TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 81 9 3  ~ 819 9   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.63 32          8193     Re cei v ed Ma y 14, 201 4; Revi sed O c tob e r 23, 201 4; Acce pted No vem ber 1 2 , 2014   Improved Reaching Law Sliding Mode Control  Algorithm Design for DC Motor Based on Kalman Filter      Li Liu  Schoo l of mechan ical En gi ne erin g and A u to mation,  Xih ua  Univers i t y , C h i n a   E-mail: rub y l l @ 163.com       A b st r a ct   Aiming  at the inaccur a tely  m o deling and some  unc ertain ex isting  in servo system serious ly   affected the c ontrol q u a lity and th insta b ility  pro b le m, slidi ng mo de  control a l g o rith m w i th i m prov e d   reach i ng  l a w  i s  pro pose d   in  this  pa per. T he  i m prov ed  r each i ng  l a w  is  use d  to  w eak en th e c hatteri ng  prob le m existi n g  in the sli d in g mo de co ntrol. Also the kal m a n  filter is us ed  to inhi bit the int e rferenc e, w h ich   mak e  the s e rv o system  hav e  strong a n ti-int erferenc ab ilit y and th e ab ili ty of w eakenin g  the ch atterin g   prob le existin g  in  the  sli d in mo de c ontro l.  T he si mu la ti on  results s how  that the  al gorit h m  c an  effective l y   inhi bit th e exte rnal  distur banc e a nd  nois e  ex isting  in  th e sy stem, a nd  mak e  the syste m  h a ve stro ng  anti - interfere n ce  ab ility. At the  sa me  ti me, th e c hatterin g   also  i s  obv ious ly i n h i bite d, an d th meth od   makes  t h e   system stab ility  and contro l qu a lity be en furth e r improv ed.      Ke y w ords : DC m o tor, SMC, Kalm an filter, im prov e d  reach i ng l a w ,  chattering, si mu latio n      Copy right  ©  2014 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  Train control system, abb reviated as T C S and it s task i s  to control the velocity [1] and  the distan ce [2] betwee n  trains in the rai l way and  to p r otect the safe and high ef ficien cy of train  runni ng [3,  4]. The train  po sition i s  ve ry  importa nt in t he T C simu lation envi r on ment. An id e a TCS testing  a nd sim u lation  platform sho u ld sim u late the re al rail wa y operatin g e n vironm ent a n d   study the  TCS theory. In  testing  and  simulati on  plat form, differen t  peopl e h a ve the  differe nt  con c e r n a b o u t the train,  su ch a s  the  policym a k e r  and researcher, etc. T h erefo r e, the  3D   visuali z ation  of train can b e  sep a rate d two a s pe cts.   Sliding mod e  variable st ru cture  cont rol  is a sp eci a l n online a r cont rol metho d , whi c h is   actually the d i scontinuity of cont rol. The  control strate gy is diffe rent  from other  control meth o d becau se the  stru cture  of system  is  mainly unfixed, but the system ca n b e  cha nge d in the  dynamic p r o c e s s a c cordi ng to th cu rre nt stat e  of  the  system  whi c h  is  ch ange d by  so me  destin a tion.  And the m e thod m a kes  system move  ac cording  to  the state t r aj ectory  of slid ing  mode. Be ca use th slidi ng mo de  ca n be d e si gn ed an d ha nothing to  d o  with th e o b ject  para m eter an d dist urb a n c e, whi c ma kes th e va ri ab le structu r contro have q u ick respon se,  and be n o t sensitive to  the distu r ban ce  and pa ra met e r chang e [1]. But due to the influen ce  of  factors  su ch   as tim e  d e lay  switch,  spati a l lag  swit ch  and th syste m  ine r tia [2],  it is  difficult f o r   the sy stem to  stri ctly slidi n g alo ng the  sl iding  m ode  fo r the  bala n ce, but  cro s sing   back  and  fort h   on b o th  side s of the  sli d in g mo de  su rfa c e to  p r od uc e chatteri ng.  Due  to vib r ati on, it is e a sy  to   motivate the  high frequ e n cy mo delin g dynami c  i n  the  syste m , and d a m age the  sy ste m   perfo rman ce.  In o r de r to   wea k e n  the   chatteri ng  of  the  system,  Gao   Weibi n g p r op osed t h e   rea c hin g  law  to wea k en  ch attering p r obl em pro d u c ed  by variable st ructu r control. The pape r [3]  desi gne d a  variable  st ru cture  controll er  with  a  filter, whi c h  can effe ctively eliminate t h e   chatteri ng of  control  sign al. With the developm ent  of artificial intelligen ce, schol ars have  pu forwa r d the  method b a se d on artifici al  intelligen ce  t o   solve  the chattering pro b lems existin g   in   the slidin mode  contro l, Such a s  the fu zzy method, neu ra l netwo rk m e thod; Ge ne tic  optimizatio n algorith m , etc. [1].  This p ape r h a s p r op osed  a slidi ng mo d e  co ntrol al g o rithm  with i m prove d  re a c hin g  la w   and kalman f ilter techn o lo gy for the DC se rvo  syst em, which ca n make the  system have fast  tracking performance  and i m prove the  ability of weakening t he chattering.  The si mulation  results   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8193 – 81 99   8194 sho w  that the  propo se d co ntrol sche me  can effe ct ively improve the  dynamic cha r acte ri stic of the   system, an d has  stron g  an ti-interferen c e  ability and weaken the ch attering abilit y.      2. Sy stem Descriptio n    2.1. Mathem atic Model   With the developme n t of the modern indu st ry, DC  motor is u s e d  as the Executive  Termin ation for the se rvo system widely.  The ma them atical mod e l of the magnet ic bru s hl ess  DC  motor i s  e s ta blish ed  ba se d on  the  working  p r inci ple  of ma gneti c   bru s hle s DC motor [4]. T he  workin g pri n ciple and the  equivalent  circuit diag ram  of DC moto wa s depi cted  in the followi ng  figure (entitle d Figure 1).         Figure 1. Wo rking p r in ciple  and the eq uivalent circuit di agra m  of DC  motor      From th working  pri n ci ple  of mag netic  bru s hle s DC motor,  we  can obtai n the  voltage   balan ce e qua tion of DC mo tor arm a ture  circuit:    aa a a E n a a E a a UE R I C I R K n R I                 (1)    The DC moto r’s dyna mic e quation of is  given as follo ws:     a aE a a a di uK n R i L dt                       (2)              In the Equation (2), th e paramete r a R is the lo op resi stan ce a I is   the loop  cu rrent a E is the ind u cti on ele c tro m ot ive force a U is t he voltage of  the circuit E C is the ele c tro m otive   forc e c o ns tant n is the motor’s spee d E K is the electromo t ive force whi c h is p r od uce d  by unit  spe ed.       Balanced e quation of ele c trodyn a mi cs is as follo ws:     eL E a T a dn TB n T J C i K i dt                            (3)    Whe r e e T is the instanta neo us electro m ag n e tic torqu e L T is the load torque B is  dampin g  co efficient J is the moment of in ertia T K is  torque c o ns tant.   Assu ming the  initial conditi ons i s  ze ro, the motor lo ad  is con s tant, the equ ation s  are  transfo rme d  by the Lapla c e. The tran sfer func tio n  of DC moto r ca n be obtain e d  as follows:      2 () () () T aa a a T E K ns Gs Us L J s R J L B s R B K K           ( 4 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Re achi ng La w Sliding Mod e  Control Algo rithm  Design F o r DC Motor… (Li Liu )   8195 2. Design  for Discrete Sliding Mode Co ntroller   2.1. Reachin g La w   Domestic exp e rts propo sed  the reaching  law appr oa ch  to reduce or  inhibit the chatterin g   of SMC in the  premise of e n suring  the  condition of sli d ing existence  0 S S   has been  meet.  An d   given four different meth ods of reach i ng law,  such as con s tant reaching law, exponential  approa ch law, power reach i ng law and general reac hing law, where the expone ntial approach is   applied widel y [2], but the discrete  form  of exponent ial reaching la w’s switching  zone is zo nal. So   which  can not  be clo s e to the origin ultimately but  a  chattering ne ar the origin d u ring the pro c ess  moving [2 ].  In order to solve the  chatteri ng pheno menon of exponential reaching law ne ar the  origin [5, 6] propose d  a va riable rate re aching la w fo r continuou system, it’s discrete form  as   follows   )) ( sgn( ) ( ) ( k S X T k S k S 1 1        ( 5 )     Where:  1 X -- 1 norm of x.  Reachin g  spe eds of variable rate reachin g  law is  1 X , and is proportion al to 1 X .  T he  switching   zo ne pass thro u gh the origin   with  two  rays, which  can  m a ke   S =  0 in t he middle of t h e   two rays, can  be stabilized  at the origin, Howeve r, when the syst em just  entered to switchi ng  zone  1 X  will ge t a large val ue, and  have a big chattering in SMC. In  order overcome the   problem of th e  variable  rate rea c hing la w and  expon ential approa ch law,[7]has propo sed  new  reaching law  as follows:      )) ( sgn( ( tan ) ( ) ( ) ( ) k S X sig T k S Tq k S 1 1 1      ( 6 )     Whe r e:     1 1 1 1 1 1 2 1 X X e e X sig X sig )) ( ) ( ( tan          2.2. Design  of Sliding Model Con t rol l er  In this paper, in order to enhance th e abilit y of  anti-interference, and red u ce the  chattering of  VSC, we mad e  use  improv ed rea c hing  law an kalma n  filter to desi gn the  control l er,  the structure of the controller was sho w n  in Figure 4  [8].                             Figure 4. The  diagra m  of controlle     Assu ming G ( s) i s  the tra n sfer functio n  of   servo  syste m , and its sta t e spa c e e q u a tion as  follow:     ) ( ) ( ) ( k Bu k Ax k x 1         ( 7 )   Whe r e:   T k x k x k x ( ) ( ) ( 2 1            ) ( k x 1 -- The a c tual velocity.           ) ( k x 2 -- The  ch angin g  rate of  velocity.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8193 – 81 99   8196 Suppo sed ) ( k r , ) ( k dr  a s  the  velo city orde and   it’s chan ge  rate.  )] ( ), ( [ k dr k r k R predi cted by l i near extrapol ation   1 k R  is:    ) ( ) ( ) ( 1 2 1 k r k r k r           ( 8 )     ) ( ) ( ) ( 1 2 1 k dr k dr k dr         ( 9 )     Define  swit ch ing functio n  is:    )) ( ) ( ( k x R C E C k S k e e           ( 1 0 )     )] ( ) ( [ )) ( ( ) ( k Bu k Ax R C k x R C E C k S k e k e e 1 1 1 1     ( 1 1 )     The novel rea c hin g  law’ s di screte form is:    )) ( sgn( ( tan ) ( ) ( ) ( ) k S X sig T k S Tq k S 1 1 1      ( 1 2 )     From the a b o v e equation.  The slidi ng m ode control la w of se rvo sy stem is:     ))] ( sgn( ( tan ) ( ) ( ) ( [ ) ( ) ( ) k S X sig T k S Tq k Ax C R C B C k u e k e e 1 1 1 1                     (13)             Where: ] , [ 1 c C e       3. Kalman Filtering Oper ator   The co ntinuo us mod e l of control sy stem  is c onve r ted  into a discret e  model, the discrete  state equ atio n and mea s u r ement equ ation are give n as:     ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( ( ) ( ) ( k v k Cx k y k w k u B k Ax k x v 1                                 (14)    Whe r e ) ( k x and ) ( k y v re spectively are  the state ve ctor an d ob se rvation vecto r A is the  state mat r ix, B is the  co ntrol  matrix, C is th e output  ob servation m a trix, ) ( k w is the  process  noise sig nal, ) ( k v i s  the ob serva t ion noise sig nal.  The flow  cha r t of kalman filtering alg o rith m is sh own in  Figure 5 [9]:    |1 ˆ kk x ˆ k x k y                   Figure 5. The  flow cha r t of kalma n  filteri n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Re achi ng La w Sliding Mod e  Control Algo rithm  Design F o r DC Motor… (Li Liu )   8197 The re cu rsiv e algorithm o f  the corresp ondin g  ka lm a n  filter of flo w  ch art is giv en as [9,  10]:    The be st esti mation is:     1 1 1 k k k k x A x ˆ ˆ |          ( 1 5 )     The erro r vari ance of expe ct estimate s i s   T k k T k k k k k QB B A P A P 1 1 1 1 1 1 |        ( 1 6 )     The kal m an g a in is:     1 ] ) ( [ ) ( R C k Cp C k p K T T k        ( 1 7 )     The upd ate e s timation is     ) ˆ ( ˆ ˆ 1 1 1 1 k k v k k k k x CA y K x A x        ( 1 8 )     The  upd ated estimate covarian ce  i s     1 k k k k P C K I P | ) ( ;          ( 1 9 )     The output of  filter is     k e x C y ˆ           ( 2 0 )     Whe r e Q, R a r e the covaria n ce mat r ix of  rand om noi se  w(k),v(k) respectively.      4. Numerical  Simulation  In orde r to verify the effectiveness of the   controller, u s e MATLAB to make  simul a tion for  the DC. the servo sy stem’s status eq uati on [8]:    ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( ( ) ( ) ( k v k Cx k y k w k u B k Ax k x 1                       (21)    Whe r e:     9753 0 0 0010 0 0 1 . . . A  1314 0 000 0 . . B 0 1 C 0 D     ) ( k w is the  pro c e s s white noi se  sign al; ) ( k v is the  observatio n   white n o ise signal. In   orde r to  prove the  effect of  sy stem,  the  system  with  kalman filte r  a nd the  sy ste m  witho u t kal m an  filter are  re spe c tive ly simulate d. The  simulation p a ram e ters  are  given  as: 40 , 130 , 280 cq  , [ 0 .5 , 0 .5 ] x  , 05 0 . The sim u latio n  results a r given in the Figure 6 - Fig u re 9     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8193 – 81 99   8198       Figure 6. Position trajecto ry without filter  Figure 7. Position trajecto ry with filter             Figure 8. Phase traje c to ry without filter  Figure 9. Phase traje c to ry with filter                                                    The Figu re 6 - Figu re 7 is t he po sition trajec to ry of the Figure 8-Fi gure 9  is the  pha se  trajecto ry. From the simul a tion re sults (Figure 6-Fi gu re 9)  we ca n obtain the co nclu sio n s that  the  external  distu r ban ce  an d n o ise  of sy ste m  after a ddin g  kalman  filter can  be effe ctively restrain ed,  the ch atterin g  of the slidi ng mod e  vari able st ru cture co ntrol i s  also in hibited ,  and ca n be tter  reali z e the fu nction of the  controlle r.      5. Conclusio n   Aim at the in accurately modelin g and some un certai n existing in servo syste m  seri ou sly   affected the  control qu ality and the in stability pro b l e m, the slidi ng mod e  vari able st ru cture is  applie d to th e  se rvo  syste m . Co nsid eri ng the  cha tte ring problem  of  se rvo slidi ng  m ode   vari able  stru cture co n t rol and the existing interf eren ce,  which affect the quality and stability of system  control, a rea c hin g  la w ap p r oa ch i s  u s e d  to wea k e n  th e ch attering  p r oble m  existi ng in the  slidi n g   mode control. At the same time, kalman  filter is us e d  to inhibit the interferen ce, thus to imp r ov the quality and stability of servo sy stem. Syst em simulation s sho w  that the schem e can   effectively su ppre s sed ext e rnal di stu r b ance and  n o i s e, whi c h m a ke s the sy stem have strong   anti-inte rfere n ce  ability. And the  chatte ring of  the  sli d ing mo de v a riabl e st ru cture  cont rol al so  had  bee n o b v iously in hibi ted, the  syst em  stab ility  and co ntrol quality  ha s a l so bee furt her  improve d .sta bility and cont rol quality be en furthe r improved.       Referen ces   [1]    LIU Jin-k un, S UN F u -chu. R e searc h  an d d e ve l opme n t on  theor y a nd  al gorithms  of sli d in g mod e   control.  Co ntrol  T heory and A pplic atio ns.  20 07,24( 3):40 7   [2]    W B  Gao.  T heor y  fou ndati on o f  Variabl e Structur e Contro l, Beiji ng: Scie nc e and T e chno l o g y  Pr ess of   Chin a,19 90.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Re achi ng La w Sliding Mod e  Control Algo rithm  Design F o r DC Motor… (Li Liu )   8199 [3]    YANADA H, OHNISHI H. F r eque nc y-sha p e d  slid in mod e  control of a n   electro h y dra u li c servo-motor .   J of Systems a nd Co ntrol a n d  Dyna mics.  19 99; 213( 1): 441  – 448.   [4]    HL, FQW, HCX . Design  for  Mecha n trical In tegratio n S y ste m . Beiji ng: Hi g her e ducati on  press. Bei jin g.   201 1.  [5]    MSS Ahme d, Z  Ping, W Y  J i e, Mod i fie d  sl idin g m ode  co ntroll er  w i th  e x te nde d Ka lm an F ilter  fo r   stochastic s y stems.  IEEE inter national conf erenc e on co ntrol and autom ation.   2007: 630-635, .  [6]    KB Park, JJ L ee. Sli d i ng m o de c ontrol l er  with filter e d  s i gn al for r o b o t ma nip u lators  usi n g virtua pla n t   control l er.  J of Mechatro nics . 199 7; 7: 277-2 86.   [7]    KW   T ong, X Z han g, Y Z hang , Z  Xie, RX Ca o.  Slidi ng Mod e  Varia b le Stru cture Contro l o f  Perman en t   Magn et Synchr ono us Mach ine  Based o n  a N o vel R eac hin g  Law .  J of Proceedings  of the CSEE. 2008;   8: 102-1 06.   [8]    GAO Cun-che n , LIU Yu n-lo n g , LI Yun- ya n.  A reac hin g -la w   m e tho d  for  uncerta in  discr ete vari ab le- structure contr o l s y st ems. Co ntrol T heor y  &  Appl icatio ns. 2 009; 26( 7): 781 -785.   [9]    JK Liu. MAT L AB Simulati on fo r Slidin g Mod e  Contro l. Beiji ng T s inghua U n i v ersit y  Press,  Beiji n. 200 5.     [10]    Z Z H ANG You-w e i, An Introd ucti on for W i n e r and ka lman  filter theor y Beiji ng: Peo p l e ' s  Educatio n   Press 198 0.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.