On the Selection of Tuning Methodology of FOPID Controllers for the Control of Higher Order Processes

In this paper, a comparative study is done on the time and frequency domain tuning strategies for fractional order (FO) PID controllers to handle higher order processes. A new fractional order template for reduced parameter modeling of stable minimum/non-minimum phase higher order processes is introduced and its advantage in frequency domain tuning of FOPID controllers is also presented. The time domain optimal tuning of FOPID controllers have also been carried out to handle these higher order processes by performing optimization with various integral performance indices. The paper highlights on the practical control system implementation issues like flexibility of online autotuning, reduced control signal and actuator size, capability of measurement noise filtration, load disturbance suppression, robustness against parameter uncertainties etc. in light of the above tuning methodologies.Comment: 27 pages, 10 figure

Characteristic of Fuzzy, ANN, and ANFIS for Brushless DC Motor Controller: An Evaluation by Dynamic Test

Brushless DC (BLDC) motors are the most popular motors used by the industry because they are easy to control. BLDC motors are generally controlled by artificial controls such as Fuzzy Logic Controller (FLC), Artificial Neural Network (ANN), and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS). However, the performance of the BLDC control system in previous studies was compared separately with their respective parameters, making it difficult to evaluate comprehensively. Therefore, in order to investigate the characteristic performance of Fuzzy, ANN, and ANFIS, this article provides a comparison of these artificial controls. Two scenarios of the dynamic tests are conducted to investigate control performance under constant torque-various speed and constant speed-various torque. By dynamic testing, characteristics of Fuzzy, ANN, and ANFIS can be observed as real applications. The testing parameters are: Settling Time, Overshoot and Overdamp (in the graph and average value), and then statistic performance are: Integral Square Error (ISE), Integral Absolute Error (IAE), Integral Time Absolute Error (ITAE), and Mean Absolute Error (MAE). The test result in scenario 1 showed that the ANN has a better performance compared to other controllers with the MAE, IAE, ITAE, and ISE value of 31.3003; 105.6280; 208.0630; and 5,7289 e4, respectively. However, in scenario 2, ANN only has a better performance compared to other controllers on just a few parameters. In scenario 2, ANN is indeed able to maintain speed but it has a more ripple value than ANFIS. Even so, the ripple that occurs in ANN does not have too much value compared to the setpoint. Therefore, the MAE value of the ANN is smaller than the ANFIS (18.8937 of ANN and 28.4685 of ANFIS)

A survey of recent advances in fractional order control for time delay systems

Several papers reviewing fractional order calculus in control applications have been published recently. These papers focus on general tuning procedures, especially for the fractional order proportional integral derivative controller. However, not all these tuning procedures are applicable to all kinds of processes, such as the delicate time delay systems. This motivates the need for synthesizing fractional order control applications, problems, and advances completely dedicated to time delay processes. The purpose of this paper is to provide a state of the art that can be easily used as a basis to familiarize oneself with fractional order tuning strategies targeted for time delayed processes. Solely, the most recent advances, dating from the last decade, are included in this review

A comprehensive review of modified Internal Model Control (IMC) structures and their filters for unstable processes

This paper reviews the evolution of Internal Model Control (IMC) techniques developed so far for unstable processes. The IMC strategy has shown significant results over the past two decades, including recent inclusions of fractional-order approaches. After a comprehensive study of various methods, the critical tuning methods and structural changes are clearly accumulated with their significance and limitation concerning controlling unstable time-delay systems. The comparisons with main structural changes and filter designs are also included in the numerical study and in discussion. Finally, the key research gaps and future motivations are indicated in the IMC approaches, considering available methods in the literature

Tilt-fractional order proportional integral derivative control for DC motor using particle swarm optimization

Introduction. Recently, the most desired goal in DC motor control is to achieve a good robustness and tracking dynamic of the set-point reference speed of the feedback control system. Problem. The used model should be as general as possible and consistently represent systems heterogeneous (which may contain electrical, mechanical, thermal, magnetic and so on). Goal. In this paper, the robust tilt-fractional order proportional integral derivative control is proposed. The objective is to optimize the controller parameters from solving the criterion integral time absolute error by particle swarm optimization. The control strategy is applied on DC motor to validate the efficiency of the proposed idea. Methods. The proposed control technique is applied on DC motor where its dynamic behavior is modeled by external disturbances and measurement noises. Novelty. The proposed control strategy, the synthesized robust tilt-fractional order proportional integral derivative speed controller is applied on the DC motor. Their performance and robustness are compared to those provided by a proportional integral derivative and fractional order proportional integral derivative controllers. Results. This comparison reveals superiority of the proposed robust tilt-fractional order proportional integral derivative speed controller over the remaining controllers in terms of robustness and tracking dynamic of the set-point reference speed with reduced control energy.Вступ. Останнім часом найбільш бажаною метою керування двигуном постійного струму є досягнення гарної надійності та динамічного відстеження заданої опорної швидкості системи керування зі зворотним зв’язком. Проблема. Використовувана модель має бути якомога загальнішою і несуперечливо представляти різнорідні системи (які можуть містити електричні, механічні, теплові, магнітні тощо). Мета. У цій статті пропонується робастне управління похідною пропорційного інтеграла дробового порядку нахилу. Мета полягає в тому, щоб оптимізувати параметри контролера шляхом вирішення критерію інтегральної абсолютної тимчасової помилки шляхом оптимізації рою частинок. Стратегія управління застосовується до двигуна постійного струму для перевірки ефективності запропонованої ідеї. Методи. Пропонований метод управління застосовується до двигуна постійного струму, динамічна поведінка якого моделюється зовнішніми перешкодами та шумами вимірів. Новизна. Пропонована стратегія управління, синтезований робастний пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор швидкості нахилу дробового порядку застосовується до двигуна постійного струму. Їх продуктивність та надійність порівнюються з показниками, що забезпечуються контролерами пропорційної інтегральної похідної та пропорційної інтегральної похідної дробового порядку. Результати. Це порівняння показує перевагу запропонованого робастного пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора швидкості нахилу дробового порядку над іншими регуляторами з погляду робастності та динамічного відстеження заданої опорної швидкості зі зменшеною енергією управління

Tilt-fractional order proportional integral derivative control for DC motor using particle swarm optimization

Introduction. Recently, the most desired goal in DC motor control is to achieve a good robustness and tracking dynamic of the set-point reference speed of the feedback control system. Problem. The used model should be as general as possible and consistently represent systems heterogeneous (which may contain electrical, mechanical, thermal, magnetic and so on). Goal. In this paper, the robust tilt-fractional order proportional integral derivative control is proposed. The objective is to optimize the controller parameters from solving the criterion integral time absolute error by particle swarm optimization. The control strategy is applied on DC motor to validate the efficiency of the proposed idea. Methods. The proposed control technique is applied on DC motor where its dynamic behavior is modeled by external disturbances and measurement noises. Novelty. The proposed control strategy, the synthesized robust tilt-fractional order proportional integral derivative speed controller is applied on the DC motor. Their performance and robustness are compared to those provided by a proportional integral derivative and fractional order proportional integral derivative controllers. Results. This comparison reveals superiority of the proposed robust tilt-fractional order proportional integral derivative speed controller over the remaining controllers in terms of robustness and tracking dynamic of the set-point reference speed with reduced control energy.Вступ. Останнім часом найбільш бажаною метою керування двигуном постійного струму є досягнення гарної надійності та динамічного відстеження заданої опорної швидкості системи керування зі зворотним зв’язком. Проблема. Використовувана модель має бути якомога загальнішою і несуперечливо представляти різнорідні системи (які можуть містити електричні, механічні, теплові, магнітні тощо). Мета. У цій статті пропонується робастне управління похідною пропорційного інтеграла дробового порядку нахилу. Мета полягає в тому, щоб оптимізувати параметри контролера шляхом вирішення критерію інтегральної абсолютної тимчасової помилки шляхом оптимізації рою частинок. Стратегія управління застосовується до двигуна постійного струму для перевірки ефективності запропонованої ідеї. Методи. Пропонований метод управління застосовується до двигуна постійного струму, динамічна поведінка якого моделюється зовнішніми перешкодами та шумами вимірів. Новизна. Пропонована стратегія управління, синтезований робастний пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор швидкості нахилу дробового порядку застосовується до двигуна постійного струму. Їх продуктивність та надійність порівнюються з показниками, що забезпечуються контролерами пропорційної інтегральної похідної та пропорційної інтегральної похідної дробового порядку. Результати. Це порівняння показує перевагу запропонованого робастного пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора швидкості нахилу дробового порядку над іншими регуляторами з погляду робастності та динамічного відстеження заданої опорної швидкості зі зменшеною енергією управління

Fractional - order tilt integral derivative controller design using IMC scheme for unstable time - delay processes

The paper proposes a modified IMC-based Smith predictor (SP) control method for unstable time-delay processes. A novel design method to tune the parameters of a fractional-order tilt integral derivative controller has been developed using fractional-order IMC filter and process model parameters. The tuning parameters of the fractional-order filter are calculated from the new robustness index and desired performance constraint. The expected performance constraint satisfies good setpoint tracking and optimal control signal. The significant feature of the presented method is that the fractional IMC-SP structure provides a better outcome without adding much computational complexity. For a given robustness index, the optimal controller, which minimizes the performance constraint, the combination of control effort and integral time squared error, helps calculate the two tuning parameters. The benefit does verify under parameters’ uncertainties, external load disturbances and noise. The comparative study with various numerical examples from recently reported methods shows better overall servo and regulatory performances

Selfish Herd Optimisation based fractional order cascaded controllers for AGC study

In a modern, and complex power system (PS), robust controller is obligatory to regulate the frequency under uncertain load/parameter change of the system. In addition to this, presence of nonlinearities, load frequency control (LFC) of a Power System becomes more challenging which necessitates a suitable, and robust controller. Single stage controller does not perform immensely against aforesaid changed conditions. So, a novel non-integer/fractional order (FO) based two-stage controller incorporated with 2-degrees of freedom (2-DOF), derivative filter (N), named as 2-DOF-FOPIDN-FOPDN controller, is adopted to improve the dynamic performance of a 3-area power system. Each area of the power system consists of both non-renewable and renewable generating units. Again, to support the superior performance of 2-DOF-FOPIDN-FOPDN controller, it is compared with the result produced by PID, FOPID, and 2-DOF-PIDN-PDN controllers. The optimal design of these controllers is done by applying Selfish Herd Optimisation (SHO) technique. Further, the robustness of the 2-DOF-FOPIDN-FOPDN controller is authenticated by evaluating the system performance under parameter variation. The work is further extended to prove the supremacy of SHO algorithm over a recently published article based on pathfinder algorithm (PFA)