TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 5, May 2013, pp. 2619 ~   2625   ISSN: 2302-4 046           2619      Re cei v ed  Jan uary 15, 201 3 ;  Revi sed Ma rch 1 3 , 2013;  Acce pted Ma rch 2 3 , 2013   The Self-Adaptive Fuzzy PID Controller in Actuator  Simulated Loading System       Chua nhui Zh ang, Xiaodo ng Song*   Beiji ng Institute  of  T e chnolo g y   Room 224, Bui l d in g Qiushi, Be ijin g Institute of   T e c hnol og y, N o . 5 Yard, Zhong  Guan C un  South Street   Haid ia n District ,  Beijin g, 010 6 891 52 42   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : zchnin g @1 2 6 .com      A b st r a ct  This  paper  analy z es  the str u ct ure pr inciple  of th e act uat or s i mulated  loading syst em  wit h   variabl e   sti ffn ess, and   e s tab l i s he s the simp li fie d   mode l .  W h a t s   mor e it al so   d oes  a  r e se arc h  on  the ap p lic ati o n   of  the se lf-a d apt i v e tun i n g  of fu zz y  PI D (Pro p o rti on Int egr ati on D i ffer ent iat i on) i n  act uat or  simul a t ed l o a d i n g   system  wit h  v a riable stiffnes s. Be c aus e t h e loading syst em  is connect ed wit h  the st eer ing sy stem   by  spri n g  ro d, ther e must b e  stro ng c o u p l i n g . B e si de s,  ther e a r e al so th e p a r a metr ic var i atio ns acc o mpa n yi n g   w i th the  var i at i ons  of th e stiffn ess. B a se d o n   co mp e n sat i o n  f r o m  th e fe ed-f o rw ard c ontr o o n  th e d i stur ba n c e   brought by the  motion of st eer ing eng ine, the system  perfor manc e can be  improved by using fu zz adaptive  adjust ing PID c ontr o l t o   m a ke  up t he changes of system   par a m e t e r caused by the changes  of the  stiffness.   By co mbi n i ng t he fu zz co ntro l w i th trad iti o n a l  PID co nt ro l, fu zz y  a d apti v PID co ntro l is  ab le to c h o o s e  the   par a m eters mo re  pr op er ly.      Key wo rd s :  va riabl e stiffness loa d in g, ada pti v e control l er, fuzz y  PID         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Steering load simulator is  a loading device whic h is u s ed to provide external resistance  on the aircra ft in  flight simulation when flying  [1].  Compare d  wi th early mechanical loadi n g   system which  provides sim p le linear roa d , electr o-hydraulic loading  system supp ly various ways  to load, but  electro-hydra u lic loading a l so has  man y  shortcomin gs [2]. For example, hydr aulic  source volume, power  consum ption and large  noise, low e nergy efficiency, oil leakage,  malfunction,  besides, there is also redu ndant force  because of its  structure  characteristics, which  seriou sly influ ence the loa d ing preci s ion and  system bandwidth. And now, th e popular ele c tric  loading system is based on the mo tor  servo system as the act uators which  take use of the  constant torq ue output of  the Torque M o tor to fini sh the loading task. Compa r e d  with the ele c tro - hydraulic system in workin g band and actuator rang,  electric loadin g  system has the  following  5   major advantages: 1) the small signal with a st ronger  tacking ability and higher lo ading resoluti on  is pretty suita b le for work with small loa d ; 2)  the system characteri stics is stable  and influenced   little by  the environment; 3 )  the rotary motion of  the lo ading system is suitable for torque loading;  4) the small v o lume is  con v enient for maintenanc e; 5 )  low n o ise a nd environme ntal friendly [3].  Therefore, the electric loading system is  wi dely used by the  researchers in the fie l d.  Both the  electro-hydraulic loading system  and electric loading system have the  problem  of redundant  force. Redun dant force is  cause d  by  the motion of the steering e ngine, and it will  influence the precisio n of the system. What’s mo re, it  makes the sy stem  frequen cy width narrow  and destroys  the stability  [4 ]. Therefore, how to dec re ase the redu n dant force is the key to desi g n   load simulator and improve the performance of the system , and it is also the difficult point.  In  this  paper, under the control of the servo mechanism,   according to the calcula t ion of the H o st  computer, the system can  output  corre sponding  stiffness an d loa d  the steering engine with the   variable stiffn ess. In order to further improv e the  system performance, on the basis of the   variable stiffness, the paper introduces  the fuzzy adaptive  PID control.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2619 – 262 5   2620 2. Rese arch  Metho d   2.1. Structu r e Principle of Sy stem  The loading system with  variable stiffn ess is  co nsisted of stiffn e ss se rvo system and  torque servo system, and its basic st ru cture can be se en in Figure1.       U(s )     Figure 1. Basic struct ure of loading system      After receivin g the command of position  from th e  processor, AC servo motor runs to the   appointed po sition which  is correspo n d ing to the  specified value of stiffne ss of the elastic   material. And  the stiffness value of  the elasti c material has been sta ndardize d before the system  running. According to the instruction of torque,  stiffness related  and torque sensor sig nal, th e   signal genera t ed by  the processor controls torque  motor, and the n , the steerin g gear is loaded   with the help  of the coupl ing shaft.  In  addition,  this  system can also be used as a const ant  stiffness loading system for steer ing gea r. In this paper, the author does some research on t he  torque servo system and analyzes  some  characteri stics of it.    2.2. The Mod e l of Torque  Serv o  Sy stem  The torque servo system consists of torque mo tor, ste e ring gear an d the coupling part between  them, both  of  which are the  main factors  in build ing the  model of  the  system. And  the simplified  model of the   system is shown in Figure 1.      1 Ls R 1 J sB t K () Us () e Ts () s () l Ts () I s e K     Figure 2. Bloc k of Transfer Function      In Figure 2,  you can see the block of tor que motor transfer function, thus we can  get  mathematical model of  the  motor which is shown belo w           t 2 et KU s - L s + R T ( s ) Ws = J L s + J R+ B L s + ( B R+ K K ) . (1)    Among them, is the speed of motor, U is  input voltage of motor, t K is  to rque c oeffic i ent ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Self-Ada ptive Fu zzy P I D Cont rolle r in Ac tuator Si m u lated Load ing … (Chua nhui Zha n g )   2621 e K   is electrom otive force coefficient of  counter , L is armature in ductance,  R is armature  resistan ce, T  is output torq ue of motor, J is  moment of inertia,  B is d a mping coefficient.    The balance equation of lo ading motor and steering torque [5]:    () d d TJ K dt   (2)     Combine Eq.1 and Eq.2, we can know the transfer function of  the system:      22 tm m e t d 32 mm e t K K + J s U s - K [ J L s + J R+ B L s + ( B R+ K K ) ] s q ( s ) Ts = J + J L s + J + J R + BL s + BR + K L + K K s + K R     (3)     Among them,  d is the angular displacem ent of steering gear,  is an gle of motor,  K is   the output stiffness of elastic material.  From the equation above,  we c an see that the part w i th  d ( s ) is the disturbance caused  by the movement of the steering g e a r. Howe ver, the movement of steering gear can  be  measure d  by other device, so we can  eliminate  this  kind of disturbance by usi ng feed-forward  control [6]-[9], and the basic principle is shown in Figu re 3.          Figure 3. Forward Feedba ck      Among them,   can just offset the part  with   in syste m  function, a nd we   can get the final system tr ansfer  function shown in Eq.4 below.       2 t 32 mm e t KK + J s U s Ts = J + J L s + J + J R +B L s + B R + K L +K K s +K R    (4)     2.3. Self-Ad a ptiv e Tuning  of Fuzz y  PID Con t roller   In self-adaptive fuzzy PID controller, error e  a nd e rro r cha nge e c   sever as in put  factors.  According  to the rules of fuzzy control, th e contro ller  can revise its  parameters of PID in time [10]  [11]. As a r e sult, it can meet requirements of  parameters of  PID in  different time,  thus  accompli shin g the self-adaptive cont rol.  And the structure of the c ontroller is shown in Figure 4.  In this pape r,  the self-adapt ive fuzzy PID  cont roller i s  a pplied in the t o rque  servo  system,  so we should  consider the  function of the tw o parameters and the relationship between them in   different time . And the se lf-adapt ive fu zzy control i s  ba sed o n   the current  PID control.  By  calculating the curr ent system error e a nd e rror  chan ge ec, and then reaso n ing  with the fuzzy  rules, the controller get its  pr oper param eter in the  fuzzy matr ix built before the ru nning.    According  to the pra c tica l experience,  the param e t ers includin g    , in  different cases of e and ec  should be adjust to  the principle below:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2619 – 262 5   2622 a)  When  e is a  big value, in orde r to  s peed up  the  response  of  the system  and prevent  differential overflow cau s e d  by the incre a se of e in th e beginning,  should be  a b i gger one   while   should  be a  small value. At the same time, because  the sy stem oversho o t might   increa se be cause  of the strong action  of the in tegra l , we should l i mit the integral action  by  taking a smaller value of  b)  When e is a  medium value, in order to r educe the ov ershoot of t he system to guarantee the   speed of  resp onse,   should  be reduce d   properly while the value of   and    should  b e   moderate one s;  c)  When e is a  small value, in order to re duce steady-state error,   and   should  be of  bigger values. In  order to avoid the oscillation  of ou tput in  the set  value and increa se the anti- jamming ability,   should be  a small one when |ec| is in  a bigger value.      PID Controller Fuzzy  Reaso n ing G(s) dt de e d y p k i k d k     Figure 4. Self-Adaptive Fuzzy PID Contr o ller      The input variable e and e c  are  divided into se ven fuzzy sub s ets, i n cluding Posi tive Big   (PB), Positive Medium (PM), Po sitive  Small (PS), Zero (Z),  Negative Small (NS), Negative   Medium (NM), Negative  Big (NB).    According to the rules above, we can get  fuzzy control  table below in Table1,2,3.      Table 1. Fuzzy Rules of      NB NM  NS  PS  PM  PB  NB  NM  NS  PS  PM  PB  PB  PB  PM  PM  PS  PS  PB  PB  PM  PM  PS  PM  PM  PM  PS  NS  NM  PM  PS  PS  NS  NM  NM  PS  PS  NS  NS  NM  NM  NS  NM  NM  NM  NB  NS  NS  NM  NM  NB  NB          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Self-Ada ptive Fu zzy P I D Cont rolle r in Ac tuator Si m u lated Load ing … (Chua nhui Zha n g )   2623 Table 2. Fuzzy Rules of      NB NM  NS  PS  PM  PB  NB  NM  NS  PS  PM  PB  NB  NB  NB  NM  NM  NB  NB  NM  NM  NS  NM  NM  NS  NS  PS  PS  NM  NS  NS  PS  PS  PM  NS  NS  PS  PS  PM  PM  PS  PM  PM  PB  PB  PS  PM  PB  PB  PB      Table 3. Fuzzy Rules of       NB NM  NS  PS  PM  PB  NB  NM  NS  PS  PM  PB  PS  PS  PB  PB  NS  NS  NS  NS  NS  PM  NB  NB  NM  NS  PS  PM  NB  NM  NM  NS  PS  PM  NB  NM  NS  NS  PS  PS  NM  NS  NS  NS  PS  PS  PS  PB  PB      A ccording  t o  t he f u zzy  sub s et  {e,  ec},  w e   can get PID param eters correspo nde d  in the  tables. And c o mbine with the function b e low,  we can get the specific PID parameters.    p0 i0 p p i d i d0 d k= k + k k= k + k k= k + k     Among them,   are the initial designed value which can be got with the   help of experience.   are PID parameters that you c an get from  th e tables.      3. Results a nd Analy s is  In this paper, the basic p a rameters in  t he simulation ca n be  seen in Ta ble  4. And  generalizatio n performance standards a r e all unit matrix.        Table 4. The  basic param e t ers  R/  L/mH   /V/rpm   J/Kg   / Kg   /Nm/A  B/Nm/rpm   6.60 45.3  0.208   4.134*  9.92*   1.72 0    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2619 – 262 5   2624 In order to ref l ect the advantages of  self-adaptiv e fuzzy PID contro ller, in the sim u lation, I  compare  the  output of fuzzy PID c ontroller with comm on PID contro ller. In additio n , I also choo se   a different inp u t signal, including step si gnal and sine  signal, and different stiffne ss values in the   experiments of simulation.  Experiment 1 :  with a fixed  stiffness value, we  explore the output  of different c ontrollers  while the input signals are all step signals.  And the  result can be seen in Figure 5.          Figure 5. The output o f  different controllers  while the input signals are all step signals      Results of Experiment 1: in Figure 5, we c an  see th at with a fixe d stiffness, when the   step signal i nputs, the overshoot  of the fuzzy PID controller  ha s decrea s ed,  and the system  dynamic performance ha s been improved.  Experiment 2: in the stiffn ess value with  2 rad/s fre quency variation, we expl ore the   output of  the two controllers wi th the same step signal. And the results of simulation can be se en  in Figure 6.          Figure 6. The output o f   the  two cont rollers with the same step signal  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Self-Ada ptive Fu zzy P I D Cont rolle r in Ac tuator Si m u lated Load ing … (Chua nhui Zha n g )   2625 Results of Experiment 2: in Figure 6, we  c an see that when  stiff ness cha nges, fu zzy PID  controller can  improve the  performance of the  system, but the impr ovement is n o t obvious.      4. Conclusio n   This pape r st udies the self -adaptive fuzzy PID  contro ller in the servo loading system of  variable stiffn ess. As to the chara c terist ics of va riable stiffness, th e feed-forward control help s  to   eliminate the system interference   cau s e d  by the movement of the  steering gea r. And in the basis   of traditional PID, the author de si gned  fuzzy  control rules, introduci n g the self-ad aptive fuzzy PID.  The re sults o f  simulation show that the  self- adaptive fuzzy PID co ntrolle r impro v es the tracking  performance of the  loading system,  and it can also work in the c ondition of  variable stiffness.      Referen ces   [1]  Mingl i F u , Go ng xi a Z h a ng.  Multich ann el s t eerin g g ear  motor serv o l oad ing  d e vice  desi g n  a n d   realiz atio n of t he me asur em ent an d co ntro l s y stem.  Mec han ical  an d El ectrical E ngi ne erin g . 200 9;   38(1) (In Ch ine s e).  [2] Yun;on Ch en g.  Air defens e miss ile a u top i l o t desig n . Beij i ng: Aerosp ace  press; 199 3. (In Chi nese)   [3]  Xi ao P an. Vari abl e stiffness steerin g lo ad s i mula ti on s y ste m , Beijin g Insti t ute of T e chnolog y. 2 010 ,   master degr ee  pap er. (In Chin ese).  [4]  Ming W a ng. T he res earch  of  Electric l oad i ng sim u lati on.  Harbi n  Ind u stri al U n ivers i t y 200 4, doctor   degr ee p aper.  (In Chin ese).   [5]  Che ngg on g Li , Gongtao Jin ,  Z ongxi a  Jia o . El ectric loa d  simulator e x cess mom e n t  generati n g   mecha n ism an d suppr essio n Journal of Be ijin g Univ ersity   of Aeronautic s and Astrona utics . 2006 ,   32(2): 20 42 208 . (In Chinese).   [6]  Yunh ua  Li. Lo a d  simul a tor re d und ant mome n t  suppress i on  method.  Mac h i ne too l  an d hy drau lic . 19 99;   (2): 2722 9. (In Chin ese).   [7]  Z ong xi a Jia o , Che ngg on g Li,  Z h iting R en.  T he extran eou storque  and c o mpe n satio n  c ontrol  on th e   electric l oad in g simul a tor. //T he F i fth Inter nati ona l S y mposi u m on  Inst rumentatio n and co ntrol   T e chnolog y, S P IE. 2003; 525 3:  7232 72 7. (In Chin ese).   [8]  Z h iting  Re n, Z ong xia J i ao.  T he  desi g n  of  Small T o rqu e   Motor lo ad ing   Simulat o r.  Jou r nal of  Be iji n g   univ e rsity of Aeron autics a n d  Astronautics . 200 3; 29(1): 91 294. (In Chi nes e).  [9]  Yuan  Ci, Ke din g  Z hao. V ehic l e lo ad sim u l a ti on p l atform ve l o cit y  f eed back  overcom e  e x c e ss mome nt  simulati on.  Jou r nal of Har b in I ndustri a l Un ive r sity . 1997; 29( 6): 1262 12 9. (In Chi nese).   [10]  Li J i ej ia,  Liu   Dai y a n , Qu   Rui. T he stra teg y   of  const r uction  e qui p m ent e ner g y -savin g co ntrol.   Te lkom n i ka . 20 12; 10(4): 7 06- 712.   [11]  LIU Ai-zh en, C H EN L i - y un, W A NG Yin-l o n g , W ang L u . A Q uantit y Optimiz a tion M e tho d  o n  Integr ated- Loa din g -a nd-U n lo adi ng-Miss il e Vehic l es.  T e l k omnik a . 201 3; 11(2).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.