A Study on the Performance Improvement of the Nonlinear Fuzzy PID Controller

PID controllers have been widely used for industrial processes but to its simplicity and effectiveness. They provide high sensitivity and stability of the overall feedback control system and reduce overshoot and steady-state error. It has been well known that PID controllers can be effectively used for 1st and 2nd-order linear systems, but they can suffer from problems on higher-order and nonlinear systems. On the other hand, fuzzy controllers in general are suitable for many nontraditionally modeled industrial processes such as linguistically controlled systems that cannot be precisely described by mathematical model formulation and have significant unmodeled effects and uncertainties. There are several types of control systems that adopt a fuzzy logic controller as an essential system component. The majority of applications during the past two decades belong to the class of fuzzy PID controllers. This thesis describes the design principle, tracking performance, and stability analysis of a nonlinear fuzzy PID controller with fixed parameters and nonlinear fuzzy PID controllers with variable parameters. At first, the fuzzy PID controller with fixed parameters is derived from the design procedure of the conventional fuzzy linguistic controller. The resulting controller is a discrete-time fuzzy version of the conventional PID controller, which has the same structure with proportional, derivative and integral parts but has nonconstant gains. However, all the gains of fuzzy PID controller are nonlinear function of the input signals at every sampling time. The resultant fuzzy PID controller has a simple structure of the conventional PID controller but posses its self-tuning control capability. In order to increase the applicability of the fuzzy PID controller using low-level microprocessors, a simplified fuzzy PID controller is introduced. At second, a fuzzy PID controller with variable parameters, named variable parameter fuzzy PID controller, is suggested to improve the shortage of the fuzzy PID controller with fixed parameters. The fuzzy PID control action cannot be operated accurately when the scaled inputs are greater than the normalization parameter of the fuzzy input sets in case of the fuzzy PID controller with fixed parameters. If design parameters are adjusted by comparing magnitude among the inputs of the fuzzy controller at every sampling time, the partitions of all the scaled fuzzy inputs converge within regions confined by the normalization parameter and the resultant fuzzy PID controller with variable parameters can always accomplish PID control action precisely regardless of the input magnitude variation. At last, several simulations for various systems including a linear time-invariant system and a nonlinear two-tank level control system are executed in order to verify that the suggested fuzzy PID controller is superior to other fuzzy PID controllers already discussed by comparing control performances among them.Abstract 제 1 장 서 론 1 1.1 연구배경 1 1.2 연구내용 3 제 2 장 고정 파라미터 퍼지 PID제어기4 2.1 기본 구조 4 2.2 퍼지화 알고리즘 7 2.3 퍼지 제어 규칙 9 2.4 비퍼지화 알고리즘 11 2.5 고정 파라미터 퍼지 PID제어기 제어칙 14 2.6 고정 파라미터 퍼지 PID제어기 시뮬레이션 16 2.7 고정 파라미터 퍼지 PID제어기의 성능분석 및 고찰 23 제 3 장 기 연구된 가변 파라미터 비선형 퍼지PID제어기 25 3.1 가변 파라미터 퍼지 PID제어기 설계 25 3.2 가변 파라미터 퍼지 PID제어기 시뮬레이션 30 3.3 논의된 가변 파라미터 퍼지 PID 제어기의 고찰 35 제 4 장 개선된 가변 파라미터 퍼지 PID제어기의 제안 36 4.1 개선된 가변 파라미터 퍼지 PID제어기의 기본 설계 36 4.2 개선된 가변 파라미터 퍼지 PID제어기 시뮬레이션 44 제 5 장 비선형 이중 수조 시스템의 제어 53 5.1 비선형 이중 수조 시스템 설계 53 5.2 퍼지 PID제어기를 이용한 비선형 이중 수조 시스템의 시스템 성능 검증과 결과 고찰 55 제 6 장 결 론 61 참 고 문

Selección de la tecnología de automatización en sistemas de riego de plantines mediante el análisis de sus características para determinar la mejor tecnología para el sistema de riego de plantines en viveros génesis - Valdivia Trujillo

El presente trabajo de investigación establece una comparativa entre las diferentes tecnologías de automatización aplicables a los sistemas de riego en viveros, de modo que se pueda establecer un criterio para la selección de la mejor tecnología. En este trabajo se está tomando como modelo los viveros Génesis en Valdivia – Trujillo. En el primer capítulo se hace la introducción al presente trabajo presentando la realidad problemática que motiva el desarrollo del presente trabajo, la hipótesis y los objetivos. En el segundo capítulo se presenta el marco teórico en donde se evalúan trabajos de investigación relacionados con el presente trabajo y además se presentan las teorías sobre las cuales fundamentamos el mismo. En el tercer capítulo llamador Material y Método, describimos los pasos que hemos seguido para realizar el presente trabajo. En primer lugar hemos analizado el proceso de riego en viveros Génesis – Valdivia – Trujillo para determinar los requerimientos que debe cubrir el sistema de automatización. Luego hemos hecho una búsqueda de las tecnologías de automatización existentes y hemos analizados sus principales características. Finalmente hemos evaluado esas características respecto a los requerimientos de la automatización de los sistemas de riego en viveros génesis. En el cuarto capítulo presentamos nuestras conclusiones en la cual determinamos que según el criterio de la estructura de la tecnología de automatización, la tecnología con mejor desempeño es el PLC debido principalmente a que satisface de mejor manera los requerimientos de control de variables continuas y discretas, y según el criterio de la estrategia de control la tecnología que presenta el mejor desempeño es un control PID y un control difuso debido principalmente a que satisface de mejor manera los requerimientos de estabilidad y tiempo de respuesta.This research establishes a comparison between the different automation technologies applicable to irrigation systems in nurseries, so that it can establish criteria for the selection of the best technology. This paper is modeled on Genesis nurseries in Valdivia - Trujillo. In the first chapter the introduction to this work by presenting the problematic reality that motivates the development of this work, the hypothesis and objectives done. In the second chapter the theoretical framework where research related to this work are evaluated and also the theories on which it based the present is presented. In the third chapter caller Material and Method, we describe the steps we followed to perform this work. First we have analyzed the process of irrigation in nurseries Genesis - Valdivia - Trujillo to determine the requirements that must cover the automation system. Then we made a search of existing automation technologies and have analyzed its main features. Finally we have evaluated these characteristics with respect to the requirements of the automation of irrigation systems genesis nurseries. In the fourth chapter we present our conclusions in which we determine that the discretion of the structure of automation technology, technology with better performance is the PLC mainly because it satisfies better control requirements of continuous and discrete variables, and at the discretion of the control strategy technology that presents the best performance is a PID control and fuzzy control due mainly to better meet the requirements of stability and response time

"Controlador fuzzy aplicado a sistemas de frenado ABS en ingeniería automotriz"

Este proyecto de investigación ofrece una visión del control del sistema de frenos ABS en la rama de la ingeniería Automotriz. El sistema de frenos ABS es utilizado en los vehículos cuando se desplaza en alta velocidad, el control de frenado permite controlar al vehículo sin perder el arrastre o tracción. En este trabajo se realiza el diseño y modelado de un sistema que permite hacer el control del sistema de frenado ABS utilizando lógica difusa. Se realiza el modelado considerando el deslizamiento de la rueda del vehículo, luego su simulación con Matlab, del frenado para diferentes tipos de calzada (pistas). El controlador difuso es diseñado y validado utilizando el toolbox de lógica difusa de Matlab. Como resultado se pudo comprobar la efectividad de la lógica difusa para trabajar con sistemas no lineales, lográndose el control del frenado para diferentes condiciones de operación con excelentes tiempos de convergencia

Intelligent system to support micro injection process through artificial intelligent techniques and cae model integration

Trabajo de investigaciónIn this project a propose of integration of CAE Modeling and artificial intelligence systems to support the process in the production of micro plastic parts is presented. Based on analysis provided by CAE systems, studies will be carried out for diverse parts, to be analyses and throw to artificial intelligent techniques give recommendations of optimal values of plastic micro injection process.1. INTRODUCTION 2. PROBLEM STATEMENT 3. OBJECTIVES 4. CONCEPTUAL FRAMEWORK 5. THEORETICAL FRAMEWORK 6. STATE OF THE ART 7. METHODOLOGY 8. DESCRIPCION OF PROJECT 9. RESULTS 10. VALIDATION OF PROJECT 11. CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS 12. REFERENCES 13. ANNEXESMaestríaMagister en Ingeniería y Gestión de la Innovació

Управление позиционным электроприводом с неавтономной задающей моделью и нечеткими регуляторами

Дисертацію присвячено розробленню нових методів відтворення з найменшою похибкою керуючими змінними задаючих впливів позиційним електроприводом. У дисертаційній роботі вирішено наукову задачу підвищення якості керування позиційним електроприводом складної структури, схильним до впливу зовнішніх і параметричних збурень. Розроблені алгоритми управління забезпечують низьку чутливість до зміни параметрів електроприводу. Вперше формалізовано структуру нечіткого регулятора, яка базується на використанні його адаптивних властивостей для заданої точності позиціонування при змінних параметрах та навантаженні, що забезпечує слабку чутливість системи управління до параметричних збурень. На основі запропонованого підходу досліджено метод виключення коливальних процесів для електромеханічних систем, що містять пружні ланки, який полягає в побудові системи управління зі зворотним зв'язком за пружністю моменту із застосуванням адаптивних нечітких регуляторів. Розроблені алгоритми управління забезпечують слабку чутливість до зміни параметрів електроприводу

Diseño de un sistema de detección del deslizamiento lateral para neumáticos instrumentados mediante extensometría

Mención Internacional en el título de doctorLos neumáticos han sido siempre un área de interés tanto para la sociedad como para la industria automovilística. Como los únicos elementos que mantienen el contacto entre el vehículo y la calzada, los neumáticos son un factor clave en el rendimiento, confort, consumo de combustible y seguridad de los vehículos. Aunque las prestaciones de los neumáticos actuales son adecuadas para la gran mayoría de situaciones, éstos son sólo elementos pasivos que no asisten activamente a los conductores o a los sistemas de control de los vehículos para mejorar la experiencia de conducción y la seguridad del tráfico. Debido a las características no lineales del contacto neumático-calzada, es difícil aplicar la fuerza exacta al pedal para detener el vehículo en la mínima distancia sin bloquear las ruedas ni perder el control del vehículo, que podría resultar en un accidente de tráfico a menos que el control de estabilidad (ESP) o el ABS actúen. Además, la situación podría empeorar si las condiciones de la calzada no son óptimas, como en caso de lluvia o barro donde la fricción varía. La posibilidad de que los neumáticos contribuyan activamente en este tipo de situaciones depende de su capacidad para proporcionar información a conductores y sistemas electrónicos para que intervengan antes de que se produzca un accidente. Estos son algunos de los motivos para desarrollar los denominados “neumáticos inteligentes”, comúnmente definidos como neumáticos instrumentados con sensores que serían capaces de proporcionar información en tiempo real sobre las condiciones de trabajo e interactuar con diferentes sistemas de control del vehículo para mejorar sus prestaciones, así como prevenir a los conductores de potenciales peligros. Sin embargo, para la obtención de información a partir de dichos sensores se deben considerar múltiples obstáculos, como la compatibilidad de los mismos con las características del caucho, la transmisión de datos o temas económicos, pero, sobre todo, el mayor obstáculo es cumplir con las necesidades energéticas de los componentes electrónicos. El potencial y las dificultades para su desarrollo hacen de los neumáticos inteligentes uno de los más prometedores y ambiciosos campos de investigación para ingenieros e investigadores. Los sistemas de monitorización de la presión del neumático (TPMS) fueron introducidos en 2002, siendo los primeros sistemas producidos y desarrollados en masa. Aunque fueron un gran logro, el potencial del neumático inteligente es aún mayor; tendría el objetivo final de monitorizar en tiempo real las fuerzas en el contacto neumático-calzada, el coeficiente de fricción, la condición de la calzada, etc. De este modo, el vehículo tendría un sistema de seguridad activo con información fiable sobre las condiciones de trabajo del neumático. En esta Tesis Doctoral se presenta un método de estimación de las condiciones de trabajo de un neumático instrumentado mediante extensometría y el coeficiente de adherencia lateral solicitado en el contacto neumático-calzada, detectando el deslizamiento lateral del mismo. Se han llevado a cabo una serie de ensayos mediante bandas extensométricas y un banco de pruebas de neumáticos. Estos equipos se eligieron para medir la deformación del neumático bajo condiciones dinámicas, que podrían ayudar a introducir sistemas de neumáticos inteligentes en un futuro próximo. Los ensayos se centran en analizar la influencia de la presión de inflado, la fuerza vertical, el ángulo de deriva y el ángulo de caída en los valores máximos de deformación y la medida de fuerza lateral para establecer cómo estos parámetros están relacionados. Los datos experimentales se han utilizado para estimar condiciones de trabajo mediante lógica difusa, desarrollando un sistema de detección del deslizamiento basado en un modelo experimental del comportamiento de la fuerza lateral. Los resultados de los ensayos y de las simulaciones confirman la viabilidad de las bandas extensométricas y del modelo computacional propuesto para resolver las características no lineales de los parámetros del neumático, convirtiendo éste en un sistema de seguridad activo.Tires have always been an area of interest for society and the automotive industry as well. As the only part that keeps the contact between the vehicle chassis and the road, they are a key factor on performance, comfort, fuel consumption and safety of vehicles. Despite the fact that current tires perform well in a huge variety of situations, they are just passive elements that do not contribute actively to driver or vehicle control systems to improve the driving experience and traffic safety. Due to the non-linear tire-road contact features, it is difficult to apply the exact braking force to stop the vehicle for the minimum distance without locking the wheels and, as a consequence, losing control of the vehicle which may result in a traffic accident unless Electronic Stability Control (ESC) or Anti-Lock Braking System (ABS) take action. Moreover, the situation may be even worse if unsuitable road conditions are considered, like wet or muddy surfaces where friction changes. The possibility of tires to take active part in this sort of situations is subject to its potential to provide information for drivers and active control systems to intervene before a crash occurs. These are some of the reasons to develop the so-called “intelligent tires”. They are usually define as tires equipped with sensors that would be able to monitor and provide information in real time about tire working conditions and interact with different vehicle dynamics control systems to improve their performance as well as warning the driver of potential hazards. However, in order to get information from sensors equipped in tires many obstacles must be overcame, such as the compatibility of the sensors with tire rubber properties, data transmission or economic issues, but above all the main obstacle is to meet the power requirements of all the electronic components. The prospects and difficulties of intelligent tires them in one of the most promising and ambitious research fields for researchers and automotive engineers. Concerning intelligent tires’ developments, the Tire Pressure Monitoring Systems (TPMS) were introduce in 2002, these being the first such systems introduced in the automotive market. Although they were a great achievement, intelligent tire technology has bigger prospects than TPMS. The intelligent tire concept would have the final aim of monitoring, in real time, the forces at the tire-road interface, friction coefficient, slip angle, road condition, and tire wear. In this way, the vehicle would have an active safety system provided with reliable information about the tire working conditions. In this Thesis, a strain-based method to estimate tire working conditions, lateral friction coefficient and detect the lateral tire’s slip is presented. A series of experiments by means of a tire equipped with strain sensors on an indoor tire test rig have been carried out. This equipment was selected to measure strain dynamic behaviour based on tire working conditions, which could help to introduce intelligent tire systems in the near future. The tests focused on the influence of pressure, rolling speed, vertical load, slip angle and camber angle on maximum strain values and lateral force measurements to elucidate how tire’s deformation and lateral force are interconnected. The experimental data have been used to estimate some tire working conditions by Fuzzy Logic, developing a tire slip detection system based on an experimental model of the lateral force behaviour to estimate the lateral friction coefficient and detect the tires’ loss of grip. The simulation and test results confirm the feasibility of strain sensors and the proposed computational model to solve the non-linearity characteristics of the tires’ parameters and turn tires into an active safety system.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: José Luis San Román García.- Secretario: Fernando Viadero Rueda.- Vocal: Gabriel Cornel Anghelach

Saturated regulation with derivative variable gain for robot manipulators

[EN] In this paper a family with a large number of hyperbolictype saturated regulators for robot manipulators, was presented. The proposed regulators consider a constant proportional gain while the derivative variable gain is self-tuned according to a function that depends on the position error, speed of motion and a damping factor, in order to modify the velocity of the transient response of the robot. The derivative control with variable gain enables reduced overshots, oscillations and ripple, enabling a smooth arrival to the steady state. The paper also proposes a strict Lyapunov function which enables the demonstration of asymptotic global stability of the closed-loop equation. In order to illustrate the performance and functionality of the proposed family of control schemes, an experimental comparison between seven control schemes was implemented. Five of these control schemes belong to the proposed family while two additional control schemes are well-known strategies such as the proportional-derivative (PD) and hyperbolic tangent (Tanh) control schemes. The experiments were performed by using a three degree-of-freedom, direct-drive robot manipulator.[ES] En este trabajo se presenta una familia grande de reguladores saturados tipo hiperbólicos para robots manipuladores. La propuesta considera a la ganancia proporcional constante y a la ganancia derivativa variable con sintonía automática definida en función del error de posición, velocidad de movimiento y un factor de inyección de amortiguamiento para modificar la velocidad de respuesta del robot. La acción de control derivativa con ganancia variable permite reducir sobreimpulsos, oscilaciones y rizo, tal que alcance el estado estacionario en forma suave. Asimismo, se presenta la propuesta de una función estricta de Lyapunov que permite demostrar la estabilidad asintótica global de la ecuación en lazo cerrado. Para mostrar el desempeño y funcionalidad de la familia propuesta de esquemas de control, un análisis comparativo experimental fue desarrollado entre siete estructuras de control, cinco reguladores pertenecen a la familia propuesta, y dos algoritmos de control bien conocidos como son el proporcional derivativo (PD) y tangente hiperbólico (Tanh). Los resultados experimentales fueron obtenidos con un robot manipulador de transmisión directa de tres grados de libertad.M.A. Limón-Díaz agradece por la beca # 351549 otorgada por CONACyT para estudios de doctorado.Limón-Díaz, MA.; Reyes-Cortés, F.; González-Galván, EJ. (2017). Regulacion Saturada con Ganancia Variable Derivativa de Robots Manipuladores. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial. 14(4):434-445. https://doi.org/10.1016/j.riai.2017.06.001OJS434445144Armendariz, J., Parra-Vega, V., Garcia-Rodriguez, R., Hirai, S., 2012. Dynamic self-tuning pd control for tracking of robot manipulators. In: Decision and Control (CDC), 2012 IEEE 51st Annual Conference on. IEEE, pp. 1172- 1179. DOI: 10.1109/CDC.2012.6426562Åstrom, ¨ K. J., Wittenmark, B., 1973. On self tuning regulators. Automatica 9 (2), 185-199.Bai, E.-W., Huang, Y.-F., 2000. Variable gain parameter estimation algorithms for fast tracking and smooth steady state. Automatica 36 (7), 1001-1008.Canudas de Wit, C., Olsson, H., Astrom, K. J., Lischinsky, P., Mar 1995. A new model for control of systems with friction. IEEE Transactions on Automatic Control 40 (3), 419-425. DOI: 10.1109/9.376053Chavez, C., Reyes, F., Gonz ' alez, E., Mendoza, M., Bonilla, I., 2012. Experi- ' mental evaluation of parameter identification schemes on an anthropomorphic direct drive robot. International Journal of Advanced Robotic Systems 9. DOI: DOI: 10.5772/52190Chavez-Olivares, C. A., Reyes-Cort ' es, ' F., Gonzalez-Galv ' an, ' E. J., MendozaGutierrez, ' M. O., Bonilla-Gutierrez, I., 2012. Experimental ' evaluation of parameter identification schemes on a direct-drive robot. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering 226 (10), 1419-1431. DOI: 10.1177/0959651812456795Davila, A., Moreno, ' J. A., Fridman, L., 2010. Variable gains super-twisting algorithm: a Lyapunov based design. In: American Control Conference (ACC), 2010. IEEE, pp. 968-973.Dehghani, A., Khodadadi, H., Oct 2015. Fuzzy logic self-tuning pid control for a single-link flexible joint robot manipulator in the presence of uncertainty. In: Control, Automation and Systems (ICCAS), 2015 15th International Conference on. pp. 186-191. 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