Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  4, N o . 3 ,  Sep t em b e r   2014 , pp . 39 3 ~ 39 I S SN : 208 8-8 6 9 4           3 93     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Neuro-Genetic Adaptive Optima l Cont roll er for DC M o t o r       M a hmoud M .  Elkholy *, M.  A.  Elhame e d **  * El ectr i c a l P o w e r and  M ach ines  Departm e nt , F a cult of  Engine e r ing,  Zag azig  Un ivers i t y ,   Za gaz i g,  E g y p ** Electr i cal  En gineer ing Dep a rtment, Faculty   of  Engin eering ,  Ki ng Khalid  Unive r sit y , Abha , Sau d i Arabi a       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Feb 6, 2014  R e vi sed M a 3,  2 0 1 4   Accepted  Mar 26, 2014      Conventional sp eed  controllers o f  DC motors suffer from being n o t ad aptiv e;  this is because  of the nonline a r i t y   in  the m o to r m odel due to saturation .   Structure of DC  motor speed con t roller should v a r y   according  to its operating   conditions , s o  that the tr ans i ent  perform ance is  acc eptab l e .  In this  paper an   adaptive and optimal Neuro-Genetic contro ll er is used to control a DC  m o tor  speed. GA will  be used first to  obtain th e optim al contro ll er par a m e ter for  each lo ad torque  and m o tor reference s p eed . The  data obta i ned fr om  GA is   used to  train  a n e ural network ;  the inpu ts for  the neural n e twork  are  the load   torque  and th motor refer e nce speed  and th e outputs  are  th e con t roller   parameters . Th is neural n e twor k is  us ed on l i n e to  adapt  the  control l er   parameters  acco rding to  oper a tin g conditi ons.  Th is contro ller  is  tested with  a  sudden chang e   in the operating  conditions and  could  adapt its elf for  the  conditions  and g a ve  an op tim al  tr ans i ent  perform a n ce.   Keyword:  DC m o tors   Spee d c ont rol l er   Gen e tic  Neu r al  net w or k   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r M a hm oud  M .  El kh ol y ,    Electrical Power a n d M achines De partm e nt,  Facu lty of En gin eering ,  Zag a zig  Un iv ersity, Zag azi g ,   Eg y p t.  Em a il: melk h o ly7 1 @ yah o o . co m       1.   INTRODUCTION  D C  m o to rs  h a v e  a v e ry  g ood con t ro l ab ility and  are  u s ed  l o ng  tim e ag o  as adju stab le speed   d r i v es, for  exam ple they  are use d  in traction and ele c tric cars  [1 ], th e con t ro of th ese m o to rs  m a in ly d e p e nd s on  co n t ro lling  the con v erter circu its th at  fed the field or t h e arm a tu re wind i n g s  [2 ],  [3 ]. C o nv en tio n a l  con t ro llers  can  b e   d e si g n e d  op tim al ly at  certain  op eratin g  con d ition ,   bu t its p e rform a n ce will no t b e  o p tim al fo r ano t h e o p e rating  po int. In  [4 ], a PID con t ro ller is d e sign ed  and tu n e d  b y  traditio n a m e th o d  at certain  o p e rating  p o i n t , th e perform a n ce will n o t b e   th e sam e  at a d i fferen p o in t.  Accurate m o d e l fo r th DC mo tor is essen tial wh en  d e si g n i n g  t h e sp eed  co n t ro ller to  m i mic th e actu a m o t o r per f o r m ance. De si g n i n or di na ry  co nt r o l l e rs  d e pen d s  o n  s o m e  sim p l i f i cati ons  suc h  as  m odel   lin earizatio n  an d   n e g l ecting  iron  satura tio n. Artificial in tell ig en ce b a sed  t ech n i q u e s are u s ed  to  d e sign   sp eed    co n t r o ller fo th D C  m o to r [5 ]- [1 2 ] , also op timizatio n   techniques  s u c h  as  ge netic a l gorithm  are used t o   o p tim ize th tran sien p e rfor mance [12], [13]. Methods  used either  de p e nd  o n  t h e l i n eari zed m odel  of t h e   m o t o r or t h e c ont rol l e r l ack t h e ada p t i v e p r ope rt y .  In  [1 4] ,  [1 5]  sl i d i ng m ode c ont rol l e i s  desi gne d t o   cont rol   th m o to r sp eed ,  bu t slid in g   m o d e  co n t ro ller is su ffering fro m  th e ch atterin g   p h e no men o n .  In  th is pap e r a  SIMULINK m o d e for th DC  m o to r is d e velo p e d  th at con s id er th e m o to r sat u ration  an d  t h e v a riation  of th mag n e tizin g characteristics wi th  th sp eed .     A PID sp eed  co n t ro ller is used   with  t h e arm a tu re  wind i n g, th e parameter of t h e PID co n t ro ller is  optim ized by  genetic alg o rit h m  (GA)  fo r e ach re fere nce  sp eed  and  lo ad to rqu e  to   g e t th e b e st tran sien t and   steady state perform a nce, the  objectiv e fo r th e GA is to   min i m i ze  the sum of squa re errors in spee d taking  in to  con s iderat io n  th e lim i t s o n  th e arm a tu re  v o ltag e . Th e op erating  co nd itio n s  are v a ried for a wid e   rang e of  refe rence s p ee ds a nd l o ad t o rq ues,  f o r eac h  poi nt  G A  get s  t h e co nt r o l l e param e t e rs wh i c h are t h re q u i r e d   g a in for th PID con t ro ller. Data ob tain ed  fro m  GA ar e use d  t o  t r ai n  a neu r al  net w or k, t h i s  net w or k i s   sim u lated in SIMUL I NK, the function of it  is to  m a k e  the controller ada p tive according to operating  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 3 ,  Sep t em b e r  2 014  :   39 3 – 399  39 4 co nd itio ns. The syste m  is test ed  at  d i fferen t   co nd itio ns  an d th e sp eed  con t ro ller is fo und   to  b e  op timize d  and  adaptive  acc ording to  each operating  point.      2.   MOTOR MODELING  The  m a the m atical  m odel of DC  m o tor  can  be  ex pres sed  by  t h e e quat i o ns:     V i R L                                    (1)     V i R L   K ω                                 (2)     T J   B ω T                                          (3)   Whe r e:   R   : Field  winding  resistance = 1 11   L   : Field  winding inductance  =  10  R  :  A r m a t u re wi ndi ng  resi st a n c e  = 0 . 2 4   L  :  A r m a t u re wi ndi ng  i n duct a n ce = 1 8  m H   K  :  V o l t a ge c o ns t a nt  an d ca be  o b t a i n ed  f r om  m a gnet i zat i on  cur v e   T   : Electro m a g n e tic  m o to r torqu e   ω   : Ro t o Sp eed in   rad / sec  J   :  M o m e nt  of  i n ert i a  =  0. k g . m 2   B   :  R o t o Fri c t i o n  =  0. 00 k g . m 2/ sec  V   :  Fi el wi n d i n vol t a ge   V   : Arm a tu re term in al v o ltag e     The  bl oc di ag ram  of s p eed  c ont rol   of  DC  m o t o usi n g c o n v ent i o nal  P I cont rol l e r i s  sh ow n i n  Fi gu re  1.         Fi gu re  1.  B l oc di ag ram  of D C  m o t o     3.   PROP OSE D  NEURO - GENETIC  ADA PT IVE OPTIMAL CONTROL LER  GA  will b e   u s ed  to   ob tain  the o p tim u m  co n t ro ller p a rameters fo r each   o p e rating  po int i.e., fo any   load torque a n d s p eed. The objective  f unct i on  o f  G A  i s  t o   m i nim i ze  t h e sum  of sq uare  err o r i n  t h e t r a n si en t   r e spon se of  the  m o to r  sp eed, th e ou tpu t s o f   G A  ar e K p , K and K i . F i gu re 2 s h o w s  t h e fl ow c h ar t  t h at   descri bes t h e  p r oces s o f  t h i s   GA . F o r eac gene rat i o n, t h e  SIM U LI NK  m odel  i s  run  a nd  G A  sea r che s  fo r t h e   optim u m  PID cont roller pa ra meters. Fi gure 3 shows the objec tive function variation wi t h  each ge ne ration for  a refe re nce s p e e of  1 0 0 0  r. p. m  and a l o a d  t o r q ue  of  1 0 0  N - m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Neu r o-Gen e tic Adap tive Op tima l  C o n t ro ller  f o r DC   M o t o r  ( M ah mo u d   M .  El khol y)   39 5 GA i s  r un f o a wi de ran g e o f   m o t o r spee (f orm  500 t o  1 0 0 0  r p m )  and l o ad t o r que ( f r o m  0 t o  10 0   N-m )  and a t r a i ni ng  dat a  i s  o b t a i n ed t h at  us ed t o  t r ai n a ne ural  net w o r k.  The r o l e  of t h e  neu r al  net w or k i s  t o   adapt t h e c o ntroller  param e ters accordi n g to t h ope rating c o nditions as  shown i n  Fi gure  4.        Fi gu re  2.  Fl o w  cha r t  o f   GA  u s ed t o   obt ai n  o p t i m u m  cont r o l l e r param e t e rs      Fi gu re  3.  Va ri at i on  of  t h o b je ct i v e f unct i o wi t h   gene rat i o ns  fo r a  re fere n ce spee of  1 0 0 0  r p m   an d a lo ad  t o rqu e   o f  100   N -                         0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 11 6 0 11 8 0 120 0 122 0 124 0 126 0 128 0 130 0 132 0 G ener at i on no. O b j e c t i v e F unc t i o n re Neural Network  T K K K Fi gu re  4.  F unct i on  o f  t h e  ne ur al  net w or k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 3 ,  Sep t em b e r  2 014  :   39 3 – 399  39 6 The neu r al  net w o r k   i s   a feed   fo r w ar d net w or k wi t h  back  pr o p agat i o l e arni ng r o l e   an c onsi s t s  o f   t w hi d d e n  l a y e rs o f  t a si g m oi d act i v at i on f u nct i o n  an d  an  out put  l a y e r o f  l i n ea r act i v at i on  fu nct i o n. T h num bers  of  hi dde neu r o n are 2 1  an 2 r e spect i v el y .  T h e ne ural   net w o r k i s   use d   on l i n e t o  ge n e rat e  t h e   appropriate controller param e ters acco rding to loa d ing conditio ns of the  m o tor, Figure 5 shows the  bloc di ag ram  of t h e   sy st em  wi t h  t h e ne ural   net w o r k .         Fi gu re  5.  B l oc di ag ram  of D C  m o t o r wi t h   p r o p o sed  t ech ni que       4.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   Fi gu re 6 - 8 s h ow t h e va ri at i on  obt ai ne d b y  GA fo r t h e  cont r o l l e r pa ram e t e rs K P , K I  and  K D   resp ectiv ely  with  m o to r referen ce sp eed  and  load to rqu e It  i s   not e d  t h at  co nt r o l l e par a m e t e rs ha ve a  wi d e   vari at i o n wi t h   ope rat i n g co nd i t i ons, f o r e x a m pl e at  800 r p m  t h e val u e of  K p  i s  350 at  n o  l o ad , 8 0  at  20 N-m   an d   26 0 at 40   N-m .  Th e largest v a riation  in K i  is f o r  5 0 0  r p m  reference  s p eed . A  wi de v a riation in  K d  i s  with  5 0 0 ,  600  an d 70 0rp m .           Fi gu re  6.  Va ri at i on  of  o p t i m u m  val u es of  K p  with   l o ad t o r q ue at   di ffe re nt  spee d s   Fi gu re  7.  Va ri at i on  of  o p t i m u m  val u es of  K i  with   l o ad t o r q ue at   di ffe re nt  spee d s                     0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 50 100 150 200 250 300 350 400 L o a d  T o rq u e (N . m ) Kp     n = 700 r p m n = 500 r p m n = 1000 r p m n = 600 r p m n = 800 r p m n = 900 r p m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 L o a d  T o rq u e  (N . m ) Ki     n= 50 0  r p m n= 8 0 0  r p m n= 9 0 0 n = 10 00  r p m n= 600  r p m n = 70 0 r p m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Neu r o-Gen e tic Adap tive Op tima l  C o n t ro ller  f o r DC   M o t o r  ( M ah mo u d   M .  El khol y)   39 7     Fi gu re  8.  Va ri at i on  of  o p t i m u m  val u es of  K d  wi t h  l o ad  t o rq ue at   di ffe re nt   spee ds       Fi gu re 9 s h ow s t h e vari at i o n  of t h e s u m  squa re er ro r wi t h  t h e n u m b er of e poc hs  obt ai ned  whi l e   t r ai ni n g  t h e  p r op ose d   ne ural   net w or k,  t h e e r ro goal  i s  1 0 -8         Fi gu re  9.  Va ri at i on  of  m ean squa re e r r o r  o f   neu r al   net w or k       To  test th e effectiv en ess  o f  t h e co n t ro ller, it is u s ed   with  t h m o to r m o d e l as sho w n  i n  Fig u re 5, and  m o to r respo n se with  th is contro ller is co m p ared  to  t h e resp on se  with  conv en tion a l PID  co n t ro ller.  Fi gu re  1 0   sho w s t r ansi e n t  resp o n se  of  m o t o r spee d w i t h  a ref e re nce  spee d c o m m a nd  o f   60 0,  8 0 0  an d 1 0 0 0  r p m  an a   l o ad t o r que  of  10 N-m .  Th e resp o n se wi t h  t h pr op ose d  co nt r o l l e r i s  bet t e r t h a n  t h at  wi t h  co nve nt i onal   co n t ro ller i n  al l cases,  o v e rsho o t , settlin g  ti me an d   rise ti me are greatly en h a n c ed On pu rpo s of th e con t ro ller is to   b e  ad ap tiv e,  s o  t h at the c ontroller s t ructure c h anges with t h m o t o r operat i n g p o i n t  an d be cam e  opt im al for t h e ne w o p e r at i ng p o i n t .  Fi gu re 1 1  sh ow s  t h e resp onse  o f  t h m o t o r wi t h  t h e pr o pose d  a n d co n v ent i o nal  cont rol l e rs  w h en a st e p  c h a nge  fr om  100 0 r p m  t o  500  rpm  i s   occurre d at 100 N-m  load. It is noti ced  th at  th e p r op osed  co n t ro ller ch anged  th e co n t ro ller p a ram e ters fo r the  new s p ee d an d   m o t o r s p eed  f o l l o we d t h e c h ange i n  re fere nce spee d c o m m a nd i n  m i nim u m  t i m e  and err o r ,   wh ile m o to r speed   with  co nv en tio n a l con t ro ller is sl o w er and   h a ov ersho o t.      0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 0 2 4 6 8 10 12 L o a d  T o rq ue N . m ) Kd     n = 50 0 r p m n = 70 0 r p m n = 60 0 r p m n = 90 0 r p m n = 80 0 r p m n = 10 00  r p m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 3 ,  Sep t em b e r  2 014  :   39 3 – 399  39 8   Fi gu re 1 0 . Vari at i on of   m o t o r spee d wi t h   c o n v ent i o nal   C ont rol l e a n d Neu r o Genet i c   c ont rol l e r         Fi gu re  1 1 Vari at i on  of  m o t o spee d   wi t h  c o nve nt i o nal  C o n t rol l e r a n d  P r o pos ed  co nt r o l l e r wi t h  st ep  cha nge   in s p eed      5. CO N C L U S I ON   In  th is  p a p e r an  op tim a l -ad a p tiv e con t ro ller for a DC mo tor is d e sign ed , th e co n t ro ll er ch an g e s its  param e ters according to m o tor  ope rating conditions, na m e ly  m o tor refe rence spee d and load torque . The   p r op o s ed  con t ro ller  d e p e nd s on   GA to  i n su re th at it is  o p tim al an d  a n e u r al  n e two r k  to in su re that it is  adaptive .  Mot o r transient a n d  st eady  st at e respo n se  wi t h  t h e pr o pose d  c o nt r o l l e r has a s upe ri o r  pe rf o r m a nce  th an  con v e n tion a l con t ro ller.       REFERE NC ES   [1]   Lei Jun,  Luo  Min, Chen Zh iChu.   Des i gn a nd Developmen t  of Smar t Car  DC Motor  Spee d  Contr o l Sys t e m .   P r oceedings  of  t h e 31 st  Chines Control Conf erence. Chin a. 2012 : 4916-4919.  [2]   G Rajeshkanna.  Modern Speed   Control of Sepa rately  Excited  DC  Motor by Boost Converter  Fed Field  Contr o Method .   International Conf eren ce on Computer Communica tio n and Informatics (ICCCI -2013). Coimbatore,  INDIA. 2013: 1- 7.  [3]   Nawawi SW,  Zuwairie Ib r a him, Marzuki Khalid.  Q-Parame te rization Control for a Class of  DC Motor.   Thir d   International Co nference on  Int e l ligent   S y st em s Modelling  and S i m u lation .  2012:  440-445.  [4]   PM Mesharm, Pohit G Kanojiy a.  Tuning of PID Controller using Ziegler-Ni cho l s Meyhod for Speed Control of DC  Motor.  IEEE International Conf erence On Advances In  Engin e ering, Science an Management (ICAESM-2012) 2012: 117-122.  [5]   Alfred Baghr amian, H a san Ghorbani Esh y an i.  F u zzy Controller  of Luo Converte r for Controllin g of DC Motors  Speed.  4 th  Power  Electron ics, Drive S y stems  & Technolog ies Con f erence (PEDSTC2013 ).   Tehran , Iran. 2013: 170 - 175.  0 1 2 3 4 5 6 7 -2 0 0 0 20 0 40 0 60 0 80 0 100 0 120 0 Ti m e  ( S e c ) M o t o r  S peed ( r p m ) C o n v en t i o n al  m e t h o d P r op ose d  m e t h o d 0 2 4 6 8 10 -2 5 0 0 25 0 50 0 75 0 100 0 125 0 Ti m e  ( S e c ) M o t o r  S p e ed ( r pm ) R e f e r e n c e speed C o n v en t i on a l  m e t h od P r oposed m e t h od Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Neu r o-Gen e tic Adap tive Op tima l  C o n t ro ller  f o r DC   M o t o r  ( M ah mo u d   M .  El khol y)   39 9 [6]   Huafen Yung, Jian Xu, Dechun  D ong, Siy u an Yang, Youjun Ren.  Study on  Fuzzy PID Controller in Double Clos ed- LoopDC Speed Regulation System.  Third In ter n ation a l Confer ence on Me asuring Technolog y and Mechatron i cs   Automation. 201 1: 465-469.  [7]   Zhang Xiao Ming, Long Shi Yu.  Simulation  Study on Fuzzy PID Controller for DC Moto r Based on DS P.  International Co nference on  Indu strial Cont rol an d Electron i cs  En gineer ing. 2012:  1628-1631.  [8]   Rishabh Abhinav, Saty a Sheel.  An Adap tive,  Robust control  of DC  motor Using Fuzzy-PID controller .   IE EE   International Co nference on  Power Electronics, D r ives  and  En erg y  S y stems. B e ngaluru, Ind i a. 2012 : 1-5.  [9]   Ahma d Fa ra ma rz i ,  Ka me l  sa bahi .   Re c u rre nt  Fuzzy  Ne ural Network  for DC-  motor c ontrol.   Fifth Intern ation a Conference on   Genetic  and Evo l utionar y   Computing. 2011: 93-9 6 [10]   E Gowthaman,   C Dinesh Balaji.  Self Tun e d PID Based Speed Control of PMDC Drive.  Autom a tion, Computin g,  Communication, Control and  Co mpressed Sensing ( i Mac4s) . Inter n ation a l Multi-C onference. 2013: 686-692.  [11]   Sere y v ath a  Sari n, Hilwad i Hind ersah, Ar y S e ti ja di Prihatm a n t o.  Fuzzy PID Controllers Using 8- Bit  Microcon troller   for U-Board Speed Control.  Int e r n ation a l Conf ere n ce on  S y s t em  E ngineer ing and   Techno log y . B a ndung, Indonesia.  2012: 1-6.  [12]   Chun-juan LIU,  Bian-xia LI, Xiao-xu YANG .  Fuzzy  Logic  Controlle r De sign Ba sed on Genetic  Algorithm for DC  Motor.  Electronics, Communications a nd Contro (ICECC). In tern ation a l Conf eren ce. 2011: 2662-2 665.  [13]   Ming Yang, Lei  Zhang, Weiping  Zhao, Zhanshuang Hu.  Optimization of DC Motor Rotary Speed Controller based   on The Gen e tic  Algorithm.  World Automation C ongress (WAC). 2012: 1-4.  [14]   Ch UM Babu YSK,  Amaresh K.  Sliding  Mode S p eed Contro l of  a DC Motor.  Co mmunication Sys t ems and Networ k   Technologies ( C SNT) . Internatio nal Conf eren ce.  2011: 37-42.  [15]   Um m a hes w ararao, Ch YS  Kishore, Babu K Am ares h.  Sliding  Mode Speed Control of a DC M o tor.  Interna tion a l   Conference on  C o mmunication S y stems and  Network Techno log i es. 2011 ; 387-3 91.       BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       M a hmoud M .   Elkholy  received Bachelor of Engineer ing (B.E)  degree (with honors) from Zagazig   University , Eg ypt in 1994 under the specialization of  Electrical Machines a nd Power Engineer in g,  Master of Science degree from  Zagazig Univers i ty , Eg y p t 1998  under the speci alization of Electr i cal  Machines  and D o ctor of  Philoso ph y  (Ph . d) in  th y e ar 2001  fro m Zagazig Univ ersity , Eg y p t in   the   Dept. of  E l ec tri c al power  and  M a chines   Engine eri ng.  H e  has  18  years  of  exper i en ce  in  acad em ia  a n res earch  at  diff e r ent pos it ions . C u rrentl y  h e  is   an  Assistant Professor, Colleg e  of  Engineering, Kin g   Khalid University , Abha, KSA and Faculty  of  Engin eer ing,  Zag azig Univ ersit y ,  Eg ypt. His  inte rest   includ es  control  the s t ead y s t at e and d y n a m i c  perform ance o f  elec tric al m a c h ines  and artif it ial  intel ligen ce .           M. A. Elh a mee d   was born  in Eg y p t in 1973 . He receiv e d the B.E. degre e  (with  honors) from  Za gazig   University -faculty  o f  Engin eer in g, Zag a zig,  Eg ypt  in e l e c tri cal   power and m a c h ines  engin eeri n g i n   1996, Master degree in 2000 in the fiel d of elect r ic al power s y st em  from the sam e  institute, and  th e   Ph. D. degree fr om Zagazig University Eg y p t,  in 2004,  in the f i eld of electr ical p o wer s y stem. He has  been as s i s t an t p r ofes s o r, F acul t y  of  Engine erin g, King Khal id  Univers i t y ,  KS A and F acult of  Engine ering,  Za gazig Univ ers i t y , Eg ypt .  His  cur r ent int e res t   incl udes  ele c tri c a l   m achines  m odel i ng  and con t rol ,  a r tif itia inte llig enc e   and FACTS devi ces.                                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.