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.  3, S ep 2019,  pp.  1 6 9 4 ~1 7 0 4   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1694-1704          1694     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   Application of artificial intel ligence techniques for LFC and  AVR systems u s ing  PID contro ller       Ghassan  Abdullah  Salman,   A s sama   S ah i b  Jafar,  Ammar Issa   Ismael  Depart m e nt  o f Elect rical Po w er a n d  M ach in es   E n gineerin g, Co l l e ge o f  En g i neerin g , Un i v e rsity  o f   Di y a la, D i y a la ,   I r a q       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  No v   1 9 ,  2 018  Re vise d F e b 11,  201 9   Ac ce p t ed  Ap r   2 2 ,  2 019      Dev e lo pm ent   o f   e lect ri cal  p o w er  s ys tems  l ed  t o   search   f or  a   n ew   m a th ematical   m eth ods   t o  f i n d   t he  v alu e s  of  P ID   ( P r op ort i onal-In tegral - Deri vati ve)  co ntroll er.   T h e  go al  o f   th e  pap e r  is  t o  i m pro v e  th e   p erf o rman ce  of   t he  o veral l   s ys tem,   t hro ugh   i m p rov e d  t h e  f r eq uency   d e v i ation  a n d  t h e   vo lt age  dev i ati o n   char acteri s ti cs  u sin g   P ID  c on tro l l e r,  s o  i n   t h i s  paper   ar e   pro p o s ed  t h r ee  m e t hod s   o f   a rtif icial   i n t e llig ence  t echn i q u es  f o r   de s i g n i n g  t h e  op tim al  v a l ues   o f   P ID   c on tro l ler  o f   L oad - Fre q uen c y-Con t ro l  (LF C )  and  Automa tic-Voltage-Regul ator  ( A V R),  t h e  f i r s t  i s   t he  F i r e f l y   A l g orithm  ( F A) ,   th e  s e co nd   i s  t h e   Genet i c  Alg o rith m   (GA )   a nd   t h e   t hi rd  i s  th e  P arti c l e  S w arm  Op ti mizati o n   (PS O ),  i n  ad dit i o n   t o   thes e  three  m e th od s  u s e  t h e  conventional  (Zie g l e r –N ic h o l s ,  Z- N).  Th e   F A ,   GA  a nd   P SO  a re   u se d  to   o bta i n  t he  o p t im al  param e ters   o f  PI D  controller  base d  on  m inimized  d i f f e rent   v ar i o us  i n d i c es   a s  a  f i t n ess  f u nction ,  t h es e  f i t n ess   f u n c ti on s  n a mely  I nteg ral-T i m e-Absolu t e - Error  (ITAE)  and  Integral-T i m e- Squa re-E rror  (IT SE).  C om pari s o n  b e tween   th e  res u lts  o bt a i ned   sho w   t h a t  F A   h as  b ett e r  perf orm a nce  to  c on tr o l   o f   fre q ue n c y   d e viatio n  a n d   te rm in a l   v o l ta ge   t ha n   GA  a n d  PSO,   s o  th e  resul t s  ob serv ed  t he  F A   is   m ore  eff e ct ual   and   reli abl e   t o   det e rmine  the  o p t i m a l   val u es  o f   P I D   co n t ro ller. K eyw ord s :   AVR  Fitne ss F unct i o n   LFC   O p t i m i za t i o n  Te c hn i que   PID   c o ntro ller   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:   G h assan  A b du lla h S a lma n ,   Depa rtem ent o f   E lectr i c a l P o wer  and Ma chi n s En gi neer in g ,   Col l a g e   of  E n g i ne er in g,    Un iv ersit y  of   Di y a l a ,  Ba qu ba h,  D iyala,  Ir a q.  Em ail:  gha ssan pow er z@ gm ai l. com       1.   I N TR OD U C TI O N   Both  L F C   a nd  A V R  p la ys  a n  i m portant  a nd e s se nt ial  role in  t h e   c ont r o l   of pow er  g ener ati on  syste m s  in  o r d er  t o  be  s uit a ble  for  the  c onsu m er ,  through  the  control  o f  (a ctive  pow er   -   f re quency)  a nd  (re active  pow er   -   voltage)   r e spec t i vely,   so  t hat  the  de vi a t ion  values  m us t  be  w ith in  a c cepta bl e   lim i t s  [1,  2].   F i rst  of  a l l   influence   be tween  t he  m ec h a nical  a nd  ele c trical  p ar t s   p re cisely ,  int e rconne ction  e quations  b e t w e en  L F C   a nd  A V R   h ave  be en  p roposed  by  [3,   4].  The   coordination  betw ee n  LF C  and  A V R   w i t h  the  ne w   mode l   ha s  be en  proposed  by  [5].   T he  o sc il la t i on  of  L F C   a nd  A V R   a r e   s tudied  w it h  P I D   c ont r o l l e r   i n  [6,   7]  t o  improve   t he  perform ance   o f  tw o  control  loops.  To  m ore   e fficient  results  t he   a r t ific i a l  intelli ge nce tec h nique s  w a s used  f or  tuni ng  the  gains  of  P ID   c ont r o l l e r   f or  L F C   w ith   A V R   l oops,   t h e   appli c ations  o f  a r tificial  int e ll igenc e   technique  b a s ed  on  opti m iza t ion  of  P ID   c ont r o l l e r   f or  L F C   a re  p r e sented  i n  [8- 12],  w h e r ea s  t h e   opti m al  design  of  P I D   c ontroller  by  using  ar t i fic i a l   i ntelligence   t echn ique  f or  A V R   s yste m  a r e  pr esented  in  [ 13- 1 7 ] .   The  LF C  and  A V R  c ontrol  loop s  w i th  t uning  P I D   pa ram e ter s   by  opt i m iza t ion  tec hnique  a re  s tudied  indi vidually  i n  [18,  19],  w h ile  t he  i nt e r ac ti on  effec t   a mong  th e  LFC  w ith   A V R   c ontrol  loo p s  w ith  o ptim i z ed  the P I D   controller  gains ar e pr esented  in [20-22] .    The   pa per  pro b lem   li e s   i n  t u ni n g   t he   opt im al  v a l ues  of   t h e   P ID   contro ll er  on  the   LF C   a n d  A V R   syste m s  a nd  thus  i m p ro v i n g   the   gener a l  p e rform ance   o f  the  s y s t e m   b y   i mpr o v i n g   f r e que nc y  a nd  vo l t ag e   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       A pplication of ar tif icial intell igence  t e chnique s for L F C   and  AVR syst ems  …  ( G hassan A b dullah  Salman)  1 695 dev i a t i o ns,   F i na lly,   f o r th is pa p e r  t he perf o rm ance  of  LF C w i t h  A V R   l oo ps for si n gle ar e a  po w er syste m   have   bee n   s tu d i ed   a nd   i t  is   i mp le m e nta t i o n  F A ,   G A   and  P S O   for   tu ni n g   t h e   p a r amet e r s  o f   P ID  b a s ed   t o   mi n i mize  tw o d i ffe r en t  fi t n e s s  fu nc ti o n s.  F irst   i s  ITA E  and  se c o n d  is I T SE.      2.   MODELING OF LFC  AND  AVR  S Y STEM S   The   e f fec t   o f  cou p l i n g  a nd  coor di na ti o n   b e t w een  L F C   a nd  A V R  ar e   s t u d i ed   i n  this  p ape r ,  a   fu ll   descr i pt i on  of  t he  t rans fe r  fu nc ti on  m ode l   f o r  LF C  an d  A V R   l oo p s  a r e  pr esen ted  i n   [ 2,  6 ]   and  s h ow n  in   F i gure   1.            F i gure  1.  M A TLA B/S i m u l i n k   mode l   from  LF C  and  A V R  sys t e m      A c c o rdi n g   t o   [ 2,   5 ]   fr om  t he   i n t era c t i o n   a m ong  LF C  w ith  A V R   l oo p s   o bt ain   th e   fol l o w i ng  equa t i o n s :     ∆P K ∆ δ K ∆E                ( 1)    ∆E ′   ∆E    ∆δ               ( 2)    ∆V K ∆δ K ∆E                         (3)      3.   MODELING OF THE   PID CONTRO LLER    The   P I D   c o n t r o ller   st ill  t h e   d o mina n t   p l a y  a n   i mp orta nt   r ole   i n   p ower  s y s t e ms,  f o r  e a s e  of  repr esenta t i o n   and  im p l e m e n ta t i o n ,   as  w e l l  a s   t o   its  e ffec t i ve n es s  in   e nha nc em ent   th e   per f orm a nce   o f   elec tr ical p ow e r   s ystem s . A ccord ing  t o  [7,  21]  F igure   2 sho w s t he  ty p i c a l  struc t ure   of P I D  c on tr ol ler .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   169 4   – 1 704  1 696     F i gur e 2.  Bl o c k  dia gra m   o f  t h e   P I D c ontro lle r      The  P I D   contr o l l er  t ransfe r f unc t i o n   m ode l   in term s  of Lap l ac e  doma i n  i s   qua l i f i e d  a s  fol l ow :    G  s     k k s          ( 4 )     W h e r e ,  E ( s )   w i t h  U ( s )   a r e   t h e   e r r o r   s i g n a l   a n d  t h e  c o n t r o l  s i g n a l   t h a t  re pr esen ted   t h e  varia t i o n  am o n g   i np ut  and  fe e d bac k   i n  e x pressi on  o f   L ap lac e   d om ain  on  the   o t he r;  k   r e p rese nt   t h e   p r o p o rtio na l  ga in,   k  r e p r e s e n t   the  in tegr a tio n  gai n   a n d   k   r eprese n t   t he  d eri v a t i v e  ga in.  The  P I D   c ontro l l e r   out pu t  i n   t e rm   o f  t i me   dom ai n  is   repr esente d  as fo llow :     u t k et k e t dt k       (5)    Whe r e,  e( t )   and   u(t)  a re  trac k ing  er ror a nd the  con t ro l si gn als  t hat r e pre s e n t   i n  t he  f orm   of  t i m e  doma i n .    Fi n a lly ,  in   t hi s  p a p e r  th e   e ffec t  o f   t w o   d i f f e r e n t  o b j e c t i v e  f u nc ti o n s  is  s t u d i e d   f or  o p tim izat io n  to   d e t e rmin e   t h e  p a r amet ers o f  PI D  co n t rol l er. Fi rst   i s  ITAE   an d   sec ond  is  I TS E.  H as be e n de fi ne d  as fol l o w s :     IT AE | e t | | e t | dt  ( 6 )     IT S E e t  e t  dt           ( 7)    M i n i m i z e   I TA E  and I T S E  subjec te d t o :     k  k k   ,  k  k k   a nd  k  k k                  (8)      4.   CONT ROL S T RATEG Y  OF PID  C O N TROLLER  4.1.   C o n v en t i on al  ( Z - N )   M e t h o d   [20,  23-25]   I n   t he   f o u rt h  d e c a de  o f  the   l a st   c ent u ry,   Zi e g l e r  and  N i c hols  p rese nt e d   t he   v a l u e s   of    K ,  T  a n d   T   ac cord in g t o  th e   r ules show n  in  T ab le  1 .  B y   t his  me th o d ,   the  dy na mi c  pr oper t y  of  t he   p roc e dure  i s   r epre s en te d   by  the  fi na l  gai n   f r o m  a   con s is t e nt   c o n t r ol ler  and t h e   f i na l   pu lse  pe ri od  of  t h e   l o o p.   T he   f i n a l  gai n   and  a  pe rio d   o f  ac t u al  o per a t i on  ar e  usu a l l y  deter m ine d   b y the  fo l l ow i ng pr o c ess :   a.   The  der i va tive   a nd  in te gra t e d   m odes  o f   t he  f e e dbac k   c on t r oller s   a re  t ur ned  (off )  f o r  this  r eason  t h e y  have  a  rela t i ve  c on tr ol.   b.   For   the  a u tom a tic   c o n t ro l,  t he   r elat ive   ga i n   -   r elat ive   range   r e d u c ti on -  i s   i nc rea s e d   i n t o  th e  l o op   f lu ct u a te s  for  a  cons tan t  ca p ac it y.  c.   For   the  he lp  o f  t i m e   r egis ter  fo r  th e   co nt roll ed   v ari a bl e ,   t he   p u l s e   p e r i o d  i s   m e a s u r e d  a n d  r e g i s t e r e d   a s  t h e   fi na l T  per i o d .       Tab l e  1.  Z -N  T un ing  Ru les   T ype   o f C ontro l l e r   K p  T i  T d  P  T/ L   ∞  0   PI  0 .9*T /L   L /0.3  0   P I D  1 . 2 * T /L  2  L  0 .5  L  Not e :  k p  =   K p , k i  =  K p  / T i  a nd  k d  =   K p *  T d     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       A pplication of ar tif icial intell igence  t e chnique s for L F C   and  AVR syst ems  …  ( G hassan A b dullah  Salman)  1 697 4.2.   Int e llige n ce  tech niqu es  The   m odern  a rti f i c ia l  in t e lli genc e  a nd  heu r istic s  t e c h ni q u es  p l ay  a n  im porta nt  r o l e   to  c on tro l   o f  elec tr ic  pow er   s ys tem   t h ere f ore ,   t he  m a i n   ob j e c t i v e  o f   t h i s  pa p e r  f o r  c o n t r o l   t h e  f r e q u e n c y   d e v i a t i o n  a n d   term ina l   v o l tag e   d e v i a tio n  o f   s ing l e  ar ea  po w e r  system .   A t   f irs t   co nt roll er  p a r amet e r s  t u n i ng   i s  a cco mpl i shed  by  c o n v e n t i o n a l  (Z-N )  proc edure.   B u t ,   th i s   m eth od  is  not  f eas i b l e   i n   p r a c ti cal   s yst e ms  t h a t   n eed   f ast  proce ssi ng  a n d   t h i s   i s   n o t   a va ila b l e  in   t h i s  me th od.   C on seq u e n t ly,  m u c h   p ow er fu l  m a t h e m atica l   o p t imi z a tio n  tech n i q u es  a re   u t iliz in g  to  t u n e   t h e  para me te rs  o f  P I D  a n d   m o st   r e l ia bl e   ar e  po p u l at i o n   ba se d  op t i miz a tio n  proce dures  e sp ecia l l y  F A,  G A  and P S O .   F A   i s  a   Meta  h eur i st ic  s ea rch  tec h n i que   b a s ed  o n  o p tim iz ati o n  a l gor ith m ;   i t  is  p r o p o s e d  i n   200 7  b y   X i n S h e Y a ng [26] .  The F A  i s de sc ribe d  in  t he fo llow i n g  rule s .   a.   Ea ch  f i r efly  h as t h e  abi lit y   to  a t t r act  o th e r  f i r ef li es of   t h e  sa m e   s ex or of  t h e  opp os i t e se x.  b.   F i re fly  bri ght n e ss  is  p r opor ti ona l  to  t h e   a t t r acti o n  an d  i n v e rs ely  prop ort i ona l   to  t h e   d i s t a nc e,  t h u s  the   l o w   bri g h t ne ss  o f  the   fire fl y m o v e s to  a  hi gh-br i g h t ness fire fl y ne ar  i t.   c.   The  o p tim um  v al ue  f or  t he  fi t ne ss fu n c tio n  repre s ente d  by  the b r i ghtnes s  of firef l ies.   The  fo l l ow in g e qua t i o n s  be l o w   de sc ribe  t he   F A :   X  X  β X X  α rand                               (9)    β β e γ                       m 1                             ( 10)    r   X X  ∑ X , X ,                     ( 11)    Where  (9)   represent s   t h e   m ovem e nt   o f  the  Firef lies,  w here  t he  f i r st   e x p r e s si on   i s  th e   cu rre n t   po siti on  of  a   f ire f l y ,  t h e  ne xt   e xpre s s i o n   i s   ap p lie d   for  c onsi d er in g  a  f i r e fl y’s  a t trac tio ns   t o  l i g h t  i n te nsit y  se e n   b y   adjac e n t  firefli e s,   t he n  t h e   t h i r d  expre ssio n   i ssue d  for  the   ra nd om   m ove me nt   o f  a   firefl y   in  c ase,   t here   a re  no  any   br ig h t er  o nes.   T he   c oe fficie n t    i s  a  in di sc ri mi n a t e   p a r amet er  d et ermi n e d   by   t h e   p robl e m   o f  i n t ere s t ,   w h i l s t  r and is a  r andom  numb e r ge nera to r   re gu larl y d i str i bu ted  i n  t he  s pa c e   [ 0,  1].  Where  β 0   c o n s i de r  t h e   fore mos t   a ttra c t i ve n e ss  a t   r     equa l  0,  γ   i s  an  a b so rpt i o n   c o effi ci e n t   t h at   c an  c o n t r o l s   t h e  d e c r e a s e   f r o m  t h e  l i g h t  i n t e n s i t y  a n d  r  c o n s i d e r   t he  d ime n sion  a m o n g   a ny  tw o  fire fl ies.  B ut  X i, k   con s i d er  t he  k t h   c om po ne nt   o f  t h e  l o c a t i v e   X i   o f    t he  i t h   f ire f l y   w h i le  d   i s  the   d i me n s i ons   num ber .   G A   i s   i n t r o d u c e d   by  Jo hn  Hol l a nd   i n  1 970 ;  it   i s  a  st o c h a st i c   g lo b a l  s ea rch  m e th o d   u se d  for   o p timiza tio n   [27] .  The  G A   ope rators  a re  usuall y  do n e  b y  fo l low i n g   s t a ges [ 28] -[29] .  a.   Se lecti o n :   O pe rator  se lec t ion   is  a p p lie d  m u ltip le  t i m es  b ec a u se   t here   a re   m em ber s   i n  th e  p o p u l a t i on.   A n y   in d i v i dua l   is  it e r a ti v e   a t t h i s  s t e p   to ge ther   w i t h a e v e n tua l i t y pro por ti o n al  to   the   r e la tive   f i t n ess   fu nct i on of  t h e   pop ul ati o n .   b.   Crosso ve r:  T h e   c ross over  o p e r ator  i s  a p p l i e d  to   p rod u ce   t w o   n ew   i nd ivid u a l s ,  b y   c hoi ce   a nd   c o m bi ni ng  tw o  in d i vi d u al s  ( p are n t s ).   T h e   c o llec tio n  pr ocess  is  d o n e   by  r a n d o m   s e l e c t i on   o f  th e   c u t   poi nt   a n d   then  di v i d i ng  the  p a re nt s  in to  t w o   p arts,  so  t h a t  t h e  pare n t s  are   re place d  by  the   o f fspr ing,   f or me d  i n   t he   p opu l a t i o n .   c.   Mu t a tio n :   T he   v al ues  i n   a   s i t e  ar e  random l y   s e l e c t e d   f or  i n d i v i dua l  c h a nge s  by  t h e  m u t a t i o n   opera t o r,   aft e r  t h e  n u m b er  o f  iter a t i ons  t ha t  t h e  a l gor it hm   h as  b een  c omp le te d ,   w hile  r un n i n g   t he   a l gor it hm   re presents t he  b es t in d i v i dua l  sol u t i on cr eate d .   In 19 95 the P S O  is  de veloped by K e nne dy  a nd Eber hart, it is one  of the  m oder n  heur i stic algorithms  used  f or   optim i z ation  [30].   I n   P S O   m e t hod,   s et  o f  indi viduals  t hat  m a ke  up  the  sw a r m  c a lled  par t ic l e s,  e a c h  particle   h a s   positi on  and  veloc i ty.   To  r e ach  t he  optima l   v alue s   t he  posit ion  and  velocity  a re   upda te  u sing  the  follow i ng   e qua t i ons:    X  X V                          ( 12)    V  w V c r p   , X c r g   , X                             ( 13)    w                             (14)    Whe r e  X i k+1  is  posi tion  of  p article  a t  k+1  iter a tion ,   X i k   i s  posit ion  of  p article   a t   k  itera t i on,  V i k+1   repr esent  veloc i ty  f or m  pa rticle  a t   k+1  itera t i on,  V i k   r epre sent  v elocity  o f  pa rti c le  a t  k  itera ti on,   w   r e p resent  inertia  w eight par am eter,   c 1  with   c 2   a re  lea rning fa ctors,  r 1     w ith   r 2   a re  ra ndom  numbe r in the  interva l   [0,  1].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   169 4   – 1 704  1 698 The   fl ow chart  of  F A ,   G A   a nd  P S O   based  on  ITA E   a nd  ITS E   a s  a  fit ness  functions  t o  determ ine  opti m al  v alue s  of  P ID   c ontroll e r   a s  show n  a t   F igure  3,  w hi le   t h e   para me t e rs  f rom   these  te chnique  a r e   g iven    in Table 2.          F i gure   3.   F l ow c h art  of i n t e l l i ge nce  t e ch n i q u e s for P I D  cont rol l e r       Ta ble   2.  P aramete r s of  F A , GA   and  PS O  FA  G A   PS O   Popul a tion  S i ze   ( Pop )  =  30  A b sorp t i on C o e ffic i e n t ( ) =   0.5   A t t r act io n   Co ef f i ci e n t   ( 0 )  =   0 . 2  Muta tion C o e ffic i e n t ( )  =   0. 3  m =  3  Popul a tion  S i ze   ( Pop )  =  30  C r oss o ve r F a c t or  ( )  =   0 . 5  C r ossove r  Pe r c e n ta g e   ( p c ) =   0.8   M u ta t i on  P e rce n tage  ( p m  ) = 0 .3   Muta tion Ra te ( mu )  =  0. 1  Popula tion  S i ze   ( Pop )  =  30  1 = 2 ,   2 =   2. 1 a nd  2 1   I n er t i a   W eig h t ( w )  =  E q .   ( 14)    Pe rsona l Lea r ning  C o e f f i c i e n t   ( 1 c ) =  1 * w   G l oba l   L e a r ning  Coe f fic i e n t  ( 2 c )  =   2 * w       5.   SIMU L A TION  R ESULT S  AN D  DIS CUSS ION  Th e  i m pl e m e n ta t i on   c ou pl i n g   b e t w een   L FC  w i t h   A V R   l oop s  fo r  si ng le   a re a  pow er   s yste m   and  P I D  con t ro l l er  t ha t  sh ow n  at  F igur e  4,   t he  L F C   w ith  A V R   c o n tr ol  l oo ps  a s  pr esente d  i n d i v i dua lly   i n   the pa pers  [ 1 8 ,  19].  Table  3 gi ves t h e  P I D   gain,   w h ich  i s   s et  i n t h e  co nve n t i ona l (Z- N ) me t h o d .   Then,   for  enhanc i ng  the  term inal  vol ta ge  a nd  the  fre quency  osci llati on  of  s ingle  are a   pow er   s ystem ,   the optim al va l ue s of P I D  controller   ar e obt a i ne d by F A ,   G A   and  P S O  w ith I TA E a nd ITS E  fi t ness functions,  the  I T A E   t ake   a s   a   f it ne ss  f unc t i on  to  obt a i ne d  the  opt im al  v a l ues  of  P I D   c ontroller   is  s how n  in  F igure  5,  w h er eas F igure 6 show s the  I T S E  takes as  a   fi tne s s function t o   obtained t h e   optima l   v alue s of P ID   c on tr o ller .   The  low e r  bound  of  P ID   g a i n  is  c hosen  a s  0  a nd  the   uppe r  bou nd  is  c hosen  a s  3.  T here fore ,  the  opti m al  values  o f the P I D   ga i n s t o  m i n im ize  t h e   I T A E  a nd ITS E  a re com pu t e d by  F A ,   G A   and P S O , also   these values  of  P ID  controller  are   given  at Ta b le 4.       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       A pplication of ar tif icial intell igence  t e chnique s for L F C   and  AVR syst ems  …  ( G hassan A b dullah  Salman)  1 699     F i gur e 4.   MA TLA B/ si m u la tio n  mode l   o f   L FC w it h A V R  sys tem   w ith P ID  c ontro l le r      Ta b l e 3.  G a i ns  o f P I D  Con t ro l l er  by Z-N   Metho d   k p1  k i1  k d1  k p2  k i2  k d2   1. 6028   2 . 0254   1 . 3137   0 . 9523   0 . 3515   0 . 2018           F i gure   5.  MATLAB/   s i m u la t i on   m od e l  for m  LF C w ith A VR  s ys tem   ba sed on  ITA E   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   169 4   – 1 704  1 700      F i gure   6.  MATLAB /   sim u la t i on  mode l   from  LF C  w ith A VR sys tem   ba se d on I T S E       T a b l e 4.  O ptima l  gai ns o f P I D c ont r o ller   by  F A , G A  and P S O    k p1  k i1  k d1  k p2  k i2  k d2   F A -ITA E   2 . 9931  2. 9972  2. 486 2   2. 6 872   0 . 571 7   0 . 7283   FA -I T S E   2. 9850  2. 9916  2. 423 8   2. 8 715   0 . 582 1   0 . 7764   GA -I T A E  2. 6959  2. 9638  2. 235 9   2. 3 915   0 . 598 4   0 . 6293   G A - IT SE   2 . 6231  2. 4978  2. 350 9   2. 4 868   0 . 644 1   0 . 6637   PS O-IT AE  2 . 7789  2. 9868  2. 359 2   2. 5 751   0 . 580 3   0 . 6883   PSO -I T S E  2. 8192  2. 7951  2. 402 6   2. 7 821   0 . 620 2   0 . 7518       F i gure s   7   a nd  8  show s  t h e   freque ncy  deviation  r e sponse  t o   a djus t  the  P I D   controll e r   by  F A ,  G A   and  P S O   on the basis of  I TA E and ITS E  com par e d  to the  c onventional  ( Z -N)  me thod ,   w h i l e the char acte r istics  of  the  fr equenc y  deviation  (m aximum -de v i a t i on,   p eak- t im e, t h e n   s ett l i ng-tim e  and  fin a ly  s t e ady-state- err o r)  a r e  given a t  Table  5 c ompa red  w i t h   r esults ar e  pr e sented  i n pape rs  [1 8,  19].         F i gure   7.  F reque nc y D e vi a t io n  and P I D  t u ni ng us i n g  F A , G A  w ith P S O   b ased  o n ITA E   c om pare d  w ith  Z -N    F i gur e 8.  Repr e sen t  fr e que nc y   dev i a t i o n an d  P I D   t uning us i ng F A ,   GA  with P S O   b ased  on ITSE  com p ar ed wit h   Z- 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       A pplication of ar tif icial intell igence  t e chnique s for L F C   and  AVR syst ems  …  ( G hassan A b dullah  Salman)  1 701 Tab l e 5.  F reque ncy de v i a tio n  char acter ist i cs a nd P I D  t u ni n g   usi ng Z-N ,  F A, G A  and P S O   M d   ( p. u)   t p  (s e c . )   t s  (se c.)   E ss   ( p. u)  Z - N  - 8 . 5 9 7x1 0 –3 0. 9976   9 . 441  -3. 8 1 6 x 1 0  -   4   FA- I TA E  - 6 .6 66 x 1 0 -3 0. 7040   8 . 726  -2. 6 2 7 x 1 0  -   4   FA -ITS E   - 6. 91 7x 1 0 -3 0. 6893   8 . 671  -2. 6 0 8 x 1 0  -   4   GA -I T A E  -7.19 4 x 1 0 -3 0. 7363   8 . 993  -2. 6 6 2 x 1 0  -   4   G A - IT SE   - 7. 18 6x 1 0 -3 0. 7239   9 . 012  -3. 1 5 1 x 1 0  -   4   P S O - IT AE  - 6. 99 7x 1 0 -3 0. 7166   8 . 695  -2. 6 3 6 x 1 0  -   4   PS O-ITS E   - 7. 06 1x 1 0 -3 0. 6968   8 . 738  -2. 8 2 5 x 1 0  -   4   Re f.   [ 18]   - 7. 6x 10 -3 None   10. 42  N one  Re f.   [ 19]   - 9. 3x 10 -3 None   9 . 5   N one      F i gure s   9   a nd  10  show s  t h e   term inal  volt a ge  r esponse   to  t he   P I D   c ontroller  a d j u stm e nt  by  F A ,   G A   and  P S O   based  o n   I TA E  a nd  ITS E   c om par e d  w ith  c onventi ona l  (Z-N )   m ethod,  w hile  t he   c ha rac t e r isti c s   o f  the te rm i n a l  volt a ge (m a ximum - pe ak, pea k -ti m e,   t he n  settli ng- t i m e  and finaly  s tea dy-state-e rror)   a re given  i n  Table  6 c o mpa r ed  w i t h  results ar e  pr e sented  i n  pape rs [18,  19].           F i gure  9.  Termina l  V ol ta ge  w ith  P I D  tun i n g   by F A ,  G A   a n d   PS O ba sed o n   I TA E com p are d  w it h  Z- N     F i gure   1 0 .   Terminal  V o l t a ge  w it h P I D   t u n i n g  by  F A ,  G A   and  PS O base d o n  I TS E  c o m p are d  w it h Z- N     Table 6.   T e rm in a l   V o l ta g e   C h a r acte r ist i cs  w ith  P ID  T un ing  by Z- N , F A, GA   and P S O    M p  (p . u )   t p  (s e c . )   t s  ( sec . )  E ss   ( p. u)   Z - N  1. 029   1 . 625   1 . 933   5 . 3x10  – 3 FA - I T A E   1. 013   0 . 7 849   1 . 422   - 1x 10  –   3 F A -ITS E   1 . 015   0 . 7 679   1 . 383   0   G A -ITA E   1 . 027   0 . 8 218   1 . 439   - 3x 10  –   3 GA -I T S E   1. 028   0 . 8 085   1 . 396   - 5x 10  –   3 P S O - IT A E   1 . 019   0 . 7 995   1 . 432   - 2x 10  –   3 PS O-IT SE   1 . 019   0 . 7 766   1 . 385   - 3x 10  –   3 Re f.   [ 18]  1 . 204   N one  9 . 3   N one   Re f.   [ 19]  1 . 0   N one  4 . 9   N one       F i gure   11  ill ustra t es  t he   c onverge n ce  in  r educ ing  the  IT A E   i nde x  using  F A ,   G A   a nd  P S O   t o  deter m ine  t h e   opti m al  v a l ue s  for  a  P I D   c o ntroller .   W hi le,   F i gur e  12  illustra tes  the  c onverge n ce  i n   r educing  the  ITS E   i ndex  using  F A ,  G A ,   a nd  P S O   to  d eterm i ne  t he  opt im al  v alues  f o r  a  P I D  controller.   T herefore;  these  conver g ence  cur ves show   t ha t   F A   h as  b e t t e r pe rfor ma nce  th an GA   and  PS O.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   169 4   – 1 704  1 702     F i gur e 1 1 .   Con v erge nc e  curve   of  F A, GA  then P SO  for   op t i ma l   ga i n s for   PI D w ith m ini m i z e   ITA E     F i gure   1 2 .   Con v erge nc e  curve   of  F A, GA  then P SO  for  op tim al ga i ns  f or  P ID  w ith m i n im iz e  ITSE      In  a ll  the  results  a bove ,  th e   ove rall  c h ara c ter i stics  of  t he  f r equenc y  de v i a t ion  and  t h e   ter m inal  volt a ge  a r e   r educ ed  by  F A ,   G A   a nd  P S O   for  tuni ng  of  t he  P ID   c on troller  w h e n   c om p a red  w ith  c onventional  (Z-N )  P I D   controller,   t he   d a m ping  char acte r istics  of  s ing l e   a r e a   pow e r   s yste m  w ith   t uning  the  P I D   controller  by  F A   a re   i mprove d  mor e   e ffe ctively  com p are d   w ith  G A   and  P S O .   A lso,  s tabilit y  of  s ingl e   are a   pow e r   syst e m   i s  conser ved a nd re duced  f or  pow er  s yst e m  oscill a t ions.       6.   CONCL U S ION  Th is  p ape r   s t u die d   t he  P ID   c ontr o l  pe rform a nc e  tak i ng   t h e   c o u p l i n g   e f f e c t   b e t w e e n  L F C  a n d  A V R ,   a t   f i r st   u si ng   t h e   c onv e n ti ona l   PID  c o n t rolle r   ( Z- N)  m et ho d   to   impr ove  t he  p e rform anc e   o f  the s e   l o o p s,   a nd   the n   f or   f as te r   tune   o f  P I D   c o n t r o ller   a n d  for  o b ta i n   t he   r e s ul ts   m or e  a ccur a te,   we  u se d   t h e   m oder n   in t e l l i g e n ce   t e c hn i que s  suc h   a s  FA ,  G A   and  P S O.   D e m onstra t e d   b y   t he  r esul ts  t ha t   w e re  obta i ne d  an d  com p are d   b e t w een  t he  t hr ee   t ec hn iq ues  m e nt ione d  pre v ious l y ,  o b s erve d   t h a t   F A  has  a  clea r  p r o g res s   ove r  tha n   G A   a nd  P S O   for  tun i n g   t he  P ID   g ains  t o  en hanc e d  t he   ove ral l  c h ara c t eris tic s  of  t he  t erm i na l  v o l t a g e  an d   fre que nc y  osc illa ti on f o r sin g l e   a r ea pow e r  sys tem .       REFE RENCES  [1]        P .   Kun d u r ,  “Powe r   S yste m   Sta b ility  a n d Co ntrol,”   M c Gra w  Hill ,  New Yo rk,  19 9 4 .  [2]        H .  Sadd at ,  “Po w er  S y s tem  An al ysi s ,” McG raw H i l l ,  New York, 1 99 9.   [3]      W .  G.  H ef f r o n   a nd   R .  A.  P h i ll ip s,  “ Ef f ects  of   M od ern   Ampli d y ne   V o l ta g e   R e g ula t o r   i n  Un de re xc ite d   O pe r a tion   o f  Large Turbine  Generators,”  AI E E  Tr an s . ,   P A S-7 l ,   pp . 6 9 2 -6 97,  Au g .   19 52.   [4]      F.   P.  D eMell o   a n d   C .  Co nco r dja,  “ C o n cepts  o f  Sy nch r on ou s  Mac hi ne  S tabi li ty  a s  Af f ect ed  by  Ex cit a tio n  Con t ro l, ”  IEE E  T r ans . ,   P A S - 88 ,   p p . 3 16 - 32 9,   A pr.   19 69 .   [5]      E .  Rakh sh an i ,   K .  Rou z b e hi  a nd   S .  Sad e h,  “ A  New  Co mbin ed  M o d e l f o r  S i mu lat i o n   o f   M u t u al Ef f ects   bet w een   L F C   and  AV R  Loops,”  Pro ceedi ng  on   As ia -Paci f i c  Po wer a n d   En erg y  En gi neeri n g   Con f er e n ce, ( A PPE E C 2 0 0 9 ) ,  W u han,   C hi na,   200 9.   [6]      B.   U.  M usa,  B .  M.  K all i   a n d   K .  Shett i ma,  “Mo d e l i ng   a n d   S i m ul at io n  of   L F C   a n d   A V R   w it h  P I D  Cont rol l er, ”   Int e rna t i o n a l   Jou r n a l of   En gi neeri n g   Sci e nce In venti on ,   v o l .   2 ,   Iss u e 7 ,  p p. 5 4 -5 7,  J ul y 201 3.   [7]      S.   Saty anaray ana ,   R .  K.   S h a rm a  an d  Mu k t a,  “ Mu t u al   E f f ect  b et w e e n  L F C  a n d  A V R  L o o p s  i n   P o w e r   P l a n t , ”   El ectri cal  an d  Elect ro nics  E ngi neer in g:  A n   In ter nat io na l Jo ur na l  ( E L E L I J) ,   v o l .   3 ,   no . 1 ,   pp .   6 1 -69 ,  F eb ruary  201 4.   [8]      M.   Naj eeb ,  et  a l .,  “An   Opti mal   L F C   in  T wo -Area  Po wer  Systems   U s i n g   a   M eta-h e uris ti c  Op ti m i zati o n   A l go rit h m , ”  Int e rna t i o n a l  Jou r n a l  of   El ectri cal  an d  Comp ut er  E n g i neer in g  ( I JE CE ) ,  vo l/issue :   7 (6) ,  p p.  3 2 1 7 -  32 2 5 ,  20 17 .  [9]      B.   M.  H u s sein,  “A  n ew  s cal ed   f uzzy   m et h o d   usi n g  PSO  s eg men t a ti on   ( S e P S O )  ap pli e d fo r  t w o area  po wer  s y s t em , ”   Int e rna t i o n a l  Jou r n a l  of   El ectri cal  an d  Comp ut er  E n g i neer in g  ( I JE CE ) ,  vo l/issue :   9 (2), p p.  8 1 5 - 82 5,  2 0 1 9 .   [10]   K.  N aid u ,  H.  M o khl is a  and   A.  H .  Bak a r,  “ Ap pli cati o n   of   F iref l y   Algo rith m  (FA)  b a s e d   o ptimiz a t io n  in  l oa d   f r equ e ncy  con t rol   f o r  in tercon nect ed  r eh eat  t herm al   p o w er  s ys te m,”   IEE E  Jo rd an  Con f eren ce  o n  A p p lied   E l ectr i ca l  En gi neeri n g  an d  Co mp ut ing  T echn o l o g i es  ( A EE CT) ,   2 013 .   [11]   G.  K o n ar,  K.   K .  M a n d al ,  an d  N.  C hak r abo r t y ,   “ T w o   A rea  Lo ad  F re q u e nc y   Co ntro l  Usin g  GA  T u n e d   P ID  Co ntro lle r   i n   De re gu la te d   En viron m e n t,”   P r o ceedin gs  o f   t h e  Inter n a t i ona l M u lti Con f eren ce o f   E n g i n eers an d  Co mp u t e r  S c ie ntists  20 14 ,   vol .   II,   I ME CS   2 0 1 4 ,  M arch  12  -  14 ,   H ong  Ko n g ,  2 01 4.   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       A pplication of ar tif icial intell igence  t e chnique s for L F C   and  AVR syst ems  …  ( G hassan A b dullah  Salman)  1 703 [12]   G.  A .  S a lm an,   “ A ut om at ic  G en eratio n  Co ntro l  i n   M ul ti   A rea  Int e r con n ected   P ower  S y s t e m   U s i ng  P I D   Con t rol l er  Ba se d  on   G A  a n d   PSO,”   Seco nd E ngi neer ing  Scien t i f i c  Con f er ence, Col l eg e  o f  En gin eeri n g ,  Un iv e r s i ty  o f  Diya la ,  pp .   2 97-3 1 0 ,  2 01 5.   [13]   Z.   L .   G a in g,   “ A  P a rti c le  S warm   O p t i m i zati on  A p p r oach  f or  O p t i m u m   Des i gn  o f   PID  Cont rol l er  i n  AVR  S ys tem , ”  IEE E  T r ans act i o n s on   En erg y   Con versi on ,  vo l.   1 9,  n o . 2 ,  Ju ne  2 00 4,  p p . 38 4 - 39 1.  [14]   N.   R .   Raj u ,   et  a l. ,   “ R ob ust n es s  St ud y  of   F ract ion a l  Ord e r  P I D  C ont rol l er  O pt im ized   b y  Part icl e   S warm   O p t i m i z a t io n   in   A VR   S ys te m, ”   In ter n a tio na l Jou r n a l   o f  E l ectr i ca l an d Com p u t er E n g i neer in g ( I JECE) ,  vol /issue:  6 ( 5),  pp .  20 33 -20 4 0 ,  20 16 .  [15]   A .  K u m a r  a n d  R .   G u p t a ,  “ C o m p a r e   t h e   r e s u l t s   o f  T u n i n g   o f  P I D  c o ntrolle r  by   u sin g   PSO  a n d  GA  Te c h niq u e   fo r  AV R  system ,”  In ter n a tio na l Jo ur nal  of  Ad van ced  R e sear ch i n  Co mp uter  En gi neeri n g  &  T echno lo gy  ( I JAR C ET ) ,  v o l.  2 , I ssue  6 ,   p p .2 13 0-2 1 3 8 ,   J un e   20 13 .  [16]   S .   A .  H a sh emi Z ad eh  a n d   H .  F .   M arj ,   “ T h e  a n aly s i s   a n d   c om pari so n   o f   P S O   and   BG A  al go rit h m s   f or  d esi g n   o f   P ID  c o ntrolle r  in   A utom a t ic   V olta g e   R e g ula t io n  (AVR)  sy ste m ,”   Ad vances  in  Na tu ral  an d Ap pl ied S c iences ,  8 ( 11 )  Sp e c i a l   2 0 1 4 ,  pp . 5 6-7 0 ,   2 01 4.  [17]   N.  N ayak,   S.   K .  Rou t ray   an d  S .   P radh an,   “ O pt im al  D es ig n  o f   P ID   Co nt roll er  f or  A V R   i n  a  m u l t i   Mach in e  Po wer  S y s t em   u si ng   M od if i e d   P S O   and   F i re  F l y   O pt im izat io n  Techn i q u e,”   IEEE Po we r,  Co mmun ic atio n an d   In fo rma t ion   T echn o lo gy Co nf erence  ( P CIT C ) ,   Siksha   ‘ O’ An u sa nd ha n   Un ive r sity ,   Bh ub a n e swa r,   I n d ia ,  20 15 .  [18]   A.  S ou nd a rra ja n,  S .  Su ma thi  a n d   C.  S undar,  “ Part icle  S w a rm   O pt i m i zat ion   Based   LF C  and  A V R  o f   A ut on om ou s  Po we r  Ge ne r a ting   S yste m , ”   IAE N G  In tern at io na l  Jo ur nal  o f  Co mpu t er   Sci e nce  ( I JCS) ,   37 :1 ,   F e bru a ry  2 01 0.   [19]   A.     S ou nd arrajan,     S .   S u m at hi   a nd  G .   S ivam u r ug an,   “ H y b ri d  Ev ol u ti on ary  Al go rith m s   f or  F requ ency   a n d   V olt a ge  Con t rol   i n  P o w er G enerati n g , ”  ICTACT J o u r n a l   on   So ft Comp utin g ,  Issu e :   0 2  Oc to be r  2 0 1 0 ,  pp .88 - 97 .  [20]   A.  M .  Ham za,  M .  S .   S aa d ,   H .  M .   R as had  and   A .   B ah gat ,   “ D e sig n   o f   L F C   a n d   A V R   f or  S in gl e  Area  P o w e r  S y s t em   wi th   P ID  C o n t r oll e r  Tu ni ng   B y  BF O   and   Z i egl e r  M e th od s, ”  Inter n a t i ona l Jour na l o f  Comp ut er  S c ien ce  an d  T e leco mmu ni cati on s ,   vo l.  4,   Is su e 5,   M ay  2 01 3,  p p. 1 2 -1 7.   [21]   N.   Y .   Ko ub a,   M .   M e naa,   M .   H a sni   an d  M .   B o u d our,   “ O p t i m a l   C o n t r o l  of   F requen c y  and   Vo lt age  Variat io ns  U s i n g   P I D  Co nt roll er  B ased   o n  P a rt icle  S warm   O pti m izat ion , ”  P r o c eed in gs  of   t h e 4 t h  Int e rn ati o n a l  Con f er ence  o n   Sys t ems  a nd  Cont ro l ,   S o u sse,   Tu ni sia,   A p r il   2 8 - 30 ,   20 15 .   [22]   G.  A .  S a lm an,   H.  I .  H u s s ein   and   M.   S .   Hasan ,   “ En han c em en t  Th e  D yn a m i c   S ta b i li ty   o f  Th e   I r a q' s  P o w e r   S t a t i o n   Us in g  P I D   Con t ro ller  Op ti mi zed  by  F A   a nd  P S O   B as ed  on  Di f f eren t   O bj ecti v e  F u nct i on s, ”   El ektr o teh n i š ki  Ves t n i k ,  vo l.  85 ,  Iss ue  ( 1 - 2),   pp. 42 -4 8,   2 0 1 8 .   [23]   S .   D as ,  A . Chak rabo rty,   J .  K.  R ay ,  S . Bhatt acharjee  an d    B .  N e og i ,   “ S tu dy   o n  D i f f e rent  T un ing   App r oach   w it h  Inco rporat io n  of   S i m u l at io n  A s p ect  f o r   Z -N   ( Z i egl e r-Ni c h o l s )  Ru les,”  In tern at io nal  Jo ur nal  o f  S c ien t i fic an d  Research Publ ications ,   V o l u m e   2 ,   Iss u e  8,  A ug us t  2 0 1 2 ,   p p . 1 -5.   [24]   J.  G .  Zi egl e r  and  N.B.  N ichols,  “ O pt im um   S e t ti ng s  for  A u tom a ti c   C ontroll e rs ,”  Tra n s. ASME ,  Vol.  6 4,  p p . 75 9-7 6 8 ,   19 42 .   [25]   K.   O gat a ,   “ M o d ern  Co nt rol   En gi neerin g, ” P r e n ti ce Hal l ,   Upp e r S a d d le Ri v er,  New  Jersey,  19 97 .  [26]   X. S .  Yan g , “ Natu re-Ins p ired  M etah euri sti c   A lgo r it hm s, ”  Lu ni ver   P re ss,  20 08 .  [27]   D.  R erkp reed apo n g ,   A .   Has a no vi c  and   A.   F eli achi ,   “ Rob u s t   L oad   F r e q u e n c y  C o n t r o l  U s i n g  G e n e t i c  A l g o r i t h m s   and   Li near M at ri x Inequ a li ti es,”  I E E E   Tran sacti o n s   o n Po wer S y s t e ms ,   V o l .   1 8,   N o.  2,   p p . 85 5-86 1,  M ay 2 00 3.   [28]   G.  A .  Salman ,  M.  H .  Ali  an d  A.   N .   Ab du llah ,   “ Im pl em ent a tio n  Opt im al   L o cati on  and   S i zi ng   o f   UP F C   o n  Iraq i   Pow e r  Sys t em   G rid  (132  k V)  U si ng  G eneti c   A l g or i t hm , ”  I n te r n a t i o na l  J o u r na l o f  Po w e r  E l e c tr on ic s  an d  D r i v e   Sys t em ( I J P ED S) ,   vo l/i ss ue:  9(4 ) ,   p p.  1 60 7-1 615 ,   2 0 1 8 .   [29]   I.  A zi m  an d  F .   R ahm a n,   “ G e neti c  Alg o ri th m  Bas e d   Reactiv e  P o wer  M a nag e m e nt  b y  S V C, ”  Int e rn at ion a l  Jour na l  of  El ectr i cal   a nd  Comp ut er E n g i n e e r in g ( I JE CE) ,   vol /i ss ue:  4(2 ) ,   pp .   2 0 0 - 206 ,   2 0 1 4 .   [30]   J.  K e n ned y   a nd   R .   E b erhart ,  “ P a r t i cl e  S w arm  O p ti m i zati o n , ”  Pro ceedi n g  o f   th e IE EE  In tern at io nal   Co nf eren ce o n   Neur al Networ ks,   v ol.  I V ,  pp .19 4 2 - 19 4 8 ,  19 95 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.