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

Optimum Weight Selection Based LQR Formulation for the Design of Fractional Order PI{\lambda}D{\mu} Controllers to Handle a Class of Fractional Order Systems

A weighted summation of Integral of Time Multiplied Absolute Error (ITAE) and Integral of Squared Controller Output (ISCO) minimization based time domain optimal tuning of fractional-order (FO) PID or PI{\lambda}D{\mu} controller is proposed in this paper with a Linear Quadratic Regulator (LQR) based technique that minimizes the change in trajectories of the state variables and the control signal. A class of fractional order systems having single non-integer order element which show highly sluggish and oscillatory open loop responses have been tuned with an LQR based FOPID controller. The proposed controller design methodology is compared with the existing time domain optimal tuning techniques with respect to change in the trajectory of state variables, tracking performance for change in set-point, magnitude of control signal and also the capability of load disturbance suppression. A real coded genetic algorithm (GA) has been used for the optimal choice of weighting matrices while designing the quadratic regulator by minimizing the time domain integral performance index. Credible simulation studies have been presented to justify the proposition.Comment: 6 pages, 5 figure

A Novel Fractional Order Fuzzy PID Controller and Its Optimal Time Domain Tuning Based on Integral Performance Indices

A novel fractional order (FO) fuzzy Proportional-Integral-Derivative (PID) controller has been proposed in this paper which works on the closed loop error and its fractional derivative as the input and has a fractional integrator in its output. The fractional order differ-integrations in the proposed fuzzy logic controller (FLC) are kept as design variables along with the input-output scaling factors (SF) and are optimized with Genetic Algorithm (GA) while minimizing several integral error indices along with the control signal as the objective function. Simulations studies are carried out to control a delayed nonlinear process and an open loop unstable process with time delay. The closed loop performances and controller efforts in each case are compared with conventional PID, fuzzy PID and PI{\lambda}D{\mu} controller subjected to different integral performance indices. Simulation results show that the proposed fractional order fuzzy PID controller outperforms the others in most cases.Comment: 30 pages, 20 figure

Chaotic multi-objective optimization based design of fractional order PI{\lambda}D{\mu} controller in AVR system

In this paper, a fractional order (FO) PI{\lambda}D\mu controller is designed to take care of various contradictory objective functions for an Automatic Voltage Regulator (AVR) system. An improved evolutionary Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II), which is augmented with a chaotic map for greater effectiveness, is used for the multi-objective optimization problem. The Pareto fronts showing the trade-off between different design criteria are obtained for the PI{\lambda}D\mu and PID controller. A comparative analysis is done with respect to the standard PID controller to demonstrate the merits and demerits of the fractional order PI{\lambda}D\mu controller.Comment: 30 pages, 14 figure

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