In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  4, D e c e m ber   201 9,  pp.  1724~ 17 33  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 4.pp1724-1733          1724     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Fractional-order PID controll er for perman ent magnet DC  motor based  on PSO algorithm       Fad h i l   A .  Hasan ,  Lin a  J. R ash a d  D e part men t  o f Electri cal E ngin e eri n g ,  U n i v e rsity  of   T echn o lo gy ,  I raq      Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Dec   2 4 ,  2 018  Re vise d Mar   1,  201 9   Ac ce p t ed  M ar 1 0 ,  2 019      Th is   p ap er  p ro p o s e s  t h e  f r act ion a l-ord e r  pro portio n a l  in te gra l   de riva tive   (F OP ID) cont ro ller, as a s p eed  co n t ro ller fo r  p erman e nt  m agn e t  direct current   ( P M D C )   m o t or ,   in s t e a d   o f  th e   t r a d it io na l   i n te g e r - o r d e r   P I D   c o n t rol l er.   The   F O P I D  co n t ro ller  i s  th e  g e nera l   f o rm  o f  t h e  integer-order  P ID  c on trol lers,   wh ich   f o u n d   wi d e   a ppl icat io ns  i n  al l  en gi neerin g  field s .   In  t hi s  work  a   h ybrid   M-fi l e   a nd  S IMU L IN K   program  is   d evel oped  t o   s im ula t e  t h e  overa l l  sys t em,   th e  F O P I D  c o nt rol l er  h as  f iv e  as so ciated   p aram eters.   T he  opt im u m  va lu e s   o f  th os e  p a ram e ters  a re  f ou nd  o u t   b y   u sin g   p a r t i cl e  s w arm   op timiza ti on   tech ni que.   Sim u lati on   r esults  s h o w  ex cellen t   c om m a nd   s p eeds   tra ck ing   and   su peri or  d y n amic  r es po nse  i n   c on ju ncti on   w it h  that   o f   th e   i n t e g er-order  P ID   con t ro ller.   T h e  p r op osed   c on trol ler  sh o w s  a  high   a bi lit y   t o  ove rcom e  any   ext e rnal  d istu rb ance  t h e  sy st em   m ay   b e  exp o sed ;   a ls o,   it  p e rf o r m s  a  h i g h   deg r ee  of   r ob ust n es s  to  c on trol  t he  s ystem   in  m ot orin g  and   rege ner a tive   op erati ng  m odes. K eyw ord s :   F r actio nal-or d e r c ont r o l l er   Pa rti c le sw a rm opt imiza tio n   Pe rm anent  ma g n e t  DC m o tor   PID   c o ntro ller   Tun i ng  p a r amet e r s o f  PID   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Fa dhil  A. Hasan,     D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   Eng i ne eri ng,   Uni v ersi ty o f  Tech no l o g y ,  Ba gh da d,  I ra q.  Em ail:  Fadhi l.a . hassa n@ g m a il.c o m       1.   I N TR OD U C TI O N    F r ac ti o n a l  O rd e r   P ropor ti o n al   I n t e g ral D e riv a ti ve c o n tro l l e r (F OP ID)   is  a   m ost   pow er ful ty pe of  P I D   con t ro l l er  i n  w h ic h  the   order   of  d e r iva t i v e   a nd  in te gra l   a re   f r acti ona l  ( PI D )  rather  t ha n  inte g e r  num ber.   I t  offe rs  a n   effec tive   t o ol  t o  des c r i p t   t he  i nh e r i t i n g  m e m o ry  f ea t ur es  o f  var i ous   a rt icle s.  T hi s  is  a   g re at  p ropert y   of  t h i s c ontr o l l e r   in con ju nc ti on w i th or d i n a r y P I D c ont r o ll er ;  a ct u a l l y ,  t h i s  e f f e c t   i s  not  c o n s id e r ed   [ 1 ] .    In  a d d iti o n ,  the   fr act io na l  orde r  c o ntr o lle r   is  m ore  c o n v en ie n t  t h an   i n t eg er-o rd er  m o d e ls  i n  the  con t ro l  o f   d y n a m ica l   s y s t e ms.   A not her   a dva nt a g e i s   t he  f ac t   t h a t  frac tio na l   order   c ontro l l ers  ar e  i n sens it ive  t o   para me ters variat i on o f  t he sy s tem   an d  a l s o  the   c o n t r o ller   p a r a m e ter s  [2].   T h e   F O P I D   c ont r o l   s y ste m  prese n t s   a  hi g h   d e g re e  of  s tiffness  t o   o ve rcom e  a n y   d i st urba nce   or  l oa d  varia t i o n,  a l s o  i t s  t i me   a nd  fre q u e nc y   respo n ses  ca n  be   a d j uste d  ef fic i e n t l y   a s  c o mpa r ed  w ith  t he  m ode l  pr ed ict i ve   c o n t roll e r   [ 3].   The   frac t i o na l   order   c o n t r o l l e r   (F O C )  has  a l rea dy  c o m e   i n  be ne fic i a l   i n  m a ny  a t t r ac t i ve   e ngi ne e r in g  a r ea s  such  a s   elec tr on i c s,  r o b o tic s,   b i o e n g i nee r i ng,  c on trol   t he or y  a n d   si gna l  pr oces si ng  [ 4 ].  C onc epci o n   A .  M.  e t  a l ,   prese n t e d  a  sel f   -   t u n i ng  a n d  aut o -t u n in g  to  e st i m ate   t h e  c ontr oller  parameters  o f  the  F O PID  con t rol l er,   th e   m e t h o d  g a v e   r o b u s t  a n d  m o r e   r e l i a b l e   c o n t r o l   [ 5 ] .  R i n u   P .   S .   e t   a l  presen t e d  t h e  N e l d er -me a d  me tho d   a nd  t h e   A B C   (a rtif icia l   bee  c o lo ny  a l gor it hm)   to  o p timiz e   t h e   fi ve   p ara meters  o f   F r act i onal-or d er  P ID   c ontroller  [ 6 ] .   H a ssan  N . A   e t   a l  prese n te d  P a re to  m e t h o d   for   n u me rical   o pt imiza tio n  o f   t he   f rac tio na l  or d e r  P I D   to   g ive   a n   est i ma t i o n   o f  the   co n t ro ller  p a ram e ter   to  m e e t  t h e  e n g i ne erin g  spec ifica t i o n  nee d s,   a n d   c ompa re d  r e su lt s   b y   trad it iona l   PI D c o n t r o l l er  [7] .  F r om   t h e   l i t e r a t ure ,   i t  can  b e   no t e d  tha t   t he r e   a re  no  pr ev i ous   a t t e m p t s  t o   i n v e s ti ga te  t he   n on- line a r  beha v i or  o f  th e   P M D C   by  pa ram e ter s   v a r iat i o n   d u r in g  ope rati on.  The  r e sista n ce  of  t he   a rm ature  w i nd i ngs  i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Frac tio na l-or d e r P I D c ont r o l l er f o r pe rm an e n t m a gne t D C  m o t o r  b a se d o n  PSO   … (Fad hi l A.  H a san)   1 725 one  o f  t h e   m a i n   p ara m e t er  w hos e  has  n on- li ne ar  b eha v ior  due  t o  the  gen e rated  an d  rise d  hea t   i n  t h e  w i n d i ng s   by  re pe t i t i on  o f   ope ra ti o n ,   whic h  m a ke s  the   syst e m   n o n - l i n ea r  i n  na t u re .  This  p ape r   p rop o ses  the  u s e   of  t he   FO P I D  c o nt roll e r   a s  a  n onl in ear  c o n t r oll e r  of  P M D C  by   t a k i n g  i n t o   c on si de ra t i on   t he   n o n line a rt y  be ha vi or  o f  arm a ture   r esista nce,   w hi c h   i s  the  m a i n   c on t r ibu t io n  of th i s w o r k.   T his  pa p e r  exp l o its  t he   a dva nce d   f e a t u r es  o f  the  F O   c ontr o ller  as  a n  a d j u s t ab le  s pee d   d ri ver   of  a   P M D C.   T he  do m i nan t   p ar am eters,   o f  t h e   p r op osed   con t ro l l er,   a r e  tu ne d  by   u sin g   t h e  Pa rti c le   S wa rm   O ptim i z ati o n   ( P S O )  t e chn i que.   T h e   r e su lt s   o f   t he  p rop o se d  con t ro l l er  w i ll  be  c ompa red  w i t h   t ha t   o f  t he  t radi ti ona l i n t e g e r- order P I D   con t r o l l er .      2.   T H E DIFFER - INTE GRAL  AND FRA C TIONAL   O R D E R   S Y S T E MS  The   fr ac ti o n al   a na lys i s  is  t he  s ec tor  t h a t   d ea ls  w ith  t he  a b i li t y   o f  pow eri n g  t h e  in te gr al  a nd   di ffe re nt ia l  o p e ra t o r s   b y  fra c ti o n   n umbe r  in st e a d   o f  a n   i n t eger   numbe r.  M a t he ma t i c a lly,   the  frac t i o n a l  or der   in t e gral  a nd   d e r i v a t i v e   ca n  be   d efi n ed   i n  nu me rous  w a y s.     The  g e n era l   p rese nt a tio n  of  t he   d i f fer - in t e g r ator   opera to r   is :            (1)    Where   “ q ”  re presents  t he   r ea l   orde r  of  t he  d iffer - i n t e gral,   “ t ”   i s  var i a t i o n  d o ma in ,   and   “ a”  i s   t he   low e r  lim it .   In   t he   N i n e t ee n   S i xt ies,  C a p u t o  pr esen te d  a  po pu la r  form  t o  calculate  t he  d iff e r-integral.   A   fra c ti o n a l   d eri v a t i v e  of  o rde r   “ λ”   w ith  v aria ti o n   i n   “ t ”  do m a in   a n d   w it h  i n iti a l  c ond it io n  t  =   0   i s   b e c o m e  a s   [8] - [1 0] :              (2)   , ∈ , 0 1      Where   Γ(z )   i s  Eu l e r’s  G amma  f u n c t i o n.  W hen  γ   <   0,  t he n  r e pre s en t  a   fr acti ona l  i n te g r al  o pe rator   w ith  −γ   o r d e r :                ,      (3)    O n e   w o nde rfu l  be ne fit  o f   u sing  thi s   d e f i n it io n  is  p r e s e nt ing   ea sy  e xp la na ti on s  to   i ni tia l  an d  bo u ndar y   c o n d i t i on s,   i n  w h ic h  t h e  der i va tio n  o f   a n y   c o n s t ant  va lue  e q u a ls  t o  ze ro.  I n   t he  t ime   doma i n,   a n  n- term  of fr acti o nal or de r  d i f f ere n ti al  e qu a tio ns   a re  p r e s e n t  t he  fr actio na l or de r system :                                    (4)    Where  D D  is the  Ca pu to’ s   f ra cti ona l de ri v a tio n   of orde r   “ λ” .   Ta ck in g t h e  Laplac e tra n sform   to  (4) the  f ra cti ona l or de r tra n s fer  fu nc ti o n   ca n be  obta i ne d,               ⋯                (5)    Where ;   B k 0 , 1 , ….,n is  a   r ea l   num be r,   β β  ⋯β β 0   a nd  a k0 , 1 , … . , n   i s   c onstant.   The   fr act io na l de ri vat i v e   in L a p lace  for m  i s :           ∑         (6)    The   sum m a t i o n in  t he  rig h t -h and  o f  ( 6) m ust   be  canc e le d  i f  γ   <   0.      3.   FRACTIO NA L   O RDER  C O N T ROL  The   P I D   c ont r o ller   is  a   u n i ve rsal  c on t r o lle r   base d  o n   a   c lo sed- lo op  m e c h an ism  has  w i des p re ad   app l ica t i o ns  i n   i n d u s t r i a l s  c o ntr o l lin g  s y s t e m s.  T he  P ID   c on tro l l e r  a t t e m p t s   t o  c o r r e c t  t h e   e r r o r  b e t w e e n   a n   ac t u a l   s yste m  fee d bac k   a n d   a   r e f er ence   s et -po i n t   b y  e v al uat i ng  a n d  the n   o u t p u t t i ng  a   cor r ec t i ve  a c t i on  t h at   cou l d a d jus t  t h e   s yste m  acc ordi n g  to t h a t .  The  t r ans f er  fun c t i o n of a n ord i nary  P I D  contr o l l er  i s:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :   1 724   –  1 733  1 726        1                   (7 )    The  a l gor i t hm   o f   t h e  P I D   con t r o ll e r   i n c l u des   t h r e e  i n depe nde n t   par a me t e r s ;  t h e  P r op or t i on   g a i n  ( K   p)   a nd  t h e  I n te gr a l   a n d   D e r iv ati v e   t i me   c o n s ta nts  ( T i  &  T d )   r e s pe ct i v e l y.   K   p   e va lua t e s   t he  r e s p o n s e   to  t he   in sta n t  e rror ,   w hi l e   (      )  es t i m a t e s   t h e   i nt e g r a l   re ac ti on   a c c o r d i n g   to   t he  s u m mat i on   o f   r e cen t  er rors  a nd   ( K  T )  dr i v e   the  d e r i va ti ve  r espo n s e  a ccor d i n g  to  t he   r a t e   of  c ha n g i n g   e rror s .  The   alge b r ai c  sum m a tion  o f   the s e   ac tio ns  i s   uti l i z e d   t o  ad j u s t   t he  s y s tem   by  an  a p p r o pr i a t e  con t r o l l i n g  si gna l.     I n   f a c t ,   the   r e a l   c on tr o l l e d   s y stem s  ha ve   f r a cti o nal   nat u r e   i n  ge ner a l .   N ev e r the l ess,   t he   f r a cti o na l i t y   c o u l d  be   s ma ll .   Br oa dly,   t he  a ppr ox im ate  i n teger - or de r   o f   t he  f r a c t i o na l  sys t em   l e a ds  t o   a  ser i ous  d i ffe r e nc e   be t w ee n  the   ac tua l   s yste m  an d  th e   m a the m a t ic a l   m o d e l .  Be ca use  o f  th e  f r a c t i on al -o rd er  d i f f e ren t i a l   e q u a ti o n s  is  a   d i fficu l t   c alcu l u s  proc ed ure  t h e n   t h e   i n t e g er- o rder   m o d e l s   a r e   u se d  w i de ly.   T h e   ge ner a l i zed  f or m   of  t h e   P I D - c ontr o lle r ,   w hich  a lso  k n o w n   a s  PI D  c o n t r o ll e r s ,  i s   a s  f o l l o w :   Wher e ,   λ   a nd  γ   a r e   the  in te gr a t or   a n d   d i ffe r e nt ia tor   or der s   r es pec tive l y.   The n ,    G   s K  1      T  s  , λ, γ    0      (8 )    Th e ti me d o m a i n   out put   i s:                  (9 )    Where,      an d       .  I n   o t h e r   w or ds,   t he  f r a ct io na l  or de r   PI D   c ontr o ll e r   i s  the  gl oba l   for m   o f  the  co nve n t i o nal  P I D  c o n t r o ller ,   w hic h   i s  a   par t ic ul a r   c ase   contr o l l e r .   A s  show n  i n   F i gur e   1,   t he  PI D   c ontr o l l e r   e xp and s   t he  c o n v e n t i ona l   P I D   con t r o l l er   a nd  ex te nd s  it  f r om  poi nt  t o  s u r f a c e.  This e x t e nsio n  inc r ea se s the  fle x ib ili t y  to  c o n t r o ller   adj u stme n t ,   a nd per f orm s  m ore   accura te r espo nse   of t he  act ua l  sys t em .   [8] ,   [ 9] .          F i gur e 1 .   Ext e n d   t he  P I D   c ontr o l  f r o m   po i n t   to  s ur fa ce       4.   M A TH E M A T IC A L   M O D EL   O F   P M D C   M O TO R   P e rm anent  m a gne t   m o t o r s   a r e   u sed  in  v ar ious  i nd us t r i a l  app l i c a t ion s   b ec a u se  o f   th eir  rel i abi lit y ,   c o n t r o llab i li ty,   d on’ t  nee d   e x t e r na l  e x c ita ti o n ,  an d  ine x pen s i v e  [ 1 1] ,   [ 1 2] .   P e r m ane n t   m a gne t  D C   m o t or   i s   fou n d   i n   sev e r a l   l o w   a n d   hi gh -po w er  i ndu stri a l   a pp l i cati ons.   Th e   e q ui va l e nt   c ir cui t   o f   t h e  P M D C   m o t or   i s  show n  i n   F i gur e  2,  f rom whic h  (10),   ( 11) a n d  (12)  ca n  be  writte n.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Frac tio na l-or d e r P I D c ont r o l l er f o r pe rm an e n t m a gne t D C  m o t o r  b a se d o n  PSO   … (Fad hi l A.  H a san)   1 727     F i gure  2.  T he  e qu iva l e n t circ u i t   o f  a  pe r ma nent m agne t   D C  m achi ne                (10)        (11)            (12)    Where :  V in th e  suppl y vo ltag e  (V ) , Ia cur re nt of the ar ma t u r e  ( A) ,   i s t h e   po le ma gne tic flu x (Wb) ,  (R a )  resistance   o f   the  armature  ( Ω),   (L a )    i n duc ta nc e  o f   t h e   a rm ature  (H ),   K   m a c hine  c onsta n t   ( V . s/ra d) ,  ω m   rot o r  spe e d  (r ad/ s ),  T e  de vel ope d  t o rq ue( N m),  TL  Load  t or que   ( N m),   Bm  d am ping  co efficie n t  (N .m .s/rad) ,   and  J    i ner t ia  c ons t a n t   ( kg.m 2 ).  C lea r ly,  fr o m   ( 1 0 ) ,   t he  a rm atu re   r esist a nce   an d  i n duc t a nce   are   the  d o mina nt   para me ters w hi c h  j ud ge d the   tra n sie n t   a nd st e a dy sta t e re sp ons e .   The   va r i ati on o f  arm atu r e   re si stanc e  i s   tak e n   peri od ica l l y  a b o u t   1 0% of i t s  col d  va l ue  as  show n in F i g ur e   3.             F i g u r e   3 .   The   var i a tio n  of a rm ature  resista n ce       5.   PART ICLE SW A RM OPTIMI Z ATIO N   ( P S O )  The   pa rt i c le  s w a rm  opt imiz atio n  is  f irst l y   p re sente d   b y  Jam e s  a nd  Ru ssel l   i n  1 9 9 5 [1 3],  a  seekin g  alg o ri t h m  hav i ng  a  ra n dom  p roba bil i t y   d is trib u t i o n  or  p a t t e rn  i ns p i r i ng  b y   a   c omm u n i t y   h ab i t   o f  t h e   fl ock  of  bir d s  [1 4],  it  is   one  o f  t h e  p o w erful   o p timiz a t i o n  tec h n i q u e s.  It  h as  b ee n  obs e r ved  to  b e   stron g   i n  n o n l i near ly   op tim iza t i o n  is sue s   [ 1 5 ],   [ 16] .   A n   i m p rove d   P S O   w a s  pr esente d  i n  1 9 9 8   t o  u pgra d e  t h e   perfor ma nce  of  t he   con v e n t i ona l  P S O .  A n   a dd i t i on  c o e f fic i e n t   kn ow n  a s   i nert ia  w e i g ht  i s  i n tr o d uc ed  [ 14] .  P S O   is  a   s e t   o f  ru le s   assoc i ate s   b o t h   cogn i t i o n a n d pu b l i c  c o lla bor atio n  of b irds.   I n   t h i s  m e th o d ,  ea ch  b ir d  "partic le"  sea r che s   f or   t he  o pt i m u m   p osi t i o n  b y   u p d a t e s   i ts  l oc a tio n  w i t h i n   the  sw arm ,   a ccord ing  t o   t he  a dva n t a g e   of  i t s   m em ory  of  t h e   b est   p osi t i o n   a nd  k n ow i n g  abo u t   t he   g lob a l   be st   loca t i o n  [15] . The  o pt imiza t i on  pr oced ur e obta i ne d   b y  (13)  and  (14).      1                       (13)   1   1    (14)  i =1,2, … , n    Where :  vi  is the i th p a r ti cl e   ve l o cit y ,  xi  i s t h e  i t h   p a rti c l e   p o s iti on,  k i ter a t i o n  n umbe r, C1 ,  C2 kn o w n   a s  t h e  c o g n i t i v e  a n d   s o c i a l  c o e f f i c i e n t s ,  w   i n e r t i a  w e i g h t   f a c t or,   R1,   R2   r andom   v a r ia ble s   o f  from   0   t o  1,   p   ,   i n d i v i d ua l   be st  p osi tio n  o f   p ar t i c l e   i ,   g     b e s t   gl o b al  pos iti o n   of  a l l   t he   p a r tic les  i n   t he  s w a rm,  and  n  numbe r of b ird s  ( particles).   I f  the  c on d i t i o n   i n  (1 5)  i s  me t ,  then  the p o s i tio n  i s   u pda te d t hro u g h  ( 16):   f  (   )   <   f  (  )  (15)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 2 4  – 1 733  1 728    =    (16)    Where :  f perf o rm the min imi z a tio n ob j e c t i v e   fit n ess fu nc ti on. T he  f low c h a rt o f the   P S O   alg o ri thm   i s   ill us trate d   i n   F i gure   4.  U s ua ll y,  i n  o p t imiz a tio n  tec h ni q u es,  there   a r e  seve ral  fi tne s s  cr i t er ia  t o  e v alua te   s ys tem   pe rform a nc e   as  s uch  as  I ntegral  Abs o l u te  E rro rs  (IAE) ,   the  I n t e gral  o f   Squa r e   E rr ors  (IS E),   and  I n t e gral  o f  T i m e   S quar e   Error s   (ITS E ).  T he se   p e r for m anc e   c riteria  are   inc l us i v e  t h e  o v e rsh o o t,  r isi ng  t i m e ,  settl e d   time   a nd  st e a dy- st a t e   e r ro r.  I n   ad di t i on ,  it   h as  b een   s p e ci fi e d   t h e   o p t i m i z a t i o n  p r o c e ss  a nd  t h e  ti ght n e ss  o f   t h e   d ri vi ng  sy st e m   [ 1 7].   In  t his  w o rk  t he  I TSE  fitn e ss  f u n c ti on ,  il lu st ra t e d   in   ( 1 7),   is  u se d   as  t h e   p erf o r m a n ce  c r it e r ia   o f  the  ou tpu t   r espo ns e of the  s ystem :        .    (17)    The   b l oc k  d i a g ram   of  t he  o pt i m iza tio n  pr oce s s  f o r  F O P I D - PS O   sys tem   is  s how n  i n   F igure   5.  A   MA TLA B  pr o g ram   is  d e v el o p ed  t o  find  ou t   the  o p t i m a l  va lue s   o f  t h e   f i v e   c o nt roll er  p a r amet e r s  λ,  γ ,  K p ,  T i ,  and  T d .   A   m i nim i za tio n  a l g o rit h m  i s   a p p l i e d   i n  t h e  se arc h   doma i n  of  t h e   p ar ticle s  p o s i t i on  a n d  ve l o c i t y ,  th e   op tim um  v al ue s  o f  the  F O P ID  c ontr o l l e r  a re  ob t a i ne d i n   1 0 0   i t e r a t i o ns as  show n  in F i gur e   6.            F i gure   4.  F low   char t   of  t he  P S O   a lgor ithm           F i gure   5.  T he  b loc k  dia gra m  of  the   o p t i m i ze d   F O P I D   control l er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Frac tio na l-or d e r P I D c ont r o l l er f o r pe rm an e n t m a gne t D C  m o t o r  b a se d o n  PSO   … (Fad hi l A.  H a san)   1 729     F i gure   6.  The  c on tro l ler  para me t e rs dur i n g  the   op t i m i za t i o n  pr o cess       6.   SIMULATIO N   R E S ULT S   The   ove ral l   s ystem   si m u la t i o n   i s  sh o w n  in  F igure   7.   A   M A TLA B-S I MU LIN K   m odel   is  d es ig ne d;  a   bu ilt- in  M - f ile   i s  de ve l o pe d  to  c a l c u la te   t h e   f r acti o nal  or der  in te gra l   a n d   d er iva tive  i n   a   s pe ci fic  sa m p lin g  ti m e .   The   spe e d ,  tor que ,  a n d  arm a ture   c ur rent   r e s p onse   to  r ated   s pe e d   c om m a nd  o f   t he   P MD C  m o tor   un d e r  the  fu l l - l oa d  c o n d i t i on  a r e  d e pic t e d   i n  F i g u re  8 .   A l so,  th e  re s ponse   of  t he  s ys t e m  to  a   s ta i r   s te ps  i n p u t   o f  di ffe re nt spee d  c o m m a nds un d e r  full-l o a d   c on d iti on  ca n  b e  show n  i n   F i gu r e  9 .           F i gure   7.  The  overa l l   s y s tem   sim u l a t i on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 2 4  – 1 733  1 730     F i gure   8.  Rate d  spe e d  a nd ful l -l oad  resp onse   o f  the  F O P ID con tr oll e r          F i gur e 9.  S t a ir r espo nse   of t he  F O P ID c ont r o l l e r       In   o rd e r   t o   re a l i z e  t h e  f e a t u r e s   o f   t h e  p r o p o s ed   c ont ro ll er,  a  c o mpa r is on  pe rform a nc e  is  i n v es ti ga ted   in  c on junc ti on  w ith  t he  t rad i tiona l   i n teg e r - order   P I D   contro lle r .   T he  p er fo rm ance   f or  b o t h  ra ted  of  s pe e d   a n d   st a i r  com m a nd s  are   show n  i n   F igure   1 0   a n d   F i gure   1 1 .  M o re o v er,   the  robus t n ess  of  t he   p r o p o se d  co n t rol l e r   ca n  be   p r o v e n   in  f our- q uadr ant  opera tio n  con d i t i on s  of  t he   P MD C   m ot or.  P o sit i ve   a nd  ne ga t i ve  s p e e d   com m a nds  a re  a pp lied   t o   t he   m otor  u n d er  v ar ious  pos iti ve   a n d   n e ga tive   l o ad   t orq u es.   T h e   spe e d,   t orq u e ,   a n d   curr ent pe rform anc e  of the  s y stem   f or this  ope ra ti o n  ar e  show n  i n   F ig ure   12.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Frac tio na l-or d e r P I D c ont r o l l er f o r pe rm an e n t m a gne t D C  m o t o r  b a se d o n  PSO   … (Fad hi l A.  H a san)   1 731     F i gure  1 0 . A  c om par i s on  perfor m a n ce  of  r ated  s pee d   c om ma nd          F i gure 11.  A   c om pariso n pe rfo r m a nc e of diffe rent  s pe e d   c o m m a nd          F i gure   1 2 .  F our -quadra n t   o p e r a t i o n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 2 4  – 1 733  1 732 7.   DISC USSION    O b v i o u s l y,   t he   p e r form anc e   o f  t h e   P M D C   u n d er  t h e   a c t io n  of  t he  FOP I D  c o nt rol l er  s ho ws  a n  exc e l l e n t   re sponse ,   f or  b o t h o f   r ate d   s te p  an d  sta i r  ste p s  i n pu t  c o mm ands,  alt h ou g h   t he n on- line a r  be ha vi or  o f  the  ms ys tem .   F igure   8   a n d  F i gur e  9  sh ow   a c c ura t e  s p ee d  t r ac king   f or   a t   no- loa d   a nd  fu ll- loa d   c on d iti ons,  th e   perform ance   s how s  a  s u perio r   dyn am ic  r esp ons e.   A lso,  t he   c om par is on  in ve sti g a t i o n,  b et w e e n   t he  f r act i ona l- order   a n d   t h e   i n t e ger- order  P I D   c o n t ro lle rs,  show s  em in en t   fea t u r es  o f  th e  p r opo se d  co ntro l l e r.  F i g u r e  10   a nd   F i gure   1 1   i ll u s trate  the   dy na mic   respo n se   ( ma xi m u m   oversh o o t ,  r i s e  t i me ,  se t t l i n g   ti me,  an d   s t eady - st at e   err o r)  to  t he   r ated  s t e p  in p u t   o f   t he   i n t eg er -orde r   P ID  c on t r ol ler   a b ou t   26 %,   0 . 23s,  1s,  a nd  1.3%  r e s p e cti v e l y.  Whe r ea s,   t he  d ynam i c   re sp onse s   o f  t h e  F O P I D   contr o l l e r   a re:  1. 7 % ,   0 . 2 3s,   0.37s,   an d  0 . 2%   r espec t ive l y.   I n  add i tio n,   t he   s tar tin g  curr en t   pe rio d   o f  t h e   F O PI D   is  a bou t  ha l f  of  t ha t  o f   t he   i nte g e r -order   P ID ,  t h i s   w ill   reduc e  the   w i nd i ng  tem p era t ur e  due   t o   m u l ti- sta r t i ng   o pe rati on.   M o r eover ,   t he   t ra n s ien t   r es po nse   o f   t h e   trad it iona l   PI D  c o n t r o l l e r   d ue   t o  f u ll-loa d  d istur b a n ce s how s:   m a ximum   o v e r sh oo t   =  2.7 %   a n d  se t t lin g t i m e  =  0.5s.  Wh ils t ,   t h e   F O P I D   c ont r o ller   s how s :   m axim um  o v e rsho o t   =   0 .7%   a n d   se ttl in g  t i m e   =   0 .2 5s.  F i na ll y,  t he  fo ur- qua dran t  opera t i o n   o f  t h e   P M D C   m oto r   i n  F i gure  12   s h o w s   a   hi gh  d e g r ee   o f   robu st n e ss  fo r  di ff ere n t  pos it ive  a n d  n e ga t i ve   s pe ed  a nd  l o ad  t orq u e .  A   supe rior  s pe ed  t ra cki n g   is  p e r fo rmed   u n d er  b oth   of  d el i v ered  and  co ns ume d  pow er  m odes.       8.   CONCL U S ION  T h i s   p a p e r  p r o p o s e d  t h e  F O P I D  c o n t r o l l e r ,  i n s t e a d  o f   t h e   i n t e g e r-o r d e r  P I D  c o nt roll e r ,  to   c on t r ol   t h e   sp e e d   of  t h e   P M D C  w i th   c onsi d eri n g   th e  non -li n e a r   b e h avio r  o f   a rm ature   resista n ce .  B o th  o f  t h e  fr act i ona l- order   and  the   inte ger-or d er  P ID   c ontro ll e r s  ar e  sim u l a te d,  a nd  t h e   re spons es  o f   th em  a re   i nv est i g a t e d   u n d e r  di ffe re nt  ope ra ti n g   c o n d i tio n s .  S i m u la tio n  resul t s  sh ow   e xcel le n t   c omm a nd  spe e d s   t ra cki n g  an d  su pe rior  dy nam i c   re sp o n se   a l t ho u gh  t h e  va ria t io n  o f   s yst e m  para me t e r.  T h e  prop ose d   c o n t r o lle r  show s  a  h i g h   a bi l ity   to  ove rc om e  any  in terna l   o r  e x t e r n al  d i s t u rba n ce  th e  sys t e m   m ay   b e  e x p o se d;   a l s o,   i t  p e rforms  a   hig h   degre e   of  r ob ust n e s s  to  c on tro l  t he  s y s tem   in  m otor in g a n d re gene ra tiv e   oper a ti ng  mode s.      REFE RENCES    [1]   J.   Z h ong   a n d   L .  L i ,   “ T unin g   F ra ct io nal - O r der  PI λ D μ  C o n t r o l l e r s  f o r  a  S o l i d - C o r e   M a g n e t i c  B e a r i n g   S y s t e m , ”  i n   IEEE Transac t i ons  on Contro l Systems Technol ogy , v ol .  2 3 , n o . 4 ,  pp . 16 4 8 - 16 5 6 ,   Ju l y  20 1 5 .   [2]   A.  S .  Cho p ade,   S .  W.   K hub a l k a r,  A .  S .   J un gh are,  M .  V .   Aware  a n d   S .  Da s ,   " De si gn   a n d   i m p le me nta t io n  o f   d ig i t a l   f r actio na l   ord e r  PID   con t ro ller  u s i ng  o p tim a l   p o l e-zero  ap pr ox i mat i on   m eth o d   fo r  m a gnet i c  l e vitati on   s y s tem , "   in  IEEE/ CAA Journal of  A u t o ma ti c a   Sinica , vo l . 5 ,   n o . 5,   p p .   97 7-9 8 9 , Sep temb er  2 0 1 8 .   [3]   K.   N osrati ,   H .   R .   M a ns ouri   and  H .   S ab oo ri,  " F racti o n a l-o r d e r  P I D  con t roller  d es ign   of   f requ ency  d ev iati on   i n   a   hy bri d   r en ewable  e n e rg y gen e r a t i o n   a n d   s to rage sys tem, "  i n   CIRED  -  O p en  Acces s  P r o ceedin gs Jo urn a l ,   v o l .   2 017 ,  no .   1 ,  pp .  1 1 4 8 -1 152 ,   1 0  2 0 1 7 .  [4]   R i n u  P .   S .  a n d   R a m e s h   b .  N . ,  “ D e s i g n  a n d   A n a l y s i s   o f  O p t i m a l  F r acti onal - Ord e r  P I D  Co n t roller,”  International  J o urna l o f   App l i e d  En gine e r in g   Re se arc h , IS S N   0 9 7 3 - 45 62  vo l .  10  no . 30 ,  2 01 5 .     [5]   J.   V iola,   L .   A ngel   an d  J .   M .   Sebas tian ,   " Desi g n   a nd  ro bu st  p e r f orm a nce  ev alu a t i o n   o f  a  f r action a l  o r der  P I D   c o ntrol l e r   a pp lie d   t o  a   DC   m o t o r ,"   i n   I EEE / C A A  Jo ur nal  of   A u to ma ti ca S i ni ca ,  v o l.  4 ,  no .  2,   p p .   3 0 4 -3 14 ,  Ap ril  20 17 .   [6]   L.   L u,   S .   L i ang ,   D .   Yuew ei,   L.   C hen g l i n  and   Q .   Z hi don g ,   " Im prov ed  q u a ntu m   b acterial   f o ra g i ng  alg o rit h m   f o r   tun i n g   pa ra m e te rs  o f  fra c t io na l- ord e r  PID  c o ntro lle r ,"   i n  Jo ur nal of  Syst ems   E ngin eerin g a nd  E l e c tr on ics ,   vo l.   29,  no .   1 ,  pp .  1 6 6 - 1 7 5,   F eb .  2 018 .  [7]   C.  J aureg u i,   M .  Duart e   M erm o u d ,  G.  L ef ranc,  R.  O rostica,  J .   C.  T r avi e so  T o r res  an d  O.  B e y ti a,  " Con i cal   T an k  Level Con t rol   w i t h   F ractional   PI D," i n   IEE E  La ti n America  Transact ions ,   vol.  14,  no .   6 ,  pp .  2 5 9 8 -2 604 ,   J un e   20 16 .   [8]   T.  M ah to   a nd   V .  M ukh erjee,  " Fracti o n a l  o r der  fu z z y   P I D  co nt rol l er  f or  w in d  energy -based   h y b r i d  p o wer  s y stem  us in g  qu asi - o ppos it ion a l  h a rm ony   s earch  a lg orithm, "   in  I E T G e n e ra tion ,  T r an sm is s i o n   &   D i st rib u t io n ,  v o l .  1 1 ,     no .   1 3,  p p.   3 2 99-330 9,   7   9   2 0 1 7 .   [9]   P.  B haskara  Prasad,  M.  P adma  L a litha,  a nd  B .  Sarvesh,  " Fra c t i on al   O rder  P ID   C o n t r oll e d  Cascaded  R e-bo os t   S e ven   Level   Invert er  F ed  I nd uct i o n   M o t or  S y s tem   w i t h   E n h an ced  R e s po nse , "   I n te r n at io na l J o u r n a l   of  P o w e r  El ectro n i cs  a n d   Dr ive S y s t em  ( I JPEDS) , V o l . 9 ,   No . 4, pp. 1 78 4-17 91 , Decem b e r 20 18 .  [10]   Deep ti  Y a dav,   A run i m a   V erm a ,  "Com perat i ve  P erf o rm an ce  A n al ysis  of   P MSM  Dri v e  U s ing   MPSO  and  ACO  Tech niq u es ,"  Int e rn ation a l   Jo ur nal   of Powe r   Elect ron i cs   a nd Dr ive Syst em  ( I JPED S ) ,  V o l .   9 ,  N o .   4 ,     pp . 1 510 -15 2 2 , Decem b e r 20 18 .  [11]   M .   R eza ei   E st ak h r ou iyeh ,  M .   V a l i  and   A .   G h a ra veis i,  " Ap pl icatio n   of   f ractio nal   order  it erati v e  le arn i n g   c on troller   f o r a typ e  o f  batc h   b i oreact or," in  IE T Control Theor y   &   Applicati ons ,   vo l. 10 , no .  1 2,  pp .  13 7 4 - 1 3 8 3 , 20 1 6 .   [12]   S .   F o l ea,   C .  I.  M uresan ,  R.  D e  K e ys er  a n d   C .  M.   I o n escu ,  " T heo r etical   A nal y sis  and   Exp e rim e n t al  V alid ati on  o f   a   S i m p lifi ed  F ractio nal   Ord e r  Con t ro ll e r   f or  a   M agnet i c  Lev i ta t i o n  S y s t e m , "   i n   IEE E   Tr ansacti ons o n  Co n t ro l  Sys t ems  T echn o log y ,   v o l .   24,   n o .  2 ,   p p.  756 -76 3 ,  M a rch   20 16 .   [13]   James  K .   a nd   R u s sel l   E ., "Pa r ticle Swarm Op t i m iza t ion " ,  IEEE In t e r n a t i o n a l con f eren ce , 4, 1 99 5.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Frac tio na l-or d e r P I D c ont r o l l er f o r pe rm an e n t m a gne t D C  m o t o r  b a se d o n  PSO   … (Fad hi l A.  H a san)   1 733 [14]   Y.  S hi  a nd  R.  E b e rhart,   " A   m o d i fi ed  p article  sw arm   optimizer,"  19 98  IEE E  In tern a t io nal Confer ence o n   Evo l utio nary Comp ut a t ion   Pro ceedin gs .  IEEE   W o r l d  Co n g res s  on   Com p u t atio nal In t e lli g en ce  ( C at.  No. 9 8T H 836 0 ) ,   Anch o r age, AK,  US A ,   p p . 6 9-7 3 , 1 99 8.   [15]   Mah m u d   I .  S .,  L ee  F.  T .  and   Mo ey   L .  K. ,  "Tun i n g   of   P ID  C on t r o l l er  Using   P artic l e  S w arm   O p t i mi zatio n  (PS O )",  Pr oceedi n g  o f  th e Int e rn ation a l Co nf erence  on  Ad van ced  Scie n ce, E n g i n e er ing  an d  In fo rm a t io n T ech no log y ,  Ma la ysia , 2 01 1.   [16]   A.  S o und arrajan ,   S .   S u m a thi,  a nd   C .  S u nd ar,  " P art i cle  S w arm   O p t imizati o n   Bas e d  LF C  and   AVR  o f  A u t onom ou s   P o w e r  Generat i ng  S y st em, "   IA E N G In te rna tio na l J o urna l o f  Co mp ute r   S c ie nc e , Vo l . 3 7,  No .  1,   20 10 .   [17]   Ah m e d  S .   A l - A r aj i  a n dA hm ed  I .  Abd u l k areem ,  “ A   N onlin ear  N eural  Con t roller  D esi g n   f o r  th e  S i ng le  A x i s   Magnetic  B all   L e vitati on  S ys tem  Ba se d  on   S l i c e   Ge ne tic   Alg o r i th m,”   Eng.  An d T e ch .  Jour na l ,   vo l.   34,    part   ( A),  201 2.       B I OGRAPHIES  O F AUTHO RS         F a d h il A . Has an was  born   i n  Bag hdad ,  Iraq   in   F ebru ary 1 7 ,   197 0.  He recei ved   th e B.S c .  f r om   t he   un iv e r sity  o f A l - m us ta n s iry a h,  B a g hd a d ,  Ira q,  i n  19 9 1 ,  in   e le c t ri ca l   en gin eerin g. And  h e   received   t h e  M . S c .  and   Ph.D .  degrees   from   Uni v ersit y   o f   T e ch no lo gy ,  in  2 00 8  and   201 7  r e sp ecti v el y,   i n   el ectrical   m achine  and  con t rol   en gin eerin g.  I n  2 0 0 8 ,  he  j oi ned  t h e  d e partm e n t   o f   el ectrical  en gin eerin g  at  u ni vers ity   of   t echn o lo gy ,   Bag h d a d,   i n   Iraq,   a s  a n  As s t .  L ecturer.   Curren t l y   h e  is  a   l ecturer  i n   th e  d e partm e n t   o f  el ectrical   e n g in eerin g   at   u ni vers ity  o f  technology,  Bag h dad,   i n  Iraq.   H e   h as   p u b li shed  o ver  1 6   r ef ereed  j ou rnal   a nd   c on f e ren ce  pa p e rs   i n  t h e  areas   o f   i n d u cti o n  h eatin g,  control s y st e m s,  p o w er elect ron i cs  a nd  e l ectri cal m ach ine.        L i na  J .  Ras h ad  w as  born   in   B agh d ad ,  Iraq  i n   M ay   7 ,  1 9 8 3 .  She  re ceiv e d  t h e  B.S c .,   M .S c.  a nd   P h . D .   deg r ees  from   U n i v ersity  o f   T echno lo g y ,   Bag hdad ,   Ira q ,   i n  20 06 ,  200 8  and   2 016   res p ecti v el y.  I n   2 0 0 8 ,  sh e  joi n ed   t he  d ep artmen t  of   e lect rical  en gi neerin g  at  u ni versity   o f  t echno lo gy ,  Baghd ad,  in  I raq ,   a s  an  A s s t.  L ectu r er.  Cu rrent ly  s he   i s  a  lect urer  i n   the  dep a rtm e nt  o f  elect rical engineer i n g   at u ni vers ity   of  tech nol ogy,   B aghd ad,   i n   Iraq.   S h e  h as p ub lis hed   ov er 15  ref e reed  j o u rnal   a n d   c o n f e ren c e   pap e rs  i n  th e  a r eas  o f   co nt rol  sy st em s ,   pow er  e l e ct ron i cs   a nd  el ectrical  m achine.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.