TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 2, May 2015, pp. 293 ~ 29 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i2.767 4        293     Re cei v ed Fe brua ry 18, 20 15; Re vised  Ap ril 12, 201 5; Acce pted  April 25, 201 The Design and Simulation of Fuzzy PID Parameter  Self-tuning Controller      Wei Xie * 1,2 , Jianmin Duan 1   1 Beijin g Ke y L a borator y of T r affic Engine erin g, Beiji ng Un iv ersit y  of T e chn o lo g y , Be iji ng 1 001 24, Ch ina   2 Beijin g Pol y te chnic, Bei jin g 1 001 76, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : xie w _ b j @ hot mail.com       A b st r a ct   Based o n  p a rameter self-tu n in fu zz y  PI D contro l l er, a  fu zz y  infer e n c e method  is utili z e d  t o   reali z e  a u to ma tic regu latin g   PID para m eter , and th e ap p l i c ation of  the  control l er  i n  a  system is st udi e d   with MATLAB in this  paper . The co m b ination  of PID controller syst em   and fu z z y  controller sys tem  combi nes the   conveni enc e  of PID c ontr o l tog e ther w i t h the flexi b il it y of fu zz y   co ntrol, an d tak e s   adva n tag e  of t he tra d itio na control,   w h ic h has a  gr eat pr actical   sig n if ic ance. T h e r e s u lts of  si mul a tio n   show  that fu zzy PID para m eter self -tun ing  c ontrol l er  has  a better c ontro l effect than th e traditi on al o n e ,   and ca i m pro v e the static an d dyna mi c pro perties of the s ystem w e ll.      Ke y w ords : self-tuning, fu z z PID, Matlab, sim u lation        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  Due to its  si mple algo rith m, good cont rol effe ct an d  high reli ability, fuzzy PID controlle r   is  widely  use d  in th syste m  of p r o c e s control,  e s pe cially in  the  n online a syst em. In p r od uction  field, the co nventional m e thod of fu zzy PID  pa ra meter can  fu nction well o n   the  op erating   con d ition attributing to its complex me thod,  bad pa ramete rs a n d  perform an ce  on automati c   tuning. A s  o n e  of th e mo st  advan ce co ntrol  system   nowaday s, th e meth od  of fuzzy infe ren c e   applie d in this pap er n o t only kee p s t he sim p le pri n cipl e and g ood control effect, but also   posse sse s  a better flexibility and ability  for co ntrolli ng  the accuracy  [1].  The system  stru cture  of p a ram e ter  self -tuning  fuzzy  PID Controll er m a inly  co nsi s ts  o f   two p a rts a s  the a d justa b le p a ram e te r PID  and  fu zzy  co ntrol  system, and  i t s st ru cture   as    Figure 1.        Figure 1. Self-tuning fu zzy  PID controller      PID controller was  used  t o  control  syst em, and fuzzy infe rence system  uses  error e(t)   and e r ror rat e  e c (t)  as inp u t, a fuzzy inf e ren c e  meth od i s  utilized  to reali z e  aut omatic  re gula t ing  PID param eter ,  K P   K I   K D  to satisfy  different dem and s of c ontroller. Fuzzy control sy stem  is  not very different fro m  traditional  con t rol system  i n  stru cture, the major dif f eren ce is th at  controlle r u s e s  fuzzy  controller, a nd it a dopts  a g r ou p of fuzzy co nditional to  d e scrib e  the v a rie s   of  the  relationshi p betwee n  input and o u tput [2].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  293 – 297   294 2. The Desig n  of Fuzz y  PID Parame ter  Self-tunin g  Con t roller   2.1. The Stru cture o f  Fu zz y  Control Sy stem  The co nst r u c tion of fuzzy P I D para m eter  self-t uni ng co ntrolle r syste m  mainly con s ist s  of  two part s : a d justa b le pa rameter PID  control sy ste m  and fuzzy  control  syst em, as shown in   Figur e 1. In  the  system, b y  taking  er ro r  and  er ro r rat e   of cha nge  as  i nput,  the  method of  fu zzy  inferen c ca n be used to make o n li ne self-tu n in g of PID paramete r   K P K D  and  K I  [ 3 ].  Acco rdi ngly, the static a nd  dynam ic p e rf orma nce of the controlled o b ject can be i m prove d  well   2.2. The Parameter Self-tuning Rules  of PID Con t r o ller  Usually, the control eq uatio n of PID controller is:     )=   K P )+  K I Σ ) + K D EC  )                                                     ( 1 )     In the equ atio n,  Σ E( k) = E ( k )+ E(k - l)  and EC (k )= E(k ) - E (k- l (k=0, 1, 2 )   are th e deviat i on of  input va riabl e an d th e d e viation of  chang re spe c tively.  K P K D K I  are   para m eters that  cha r a c teri ze t he pro p o r tion , integral  and  differential rol e  respe c tively [4].  Acco rdi ng to  the impa ct of  the pa ramet e rs, th e self-t uning  prin cipl es of th e pa rameters  K P K D  and  K I  can be  cha n ged in the co ntrolled p r o c e ss of  the sy stem in the different situ atio n:  a) When the  deviation is  large,  K P  an K I   should  be increa se d  to make the  system  steadi er. At t he  same  time , con s id erin syst em’ s  ca p a city  of re sisti ng  di sturban ce,  K D  sh ould   be   cho s e n  p r op erly to avoi d  output s resp onse o scill ating ne ar the  set p o int. Th e pri n ci ple i s  as  follows: when  the deviation chang e is small,  K D  should be relativel y  bigger; whe n  the chan ge  is  big,  K D  shoul d be small e r;  usu a lly,  K D  should be of mi ddle si ze.   b)  Wh en th deviation  and  deviation  rate of  cha nge  i s  of  middl si ze,  K P   should be sm all  to redu ce the  overshoot of system respo n se, an d assure certai n re spo n se sp ee d.  c)  Wh en the   deviation i s  b i g,  K P  and  K D   sho u ld be chosen  to accelerate   the system’s   respon se  spe ed, and avoid  the over differential a nd control fun c tio n  prob ably ca use d  by insta n enlargem ent of deviation i n  the begi nni ng. In additi o n , in orde r to  avoid integral satu ration  and  the system re spo n se’s ove r sh oot,  K I  s h ould be s m all, us ually s h ould be z e ro [4].    2.3. Ensuring Membersh ip Function  of Each Vari able   As  re quired, fuzzy cont roll er which  u s e d   to  pa ramet e r a d justm e n t  of PID use s  form of  two input s a nd three o u t puts. Inputs  of the contro l l er are error  e(t) an d erro r rate e c (t),  and   outputs a r K P   K I   K D  which a r e re vised by thre e param eter s of PID controller a s  P, I,  D.  fuzzy sub s et of  inputs as E  and  EC an output a s   K P   K I   K D  is { NB,NM,NS,ZO,PS,PM, P B [5] .The domain is [-6,6] , quanti z ation l e vels are{ -6 , -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4 ,  5, 6}.            Figure 2. The  membershi p  degree fun c tion of  E and EC  Figure 3. The  membershi p  degree fun c tion of  K P   K I   and K D       In the fuzzy logic tool box of the memb ership  fun c tio n  editor, gau ssmf is sel e cted by  membe r ship f unctio n of in put as E, EC  and trimf  i s   selecte d  by m e mbe r ship fu nction s of  out put  as  K P   K I   K D , as Figure  2 and Figu re  3 sho w n.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The De sig n  a nd Sim u lation of Fuzzy PID Pa ram e ter Self-tuning  Co ntrolle r (W ei Xie)   295 2.4. Build Fuzzy  Rules Charts   The  cente r  of  fuzzy  cont rol  is to buil d  proper fu zzy rul e cha r t ba se d on the  su m m ary of  desi gne rs’  kn owle dge a n d  operating ex perie nce.  According to th e PID param eter adj ustm ent  prin ciple s  ab ove, we ca n get the cont ro l rules of  K P   K I   and K D , as sh own in Table 1 [6].  Combi ne the s e thre e table s  above a nd  we can get th e 49 fuzzy co ntrol rul e s a s   follows:     1. If () E is NB and (E C is  NB) then  ( K P  is  PB) ( K I   is  NB) ( K D  is  PS )                      (2)    2. If () E is NB and (E C is  NM) the n  ( K P  is  PB) ( K I  is NB) ( K D  is  NS)                              (3)    3. If () E is NB and (E C is  NS) then  ( K P  is PM) ( K I   is NM) ( K D  is  NB)                         (4)  ……   49. If () E is PB and (EC i s  PB) then ( K P  is NB) ( K I  is   PB) (KD is  P B )                         (50)      Table 1. The  Control Rul e s of  K P   K I   an d K D             Run fu zzy fu nction in MA TLAB comm and wi ndo w to enter the fuzzy logic e d i tor, and  cre a te a n e w FIS file, choosin g the con t rol type  as  Mamda n i. According to th e analy s is a b ove,  by inputting the memb ership deg re e functi on a nd q uantizi ng inte rvals of E, EC,  K P K I   and   K D  respe c ti vely, the figure of membersh ip deg ree fu nction  can b e  achieve d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  293 – 297   296 3. The Appli cation an d Simulation of Fuzz y  PID Control Sy stem  3.1. Build th e Simulation Block Diag r a m of the Sy stem Stru ctu r The  simul a tio n  blo c diag ram d e si gned  acco rdi ng to  Figu re  1 i n   MATLAB’s Si mulink  environ ment  is as  sh own in Figur e 4. In the diag ra m, fuzzy con t roller a nd its packag e  is  as  sho w n i n  Fig u re  5. Ke an d Kec  are  fuzzificatio n fact ors,  and K1,  K2 and K3  are defu zzifi cati on   factors. PID  controlle r a nd i t s pa ckage i s  as  sho w n  in  Figure 6.  K P0 K I0 K D0  are their  start valu e.  By conn ectin g  fuzzy controller  with PID co ntrolle r, th e fuzzy-PID  controlle can   be a c qui re d, as  s h ow n  in  F i gu r e  7 .         Figure 4. The  simulation bl ock diag ram  of Fuzzy PID control syste m              Figure 5. Fuzzy cont rolle r and its pa cka g e                       Figure 6. PID controll er a n d  its packa ge                    Figure 7. Fuzzy self-tu n ing  PID Controll er and its p a ckag e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The De sig n  a nd Sim u lation of Fuzzy PID Pa ram e ter Self-tuning  Co ntrolle r (W ei Xie)   297 3.2. Results and An aly s e s  of the Exp e riment  The G ( s) of  the mathe m atical m o d e l of the si mulation o b j e ct eq ual s 2 / (s 2 +3s+ 1) Ke=Ke c =0.01 ;  K1=0.5, K2=K3=0.01; an K P0 =20,  K I0 =1.35 a nd  K D0 =3.7. The sa mpling pe rio d  is   T=0.0 1 s. The  control  cu rve  line of fu zzy PID is as  sho w n in Figu re  8.      Figure 8. Simulation curve  line       4. Conclusio n   We  can o b viously see tha t  fuzzy-PID  controlle r sy stem ha s a bet ter co ntrol eff e ct than   traditional  sy stem, an d we ca n ea sily  simulate   the system by  using  Matlab, which ca g r e a tly  help u s  to revise the contro l rules.       Ackn o w l e dg ements   The resea r ch wo rk was  sup porte d by  gene ral  pro g ram  of scie nce  and  technolo g developm ent proje c t of Beijing Muni cipal  E ducation Commissio n under g r ant K M 2015 108 58 004   and key prog ram of Beijing Polytechni c u nder g r a n t YZKB20140 08.       Referen ces   [1]    Pan Yon gpi ng , W ang Qinruo. Desig n  of Adaptiv e F u zzy-PID Co ntroll er  w i t h  Varia b l e Univ erse .   Electrical Autom a tion . 20 07;  29(3): 9-2 5 [2]    Gao Ju n-sh an,  Mu  Xia o -gu a ng, Ya ng  Ji a-xian g. PID c ont roller  b aes d o n  GA  and  n e u r al  net w o rk .   Electric Mach in es and C ontro l . 2004; 8(2): 1 0 8 -11 1 [3]    Xu Din g- yu,  Ch en Y a n g - qua n. S y ste m  simul a tio n  techn o lo g y   and  ap pl icatio n b a sed  o n   Matlab/Sim u li n k . Beijin g: T s in ghu a Press. 20 03.   [4]    W ang Li- x in. A Cours e  in F u zz y S y stem & Co ntrol. Beij ing: T s ing hua Pr ess. 2003.   [5]    Yin Y un-h ua, F an S hui-k an g, Che n  Mi n-e. T he  des i gn  an simulati on  of a daptiv e fuzz PID contro lle r .   Fire control and  command control . 200 8; 33( 7): 96-99.   [6]    Pan T i an-hong, Li S hao- y uan. Adaptiv e PID cont rol for  nonlinear  s y stem bas ed on  laz y  learning.   Contro l T heory  and App lic atio ns . 2009; 2 6 (1 0): 1180- 11 84.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.