimal parameters. Purpose. The main objective of the proposed approach is to improve the transient response of the automatic voltage regulator system by minimizing the maximum overshoot, settling time, rise time, and peak time values of the terminal voltage, and eliminating the steady-state error. Methods. In the process of parameter tuning, the Chaotic particle swarm optimization technique was run several times through the proposed hybrid objective function, which accommodates the advantages of the two most commonly used objective functions with a minimum number of iterations, and an optimal PID gain value was found. The proposed algorithm is compared with current metaheuristic algorithms including conventional particle swarm optimization, improved kidney algorithm, and others. Results. For performance evaluation, the characteristics of the integral of time multiplied squared error and Zwe-Lee Gaing objective functions are combined. Furthermore, the time-domain analysis, frequency-domain analysis, and robustness analysis are carried out to show the better performance of the proposed algorithm. The result shows that automatic voltage regulator tuned with the chaotic particle swarm optimization based PID yield improvement in overshoot, settling time, and function value of 14.41 %, 37.91 %, 1.73 % over recently proposed IKA, and 43.55 %, 44.5 %, 16.67 % over conventional particle swarm optimization algorithms. The improvement in transient response further improves the automatic voltage regulator system stability for electrical power systems.Вступ. В електроенергетичній системі потужність синхронних генераторів змінюється внаслідок збурень або різких змін навантаження. Ці зміни в потужності серйозно впливають на стабільність енергетичної системи та якість електроенергії. Синхронний генератор оснащений автоматичним регулятором напруги для підтримання напруги на його клемах на рівні номінальної напруги. Декілька методів управління використовуються для поліпшення реакції системи автоматичного регулятора напруги, однак пропорційний інтегральний похідний контролер (PID-контролер) є найбільш часто використовуваним контролером, але його параметри вимагають оптимізації. Новизна. У цій роботі хаотична послідовність, заснована на логістичній схемі, гібридизується за допомогою оптимізації рою частинок, щоб знайти оптимальні параметри PID для системи автоматичного регулятора напруги. Ініціалізація на основі хаотичної послідовності логістичної схеми та найкращий глобальний вибір дозволяють алгоритму вийти із локальної мінімальної стагнації та покращити швидкість збіжності, що дає найкращі оптимальні параметри. Мета. Основною метою запропонованого підходу є поліпшення перехідної реакції системи автоматичного регулятора напруги шляхом мінімізації максимального перевищення, часу встановлення, часу наростання та пікових значень напруги на клемах і усунення помилки у стаціонарного стані. Методи. У процесі настройки параметрів техніку оптимізації рою хаотичних частинок кілька разів пропускали через запропоновану гібридну цільову функцію, яка враховує переваги двох найбільш часто використовуваних цільових функцій з мінімальною кількістю ітерацій,і знайдено оптимальне значення коефіцієнту підсилення PID. Запропонований алгоритм порівнюється з сучасними метаевристичними алгоритмами, включаючи звичайну оптимізацію рою частинок, вдосконалений алгоритм нирок та інші. Результати. Для оцінки ефективності об'єднуються характеристики інтеграла у часі, помноженого на похибки у квадраті, та цільових функцій Цве-Лі Гейнга. Крім того, проводяться аналіз у часовій області, аналіз у частотної області та аналіз стійкості, щоб показати кращу ефективність запропонованого алгоритму. Результат показує, що автоматичний регулятор напруги, налаштований на хаотичну оптимізацію рою частинок, заснований на поліпшенні виходу PID в перевищеннях,часі налаштування та значенні функції перевищує на 14,41 %, 37,91 %, 1,73 % нещодавно запропонований нирковий алгоритм та на 43,55 %, 44,5 %, 16,67 % перевищує звичайні алгоритми оптимізації рою частинок. Поліпшення перехідної реакції ще більше покращує стабільність автоматичного регулятора напруги для систем електроенергетики

Chaotic-based particle swarm optimization algorithm for optimal PID tuning in automatic voltage regulator systems

Introduction. In an electrical power system, the output of the synchronous generators varies due to disturbances or sudden load changes. These variations in output severely affect power system stability and power quality. The synchronous generator is equipped with an automatic voltage regulator to maintain its terminal voltage at rated voltage. Several control techniques utilized to improve the response of the automatic voltage regulator system, however, proportional integral derivative (PID) controller is the most frequently used controller but its parameters require optimization. Novelty. In this paper, the chaotic sequence based on the logistic map is hybridized with particle swarm optimization to find the optimal parameters of the PID for the automatic voltage regulator system. The logistic map chaotic sequence-based initialization and global best selection enable the algorithm to escape from local minima stagnation and improve its convergence rate resulting in best optimal parameters. Purpose. The main objective of the proposed approach is to improve the transient response of the automatic voltage regulator system by minimizing the maximum overshoot, settling time, rise time, and peak time values of the terminal voltage, and eliminating the steady-state error. Methods. In the process of parameter tuning, the Chaotic particle swarm optimization technique was run several times through the proposed hybrid objective function, which accommodates the advantages of the two most commonly used objective functions with a minimum number of iterations, and an optimal PID gain value was found. The proposed algorithm is compared with current metaheuristic algorithms including conventional particle swarm optimization, improved kidney algorithm, and others. Results. For performance evaluation, the characteristics of the integral of time multiplied squared error and Zwe-Lee Gaing objective functions are combined. Furthermore, the time-domain analysis, frequency-domain analysis, and robustness analysis are carried out to show the better performance of the proposed algorithm. The result shows that automatic voltage regulator tuned with the chaotic particle swarm optimization based PID yield improvement in overshoot, settling time, and function value of 14.41 %, 37.91 %, 1.73 % over recently proposed IKA, and 43.55 %, 44.5 %, 16.67 % over conventional particle swarm optimization algorithms. The improvement in transient response further improves the automatic voltage regulator system stability for electrical power systems.Вступ. В електроенергетичній системі потужність синхронних генераторів змінюється внаслідок збурень або різких змін навантаження. Ці зміни в потужності серйозно впливають на стабільність енергетичної системи та якість електроенергії. Синхронний генератор оснащений автоматичним регулятором напруги для підтримання напруги на його клемах на рівні номінальної напруги. Декілька методів управління використовуються для поліпшення реакції системи автоматичного регулятора напруги, однак пропорційний інтегральний похідний контролер (PID-контролер) є найбільш часто використовуваним контролером, але його параметри вимагають оптимізації. Новизна. У цій роботі хаотична послідовність, заснована на логістичній схемі, гібридизується за допомогою оптимізації рою частинок, щоб знайти оптимальні параметри PID для системи автоматичного регулятора напруги. Ініціалізація на основі хаотичної послідовності логістичної схеми та найкращий глобальний вибір дозволяють алгоритму вийти із локальної мінімальної стагнації та покращити швидкість збіжності, що дає найкращі оптимальні параметри. Мета. Основною метою запропонованого підходу є поліпшення перехідної реакції системи автоматичного регулятора напруги шляхом мінімізації максимального перевищення, часу встановлення, часу наростання та пікових значень напруги на клемах і усунення помилки у стаціонарного стані. Методи. У процесі настройки параметрів техніку оптимізації рою хаотичних частинок кілька разів пропускали через запропоновану гібридну цільову функцію, яка враховує переваги двох найбільш часто використовуваних цільових функцій з мінімальною кількістю ітерацій,і знайдено оптимальне значення коефіцієнту підсилення PID. Запропонований алгоритм порівнюється з сучасними метаевристичними алгоритмами, включаючи звичайну оптимізацію рою частинок, вдосконалений алгоритм нирок та інші. Результати. Для оцінки ефективності об'єднуються характеристики інтеграла у часі, помноженого на похибки у квадраті, та цільових функцій Цве-Лі Гейнга. Крім того, проводяться аналіз у часовій області, аналіз у частотної області та аналіз стійкості, щоб показати кращу ефективність запропонованого алгоритму. Результат показує, що автоматичний регулятор напруги, налаштований на хаотичну оптимізацію рою частинок, заснований на поліпшенні виходу PID в перевищеннях,часі налаштування та значенні функції перевищує на 14,41 %, 37,91 %, 1,73 % нещодавно запропонований нирковий алгоритм та на 43,55 %, 44,5 %, 16,67 % перевищує звичайні алгоритми оптимізації рою частинок. Поліпшення перехідної реакції ще більше покращує стабільність автоматичного регулятора напруги для систем електроенергетики

Exponential slime mould algorithm based spatial arrays optimization of hybrid wind-wave-PV systems for power enhancement

Renewable clean energy sources, such as wind, solar, and wave energy, are currently gaining prominence and are being extensively researched. Given the escalating significance of clean energy, hybrid systems have gradually become an effective solution to address energy and environmental issues. In order to maximize the advantages of wind, wave energy, and photovoltaic (PV), this paper proposes a hybrid wind-wave-PV system (HWWPS) by combining wind turbines, PV panels, and wave energy converter (WEC) to achieve higher energy production and efficiency. To further enhance power output, this paper focuses on the influence of system spatial array optimization on power output and adopts an algorithm to establish a strategic layout. Through the integration of the chaos algorithm, exponential asynchronous factor, and the sine-cosine mechanism, the original slime mould algorithm (SMA) algorithm is enhanced to the exponential slime mould algorithm (ESMA), which has better optimization capability and is particularly suitable for determining the optimal power configuration. Simulations are conducted on hybrid systems consisting of three, seven, and thirteen buoys, respectively, which compare the ESMA are compared with the other six algorithms. The results verify the advantages of ESMA over the other algorithms, and demonstrates the superiority becomes more prominent as the system size increases

Deterministic Artificial Intelligence

Kirchhoff’s laws give a mathematical description of electromechanics. Similarly, translational motion mechanics obey Newton’s laws, while rotational motion mechanics comply with Euler’s moment equations, a set of three nonlinear, coupled differential equations. Nonlinearities complicate the mathematical treatment of the seemingly simple action of rotating, and these complications lead to a robust lineage of research culminating here with a text on the ability to make rigid bodies in rotation become self-aware, and even learn. This book is meant for basic scientifically inclined readers commencing with a first chapter on the basics of stochastic artificial intelligence to bridge readers to very advanced topics of deterministic artificial intelligence, espoused in the book with applications to both electromechanics (e.g. the forced van der Pol equation) and also motion mechanics (i.e. Euler’s moment equations). The reader will learn how to bestow self-awareness and express optimal learning methods for the self-aware object (e.g. robot) that require no tuning and no interaction with humans for autonomous operation. The topics learned from reading this text will prepare students and faculty to investigate interesting problems of mechanics. It is the fondest hope of the editor and authors that readers enjoy the book

Design and Optimization of PID Controller using Various Algorithms for Micro-Robotics System

Microparticles have the potentials to be used for many medical purposes in-side the human body such as drug delivery and other operations. This paper attempts to provide a thorough comparison between five meta-heuristic search algorithms:  Sparrow Search Algorithm (SSA), Flower Pollination Algorithm (FPA), Slime Mould Algorithm (SMA), Marine Predator Algorithm (MPA), and Multi-Verse Optimizer (MVO). These approaches were used to calculate the PID controller optimal indicators with the application of different functions, including Integral Absolute Error (IAE), Integral of Time Multiplied by Square Error (ITSE), Integral Square Time multiplied square Error (ISTES), Integral Square Error (ISE), Integral of Square Time multiplied by square Error (ISTSE), and Integral of Time multiplied by Absolute Error (ITAE). Every method of controlling was presented in a MATLAB Simulink numerical model, and LABVIEW software was used to run the experimental tests. It is observed that the MPA technique achieves the highest values of settling error for both simulation and experimental results among other control approaches, while the SSA approach reduces the settling error by 50% compared to former experiments. The results indicate that SSA is the best method among all approaches and that ISTES is the best choice of PID for optimizing the controlling parameters

A Novel Human-Based Meta-Heuristic Algorithm: Dragon Boat Optimization

(Aim) Dragon Boat Racing, a popular aquatic folklore team sport, is traditionally held during the Dragon Boat Festival. Inspired by this event, we propose a novel human-based meta-heuristic algorithm called dragon boat optimization (DBO) in this paper. (Method) It models the unique behaviors of each crew member on the dragon boat during the race by introducing social psychology mechanisms (social loafing, social incentive). Throughout this process, the focus is on the interaction and collaboration among the crew members, as well as their decision-making in different situations. During each iteration, DBO implements different state updating strategies. By modelling the crew's behavior and adjusting the state updating strategies, DBO is able to maintain high-performance efficiency. (Results) We have tested the DBO algorithm with 29 mathematical optimization problems and 2 structural design problems. (Conclusion) The experimental results demonstrate that DBO is competitive with state-of-the-art meta-heuristic algorithms as well as conventional methods