I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7 ,   p p .   1 7 0 5 ~ 1 7 1 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v8 i 4 . pp 1 7 0 5 - 1713          1705       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   A Nov el F u zz y  Se lf  Tuni ng  Te chni que of Si ng le Neu ro n P ID  Co ntroller  for Br ushles s DC Mo tor       M . A.   Abdel G ha ny 1 ,   M o ha m ed  A.   Sh a m s el din 2 ,   A. M .   Abdel G ha ny 3   1 De p a rte m e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Na h d a   Un iv e rsity ,   Eg y p t   2 De p a rte m e n o f   M e c h a tro n ics   En g in e e rin g ,   F u t u re   Un iv e rsity   in   Eg y p t   3 De p a rte m e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   He lwa n   Un iv e rsit y ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 7 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Oct   17 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   No v   3 ,   2 0 1 7       In   th is  p a p e r,   a   c o m b in a ti o n   A NN /F u z z y   te c h n iq u e   is  u se d   t o   d e si g n   a   No v e l   F u z z y   S in g le  N e u ro n   P ID  ( NFS N P ID)  c o n tr o ll e to   a c h i e v e   h ig h   p e rf o r m a n c e   b ru sh les DC   m o to r.   T h e   d e si g n   ste p in c lu d e   tw o   p a rts.   T h e   f irst  p a rt  u se th e   g e n e ti c   a lg o rit h m   ( GA to   f in d   th e   o p ti m u m   p a r a m e ters   o S in g le  Ne u ro n   P ID   (S N P ID)  c o n tr o ll e r,   w h il e   t h e   f o rm e d e a l w it h   th e   d e sig n   o f   f u z z y   lo g ic  c o n tro t o   u p d a te  th e   w e ig h ts  o f   S NP ID  c o n t ro o n li n e .   T o   d e m o n stra te  th e   d e sig n e d   c o n tro ll e e f fe c ti v e n e s s,  a   c o m p a ra ti v e   stu d y   is   m a d e   w it h   b e t w e e n   th e   NFS NP ID,  Co n v e n ti o n a F u z z y   S in g le  N e u ro n   P ID   CF S N P ID  a n d   S N P ID.  A ll   c o n tro ll e rs  w e r e   u se d   to   d riv e ,   s e p a ra tel y ,   th e   b ru sh les DC  m o to a g a in st  th e   su d d e n   c h a n g e   o f   lo a d   a n d   o p e ra ti n g   s p e e d .   T h e   p e rf o r m e d   si m u latio n s h o w   b e tt e re su lt th a m o ti v a te  f o f u rth e in v e stig a ti o n s.   K ey w o r d :   B r u s h le s s   D C   ( B L D C )   m o to r   Fu zz y   l o g ic  c o n tr o l   Gen etic  a l g o r ith m   ( G A )   Sin g le  n e u r o n   ( SN)   P I Fra ctio n al  o r d er   PID   c o n tr o l   Co p y rig h ©   201 7   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A . M.   A b d el  Gh a n y ,     Dep ar te m en t o f   E lectr ical  an d   C o m p u ter   E n g in ee r i n g ,   Hel w an   U n i v er s it y ,   E m ail:  g h a n y g h a n y @ h o t m a il. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     I is   k n o w n   t h at  t h B L D C   m o to r s   is   k in d   o f   p er m an e n m ag n et  s y n c h r o n o u s   m o to r s .   T h is   t y p o f   m o to r s   is   d r iv e n   b y   s i x - s tep   in v er ter ,   b u t   cu r r en co m m u tatio n   is   o b tain ed   b y   s o lid - s tate  s w itc h es.  T h e   co m m u tatio n   i n s ta n d ep en d s   o n   t h r o to r   p o s itio n   w h ic h   is   s en s ed   eith er   b y   h all  e f f ec s en s o r s   o r   b y   s en s o r less   tech n iq u es  [ 1 ] .   T h B L DC   m o to r s   h a v m an y   m er its   s u c h   as  lo n g   r u n n i n g   p er io d ,   f ast  d y n a m ic   r esp o n s e,   lo w   lo s s es,  h ig h   s p e ed   s ca le  an d   p r o p o r tio n al  r elatio n s h ip   b et w ee n   s p ee d   an d   to r q u o f   m o to r   [ 2 ] .   T h er ef o r e,   th B L D C   m o to r   h as  b ee n   u s ed   i n   m an y   i n d u s t r ial  ap p licatio n s   s u c h   as   r o ll  s teel  m ill s ,   r o b o tics ,   elec tr ic  au to m o ti v an d   av iatio n   i n   s u ch   ap p licatio n s   B L D C   m o to r   ex p o s ed   to   m an y   k i n d s   o f   lo ad   d is tu r b an ce s   [ 3 ] .   C o n v e n tio n al  co n tr o m et h o d s   ca n n o ac h iev th d esire d   s p ee d   t r ac k in g   w it h   g o o d   ac cu r ac y   in   ca s o f   s u d d en   d is tu r b an ce   an d   p ar a m eter s   v ar i atio n   [ 4 ] .   T h P I co n tr o ller   is   li n ea r   co n tr o ller   an d   w id el y   ac ce p ted   b ec au s e   o f   its   s i m p le  s ch e m e   an d   e x ce llen p er f o r m a n ce .   I r ep r esen t s   g o o d   ca n d id ate  f o r   d if f er en i n d u s tr ial  ap p lica tio n s   [ 4 ,   5 ] .   I is   k n o w n   b y   it s   eli m i n atio n   o f   t h er r o r   in   s te ad y - s tate.   I ts   g ai n s   ar tu n ed   to   ass u r b o th   s ta b ilit y   an d   p er f o r m a n ce .   Fo r   s u ch   p u r p o s e,   s ev er al  d esig n   tech n iq u e s   w er e   s u g g e s ted   in   p ar ticu lar ,   in te ll ig en tech n iq u e s   ( Gen etic   A l g o r ith m   ( G A ) ,   E v o lu tio n ar y   P r o g r am m i n g   ( E P ) ,   an d   Si m u lated   An n ea li n g   ( S A) ,   etc. . )   [ 6 - 8 ]   an d   an i m al   m i m ics  ( B ac ter ial  Fo r ag i n g   Alg o r i th m   ( B F A ) ,   B ee s   A l g o r ith m   ( B A ) ,   P ar ticle  S w a r m   Op ti m izatio n   ( P SO) ,   etc. . . )   w er s t u d ied   [ 9 - 1 1 ] .     An o th er   t y p o f   P I co n tr o ll er   is   t h s in g le   n e u r o n   P I t h at  ca n   b e n h a n ce d   t h p er f o r m a n ce   o f   co n v e n tio n al   P I co n tr o ller .   T h s in g le  n e u r o n   co n tr o ller   h as  th e   ch ar ac ter i s tics   o f   ad a p tiv e,   s el f - lear n in g ,   on - li n ad j u s t m en an d   r elat iv lo w er   r eq u ir e m e n ts   f o r   s tab ilit y   a n d   p r ec is io n   o f   co n tr o lled   o b j ec ts .   Mo r eo v er ,   th s tr u ct u r o f   t h s i n g le   n eu r o n   P I co n tr o lle r   is   s i m p le   an d   r eliab le  [ 6 ] .   I n   t h b e g in n i n g ,   t h in itial   v a lu e s   o f   SNP I co n tr o p ar am e ter s   ca n   b d eter m i n ed   b y   tr y   a n d   er r o r   an d   t h is   tak es   lo n g   ti m o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 7 0 5     1 7 1 3   1706   s i m u lat io n .   No w ,   t h t u n i n g   o p ti m izatio n   tech n iq u e s   ( G A ,   P SO  an d   an co lo n y   ( A C O) )   u s ed   u s u al l y   r elies  o n   th co m p u tatio n   o f   a n   o b j ec tiv f u n ctio n   r ep r esen t in g   t h d esire d   p er f o r m a n ce   w h i le  s a tis f y i n g   t h s y s te m   co n s tr ain ts .   T h w e ig h t s   ad j u s tin g   m e th o d   o f   SNP I co n tr o is   h ig h l y   af f ec ted   o n   th co n tr o p er f o r m an ce   [ 8 ] .   T h er ar v ar io u s   w ei g h t s - le ar n in g   alg o r it h m s   b ased   o n   th lear n i n g   th eo r y   o f   n eu r a n et w o r k   s u ch   a s   s u p er v i s ed   d elta  lear n in g   r u l es,  n o n - s u p er v is ed   Heb b   lea r n in g   r u les,  i m p r o v ed   Heb b   lear n i n g   r u le  a n d   s u p er v i s ed   Heb b   lear n i n g   r u le   [ 8 ] .   So m e ti m es,  t h lear n i n g   th eo r y   o f   n eu r al  n et w o r k   al g o r ith m s   ta k a   lo n g   ti m to   ad ap th w ei g h ts   o f   S NP I co n tr o w h e n   t h s y s te m   ex p o s ed   to   an y   d is t u r b an ce   [ 5 , 9 ] .   P e r f o r m a n ce   ch ar ac ter is tic s   o f   an   i m p r o v ed   SNP I co n t r o ller   u s in g   ad d itio n al  er r o r   o f   an   in v er s co n tr o s ig n a is   p r esen ted   in   [ 5 ,   1 0 ] .   P I b ased   o n   s in g le  ar tif ic ial  Neu r al  Net w o r k   al g o r ith m   f o r   in t ellig e n s e n s o r s   ar d em o n s tr ated   i n   [ 8 ] .   Sin g le  N eu r o n   P I co n tr o l o f   air cr af t d eicin g   f l u id s   r ap id   h ea ti n g   s y s t e m   is   i m p le m en ted   in   [ 9 ] .   Sin g le  Ne u r o n   ad ap tiv P I c o n tr o f o r   Hy d r o - v is c o u s   d r iv cu tc h   ar d em o n s tr ated   in   [ 1 1 ] .   I n   th is   p ap er   th GA   is   u s ed   to   f in d   th o p ti m u m   v alu e s   o f   SNP I co n tr o ller   p ar am eter s   b as ed   o n   s q u ar er r o r   o b j ec tiv f u n c tio n   [ 7 ] .   T h f u zz y   lo g ic  co n tr o s y s te m   b ased   o n   ex p er k n o w led g e   d atab ase  h as  less   ca lcu lat io n s   in   tak i n g   its   d ec is io n   a n d   s u itab le  f o r   ap p licatio n s   w h er p r o ce s s es   w it h   m o d elin g   d if f ic u ltie s ,   eith er   b ec au s i is   u n k n o w n   o r   it  h as  lo o f   ad ju s tab le  p ar a m eter s   [ 6 , 9 ] .   So ,   i n   t h is   p ap er   th S NP I co n tr o is   co m b i n ed   w it h   s elf - t u n in g   f u zz y   lo g ic  co n tr o l   to   in tr o d u ce   n o v el  m et h o d   to   ad j u s th w ei g h ts   o f   SNP I D   co n tr o ac cu r atel y   w h ic h   m ak th s y s te m   m o r r o b u s tn es s   a g ain s a n y   d is t u r b an ce s .   T h m a in   co n tr ib u tio n   o f   th is   p ap er   d esig n   NFSNP I an d   co m p ar i n g   i w ith   C F SNP I an d   SNP I D   co n tr o ller s   to   ac h ie v h i g h   p er f o r m an ce   B L D C   m o to r   d r iv s y s te m .   T h r est  o f   th i s   p ap er   is   ar r an g ed   a s   f o llo w s Sectio n   I I   p r esen ts   th d y n a m ic  m o d elin g   o f   B L DC   m o to r .   T h SNP I co n tr o tech n iq u e s   ar in clu d ed   in   Sectio n   I I I .   Sectio n   I p r o v id es  th e   s i m u lat io n   r es u lts .   R ec en t l y ,   S ec tio n   co n cl u d es.       2.   DYNA M I M O DE L   O F   B L DC  M O T O R   T h tr an s f er - f u n c tio n   b ased   o n   m at h e m atica m o d els  ar u s u all y   u s ed   in   au to m atic  co n t r o f ield s .   So m co n tr o d esig n   an d   an al y s i s   m et h o d s ,   s u c h   as  th e   r o o t - lo cu s   m et h o d   an d   th f r eq u en c y - r esp o n s m et h o d   ar d ev elo p ed   b ased   o n   th s y s te m   tr an s f er   f u n ctio n   [ 1 2 ] .   T h tr an s f er   f u n c tio n   o f   t h B L D C   m o to r   at   n o   lo ad   m a y   b w r i tten   a s   f o ll o w s   [ 1 2 ]     ( ) = ω ( ) ( ) = 2 + ( + ) + ( + )     ( 1 )     W h er e :   : D C   v o lta g e.   : L i n w i n d in g   r esis ta n ce .   : E q u iv ale n t li n e   w i n d in g   in d u ctan ce .   J :   Mo to r   m o m en t o f   in er t ia.   ω : M o to r   r o t o r   s p ee d .   : V is co u s   co n s ta n t.   : L i n b ac k - E MF  co n s tan t.   : L i n to r q u co n s ta n t.    T h B L DC   m o to r   d r iv s y s te m   i s   d e m o n s tr ated   as  b lo c k   d i ag r a m   in   Fi g u r e   1 .   T h m ai n   c o m p o n en t s   o f   d r iv s y s te m   co n tai n   o f   s ix   s tep   v o ltag s o u r ce   in v er ter ,   l o g ic  cir cu it,  a n d   th r ee   h all  e f f e ct  s en s o r s .             Fig u r 1 .   B r u s h les s   DC   m o to r   d r iv s y s te m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l F u z z S elf  Tu n in g   Te ch n iq u o f S in g le  N eu r o n   P I D   ( M.A .   A b d el  Gh a n y )   1707   T ab le  1 .   T h B L DC     Mo to r   P a r a m eter s .   R ati n g   S y m b o l   Valu e   Un it s   DC  re s is t a nce   R   0 . 5 7   Ω   I nd uct a nce   L   1 . 5   mH   T o rque  co ns t a nt     0 . 0 8 2   N. m / A   No .   o f   P o les   P   4     Ra t ed  t o rque     0 . 4 2   N. m   Ra t ed  Vo lt a g e   V   36   V   Ro t o I nert ia   J   23 6   Kg . m 2   F rict io n c o ef f icient     0 . 0 0 0 0 7 3 5   N. M. S   Ra t ed  Sp ee d   ω   4000   R P M   Ra t ed  curr ent   I   5   A       T h p ar am eter s   o f   t h B L DC   m o to r   ar lis ted   i n   tab le  1 .   Fi g u r e   2   ill u s tr ate s   t h o p en   lo o p   r esp o n s e   o f   B L D C   m o to r   d r iv s y s te m   m o d el.     I ca n   b n o ted   t h at  a ti m 0 . 1   s ec   th e   B L D C   m o to r   ex p o s ed   to   s u d d en   lo ad   co r r esp o n d   5 0 o f   r ate d   to r q u e,   th e   r o to r   s p ee d   w il b r ed u ce d   to   3 2 0 0   R P M.   Fig u r 3   s h o w s   t h co r r esp o n d in g   p h ase  cu r r e n o f   B L DC   m o to r .   I ca n   clea r   th at  th s tar tin g   cu r r e n r i s es  to   1 8   A   in   s m all   ti m e,   w h ile  t h r o u g h   t h s u d d en   lo ad   at  ti m 0 . 1   s ec   th p h as cu r r en w ill b in cr ea s ed   to   ± 2 . 5   A .             Fig u r 2 .   Op en   lo o p   r esp o n s o f   B L D C   m o to r   d r iv s y s te m   m o d el     Fig u r 3 .   T h co r r esp o n d in g   p h ase  c u r r en t o f   B L DC   m o to r   m o d el       3.   CO NT RO L   T E CH NI Q U E S   T h is   s ec tio n   d is c u s s es  t h s tr u ctu r o f   t h r ee   d if f er en co n tr o tech n iq u es  b ased   o n   t h SNP I co n tr o w h er th f ir s t c o n tr o l te ch n iq u u s es t h G A   to   f i n d   th o p ti m u m   p ar a m eter s   o f   SNP I co n tr o l [ 5 ] ,   w h i le  th e   s ec o n d   co n tr o tech n iq u e   is   t h s el f - t u n i n g   f u zz y   lo g ic  co n tr o to   u p d ate  th w ei g h ts   o f   SNP I co n tr o l   p r o p o s ed   in   [ 6 ] .   T h th ir d   o n e   is   n e w   h y b r id   co n tr o tech n iq u w h ich   co m b in e s   t h SNP I co n tr o an d   th e   f u zz y   P I co n tr o l.   T h co n tin u o u s - t i m tr ad itio n al  P I r ep r esen t a s :     ( ) =     ( ) +     ( )  0 +         ( 2 )     W h er u ( t)   is   t h co n tr o ller   o u tp u a n d   is   t h co n tr o ller   er r o r .   T h d is cr etiza tio n   ca n   b p er f o r m ed   b y   d i f f er en tiat in g   b o th   s id es o f   eq   ( 2 )   as:     ( ) =     ( ) +       ( ) +       ( 3 )           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 7 0 5     1 7 1 3   1708   A p p l y in g   t h b ac k w ar d   d if f .   m et h o d   o n   eq   ( 3 )   g iv es :     ( ) ( 1 ) =     [ ( ) ( 1 ) ] +     [   ( ) ] +   [   ̇ ( )   ̇ ( 1 ) ]   ( 4 )     A p p l y in g   t h b ac k w ar d   d if f .   m et h o d   ag ain   f o r   eq   ( 4 ) :     ( ) ( 1 ) =   [ ( ) ( 1 ) ] +     [   ( ) ] +   [ ( )   ( 1 ) ] [   ( 1 ) ( 2 ) ) ]   ( 5 )     So lv i n g   f o r   u   ( k )   f in al l y   f r o m   eq   ( 5 )   g iv es th d is cr ete  ti m P I co n tr o ller :     ( ) = ( 1 ) +   [ ( ) ( 1 ) ] +     [   ( ) ] +   [   ( )   2 ( 1 ) + ( 2 ) ]   ( 6 )     ( ) = ( 1 ) +   [ 1 ( ) ] +     [ 2 ( ) ] +   [ 3 ( ) ]   ( 7 )     ( ) = ( 1 ) +   [ 1 ( ) ] +     [ 2 ( ) ] +   [ 3 ( ) ]   1 ( ) ( ) ( 1 ) ]   2 ( )   =   ( )   3 ( )   = ( ) 2 ( 1 ) + ( 2 )         ( 8 )     W h er 1 ( ) is   p r o p o r tio n al  er r o r ,   2 ( )   is   an   i n te g r al  er r o r   an d   3 ( ) is ad if f er en tial e r r o r .     3 . 1 .     T he  SNPID  C o ntr o ller      Sin g le  n e u r o n   P I ( SNP I D)   is   o n o f   t h s i m p le s n eu r al   n et w o r k   P I th at  b ea d s   o n   o n l y   o n e   n eu r o n .   T h s tr u ctu r o f   SNP I co n tr o ller   is   illu s tr ati v in   F ig u r   4.           Fig u r 4 .   B lo ck   d iag r a m   o f   S NP I co n tr o l.       T h SNP I Dco n tr o ller   ca n   b e x p r ess ed   as:     ( ) = ( 1 ) +     ̅ ̅ ̅ ( )   ( )           ( 9 )     ̅ ̅ ̅   ( ) = ( ) /         | ( ) |       ( 10)       T h co n tr o ller   o u tp u a n d 1   , 2   an d   3   ar th e   n e u r o n   w eig h t s .   T h er ar v ar io u s   w ei g h ts lear n i n g   alg o r ith m s   b ased   o n   th lear n in g   t h eo r y   o f   n e u r al  n et w o r k   an d   th f a m o u s   alg o r ith m   th a u s ed   in   th i s   w o r k   is s u p er v is ed   Heb b   lear n i n g   r u l e.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l F u z z S elf  Tu n in g   Te ch n iq u o f S in g le  N eu r o n   P I D   ( M.A .   A b d el  Gh a n y )   1709   ( k ) = 1 ( k 1 ) + η 1 ( k 1 ) u ( k 1 ) e ( k 1 )   2 ( k ) = 2 ( k 1 ) + η 2 ( k 1 ) u ( k 1 ) e ( k 1 )   3 ( k ) = 3 ( k 1 ) +   η 3 ( k 1 ) u ( k 1 ) e ( k 1 )       ( 1 1 )     W h er is   er r o r , η   , η an d   η ar p r o p o r tio n   lear n in g   s p ee d ,   in teg r al  lear n in g   s p ee d   an d   d if f er en ti al  lear n in g   s p ee d .   Gen etic  al g o r ith m   [ 1 3 ] [ 1 4 ]   w it h   i ts   m ai n   s tep s   ( r ep r o d u ctio n ,   cr o s s o v er ,   an d   m u tatio n )   i s   ap p lied   to   o b tain   t h o p ti m al  v al u es   o f   th f o u r   p ar a m eter s   t h at  ar i m p o r ta n in   d esi g n   o f   th e   S N P I co n tr o l,  th ese  p ar am eter s   ar ca lled   n e u r o n   p r o p o r tio n   co ef f icie n an d   t h t h r ee   lear n i n g   s p ee d   p ar am eter s   ar η   , η an d   η .   T h u s ed   co s t f u n ctio n   a s   s h o w n   in   ( 1 2 )   m in i m ize s   t h in t eg r ated   s q u ar er r o r   ( t) .     1 = ( ( ) ) 2 0      ( 1 2 )     3 . 1 .     T he  CF SNPID  C o ntr o ller      T o   en h an ce   th r o b u s t n es s   an d   ad ap ta b ilit y   o f   th SNP I co n tr o ller ,   th f u zz y   lo g ic  u s ed   to   d esig n   s elf - t u n in g   SNP I co n tr o l.  T h lear n i n g   r ate s   ar cr itical  p ar am eter s   in   d esi g n   t h SN P I co n tr o l.  I n   th e   n o r m al  SNP I co n tr o l,  it  is   f i x ed   an d   t h w ei g h ted   co ef f icien ts   w i ll  i n cr ea s o r   d ec r ea s in   t h s a m e   p r o p o r tio n   to   en h an ce   t h p er f o r m a n ce s   o f   t h co n tr o ller ,   th f u zz y   lo g ic  e m p lo y ed   to   d y n a m icall y   ad j u s th e   p r o p o r tio n al,   in teg r al  an d   d er iv ati v lear n in g   r ates.  T h s el f - tu n i n g   S NP I co n tr o ller   s tr u ctu r is   d em o n s tr ated   i n   f ig u r e   5   [ 6 ] .       Fig u r 5 .   B lo ck   d iag r a m   o f   C FS NP I D   co n tr o ller .     T h w e ig h ts - lear n i n g   al g o r ith m s   o f   t h is   m et h o d   ar s u p er v is ed   Heb b   lear n in g   r u les  as   s h o w n   i n   eq u atio n s   1 1   an d   th ad j u s t m e n t o f   t h lear n i n g   r ate  ar p r esen ted   as f o llo w s :     η ( k ) = η ( k 1 ) × η ( k )   η ( k ) = η ( k 1 ) ×   η ( k )   η ( k ) = η ( k 1 ) × η   ( k )       ( 1 3 )     W h er η   , η an d   η     ar th o u tp u t s   o f   t h f u zz y   co n tr o ller .   B o th   e( t)   an d   ∆e ( t)   ca n   b s ca led   f r o m   [ - 1 , 1 ] ,   an d   th lin g u i s tic  lab els  ar {Ne g ati v B ig ,   Neg ati v e   m ed iu m ,   Ne g ati v s m all,   Z er o ,   P o s itiv s m all,   P o s iti v m e d iu m ,   a n d   P o s iti v B ig }   an d   a r r ef er r ed   to   in   t h e   r u les  b ases   as  {NB , NM , NS, Z E , P S,P M,   an d   PB }. T h lin g u i s tic  lab els  o f   t h o u tp u ts   ar {Z er o ,   Me d iu m   s m al l,  S m all,   Me d i u m ,   B ig ,   Me d iu m   b ig ,   a n d   v er y   b ig a n d   ar r ef er r ed   to   i n   t h r u les   b ases   a s   { Z ,   MS,   S,   M,   B ,   MB,  an d   VB }.   Fig u r es   6   an d   9   s h o w   th m e m b er s h ip   f u n ctio n s   o f   t h in p u ts   a n d   th o u tp u t s   o f   t h e   f u zz y   lo g ic  co n tr o l.   T h d ec is io n   m ak in g   lo g ic  s i m u late s   th h u m a n   d ec is io n   p r o ce s s .   T h r u le  b ases   ar e   s i m p li f ied   in   tab les  2 ,   3   an d   4 .   T h in p u h as  7   lin g u is tic  l ab els  an d   ∆e   h as  7   lin g u is t ic  lab els.  Hen ce ,   th er e   ar 4 9   d if f er en r u le  b ases .   I n   th i s   p ap er ,   th ese  4 9   r u le  b ases   h a v b ee n   s i m p li f ied   t o   2 5   r u le  b ases   as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 7 0 5     1 7 1 3   1710   d is cu s s ed   i n   p r ev io u s   w o r k   i n   [ 1 5 ] .   T h s i m p lific atio n   d etai ls   ca n   b f o u n d   i n   [ 1 6 ] .   T h u s ed   d ef u zz if icatio n   m et h o d   is   w e ig h ted   av er a g m eth o d .       T ab l 2 .     T h R u le  b ase  o f   η .   e / e   NB   NS   ZE   PS   PB   NB   VB   VB   VB   VB   VB   NS   B   B   B   MB   VB   ZE   ZE   ZE   MS   S   S   PS   B   B   B   MB   VB   PB   VB   VB   VB   VB   VB         T ab le   3 .   T h R u le  b ase  o f     η .   e / e   NB   NS   ZE   PS   PB   NB   M   M   M   M   M   NS   S   S   S   S   S   ZE   MS   MS   ZE   MS   MS   PS   S   S   S   S   S   PB   M   M   M   M   M       T ab le    4 .   T h R u le  b ase  o f   η .   e / e   NB   NS   ZE   PS   PB   NB   ZE   S   M   MB   VB   NS   S   B   MB   VB   VB   ZE   M   MB   MB   VB   VB   PS   B   VB   VB   VB   VB   PB   VB   VB   VB   VB   VB             Fig u r 6 .   Me m b er s h ip s   f u n c ti o n   o f   in p u ts   ( e,   ∆e )     Fig u r 7 .   Me m b er s h ip s   f u n c ti o n s   o f   o u tp u ts   ( η   , η an d   η     )       3 . 2 .     T he  NF SNPID  Co ntr o ller      T h is   w o r k   p r ese n ts   n e w   m eth o d   o f   SNP I co n tr o l.  I n   t h is   t h m et h o d ,   th f u zz y   lo g ic  u s ed   to   u p d ate  th w ei g h ted   co ef f ici en ts   w h er d y n a m ica ll y   ad j u s o f   th co n tr o ller   o u tp u ac co r d in g   to   th n e f o r m u la  as  f o llo w in g :     ( ) =   (   ( 1 ( ) ) + ( 2 ( ) 0 ) + ( 3  ( )  )   ( 1 4 )     = 1 ×   = 1 ×     = 1 ×       W h er   , an d     ar th e   o u tp u ts   o f   th f u zz y   co n tr o ller   w h ile, 1 , 1      1   ar e   th in i tial  v alu e s   o f   p r o p o r tio n al,   in te g r al  an d   d er iv at iv e   g ai n s .   T h SN  f u zz y   s el f - ad ap tiv P I s tr u ctu r e   o f   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l F u z z S elf  Tu n in g   Te ch n iq u o f S in g le  N eu r o n   P I D   ( M.A .   A b d el  Gh a n y )   1711   p r o p o s ed   m e th o d   is   s h o w n   i n   F ig u r 8.   Fi g u r e s   6   an d   9   s h o w   t h i n p u t s   an d   o u tp u t s   m e m b er s h ip s   o f   f u zz y   lo g ic  co n tr o w h i le,   th r u le  b a s es o f     ,   an d     ar th s a m o f   r u le   b ases   o f   η   , η an d   η   .             Fig u r 8 .   B lo ck   Diag r a m   o f   N FS NP I C o n tr o l     Fig u r 9 .   Me m b er s h ip s   f u n c ti o n s   o f   o u tp u ts   ( ,  )       4.   SI M UL AT I O R E S UL T S   T h is   s ec tio n   ill u s tr ate s   th s i m u latio n   r es u lt s   o f   co n tr o tech n iq u es  ap p lied   o n   B L DC   m o to r   d r iv s y s te m .   T o   in v e s ti g ate  t h r o b u s t n es s   o f   ea c h   co n tr o tech n i q u t h r o u g h   th e   s i m u latio n   ti m t h B L D C   m o to r   w il b ex p o s ed   to   s u d d en   c h an g in   lo ad   an d   s u d d en   ch a n g i n   o p er atin g   s p ee d .   Fig u r 1 0   s h o w s   t h s p ee d   r esp o n s o f   ea ch   co n tr o tec h n iq u a f ix ed   r e f er en ce   s p ee d   3 0 0 0   R P M.   A ls o ,   s u d d en   d i s tu r b an ce   i s   ap p lied   o n   th m o to r   co r r esp o n d   th h alf   o f   r ated   to r q u at  tim 0 . 1 5   s ec .   I ca n   b e   n o ted   th at  th p er f o r m a n ce   o f   t h e   NFSNP I co n tr o h as   f a s ter   r esp o n s t h a n   o th er   co n tr o tec h n iq u es   ( m i n i m u m   r is ti m a n d   lo w   o v er s h o o t) .   A l s o ,   it  ca n   ac co m m o d ate  t h d is tu r b an ce   r ap id l y .   Fi g u r 1 1   d em o n s tr ate s   t h co r r esp o n d in g   D C   s u p p l y   cu r r en o f   ea c h   co n tr o tech n i q u e.   I ca n   b n o ted   t h at  th e   s tar tin g   c u r r en o f   NF SNP I c o n tr o tech n iq u e   is   h ig h   ( 1 8   A )   b u t,  at  v er y   s m all   ti m e.   A l s o ,   th cu r r en w ill  b in cr ea s ed   th r o u g h   s u d d en   lo ad   at  tim 0 . 1 5   s ec .   B u t,  in   ca s e   o f   th e   p r o p o s ed   co n tr o l   tec h n iq u t h c u r r en r is es   q u ic k l y   co m p ar ed   w it h   o t h er   tech n iq u e s   d u r in g   th s u d d en   lo ad .               Fig u r 1 0 .   Sp ee d   r esp o n s o f   co n tr o l te ch n iq u es  b ased   o n   SNP I co n tr o l     Fig u r 1 1 .   T h DC   s u p p l y   cu r r en t o f   ea ch   co n tr o tech n iq u at  s p ee d   r eg u latio n       T ab le  5   s u m m ar izes  t h p er f o r m an ce   o f   ea ch   co n tr o tec h n i q u b ased   o n   SNP I co n tr o l.  I is   clea r   th at  t h p r o p o s ed   f u zz y   SNP I co n tr o h as  t h m i n i m u m   r is an d   s et tli n g   t i m a n d   a cc ep tab le  o v er s h o o co m p ar ed   w it h   o th er   tech n iq u es.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 7 0 5     1 7 1 3   1712   T ab le  5 .   C o n tr o T ec h n iq u e s   P er f o r m an ce .   C o n tr o ller   m et h o d   R is T i m ( s ec )   Settli n g   T i m ( s ec )   Ma x .   Ov er s h o o t %   T h   SNP I C o n tr o l   0 . 0 2 4 9   0 . 0 7 1 1   3 . 7 8 1 9   T h C FS NP I C o n tr o l   0 . 0 1 8 1   0 . 0 6 0 5   6 . 8 8 8 6   T h NFSNP I C o n tr o l   0 . 0 0 7 4   0 . 0 1 6 5   0 . 0 0 9 6       A   lo o f   i n d u s tr ial  ap p licatio n s   t h r ef er e n ce   s p ee d   o f   B L D C   m o to r   is   n o co n s ta n a n d   ch a n g e   co n tin u o u s l y   s u ch   a s   r o b o tics   a n d   elec tr ic  a u to m o ti v e.   S o ,   F ig u r 1 2   s h o w s   t h s p ee d   r esp o n s o f   ea c h   co n tr o tech n iq u at  d if f er en co m m a n d s   o f   r ef er en ce   s p ee d .   I t   is   o b v io u s   th at  th NFSNP I co n tr o tech n iq u ca n   tr ac k   th r ef er e n ce   s p ee d   f aster   th a n   o th er   te ch n iq u es.   Fi g u r 1 3   illu s tr ates   th co r r esp o n d in g   DC   s u p p l y   cu r r e n o f   ea c h   c o n tr o ller   tech n iq u e.   I ca n   b e   n o ted   th at  at  r ef er e n ce   s p ee d   ch an g t h cu r r en t   in cr ea s es o r   d ec r ea s es.             Fig u r 1 2 .   Sp ee d   r esp o n s o f   co n tr o l te ch n iq u es a d if f er e n t c o m m a n d s   o f   r ef er e n ce   s p ee d     Fig u r 1 3 .   T h DC   s u p p l y   cu r r en t a t d if f er en co m m a n d s   o f   s p ee d       5.   CO NCLU SI O N     A   n e w   s el f - t u n i n g   f u zz y   to   u p d ate  th w ei g h ts   o f   SNP I co n tr o o n li n is   p r o p o s ed   to   ac h iev e   h i g h   p er f o r m a n ce   b r u s h less   DC   m o to r   d r iv s y s te m .   T h g en et ic  alg o r ith m   ( G A )   is   u s ed   to   f i n d   th o p ti m u m   p ar am eter s   o f   SNP I co n tr o ll er .   T h co n v e n tio n al  s el f - tu n i n g   f u zz y   i n v o lv e s   in   t h s i m u latio n   s h o w in g   t h e   ef f ec tiv e s   o f   t h p r o p o s ed   NFSP I f o r   th e   m o to r   s y s te m .   T h s i m u latio n   r es u lt s   h av e   s h o w n   t h at  w it h   u s o f   th p r o p o s ed   n e w   co m b in a tio n   o f   ANN/F u zz y   tec h n iq u es,  th co n tr o p er f o r m a n ce   ca n   b r em ar k ab l y   i m p r o v ed .       ACK NO WL E D G E M E NT S     W w o u ld   li k to   ex p r ess   o u r   d ee p est th an k s   to :   P r o f .   A . M.   A b d el  Gh a n y   f o r   h i s   g u id an ce   to   th is   f ield .       RE F E R E NC E S     [ 1 ]   T .   A .   H u sse i n ,   A n a l y si o f   B r u sh l e s D C   M o t o r   w i t h   T r a p e z o i d a l   B a c k   E M F   u si n g   M A TL A B ,   J o r d a n   J .   E l e c t r.  E n g . ,   v o l .   1 ,   n o .   1 ,   p p .   1 3 2 4 ,   2 0 1 5 .   [ 2 ]   A .   A .   El - sama h y   a n d   M .   A .   S h a mse l d i n ,   B r u sh l e ss  D C   mo t o r   t r a c k i n g   c o n t r o l   u si n g   se l f - t u n i n g   f u z z y   P I D   c o n t r o l   a n d   mo d e l   r e f e r e n c e   a d a p t i v e   c o n t r o l ,   A i n   S h a m s E n g .   J . ,   2 0 1 6 .   [ 3 ]   R .   T .   U .   K .   K o t a ,   T u n i n g   o f   P I D   C o n t r o l l e r   f o r   A   L i n e a r   B r u sh l e ss  D C   M o t o r   u si n g   S w a r I n t e l l i g e n c e   Te c h n i q u e   P o o j a   S h a r ma   ,   R a j e e v   G u p t a ,   J .   E n g .   R e s.  Ap p l . ,   v o l .   4 ,   n o .   5 ,   p p .   1 2 5 1 2 8 ,   2 0 1 4 .   [ 4 ]   D .   K u mp a n y a ,   C .   K i r e e ,   a n d   S .   T u n y a sr i r u t ,   D S P - B a se d   o n   B r u s h l e ss  D C   M o t o r   S p e e d   C o n t r o l   b y   P I   C o n t r o l l e r   U si n g   B a c k   EM F   D e t e c t i o n ,   v o l .   7 6 3 ,   p p .   6 3 7 0 ,   2 0 1 5 .   [ 5 ]   B .   K u su mo p u t r o   a n d   M .   R i f a n ,   P e r f o r man c e   C h a r a c t e r i st i c o f   A n   I mp r o v e d   S i n g l e   N e u r o n   P I D   C o n t r o l l e r   u si n g   A d d i t i o n a l   Er r o r   o f   a n   I n v e r se d   C o n t r o l   S i g n a l ,   Wo r l d   C o n g r .   I n d .   C o n t r o l   S y st .   S e c u r. ,   p p .   5 8 6 2 ,   2 0 1 5 .   [ 6 ]   Q .   W a n g   a n d   Y .   S h u a n g ,   A   S i n g l e   N e u r o n   P I D   C o n t r o l   A l g o r i t h o f   M e mr i st o r - b a se d ,   C o m p u t .   I n f .   S y s t . ,   v o l .   1 4 ,   n o .   2 0 1 4 3 1 0 4 ,   p p .   5 0 2 3 5 0 3 0 ,   2 0 1 5 .   [ 7 ]   V .   C h o p r a ,   S .   K .   S i n g l a ,   a n d   L .   D e w a n ,   C o mp a r a t i v e   A n a l y si o f   T u n i n g   a   P I D   C o n t r o l l e r   u si n g   I n t e l l i g e n t   M e t h o d s,   Ac t a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l F u z z S elf  Tu n in g   Te ch n iq u o f S in g le  N eu r o n   P I D   ( M.A .   A b d el  Gh a n y )   1713   Po l y t e c h .   H u n g a ri c a ,   v o l .   1 1 ,   n o .   8 ,   p p .   2 3 5 2 4 9 ,   2 0 1 4 .   [ 8 ]   P I D   B a se d   o n   a   S i n g l e   A r t i f i c i a l   N e u r a l   N e t w o r k   A l g o r i t h f o r   I n t e l l i g e n t   S e n so r s,”   J .   A p p l .   R e s.  T e c h n o l . ,   v o l .   1 0 ,   n o .   A p r i l ,   p p .   2 6 2 2 8 2 ,   2 0 1 2 .   [ 9 ]   L .   W a n g   a n d   B .   C h e n ,   S i n g l e   N e u r o n   P I D   C o n t r o l   o f   A i r c r a f t   D e i c i n g   F l u i d s R a p i d   H e a t i n g   S y st e m,”   J .   N ET W O RK S ,   v o l .   8 ,   n o .   2 ,   p p .   4 0 5 4 1 2 ,   2 0 1 3 .   [ 1 0 ]   Y .   Z h u ,   M .   F e n g ,   X .   W a n g ,   a n d   X .   X u ,   R ESEA R C H   O N   I N T E L LI G EN T   V EH I C L A U T O N O M O U S   O V ER T A K I N G   B A S ED   O N   S I N G L N EU R O N   P I D   C O N T R O L ,   i n   Pr o c e e d i n g   o f   I E EE  C C I S 2 0 1 2 ,   2 0 1 2 ,   p p .   2 5.   [ 1 1 ]   C .   S u n ,   G .   G o n g ,   F .   W a n g ,   H .   Y a n g ,   a n d   X .   O u y a n g ,   S i n g l e   N e u r o n   A d a p t i v e   P I D   C o n t r o l   f o r   H y d r o - v i sco u D r i v e   C l u t c h ,   i n   1 2 t h   I E EE/ AS ME   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Me c h a t ro n i c   a n d   Em b e d d e d   S y s t e m a n d   Ap p l i c a t i o n s   ( ME S A ) ,   2 0 1 6 ,   n o .   3 ,   p p .   3 6.   [ 1 2 ]   C. - L .   X i a ,   Pe rm a n e n t   M a g n e t   Br u sh l e ss  D C   M o t o D ri v e a n d   C o n t r o l s .   S i n g a p o r e :   Jo h n   W i l e y   &   S o n S i n g a p o r e   P t e .   L t d . ,   2 0 1 2 .   [ 1 3 ]   M .   N .   S . - A .   a n d   S .   A .   A .   A .   B e n se n o u c i ,   A .   M .   A b d e l   G h a n y ,   A d a p t i v e   L o a d   F r e q u e n c y   C o n t r o l   U si n g   N e u r o - G e n e t i c ,   AM S J . ,   2 0 0 1 .   [ 1 4 ]   A . M . A b d e l _ G h a n y ,   A d a p t i v e   D i scre t e - T i me   P I   L o a d   F r e q u e n c y   C o n t r o l   C o n t r o l l e r s   f o r   A n   I n t e r c o n n e c t e d   M u l t i - A r e a   P o w e r   S y st e U si n g   N e u r o - G e n e t i c   T e c h n i q u e ,   i n   AI - AZH AR  E n g i n e e ri n g   S I XTH   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e ,   1 - 4   S e p t e m b e r   2 0 0 0 .   [ 1 5 ]   M .   A .   S h a mse l d i n   a n d   A .   A .   El - sama h y ,   S p e e d   C o n t r o l   o f   B L D C   M o t o r   B y   U si n g   P I D   C o n t r o l   a n d   S e l f - t u n i n g   F u z z y   P I D   C o n t r o l l e r ,   i n   1 5 t h   I n t e rn a t i o n a l   W o rksh o p   o n   Re s e a r c h   a n d   E d u c a t i o n   i n   Me c h a t r o n i c s   ( RE M) ,   2 0 1 4 .   [ 1 6 ]   Y .   R .   M .   K .   M a h e r   M . F .   A l g r e e r ,   D e si g n   F u z z y   S e l f   T u n i n g   o f   P I D   C o n t r o l l e r   f o r   C h o p p e r - F e d   D C   M o t o r   D r i v e ,   Al - Ra f i d a i n   E n g . ,   v o l .   1 6 ,   n o .   Ju l y ,   p p .   5 4 6 6 ,   2 0 0 7 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS        En g .   M   A .   A b d e G h a n y   w a b o rn   i n   Ca iro   2 2 th J u ly 1 9 8 8 .   He   re c e iv e d   h is  B.   S c   f ro m   Hig h e r   T e c h n o lo g ica In stit u te  (T e n th   o f   Ra m a d a n   Cit y 2 0 1 1 ,   Dip l o m a   a n d   M . S c .   in   A u to m a ti c   Co n tr o (2 0 1 2   t o   2 0 1 4 f ro m ,   H e lwa n   Un iv e rsit y ,   Ca iro ,   Eg y p t.   F ro m   2 0 /6 / 2 0 1 5   u n ti n o w   h e   w o rk e d   a a n   A ss ist a n L e c tu re a F a c u lt y   o f   Co m p u ter  sc ien c e   Na h d a   Un iv e rsity ,   Ba n S we i f   Cit y .   No w   h e   is   P h .   stu d e n in   A u to m a ti c   Co n tro b ra n c h   in   He lw a n   Un iv e rsit y ,   Ca iro ,   Eg y p t.   Re g istere d   f o P h . D.  (A u to m a ti c   Co n tro l)  in   El e c tri c a En g in e e rin g   De p a rt m e n t,   F a c u lt y   o En g in e e rin g ,   He lw a n   Un iv e rsit y ,   Eg y p t.             En g .   M o h a m e d . A .   S h a m se ld in   b o rn   i n   Ca iro ,   Eg y p t,   o n   Oc t o b e 1 ,   1 9 8 7 .   He   re c e iv e d   th e   B. S c .   d e g re e   in   m e c h a tro n ics   e n g in e e rin g   in   2 0 1 0   f ro m   f a c u lt y   o f   e n g in e e rin g   a He lw a n ,   He l w a n   Un iv e rsit y ,   Ca iro ,   Eg y p t.   On   De c e m b e 2 0 1 2 ,   h e   re c e iv e d   h is  w o rk   in   f a c u lt y   o f   e n g in e e rin g   a n d   tec h n o l o g y   a F u tu re   Un iv e rsity   in   Eg y p a a n   in stru c to in   M e c h a tro n ics   En g in e e rin g   De p a rtme n t.   M . S c .   i n   sy ste m   a u to m a ti o n   a n d   e n g in e e ri n g   m a n a g e m e n (2 0 1 2   to   2 0 1 6 f ro m ,   He lwa n   Un iv e rsit y ,   Ca iro ,   Eg y p t .   His  re se a rc h   a c ti v it y   in c lu d e stu d y in g   A rti f icia In telli g e n tec h n iq u e s,  e lec tri c a m a c h in e s sp e e d   c o n tr o a n d   ro b o ti c s co n tr o l.                         Dr.  A . M .   A b d e G h a n y   w a b o rn   in   Ca iro .   He   re c e iv e d   h is  B. S c .   a n d   M . S c .   d e g re e in   1 9 8 0   a n d   1 9 8 7   f ro m   th e   El e c tri c a P o w e S y st e m   a n d   M a c h in e s   d e p a rtm e n t,   He lw a n   Un iv e r sit y       ,   Ca iro ,   Eg y p t.   F ro m   1 9 8 9   to   1 9 9 4 ,   h e   g o h is  P h . D.  in   C o m p u ter  Co n tr o ll e d   S y ste m f ro m   th e   In stit u te   o f   Co n tro a n d   S y ste m En g in e e rin g ,   T e c h n ica Un iv e rsit y   o f   W r o c law   P o lan d .   F ro m   1 9 9 4   to   1 9 9 9 ,   h e   w o rk e d   a a n   a ss istan p ro f e ss o a th e   d e p a rtm e n o f   El e c tri c a M a c h in e a n d   P o w e S y st e m ,   He l w a n   Un iv e rsit y ,   Ca iro   Eg y p t.   In       2 0 0 2 ,   h e   w a p ro m o ted   t o   A ss o c iate   P r o f e ss o a th e   De p a rt m e n o El e c tri c a P o w e r   S y ste m a n d   M a c h in e De p a rtm e n t,   Un iv e rsit y   o f   H e l w a n ,   Ca iro ,   Eg y p t .   Cu rre n tl y ,   h e   w a a   lec tu re a th e   El e c tri c a Tec h n o lo g y   d e p a rt m e n t,   Co ll e g e   o T e c h n o lo g y   a A l - Ba h a ,   A l - Ba h a ,   KSA .   Dr.  A b d e G h a n y   sh a re d   in   th e   Eco n o m ica L ig h ti n g   o He lwa n   in d u strial  p la n a a   p a rt  o f   th e   S u p re m e   Co u n c il   o f   Eg y p ti a n   Un iv e rsiti e P r o jec ts.   He   a u th o re d   m o re   th a n   1 1 4   p a p e rs i n   c o n tr o a n d   a n a ly sis o f   P o w e S y ste m s.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.