TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 2, Februa ry 20 15, pp. 287 ~ 291   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i2.695 8          287     Re cei v ed  No vem ber 3, 20 14; Re vised  De cem ber 1 9 ,  2014; Accep t ed Jan uary 2 ,  2015   Study on Adaptive PID Control Algorithm Based on  RBF Ne ural Network       Qi Xuemei Zhang Jingd ong   Schoo l of T r an sportatio n  an d Automob ile E n gin eeri ng, Pan z hih ua Un ivers i t y ,   Panzh i hu a, 61 700 0, Chi n a       A b st r a ct  Aim at the l i m it ation of tr ad itio nal PID contr o l l er has certa i li m i tation, the traditi ona lPID control i s   often difficu lt to obtai n satisfac tory  control p e r f orma nce, a nd  the RBF  neur al  netw o rkis diffi cult to meet th requirem ent of real-tim e contr o l system .To overcom e   i t, an adaptive PID  control  strat e gy based  on (RBF)   neur al n e tw ork ispro pose d  i n  this pa per. T he res u ltss h o w  that the pro pose d  co nt roll er is pr actical  an d   effective, bec ause of th e adaptability, st rong robustness  and s a tisfact o ry  controlperf o rmanc e.It is also  revea l ed fro m  simu lati on re sults that the prop osed c ont rol al gorith m  i s  valid for DC  motor a nd a l s o   provi des the th eoretic al an d e x peri m e n tal b a s is   Ke y w ords ad aptive PID cont roller, RBF  ne u r al netw o rk, DC motor     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  PID controll e r s are the most co mmo n indust r ial pro c e ss  cont rolle r, its structure is  simple, g ood  robu stne ss  and hi gh reli ability, and the PID  controller i s  wi del y used i ndu strial  pro c e ss cont rol  [1] .  Howev e r, the co nve n tional PID controlle r ha a ce rtain limiting, esp e ci ally  the controlle d object cont ains a no nlin ear an time-varying cha r acteri stics,the  traditionalPID  control i s  often difficult to  obtain  satisf actory   co ntro l perfo rma n ce [2]. Since  the pa ramete rs  empiri cal fo rmula of PID cont rolle r i s  pro p o s ed  b y  the Ziegle r  and Nieh ols,  and th e m any  method s have  be en used for  the   pa ram e ter setting   o f  the PID  co n t roller.  With t he d e velopm ent   of intelligent  control theo ry, the intelligent cont ro l te chn o logy wa s intro d u c ed  in PID cont ro l b y   many sch o lars, an d p r ovid ed n e meth od me an s fo r the PID  co ntroltechnol ogy .In recent yea r s,   the artifici al  neural n e two r ha s b een  used in  co mplex proce s s control,  a nd ha attra c ted  wide sp rea d   attention [3, 4]. Becau s e the neu ral  netwo rk  ha s ada ptive learni ng, pa rallel  processi ng  and the  strong ability of f ault tole rance.The neural  network adaptivePID contro l   scheme  which is lo cally a pproxim ated  by the  RBFn etworki s  a d o p ted in  this p aper,  and  in   orde to improve th e system a ccura cy , robu st ness an d ada ptiveness [5].      2. RBF func tion  The Ra dial  Basis F u n c tion (RB F ) is a neur al n e twork which  was p u t forward by  J.Moodya nd  C.Da rken in  the late 198 0 s , it is  a thre e layer feed  forwa r d n e twork  with  singl hidde n layer (Figure 1), is  a kind  of loca l approx imation of the neu ral net work. T he RBFi s a ki n d   of three layer forward net work. The m appin g  whi c h  is from the input to the output is nonli near,  and the  map p ing  whi c h i s   from hid den l a yer  spa c e to  the output  space is li nea r [6]. It simulates  the neu ral  ne twork  stru cture for the  pa rtial adj u s tmen t of the hum an b r ain  and  each receivin g   domain. RBF  is a kind of  local app rox i mation  network, which h a s be en  proved that the any  pre c isi on  app roximate s an y continu o u s  functio n . Th i s   kind  of net work  ch ara c t e risti c s is tha t  it  onlyha s  a fe w output of  con n e c tion p o we r influe nc e aim at local input spa c e, so that lo cal  approximatio n netwo rk h a s the adv a n tage s of fasterle arning  spe ed [7]. Therefo r e, the  RBF  netwo rk  can  signifi cantly a c celerate the lear ni ng spee d and avoid l o cal mini mu m probl em, which  is suita b le for the real-time  control.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  287 – 291   288   Figure 1. Three layer feed  forwa r d n e twork  with sin g l e  hidde n laye     In the stru cture of RBF  netwo rk, 12 [, , ] T n X xx x  is the input vector of netwo rk.  Assu ming th e radi al ba sis vecto r o f  the RBF netwo rk i s 12 [, , ] T n H hh h . Wher e j h isga ussia n  ba sis fun c tion:     2 2 e xp( ) , 1 , 2 , . 2 j j j XC hj m b          (1)     The j netwo rk nod e of ce nter vecto r  is  ,1 2 , , [, , ] T ij j j i j n j Cc c c c  . As s u ming  the   basi s   width v e ctor of net work is 12 [, , ] T m B bb b , j b is the b a si s wi dth pa ramete r of n o de, and  is greater th an ze ro. The  weight vect or of network is 12 [, , ] m Ww w w .The out put of the  netwo rk i s  given as:     11 2 2 () mm m yk w h w h w h w h          (2)     Assu ming the  ideal output i s () yk , the performance index  function i s   2 1 () ( ( ) ( ) ) 2 m Ek y k y k           (3)     Based o n  the  gradie n t descent metho d , the iterat ive algorithm of ou tput powe r , node center a n d   base width p a ram e tera re:     () ( 1 ) ( () () ) ( ( 1 ) ( 2 ) ) jj m j j j wk wk y k y k h w k w k     (4)     2 3 (( ) ( ) ) j jm j j j XC by k y k w h b          (5)     ( ) (1 ) ( (1 ) ( 2 ) ) jj j j j bk bk b b k b k        (6)     , 2 (( ) ( ) ) j ji ji m j j x c cy k y k w b          (7)     ( ) (1 ) ( (1 ) ( 2 ) ) i j ij ij ij ij ck ck c c k c k        (8)     Whe r is learning rate, is m o mentum fa ctor.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Ada p tive PID Co ntrol Algorith m   Based on RBF Ne ural  Network (Qi  Xuem ei)  289 Ja cobi an mat r ix algorithm i s  as follo ws:    11 2 1 () () () () m j m jj j j cx yk yk wh uk uk b           (10 )     Whe r e 1 () x uk     3. Design of  Adap tiv e  PID Con t roller  Bas e d on th e BRF  Neur a l  Net w o r k   There are m any function  form of RBF  neur al network, G a u ss f unctio n  wa sele cted  inthis a r ticle  as the  hidd en  layer no de fu nction  acco rd ing to its u n iq ue adva n tage s [8]. Base on  the RBF n e u r al net wo rk, t he ad aptive  PID co ntrol  system structu r e i s  a s  sho w n in  Figu re  2.  Neu r al  netwo rk  ada ptive PID co ntrolle r adj ust s   the  con n e c tion  weig hts of  n eural  net work NN  and the thre e  paramet ers of PID acco rding to t he square error o f  the  given input and syst em  outputa s  the obje c tive function [9]. The PID cont roll er is appli ed  to the control l ed obje c t, and  make s the  system output  close to  the gi ven input of system.      Figure 2. Adaptive PID Controlle ba sed  on the BRF neural network      The co ntrol e rro r of PID co ntrolle ris give n as follo wing   () () () error k rin k yout k           (11 )     The thre e inp u ts of PID is given followin g  as:     (1) ( ) ( 1) x c e r ror k error k          (12 )     (2 ) ( ) x c e rro r k           (13 )     (3 ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2) x c e r r o rk e r r o rk e r r o rk        (14 )     Control algo ri thm is given as:     () ( 1 ) ( ) uk uk uk            (15 )     ( ) (( )( 1 ) ) ( ) (( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ) pi d u k k e rro r k er ro r k k e rro r k k e rro r k er ro r k erro r k         (16 )     Whe r e ,, pi d kk k areth e  prop ortio n , integral a nd di fferential parameters  res p ec tively.  The tuning in dex of neural  netwo rk i s  sel e cted a s :     2 1 () () 2 Ek e r r o r k           (17 )     The gradie n t desce nt method is u s ed for adjustme n t of  ,, pi d kk k Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  287 – 291   290 () ( 1 ) p pp EE y u y k e rror k x c ky u k u          (18 )     () ( 2 ) i ii EE y u y k e rror k x c ky u k u          (19 )     () ( 3 ) d dd EE y u y k e rror k x c ky u k u          (20 )     The  y u  can be o b tained by th e identificatio n of neural n e t work.       4. Simulation  In this  se ctio n, usi ng th e  PID  control   prin cipl e b a s ed  on RBF  neural n e two r km akes  simulationfor DC motor i n  MATLAB. Parameters   of the sy ste m  for  simula tion are:KP=0.3,  KD= 0 .3, KI= 0 .1,the trans fer func tion of t he DC motor  is   2 103 () 15 Gs ss           (21 )     Whe r e the  sampling time  is 2m s, the i nput  si gnal i s  step  sign al, netwo rk  hidd en layer  neuron s num ber is m = 6 . The Figure 3 sho w s the  squ a re  wave  resp on se cu rve without the  adaptive  setti ng PID control st rategy  b a se on  RBF  neural net work. Th e Figure 4 sh ows  the   squ a re  wave  re spo n se curve  with the  adaptiv e set t ing  PID con t rol  st rategy based  o n  RBF   neural n e two r k. T he Fi gure 5, Fig u re   6 and  Fi gu re  7 reflect th e process of  PID pa ram e ter  adju s tment. F r om th simul a tion  curve  we can  se e tha t  the adj uste d  onlin e PID  controlle ba se on the  RBF  neural n e two r ha s g ood  control effe ct, and the  co ntrol effe ct compa r ing  si mple   PIDis greatly improved. T h is sho w s th at aim at  the controlled o b ject which h a s no nline a and   time-varying  para m eter, th e algorith m  h a tra c e abilit y and anti-int e rferen ce abil i ty.            Figure 3. The  step sig nal without the ada ptive  settingPID ba sed o n  RBF  NN  Figure 4. The  step sig nal with the adapti v setting PID b a se d on RBF  NN      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Ada p tive PID Co ntrol Algorith m   Based on RBF Ne ural  Network (Qi  Xuem ei)  291       Figure 5. The  adaptive sett ing cu rve of ki  Figure 6. The  adaptive sett ing cu rve of kp                                Figure 7. The  adaptive sett ing cu rve of kd      5. Conclusio n   In this pa per,  based on  RBF neural ne twork  ad aptive PID co ntrol   strategyi s  p r opo sed   for the DC  motor. The  result s sho w  that the  pro p o se d controll er is  pra c tical and effe ctive,  becau se of th e adapta b ility, strong  rob u s tne ss  and  sa tisfacto ry co ntrol pe rform ance. RBFNe u ral  netwo rk  ada p t ive PID controller a c hi eve d  goo d co ntro l effec t. It is  als o   revealed from s i mulation   results that t he p r op osed  co ntrol  algo rithm i s  vali d for DC m o tor  and  al so p r ovide s  t he  theoreti c al an d experim ent al basi s , and  the cont rolle r is a kin d  of practical engi ne ering.       Referen ces   [1]  Li Li xi an g, Peng Hai p e ng, W ang Xia ngd o ng.  PID para m etertuni ng b a sed o n  cha o tic ant s w a r m Chin ese Jo urn a l ofScie ntific Instrument . 20 0 6 ; 27(9): 11 04- 110 6.  [2]  KH Ang, G C hon g, Y Li. PID Contro l S y s t em Anal ys is, Desig n  a nd T e chn o lo g y IEEE Trans. on  Contro l SystemT e ch no logy 200 5; 13(4): 55 9-57 6.  [3]  Li Yu yi ng, W e n Qiao ya n, L i   Li xia ng, P eng  Haip en g, Z hu  Hui. Improv ed  c haotic  ant s w arm al gorithm .   Chin ese Jo urn a l of Sc ientific I n strument.  20 0 9 ; 30(4): 73 3-7 37.   [4]  Z H I Hui-qi an g, YANG Z eng-j u n, T I AN Lian g. AComp a rative  Stud y on BP  N e t w o r k a nd RB F  Net w o r k i n   F unction Ap pro x im atio n.  Bullet i n of Scienc e a ndT ech nol ogy.  2005; 2 1 (2):19 3-19 6.  [5]  Xi a H o n g . A fa st identific atio n  alg o rithm for   bo x-co xtra nsfo rmation bas ed radi al basis  f u nction ne ural   net w o rk.  IEEE Transactions on Neur al Networks . 2006; 1 7 ( 4 ): 1064- 10 69   [6]  ZHAN Li, SUN  Peng, CHEN  W en-ba i. Contr o l of  S w in gUp  and Stab iliz ati on of an Invert ed Pen d u l um   Sy s t e m Co mp uter Simul a tion . 2006; 23( 8): 289-2 9 2   [7]  CONG Shu a n g , Z H ANG D o ng-j un, W E I H eng- hua.C o mp arative  Stud on T h ree  Co ntrol M e thods  of   theSin gle Inv e r t ed-Pen d u l um  S y stem.  Syste m sEn g i neer in g  and Electro n ic s . 2001; 23( 11) : 47 49   [8]  Z hang J i n gdo n g , W en Gua ng,  W e i Yon g q i ao , Yin Guofu. R B F  Neura l  Net w o r k PID for Bi latera l Ser v o   Contro lS ystem .   TEL K OMNIK A . 2013; 11( 9): 5200- 52 09   [9]  Liu J i nk un. MA T L AB Simulati on  w i t h  Adv a n c ed PID  C ontr o l. Pu blis hin g   Hous e of El ect r onics In dustr y,   Beiji ng. 20 11.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.