Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   4 Decem be r 202 0 , p p.   2164 ~ 217 2   IS S N:  20 88 - 8694 DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 4 . pp 2164 - 217 2          2164       Journ al h om e page http: // ij pe ds .i aescore.c om   PID opti mal co ntrol to r educ e ene rgy c ons umptio n in DC - drive  system       Ha ri   Maghfi r oh 1 Muha mm ad   Niza m 2 , Su priy an t Pr apto diy ono 3   1,2  Depa rtment   of   Elec tr ical Engi n ee ring ,   Seb el as   Mare Univ ersity , I ndonesi a   Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,   Sult an  A geng  T irt ay asa   Univer sity ,   Indo nesia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   M a y   9 , 2 0 20   Re vised  Ju n   10 , 20 20   Accepte J ul   9 , 20 20       The   cont rol   sys te m   that  is  wid el used   in   ind ustry  is  PID   (Proportional   Inte gra Der iva t i ve) .   A lm ost  90 of  industr ie stil us PID   co ntrol   sys tems   bec ause   of   i ts  simpl icity,  ap pli c abi lity,   and   re li ab il i ty.  H oweve r,  th wea kness  of  PI is  tha t   it  t akes   long  ti m to   tune.  PID   cont r ol  with  good   per forma n ce  and   low  ene rgy   con sumpti on  ca n   be   a chi ev ed  using   GA   tuni n g   with  th e   appr opr ia t ob je c ti v fu nct ion .   The  con t ribut ion   of   thi s   pape r   is  to   propose  the  i mp le m ent a ti on  of   LQR  cont ro in   the   for of   PID   using   GA  tuni ng  wi th  L QR  objecti v func ti on .   The  proposed  al g orit hm   was   im plemented   bo th  in   the  si mul a t ion  and   har dwar whi ch   is   a   m i ni  conve yor   with  DC  mot o r.   Th resul sho ws   tha th prop osed  al gor it hm  i bet ter  in   both  IAE   and   en erg y   consu mpt ion   co mpa r ed  wi th   other  PID   tuni ng,     Zi egler Nicho ls  (ZN),   and  GA   with  IAE  obj ec t iv func t ion.   Com par ed  with   PID   ZN,  it  h as  I AE  and   ene rgy   r educ t ion  by   2 . 76 %   and   16 . 07 %   r espe ctivel y .   Although  it p er forma nc e   is  lower   tha n   th e   LQR,   i h as  o the r   adv ant ag es  th at   use  fewe r   senso rs.  The   o the ad vant ag of  th proposed  me tho is,  PID   is  more   f am i li ar   u sing.  Th ere for e,  it   ea sy  to   be  i mpl ement ed  in  the   ex isti ng   sys te withou a   lot of  cha nges .   Ke yw or d s :   DC m otor   Energ y   GA   LQR   PI D   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in Aut h or :   Har M a ghfir oh,   Dep a rtme nt of  Ele ct rical  En gi neer i ng,   Sebelas  M a ret  Un i ver sit y,   Jl.Ir. S utami   36A , Sur a ka rta 57126,  Ind on e sia .   Emai l:  h ari. ma ghfir oh@ gm ai l.com       1.   INTROD U CTION     On e   te ch nolo gy  t s upport   pro duct ion  s pee is   el ect ric  m otors  with   hi gh  perf or m ance ef fici enc y,  sp ee dyna mic s,  an go od   l oa res pons e T he re  are  tw kinds  of  el ect ric  mo to w hic ar AC  an DC  mo to r.   DC  mo t or   has  so me  a dvanta ge su c as  eas to  co ntr ol  the  sp ee or  posit ion   a nd  wi de  ad justable   ra ng [1 - 2].   Howe ver,  it   also   ha some   draw bac ks on e   of   the is,  it   us es  mec ha nical   commuta tor   (bru s h)  w hich   cau s e   hig mainte na nce  c os t   [ 3].  DC  mo t or s   ar wi dely   use as   in   ste el   r ol li ng   mil ls,   el ect ric  trai ns,  e le ct ric   veh ic le s,  a nd  rob otics  act uator [4].   Since   energ is  an  importa nt  iss ue   tod a y,   a nd   a ccordin to  [5],   the   el ect ric  mo t or  is  one   of  t he   ap pliances   th at   co ns ume   c onside rab le   ene rgy,  the  c ontr ol  met hod  w hich  ca reduce e nerg y consu mp ti on  w it bette r pe rfo rma nce is  nee de d.   The  s peed   c on trol  of  the  DC  mo to is  ge neral ly  ob ta ine by  cha ngin it te rmin al   volt age  [ 6].  PID   con t ro is  one  of   the  well - known  al gorith m for  sp ee c ontr ol.  Ba sed  on  [ 7 8] al m ost   90 of   in dus trie us PI D   c on tr ol  be cause  of  it si mp li ci ty,  a ppli cabil it y,   a nd  re li abili ty.  H ow e ver,  the   wea kn ess  of  PID  is  t hat  it   ta kes  a   lo ng  ti me  to   tu ne   [ 9 10] Seve ral  methods   of  tu ning  PID  c ontr ols  ha v bee pro po se d.  T his   tu ning   method   ca be   cat egorized   int i e mp i rical   methods   s uc as  Zie gler - Nic ho ls   ( ZN )   an Coh e n - C oon  ( CC ),   ii Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       PID opti m al c on tr ol to  reduc e ener gy  c onsumptio i n DC - dr iv syste m   ( Ha ri  Ma ghfi roh)   2165   analyti cal   met hods  su c as  r oo t   loc us   (RL)   an fr e quenc res pons e   ( FR) a nd  ii i)  opti m iz at ion   met hods  su c as  us in G enet ic   Algori thm  ( GA),   Partic le   S wa rm   O ptimi zat ion   (PSO ),  an An t   Colo ny    Op ti miza ti on  ( ACO [ 8 10 11].   T he  em pi ric  meth od   is  easy  to  a pp l y,  bu the  resu lt are  not  ve ry  good.   An al ytica methods  ca be  use to   imp rove  so me  sp eci fic  par a mete rs  of  the  syst em  s uc as  sta bili ty,  r isi ng   ti me an d st ead y - sta te  e rror s . While  the  opti miza ti on  m et hod i s no w wide ly u se d beca use  o f  it s ab il it i te r ms   of opti miza ti on as in  [12] a nd  [13].   Com par at ive   stud ie s   on  t he   us e   of  opti miza ti on   meth od s   f or  P I tun in ha ve  be en  ca r rie   ou by  [ 14].  A rtific ia I ntell igent  (AI)  met hods   us e a re   GA,  P SO,  A CO  an E volu ti on ar P r ogra mmin (EP),  w hile  th pa rameter c ompare a re   s et tl ing   ti me,  ri se  ti me,  a nd  overs hoot.   Ba se on  the   th ree  models  us e d,  G A   exc e ls  in   al par ts   e xcep t   at   t he   set tl ing   ti me   in   one   m od el .   T he   us e   of   G A   f or  PI D   t un i ng  has   be en  done  a in   [ 15 16] a nd  [ 17] H oweve r,   al these  st ud ie s   us c os functi on s   relat ed   to  performa nce  s uch  a s   IA (Integ ral of Abs olu te  M a gn it ude  of  E rro r)  a nd   IT AE  ( I nteg ral o f Ti m e mu lt ipli e by  the Abso l ute Er r or).   In  [ 18]   s om performa nce   obje ct ive  functi on s   a re  c ompa red  w hic is   M SE   ( M ea of  the   S quare   Error),   ITAE,   I AE,  I S ( I ntegral   of  the  S quare   E rror)  a nd  ITSE   ( In te gr al   of  Time   m ulti plied   by  the   S quare   Error).   The  c omparis on  res ults  f r om  ov e rs hoot  an set tl ing   ti me  ar show that  t he  I AE  obje ct ive  f unct ion   give the  lowest  overs ho ot  ( OS),  w hile  IT AE  giv e t he  s mall est   set tl ing   ti me.  I [ 19],  I AE,  ISE,   an M SE   ob j ect ive  functi on also  c ompare d. The  re su lt  sho ws  t ha t IA E  h a s lo we r ov e r - s ho ot a nd  IS has  the l ow est  sett li ng  t ime.   So me   re searc he rs  al s pro pos the  co mb i nation  of  s om e   obje ct ive  f un ct io t im pro ve  t he  res ult  of   GA  op ti mizi ng  PID  c ontr ol.   A rtu ro  [10]  c ombines   I SE,   OS ,   a nd  M SE   as   an   ob je ct ive  f un ct io wi th  the   weig hting  valu to   en ha nce  c orres pondin pe rformance   cri te ria.  Wh il [20]  pr opos es   th obje ct ive  fun ct ion s,   wh ic are  the  com bin at io of  I AE,   rise  ti m and   c ontrolle outp ut.  H ow ever,  the did   no e xp la in  t he   eff ect   of   c ontrolle outp ut  in  the  obje ct ive  functi on  af fect  the  e ne rgy  us ed  by  the  co ntr oller.  I on ly  c ompa r es  the  performa nce  be tween  GA  a nd   simple m et hod  in  PID  tun in g.   Zahi et   al [21]   pr opos e the  m od i fied   ob je ct ive  funct ion   wh ic a dding   ov e rs hoot,   ste ady - sta te   error,  set tl ing   ti me,  an rise  ti me  into  IT AE,  IA E ,   IS E,   a nd  ITSE The co ncl ud e   t hat  th modifie ob je ct ive  f unct io giv es   im provement   to   the   con t ro ll e r   performa nce.   PI D   co ntr ol  wi th  go od   pe rformance  a nd  lo e nergy  co nsum ption  can   be   achieve us i ng  G tu nin with  t he  a ppr opriat obje ct ive  f un ct i on.  In  [ 22 LQR   obje c ti ve  f unct ion  a G A   obje ct ive   f un ct i on  to   tu ne  t he   PI D   co ntr oller   is  pro posed LQR  is  on e   of  the  opti mal  con t ro ls  w hich  ca be  us e to   re du ce   e nerg consu mp ti on   by  a dju sti ng  c os functi on  [23].  Howe ver,  [ 22],  di not  giv a   cl ear   anal ys is  of  t he   e ne rgy.   Ther e f or e,   in  t his  resea rc h,   t he  L QR  obje c ti ve  functi on  t tu ne  the   PID  via  G will   be  performe in  real  hard war t prov e   it abili ty  t c on t ro bo t performa nce  a nd  ene r gy.  T he   pro posed   al go rithm  will   be  t est ed  in  mini  co nv eyor  dri ve by  D mo t or The  c on tri bu ti on   of   t his  pa pe is  to  pro pose  the  impleme nt at ion   of  LQR  co ntr ol  in  the  f orm  of   PI with  GA  tun in us in LQR  obje ct ive   functi on.  T he   adv a ntage of   this   method  a re  it   use fe wer   s ens or co mp a red  with  the  ori gina LQR  meth od  w hic use s   s ens or as   ma ny  as  t he   sta te   in  the  sy s te model.  F urt hermo re,  t he  pro po se al go r it hm   is  simple co mp a red  wi th  Linea Q ua dr at ic   Gau s sia n (L Q G)   w hich  can  e li minate  so me   or all  sen s ors i L QR a nd r e pl ace t hem b a n ob s er ver.       2.   RESEA R CH MET HO   2 . 1   Syste D esi gn   The  s ys te m   use in   this  st udy  is  mini  c onveyo wit DC  m otor.  T he   DC  m otor  use has  12 V   5.5A  s pecifica ti on   with   m ax imum   sp ee of   250  r pm  a nd  a   ma ximum  to r qu e   of  10. kg/c m.  Fi gure   s hows   the  mi ni  c onve yor  us e d.  T he  sy ste m   m od el   is  obta ine by  ta kin m otor  i nput  a nd  ou t pu data  i the   form  of  vo lt age  a nd  spe ed  us i ng   da ta   log ge r.   Using  this  data,  t he   transf e f unct ion   of   t he  sy ste is  der iv ed  usi ng  M A TLAB   S yst em  I de ntific at ion .   T he   tra ns f er  functi on   of  the  s ys te m   is  s how i ( 1) .   T he  c ontr ol   al go rith m   is t est ed  in  MA TLAB/ Sim ulink be f or e im pl emented  in  the  real ha rdwa re syste m.           Figure  1. M i ni  conve yor   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   4 D ecembe 2020   :   2164     2172   2166   ( ) =   1 . 094   2 2 0 . 91 0 . 04   (1)     2 . 2 PID  Tuni ng   and O pt im al Con tr ol   2 . 2 . 1.     Zi egler  Nichols  M e thod   Zie gler  Nich ol s's  meth od  is   div ide into   two  wa ys c ur ve  reacti on  th at   done   in  op en  l oop  a nd  ulti mate   cycle  wh ic done  in   cl os lo op.  T he   first  met hod,   par a mete rs  a re   rathe di ff ic ult   to  est imat in  no is env i ronme nts,  wh il the   seco nd  one,   can b e q uite de trime ntal  to  the  s ys te beca us e not al of   the   syst ems  ca n   tolerat su sta i ning  osc il la ti on   co ndit ion [ 24] In   t his  re search the  sec ond  met hod  is   us e w hich  done  i simulat ion.  PID  f ormula  is  s how in  ( 2).  T he  ulti mate   cy cl is  based   on   increase  Kp   from  to  crit ic al   gain   value   ( Kc r in   w hich   the   out pu t   ex hib it s ust ai ned   os ci ll at ion  w he Ti   =     a nd  Td   =   0.   The   Kc r   a nd  t he   corres pondin g peri od ( Pcr t he n use to  calc ulate  PID  gain   us in t he  f orm ula in T able  1.     ( ) = ( 1 +   1   +   )   (2)       Table  1.  Zie gle Nic hols ulti m at e cycle tu ning  form ula  [ 25]   Co n troller   Kp   Ti   Td   P   0 .5  Kcr   -   -   PI   0 .45   Kcr   Pcr / 1.2   -   PID   0 .6  Kcr   0 .5  Pcr   0 1 2 5   Pcr       2 . 2 . 2.     Gene tic   Algori t hm  M eth od   The  gen et ic   al gorithm  ( GA)  i r obus op ti miza ti on   te ch ni qu base  on  D arw i n’ pr i ncip le   of   natu ral  sel ect ion   [26] The  basic  goal   of  GA  is  to   opti mize   the  fitness  f un ct io n.  This  meth od  is   intr oduce by   Joh Ho ll an at  t he Un i ver sit y o M ic hi gan in  19 70. Acco r ding  to  [ 27]   G A has  the  fo ll owin g adv a ntage s:   a.   It is   a sim ple al gorithm  that is  easi ly un der st ood an im plem ented   b.   The  al gorithm   is rob us t   c.   GA is a  non - li near p ro ce ss th at  co ul d be a pp li ed  to m os t i ndus t rial  pro ces ses w it h g ood r esults   d.   GA searc a  populat ion o f p oi nts instead  of  a sin gle so l utio n   e.   GA does  not  ne ed  in f or mati on a bout the  s yst em ex ce pt fo r t he  fitnes s fu nc ti on .   Figure  s how the  flo c hart   to  im plement ing   G A.   Starti ng  f rom  i niti al i zi ng   popula ti on  wh ic is  a   set   of   so l utions  re pr ese nted  by  c hrom osome I this  ste p,   t he  popula ti on   i ge ner at e ra ndom l y.   T he  s econ ste is  e valuat ing   t he  fitness   base   on   the  obje ct ive  f unct ion.  In  c ontr ol  s ys te m,   the r are   ma ny  ob je ct ive  functi ons  us e as  sh ow in   Table  [ 18] The  thi rd   st ep  is  evaluati ng   t he  te rmina ti on   crit eria.  If   the   te rmin at io cri te ria  are  sat isfi ed  the  outp ut  is  the  opti mal  s olu ti on.  O th oth e ha nd,  t he  ge netic   ope rati on  will   be   pe rformed   w hich   is  r epro du ct io n,  cr os s ov e r,  an m utati on  [ 28] .   R epro du ct io is  simply   retai ni ng  a   fit   string   i the  fol low in ge ne ra ti on c ro s sover   involves  s wa ppin pa rtia string   of   rand om   le ng th  betwe en   two - par e nt  stri ngs,   an mu ta ti on   invol ves   flippi ng   ra ndom  bit  in  t he  stri ng.  Re peat  t t he  sec ond  ste un ti te rmin at io c rite ria are sati sfi ed.           Table  2.  T ype  of f it ness  fu nction   Fitn ess  Fun ctio n   Equ atio n     IAE   | ( ) | 0      ISE   ( ) 2  0     M SE     1 ( ( ) ) 2 0     IT AE   | ( ) |  0     IT SE   ( ) 2  0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       PID opti m al c on tr ol to  reduc e ener gy  c onsumptio i n DC - dr iv syste m   ( Ha ri  Ma ghfi roh)   2167   Figure  2.  Ge ne ti c algo rith proces s f l ow cha rt   2 . 2 . 3.     Op tima l Contr ol   LQR  is  one  of  the  opti mal  con t ro te c hn i ques  w hich  c on sider  t he  sta te s   of  the   s ys te m   an c ontrol   input  t mak op ti mal   co ntr ol   decisi ons Ac cordin to   [29] ,   this   meth od   is  si m ple  a nd  rob us t.   Sup pos the   sta te  eq uatio n of t he  s ys te m  is:     ̇ ( ) =  ( ) +  ( )   (3)   ( )   =  ( ) +  ( )       The  sta te   fee db ack  c ontr ol  is  U (t)   =   - K LQR   X (t) ,   w her e   K LQR   is der i ved  f r om  the   mi nimiza ti on  of  c os t   functi on as  sho wn in ( 4) .     = ( ( )  ( ) + ( )  ( ) )    (4)     The  matri ces  Q   an R   deter mine  the  relat ive  imp ort ance  of   t he  er ror  an the  e xp e ndit ur of   e ne rg [30] T heref ore,  the   tra de - off   betwe en   pe rfo rma nce  a nd  e ne rgy  us e ca be  set   by  c hoosi ng  an   ap pro pri at el ement  of   m at rices  Q   a nd  R . T he bloc k diag ram of  L QR contr ol is s how n i Fig ure  3.           Figure  3. Bl oc k diag ram of  L QR c on tr ol       2 . 2 . 4.     PI O p timal  Contr ol   The  pro po se meth od  is  P ID   t un e by  GA  us i ng  the   LQR  c os f unct i on.  T his  a lgorit hm   is   com bin in t he  adv a ntage   of  P ID ,   G A,  an L QR  to  el imi nat the d isa dvant age o eac of them  a nd  to  i nc rease   the  pe rforma nc with  l ow   e nerg co nsum ption.  P ID  is  simple  an ea sy   to   be  i mp l emented GA   has  the   powe rful  sea rc hing  ca pa bili ty  to   opti mize   t he   obje ct ive   f unct ion ,   w hile  L QR  is   the   op ti mal  c on tr ol  m et hod  wh ic well   pe r forme with  c on t ro ll ed  e ne rgy  co nsum ptio n.  In   [ 22]   L QR  ob je ct ive  funct ion   as  GA   obje ct ive   functi on  t t une  t he   PID   c on t ro ll er   is  use d.  H oweve r,  the   a nalysis   of  performa nc an e nergy  is  not  exp la ine d.   Fig ur is  the  dia gr a of  the  propose met hod  wh ic us i ng   L QR  obje ct ive  f un ct io in  t he  GA   t offli ne  t u ne   th PID.   Offli ne   tu ning  is   ch ose beca us e   it   is  si m pler   an ca be   im plemented   in   lo w - c ost   hard war e   co m par e   with  onli ne  t un i ng.  The   tu ning  proces ca be  do ne  in  a   po werfu l   com pu te t ge fast   resu lt s,  the th e PID  par a mete r value im ple mented  in real   hard war e.         Figure  4. Bl oc k diag ram of   pro posed  PID  opti mal co ntr ol       3.   RESU LT S  AND  DI SCUS S ION     Thr ee   al go rith ms  a re  te ste and  c ompare with   the   pro pose al gorithm   w hich   a re  PID  t un e by   Zie gler - Nich ol s ( PID Z N), P I tu ned   by GA w it h I AE  ob je ct ive f unct io (PI G I A E)  an L QR. While  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   4 D ecembe 2020   :   2164     2172   2168   pro po se al go rithm  is   P ID  tun e by  GA  with   L QR  obje ct ive  funct ion  name as   PI D   GA  L QR.  Bot performa nce  and   e ne rgy  c on s umpti on  a re  co mp a re by   us i ng   I A an total   energ co nsu mp ti on,  resp ect ivel y.  B efore  i mp le me nted   in   real   ha rdwar e t he   al gorithm   is   sim ulate us i ng  M A TLAB   Si mu li nk.   Af te good  resu lt   is  fou nded  in  the  sim ulati on   sta ge,   the  al gorithms   are  te ste in  real  hard war e .   Two  conditi on  te sti ng  is  ca rr ie out  wh ic a re  st ep  res pons es   a nd  s peed  var ia t ion .   T he  c ontr oller  par a mete r val ue  sh ow in   Tabl 3.   The  val ue   of  Q   a nd  R   matri is  t he  s ame  f or   PID  GA   LQR  a n LQR.  In  this  t est the  tolerance  of  ± 2 %   is  us e d.       Table  3.  C on t r oller  par a mete r s   Metho d   Kp   Ki   Kd   K LQR   PID  ZN   0 .3   1 .3   0 .3   -   PID  G LQR   1   0 .4   0 .2   -   PID  G A I AE   2   0 .8   0 .9   -   LQR   -   -   -   [0.9  0.0 4 ]       3.1.  Ste p res p on ses   Step   res pons e s   are   t he  basic   t est ing  to  k no w   the  p er forma nc e o f   the   c on t r oller  i nclu ding  sett li ng   ti me   and  ove rsho ot.  Tw oth e par a mete rs  w hi ch  are   I AE  a nd  total   ene r gy  c on s umpti on  al so  incl ud e f or   com par is on.  Fi gure  s hows   the  ste re spo nse   of  the   syst em  with   diff e ren c ontrolle r .   Fig ur e   (a i the   sp ee pr of il wh ic s how t hat  PID  Z N,  P ID   G L QR,  a nd  PID  GA  I A ha ve  near l the  same   rise  ti me  but  the  seco nd  m et hod  ha lo w er  over sho ot  without  un dershooti ng.  Fro the  set tl ing  ti me  par am et er,  the   pro po se meth od  has  t he  lo w est   se tt li ng   ti m e.  Wh il P I GA  I AE   is  f as te tha PID  Z N.   Step   res ponse o f   the  PID  meth od  with   th ree   di ff ere nt  t un i ng  met hods  s hown  th at   the   G LQR   tu ning   met hod  ha t he  bes t   performa nce  i te rm of   set t li ng   ti me  a nd  ov e rs hoot.  T he   la st  method,   op ti mal  c on t rol   us in L QR,  has  the   best  performa nc e compa red w it three  o t her  methods .           (a)   (b )       (c)     Figure  5. Sim ul at ion  step  r es ponse s (a) S pee d prof il e ( b)   I AE pro file (c ) Ener gy  prof il e       In  te rm of  I A E,  it   has   the   sa me  resu lt   a se tt li ng   ti me  a nd   over sho ot  paramet er  w hich   is  L QR  has   the  lowe st  IAE.  W hile  the  pro posed  al gorithm  is  in  sec on place  a fter  L QR  w hich  bette am ong  tw oth e r   PI D   tu ning  me thods,  as   sho w in  Fig ur ( b).  I the  e n e r gy   point  of   vie w,   Fi gure  (c ),   P ID   G L Q has  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       PID opti m al c on tr ol to  reduc e ener gy  c onsumptio i n DC - dr iv syste m   ( Ha ri  Ma ghfi roh)   2169   the  lowe st  ene rgy  c on s umpti on.  I the  be gin ni ng,  L QR  ha the  lo west  en ergy  c on s umpt ion H ow e ve r,   wh e ti me  increase,  it ener gy  c ons umpti on   al s i ncr ease s.  T his  is  du t integ r al   con tr ol  w hic ad de in  th LQR   method t el im inate  the stea dy - sta te  e rror.     Table  s how the   detai le resu lt   w hich   r esumes   of  ste res pons e   pa rameters The r al so % I AE   and % Ene r gy  wh ic a re  t he  c omparati ve   be tween   f our   met hods  with   P ID  ZN  as   the   base T her e fore,   th val ue  of % IAE  an d % Energ is  100%   for  PID  Z N.  It  is  cl early  seen  that  the  pro po s ed  met hod  is  in  the  seco nd  plac e   of % IAE  with   lowe by  17.   54 %   co mp a red  with  PID  ZN In  te rm of  e ne rgy,  it   sta nds   in  the   lo west   e nerg consu mp ti on  w it 4.7 1 %   a nd  1.12 %   lo wer c ompare d wit h PID Z N   a nd L QR r es pecti vel y.   Af te r   t he  si mu l at ion  te st,  t he  a lgorit hm  is  im plemente in   r eal   ha rdwa re.   The   co ntr oller   par a mete r   is   the  sa me  as   th sim ulati on  te st  with out  fi ne - tu ning.   Fig ur e   s hows   the   ha rdwar e   ste r esp on ses Fig ure  (a )   is  the  s pee prof il e.   It  s hows   that  al the  al gorith perfor ms  well   exce pt   PID  G I AE   wh ic os ci ll at ar ound   the  set   po i nt.    This  is  due  to  the  higher  val ue  of  PID  paramet ers  an fi ne - t un i ng   did   no a pp l y.   T he   oth er   method  ca pe rform  w el an track   the  set point  with  the   s ame  set tl ing   ti me  w hich   is  s.  H oweve r,  th PID  ZN met hod ha s a  4 %   ov e rs hoot. Whilst , t he pr opos e d met hod ha s the  sam e p e rformance   as LQ R .   In  te rms  of  IAE,  L QR  has  t he   lowe st  I AE,  the  sa me  resu lt   as  the  si mu la ti on  te st.  Wh il the  pr opos e method   has   I AE  highe by  6.43%  a nd  lo wer  by   1.7 6%   co mp a red  with  L QR  a nd  PID  Z res pecti vely.  I te rms  of  e nerg c onsum ption,  L QR  is   in   the   first   place T he   integ ral  c ontr ol  a dd e in   L Q has   a   small   eff ect   on   t he  ha rdwa r e.  PID  G L Q is  in  second  place  in  both  I AE  an e nerg p ara mete rs.   It  has  lo wer   IAE  and  energ co mp a r ed  with  PID  Z by  1.7 6%  a nd  15. 65%  res pe ct ively.  P ID   GA   IAE  has  t he   higher  IA be cause  it sp ee ds  re spon s has   os ci ll at ed  w hile  it energ is   lo we t han  PID  ZN   since   w hen  it s   s peed  belo w   the   set   po i nt  it   co nsume s   lo wer  energ y.   Table   res um e t he  res ults  of   the  ha rdware   impleme ntati on  of     ste re spo ns es.       Table  4.  Res ume  of ste p respon s es  par a mete rs   Metho d   S ettlin g  Time  (secon d )   % OS   IAE   % IA E   Total Energy   Used  ( Jo u le)   % Energy   PID  ZN   12   49   3 0 9 6 2   100   3 0 7 5 7   100   PID  G LQR   11   32   2 5 5 3 0   8 2 4 6   2 9 3 0 8   9 5 2 9   PID  G A I AE   13   46   3 0 1 8 9   9 7 5 0   3 0 2 9 2   9 8 4 9   LQR   8   0   2 4 0 6 8   7 7 7 3   3 0 4 1 3   9 8 8 8           (a)   (b)       (c)     Figure  6. Ha rdwar e  step  res ponse s (a) S pee d prof il e ( b)   I AE pro file (c Energ y prof il e   Table  5.  Res ume  of  hard ware i mp le me ntati on of ste p respon s es  par a mete rs   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   4 D ecembe 2020   :   2164     2172   2170   Metho d   S ettlin g  Time  (secon d )   % OS   IAE   % IA E   Total Energy   Used  ( Jo u le)   % Energy   PID  ZN   8   4   1538   100   4 4 0 4 5   100   PID  G LQR   8   0   1511   9 8 2 4   3 7 1 5 4   8 4 3 5   PID  G I AE   o scilate   o scilate   3161   2 0 5 5 3   3 8 6 6 3   8 7 7 8   LQR   8   0   1412   9 1 8 1   2 9 9 7 1   6 8 0 5       3.2.  Spee Vari at io Resp onses   Finall y,  the   la s te st  is  t he   sp e ed  va riat ion .   In  this   te st,  t he   s peed  ref e ren ce   is  va ried   f rom   10 r pm  to   120  rpm  the t 80   r pm .   Fig ur is  s howi ng  the  s ys te respo ns wh ic is  s peed  pr ofi le IA E   pro file an energ pro file S peed  prof il e   sh ows   near l t he  same   res ult  with   ste res ponse   w hich   PID  G I AE  os c il la te arou nd  sp e ed   r efere nce.   The  o the th ree methods   can   trac the  s peed  va ria ti on  w el l. In  te rms  of I AE , F igure  (b),  PID  G I AE  has   high er  IA E   becau s the  sp ee res pons e   is  os ci ll at ing .   LQR   ha the   lo west  I AE,  the fo ll owe by  P I G L QR,  a nd   PID  Z N.   In  energ co nsu mp ti on,  Fig ur e   (c ),   it   is  see that  L QR  ha th e   lowest  e nerg co nsum ption,   w hile  the  pro po s ed   meth od   is  in  s eco nd  place  be tt er  th an  P I GA  I AE  a nd    PI D  Z N.         (a )     (b )       (c)       Figure  7. Ha rdwar e  sp ee d va r ia ti on  r es ponse s (a S pee d va riat ion   pro file (b) IAE  pr of il e (c E nerg y prof il e       The  qu a ntit at ive  re su lt   of   IAE  an e nerg is  in  Ta ble  6.  PI D   Z as  the   base  c ompa rison.  L QR  i s   su pe rio w hic has  the  lo wes bo th  IAE  an ene r g c ons umpti on.  T he  pro po se met hod  is  in  seco nd  place  after  L QR  both  in   I AE   an energ c on s umpti on.   Com pa rin L QR  a nd  P I GA  L Q R,  the  seco nd  on e   ha s   adv a ntage s w hi ch  are   only   use on e   se ns or  i this case, w hi le   LQR  usi ng two   se nsor f or   eve ry  sta te   w hi ch  i sp ee se nsor   a nd  c urren sen so r T he   ot her  ad va ntages   of   the  pro posed   method   are P ID  is  m ore  fa mil ia us in g.   The refo re,  it   eas to  be   impleme nted   in  the  e xisti ng  s ys te with ou l ot  of  c ha ng e s.  T he  tra de - off   betwee pe rfo rma nce  a nd  e nerg ca be   adj us t ed   by   set ti ng  wei ghte val ue  i obje ct ive  f unct ion  corres pondin g wit mat rix  Q   dan  R   in t he  L QR met hod.   Table  resum es  the  ene rgy   and   IS redu ct ion   f rom  ha r dw a re  te sti ng.   The  pr opos e al go rit hm   reduces  bo t I AE  an e nergy  con s umpti on  com par e wit PI Z N.   T he  aver a ge  of  al the  res ults  is  IAE  and  energ re duct ion b y 2.7 6 %   a nd 16.0 7 %   res pecti vely .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       PID opti m al c on tr ol to  reduc e ener gy  c onsumptio i n DC - dr iv syste m   ( Ha ri  Ma ghfi roh)   2171   Table  6.  Res ume  of  hard ware i mp le me ntati on of s pee d var ia ti on  r es ponse s p a rameters   Metho d   IAE   % IA E   Total Energy   Used  ( Jo u le)   % Energy   PID  ZN   2638   100   1 3 4 4 4 0   100   PID  G LQR   2539   9 6 2 5   1 1 2 2 7 3   8 3 5 1   PID  G A I AE   7152   2 7 1 1 1   1 1 8 3 5 5   88   LQR   2488   9 4 3 1   9 2 8 2 2   69       Table  7.  Res ume  of  IAE a nd en e rgy red ucti on of PI D GA  LQR c ompare   with P ID Z N   Data so u rce   % IA redu ctio n   % Energy  r ed u ctio n   Table 5   1 .76   1 5 .65   Table 6   3 .75   1 6 .49   Av erag e   2 .76   1 6 .07       4.   CONCL US I O   The  pro po se al gorithm  is  si mp le   a nd   ea sy  to  be  i mp le m ented  si nce  it   bases  on  we ll - know n   al gorithm,  PID It  was  su cces sfu ll im pleme nted  bo t in  t he   simulat ion   a nd   ha rdwar s ys te ms.  The  te st  was   carried   out  with  tw sc hem es   w hich  a re  ste re spo ns es  a nd  s peed  va riat ion  res pons e s.  The  res ult  sho ws  that   the  pr opos e al gorithm  is  be tt er  in  bo t I AE  a nd  ene r gy  c on s umpti on   com pa red   wit oth e P ID  tun i ng  methods   wh ic a re   Zie gle   Nic ho ls a nd   GA  with   I AE   ob je ct ive   f unct ion .   C ompare with   PID  ZN ,   it   has   IA a nd  e nerg re duct ion  by   2.76 %   an 16 .07 %   re sp ect iv el y.   Alt hough  it per f orma nc is  lowe tha the   LQR,  it   has  ot her   a dv a ntage that  us fewer  sen sors,  w hi le   LQR  us es  sens or f or   e ve ry   sta te T he   oth e r   adv a ntage  of  the  pro pose m et hod  is,  P ID   i more  famil ia us i ng.  The refor e it   easy  to  be  imple me nte in  the   existi ng syst em w it ho ut a l ot of c hanges.       REFERE NCE   [1]   A.  Far am ar zi a n K.   Sab ahi ,   “Recurre nt   Fuz zy   Neura l   Ne twork  f or  DC -   mot or   co ntrol ,   in   2011   F if th   Int ernati ona l   Confe renc on   Gene tic  and   Ev o lut ionary   Computing ,   2011,   pp.   9 3 96 ,   2011 .   [2]   U.  K.  Bansal   an R.   Narve y ,   “S pee Contro of   DC  Motor  Us ing  Fuzzy  PID   Control ler,”  Adv.  El e ct ron.  E lectr.   Eng. ,   vol .   3 ,   no .   9,   pp .   1209 122 0,   2013 .   [3]   C.   A.   Kumar ,   B .   R.   Hari j an,  M.   K.  Kumar ,   and  M.  Bha r at hi ,   “B LDC  Motor  Spe ed  Contro using   Fuzzy   Logic  PI Control le r   and   C ompa ring   It   Wit PI Controlle r ,   Int. J. Eng. Ad v. Tec hnol . ,   vol .   9 ,   no.   2,   pp.   4917 4922,   2019 .   [4]   A.  Hughes a nd   B.   Drury,   Elec tri Motor  and   Dr i ve s: F undam ental,   Typ es  and  Ap pli catio ns ,   5 th e d.   E lsevier, 2019 .   [5]   J.  De  Ol iveira ,   A.  Nied ,   M.   H.   F.  Santos,   and   R .   P.   Dias,   “Stud on  the  Ene rgy   Eff i cienc y   of  S oft  Star ti ng   of  a Induc ti on   Motor   with Torque Co ntrol , ”  in   Ad vasc es  in  Mo tor Torque  Control ,   In te c h,   2011 ,   pp .   33 46 ,   2011 .   [6]   S.  N.   Al - bar go th i,  G.   M.   Qaryout i,  and   Q.   M.   Jab er,  “Spe ed  cont r ol  of   DC  mot or   using  conv ent io nal  and   ad apt iv e   PID   cont rollers, ”  Indone s .   J .   Ele ct r. Eng.   Comput.   S ci. ,   vol. 16, n o.   3 ,   pp .   1221 1 228,   2019 .   [7]   S.  M.  Rakh ta l a   and  E.   S.   Rou dbar i,  “Applica t ion  of  PEM  Fu el   Ce ll  for  Stan d - al one   Based  on  Fuz zy  PI D   Control , ”  Bu ll. E le c tr. Eng. Inf or matic s ,   vo l. 5, n o.   1 ,   pp .   45 61 ,   2016.   [8]   K.  H.  Ang,  G .   Chong,   S.  Me m ber ,   and  Y.  Li,  “PID  Control   S ystem   Analysis  ,   Design  ,   and   T ec hnology , ”  I EEE  Tr ans.  Control   S yst.   Te chnol. ,   vo l.   13 ,   no .   4 ,   pp .   5 59 576,   2005 .   [9]   A.  Bal estr ino,   A.  Cai t i,   V.  C alabró,   E .   Crisost omi ,   and  A.  L a ndi,   “From  B asi to  Advanc ed  PI  Control le rs :  A   Compl exity  vs  .   Perform ance  Co mpa rison, ” in  Ad vanc e   in   PID  Co ntrol ,   In tech, pp. 87 100 ,   201 1 .   [10]   A.  Y.  Jae n - cue l l ar,   R .   de  J.   Rome ro - Tron coso,   L.   Mora le s - velaz que z,   and  R.   A.  Os ornio - rios,   “PID - Control ler  Tuni ng  Opt im i z at ion   with  G ene t ic   Algor it hms  in S erv Sys te ms,”  Int. J. Adv .   R ob ot.   S yst. ,   vo l. 10, pp. 1 14,   2013.   [11]   J.  M.   Herr ero ,   X .   B l asc o ,   M.   Ma rti ne z,  and   J .   V   Salc edo ,   “Optim al  PID   Tun ing   with  Gen et i c   Al gorit hm   for   Non - Li ne ar  Proc ess Model s,”   in  15 th   Tr ie nial World Congr ess ,   pp.   31 36 ,   2002 .   [12]   A.  A.  M .   Za hir ,   S.  S.  N.   Alhady ,   W.   A .   F.   W .   Oth ma n,   and   M.  F .   Ahmad,   “Ge ne tic  Algori thm  Opt im izati on   of   PID   Control le r   for   Br ushed  DC Motor , ”  In tell. Manuf. Mec hatroni cs ,   p p.   427 437 ,   201 8.   [13]   C.   Li n ,   S.   Mem ber ,   H.   Jan,   and   N.  Shieh ,   “GA - Based  Multi ob j ec t ive   PID   Cont rol  for  L ine ar   Brushless  DC  Motor, ”  I EEE/ASME  Tr ans.  Me c hatronic s ,   vo l. 8 ,   no.   1,   pp.   56 65 ,   2003 .   [14]   B.   Naga r aj   and  N.  Murugana nth ,   “A  Co mpa ra ti v Study  of  PID   Control le r   Thn in Us ing  GA ,   EP,   PS and  ACO ,   in  2010  In t. Con fe renc on   Comm unic ati on   Cont rol an Computi ng  Technol og ie s ,   pp .   305 313 ,   2 010 .   [15]   U.  Ans ari ,   S.   Al am ,   and   S.   M.  u N.  J afr i,  “Mo del ing   and   Cont rol  of   Thr ee  Pha se  BLDC  Motor   using  PID   wi th   Gene tic  Algori thm , ”  in  201 UKSim  13th  Inte rntiona l   Confe renc on  Mode lling   and  Simulat i on   pp.   189 194 ,   20 11 .   [16]   V.  Vishal,  V.  Kumar ,   K.   P.  S .   Ran a,   and  P.   Mishra,   Co mp ara t ive   Study   of   Some  Opti mi z at ion  Techni que s   Applie to   DC  Motor  Cont rol,   in  2014   IEE E   Inte rnat i onal  Adv an ce  Computing  Co nfe renc (IA CC )   pp.   1342 1347 ,   2014 .   [17]   M.  A.  Ibra h im,  A.  K.  Mahmood ,   and  N .   S.  Sul tan,  “Opt im a PID   cont rol le r   of  a   b rushless  DC  motor  using  geneti al gorit h m,”  In t.  J.   Powe El e ct ro n.   Dr iv e   Syst . ,   v ol.   10 ,   no .   2 ,   pp .   822 830,   2019 .   [18]   A.  Mirza l ,   S.  Yos hii ,   and  M .   Furukawa,   PID   Para me te rs   Op ti mization  by  Us ing  Gene tic  Algorit h m,”    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   4 D ecembe 2020   :   2164     2172   2172   ISTECS  J. ,   2012 .   [19]   S.  K.  Suman   an V.  K.  Gir i,  Gene tic  Algori t hms  Techni ques   Based  Opti mal  PID   Tuni ng  For  Speed  Contro of  DC Motor,   Am. J .   Eng .   Te chnol.   Manag. ,   vol .   1 ,   no.   4 ,   pp .   59 64 ,   2016.   [20]   H.  Zha ng ,   Y .   C ai ,   and   Y.  Ch en ,   “Par amete r   Optim i za t ion  of   PID   Control l ers  B ase on  Gen etic   Algorit hm ,   in   2010  Inte rnat ion al  Conf ere nce o E - Heal N et wo rking,   Dig it al   E c osystem  and  Te c hnologi es ,   pp.   4 7 49 ,   2010 .   [21]   A.  A.   M.   Z ahi r ,   S.  S.   N.   Alhady ,   W .   A.   F.  W.  Ot hma n,   A.   A.   A.   Wa hab ,   and   M.   F.  Ahmad ,   “Obj ec t ive  func ti ons   modi ficat ion  of   GA   opti mized   PID   cont rol le r   for   brushed  DC  mo tor,   Int .   J.  Elec tr.  Comput.   Eng . ,   vol .   10 ,   no .   3 ,   pp.   2426 2433 ,   2020.   [22]   S.  L. Brunt on   an J.  N.   Kutz ,   Dat a - Dr iv en  Sc ie n c and  Engi n e eri ng ,   1st  ed. Camb ridge   Univ ersit y   Press ,   2019.   [23]   H.  Maghfir oh ,   C .   Her ma nu,   M.   H.  Ibra h im ,   M.   Anw ar,   and   A.   Ram elan,  “Hybr id  fuz zy - PID   li k opt im a cont ro to   red uce e n erg c onsumpti on, ”  T ELKOMNIKA ,   v ol.   18 ,   no .   4 ,   pp .   2053 2061,   202 0.   [24]   H.  Maghfir o h,   O.  W ahyunggor o,   A .   I .   Cahy adi,  and   S.  Pr apt od iyono,  “PID - Hybrid  Tuni ng   to   I mprove  Control  Perform ance in  Speed  Contro o DC Motor  B ase   on  PLC ,   in   3 rd ICA ,   2013 ,   pp.   233 238.   [25]   A.  Abdulam e er,  M.  Sulai m an,   M.  S.  M.  Aras,  and  D.  Sal ee m ,   “GUI  Based  Con trol   Sys te An al ysis  Us ing  PID   Control le r   for   E duca t ion,   Indon es.   J .   Elec tr.   En g.   Comput.   Sc i. ,   vol.   3 ,   no .   1 ,   pp .   91 101,   2016 .   [26]   G.  Li and  G .   L iu,   Tuni ng  PID   Control ler  Us ing  Adapti ve  Gen et i Algorit h ms, ”  in  5th  In te rnat ional   Confe ren c e   on  Computer   Sc i enc e   and  Educ at ion ,   pp .   519 523 ,   2010 .   [27]   L.   Fan   and   E .   M .   Joo,   “De sign   fo Auto - tuni ng   PI Control l er  B a sed  on  Gen et i Algorit hms, ”  in   IEE E   Confe r ence  on  Industrial Elect ronics  and   Ap pli cations ,   pp .   1 924 1928 ,   2009 .   [28]   M.  Gani,   S.  Isl a m,   and  M .   A.  Ulla h ,   “Optimal  PID   tuni ng  for  co ntrol li ng  the   temper a ture   of  el e ct ri furna ce   by   gene t ic   al gor it h m,   SN  Appl .   Sc i . ,   vol. 1, no. 8, p p.   1 8 ,   2019 .   [29]   L.   B .   Prasad ,   B .   Tya g i,   and  H.   O.  Gupta ,   “Opt i ma Con trol  of  Nonline ar   Inve rt ed  Pendulum  D ynam i ca l   Sys tem   with  Disturb ance  Inpu t   using   PID   Controller   and   LQR,   in   2011   IEE E   In t. Con.   o Control   S ystem ,   Computing   a nd   Engi ne ering ,   pp.   540 545 ,   2011 .   [30]   K.  Ogat a,  Mode r Control Engin ee ring ,   5th   ed .   N ew  Jersey:   Prent ic e   Hall,  2010 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.