I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n ( I J R A)   Vo l. 7 ,   No .   4 ,  Dec em b er   201 8 ,   p p .   2 3 2 ~ 2 5 0   I SS N:  2089 - 4 8 5 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r a . v 7 i 4 . p p 2 3 2 - 250     232       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR A /in d ex   Desig n  o f  Ro bus t  Co ntroller  f o r  H i g her O r der In ter v a l Sys te m   Using  Dif fere n tial Ev o lutiona ry  Algo rith m       D.   Srini v a s a   Ra o 1 ,   M .   Siv a   K u m a r 2 ,   M .   Ra m a lin g a   Ra j u 3   1 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   G u d lav a ll e ru   En g i n e e rin g   Co ll e g e   (A ),   G u d l a v a ll e ru ,   A P ,   In d ia   2 , 3 De p a rtm e n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g in e e rin g ,   U n iv e rsity   C o ll e g e   o f   En g in e e rin g ,   JN T U Un iv e rsity ,   Ka k in a d a ,   Ka k in a d a ,   A P ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 7 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Sep   4 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Sep   20 ,   2 0 1 8       T h is  p a p e r  d e sc rib e s  th e   d e sig n   o f   th e   ro b u st P I / P ID  c o n tro l ler  f o r  th e   h ig h e r   o rd e r  in terv a l  s y ste m   v ia  it s  re d u c e d   o rd e r  m o d e l  u sin g   t h e   d iff e re n ti a l   e v o lu ti o n   (DE)  a lg o rit h m .   A   st a b le  re d u c e d   in terv a l  m o d e l  is  g e n e r a ted   f ro m   a   h ig h e r  o rd e r  i n terv a l  sy ste m   u sin g   th e   DE  in   o r d e r  to   m in im ize   th e   c o st an d   re d u c e   th e   c o m p lex it y   o f   th e   s y ste m .   T h is  re d u c e d   o rd e r  in terv a l  n u m e ra to r   a n d   d e n o m in a to r  p o ly n o m ials  a r e   d e term in e d   b y   m in im izin g   th e   In teg ra l   S q u a re d   Err o r  (IS E)  u si n g   th e   DE.   T h e n ,   u sin g   re d u c e d   o rd e r  i n terv a l  m o d e l,   a   ro b u st  P I/ P ID  c o n tro ll e r  is  d e sig n e d   b a se d   o n   th e   sta b il it y   c o n d it io n s  f o r  d e term in in g   ro b u st  sta b il it y   o f   in terv a l  s y ste m .   F in a ll y ,   u sin g   th e se   sta b il it y   c o n d i ti o n s,  a   se t  o f  in e q u a li ti e s  i n   term s   o f  c o n tro ll e r  p a ra m e ters   is  o b tain e d   f ro m   th e   re d u c e d   o rd e r  c lo se d   lo o p   c h a ra c teristic  p o ly n o m ial.   Th e n   th e se   in e q u a li ti e s are   so lv e d   to   o b tain   r o b u st co n tro ll e r  p a ra m e ters   w it h   t h e   h e lp   o f  a   DE  a lg o rit h m .   T h e   d e si g n e d ,   ro b u st  c o n tr o ll e r  f ro m   th e   re d u c e d   o rd e r   in terv a l  m o d e l  w il l  b e   a tt rib u ted   to   th e   h ig h e r  o r d e r  in terv a l  sy s tem .   T h e   d e sig n e d   P I/ P ID  c o n tro l ler  f ro m   o u r  p ro p o se d   m e th o d   n o t  o n ly   sta b il ize s  th e   re d u c e d   o r d e r  m o d e l,   b u t  a lso   s tab il ize s  th e   o rig i n a l  h ig h e r  o rd e r  s y ste m .   T h e   v iab il it y   o f   th e   p ro p o se d   m e th o d o lo g y   is  il lu stra t e d   th ro u g h   t h e   n u m e rica l  e x a m p le  o f   it s  su c c e ss f u l  im p le m e n tatio n .   T h e   e ff ic a c y   o f   th e   p ro p o se d   m e th o d o l o g y   is  a lso   e v a lu a ted   a g a in st  th e   a v a il a b le  a p p r o a c h e s   p re se n ted   i n   th e   li tera tu re   a n d   t h e   re su lt s w e re   su c c e ss f u ll y   i m p le m e n ted .   K ey w o r d :   Dif f er en t ial   E v o l u ti o n   A l g o r ith m   I n ter v al  S y s te m     Kh ar ito n o v ‟ s   T h eo r em     Mo d el  Or d er   R ed u ctio n   R o b u s t  C o n tr o ller   Co p y rig h t  ©   2 0 1 8   I n stit u te  o f  Ad v a n c e d   En g in e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   D.   Srin i v asa   R ao ,   Dep ar t m en t o f   E lectr ic al   an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   Gu d lav al ler u   E n g i n ee r i n g   C o lleg e  ( A ) ,   Gu d lav al ler u   A P ,   I n d ia.   E m ail:  p r o f s i v a k u m ar @ g m ai l.c o m         1.   I NT RO D UCT I O N   I n   m o s t  o f   co n tr o l  en g i n ee r in g   p r o b le m s ,   d esi g n   an d   d e v el o p m e n t  o f   a  co n tr o ller   ar e  a n   i m p o r tan t   p ar t  a m o n g   th e   r ese ar ch er s ,   b ec au s e   th e   s i m u latio n   a n d   d es ig n   o f   a  co n tr o ller   o f   t h e  h ig h er   o r d er   s y s te m   i s   n o t  an   ea s y   tas k .   T h e  co s t  a n d   co m p le x it y   o f   th e  co n tr o ll e r   in cr ea s e  w i th   s y s te m   o r d er .   T o   co n q u er   th is   p r o b lem   o f   s i m u latio n ,   a n al y s is   a n d   d esig n   o f   a  co n tr o ller   f o r   th e  h i g h er   o r d er   s y s te m ,   a  r ed u ce d   o r d e r   m o d el   is   ess e n tia l  f o r   th e   o r ig in al  h i g h er   o r d er   s y s te m .   I n   t h e  clo s ed   lo o p   s y s te m ,   a  co n tr o ller   d esig n ed   f o r   th is   lo w   o r d er   r ed u ce d   m o d el,   w il l a l s o   s tab il ize  t h e  o r i g in a l  h ig h er   o r d er   s y s te m .   Hen ce ,   f r o m   t h e  la s t  th r ee   d ec ad es,  m o d el  o r d er   r ed u ctio n   o f   t h e  h ig h er   o r d er   s y s te m   i s   an   i m p o r tan t  a s p ec t  f o r   r ese ar ch er s .   Fo r   th i s   r ea s o n ,   m a n y   m et h o d s   ar e  a v ailab le  f o r   lo w er   o r d er   m o d els  w h ich   ar e  ex p ec ted   to   ap p r o x im a te  t h e   p er f o r m a n ce   o f   a   h ig h er   o r d er   o f   li n ea r   t i m e   i n v ar ia n t  s y s t e m .   Var io u s   m o d el  o r d er   tech n iq u e s   h av e   b ee n   p r o p o s ed   f o r   th e  o r d e r   r e d u ctio n   o f   h i g h er   o r d er   co n t in u o u s   ti m e  as  w ell  as  d is cr ete – ti m e   s y s te m s .   Am o n g   th ese   m et h o d s ,   t h e  f a m iliar   an d   i m p o r ta n t  m et h o d s   ar e  d is cu s s ed   h er e.   An   a g g r eg at io n   m eth o d   w a s  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   o f ro b u s t c o n tr o ller   fo r   h ig h er o r d er in terva l sys tem  u s in g   d if feren tia l …   ( D.   S r in iva s a R a o )   233   p r o p o s ed   co n tr o l  th e  lar g e  s ca le  d y n a m ic  s y s te m   [ 1 ] .   P ad e   a p p r o x im a te  m et h o d   [ 2 ]   h as  v e r y   u s e f u l  f ea t u r e s   f o r   r esear ch   d u e  to   b ein g   co m p u tatio n all y   s i m p le.   B u t  t h e  a p p r o x im a n t  o b tai n ed   b y   t h is   m et h o d   o f ten   lead s   to   b e  u n s tab le  ev e n   t h o u g h   t h e  o r ig in al  s y s te m   i s   s tab le.   I n   v ie w   to   co n q u er   t h e  p r o b lem   o f   s tab ili t y ,   t h e   R o u t h   ap p r o x i m a tio n   m et h o d   [ 3 ]   w as  i n tr o d u ce d .   B u t,  t h e  R o u t h   ap p r o x i m a tio n   m et h o d   f ails   to   g iv e  w el l   ap p r o x im a te  at  th e   lo w   f r eq u en c y   lev e l  o f   t h e  h ig h er - o r d er   s y s te m .   Se v er al  m et h o d s   [ 4 ] - [7 ]   h av e   b ee n   g iv e n   to   i m p r o v e  t h e  R o u t h   a p p r o x im a tio n   m eth o d   f o r   o b tain i n g   a  r ed u ce d   o r d er   m o d el.   A ll  t h ese  m et h o d s   ar e  av ailab le  f o r   s y s te m s   w it h   f i x ed   co ef f icien ts   o n l y .   Ho w e v er ,   m a n y   co n tr o l  en g i n ee r in g   p r o b le m s   li k e   f le x ib le  m an ip u lato r   s y s te m   o r   n u clea r   r ea cto r   s y s te m   r ep r esen ted   b y   t h eir   m ath e m atica l  m o d el   in   a  w id e   r an g e  o f   u n k n o w n   o p er atin g   co n d itio n s   ar e  b o u n d   u n d er   a  ce r tain   a m o u n t  o f   u n ce r tain t y .   T h ese  u n ce r tai n   p ar am eter s   ca n   b e  r ep r esen te d   b y   b o u n d ed   in ter v a l.  T h is   m o tiv a tes  r esear c h er s   f o r   an   i n v e n tio n   o f   t h e   class ical   tech n iq u es  f o r   i n ter v al  s y s te m s ,   o r   e v en   f o r   m o r e  g e n er al  u n ce r tai n   s y s te m s .   Sin ce   last   d ec ad e,   m u c h   ef f o r t  h as   b ee n   m ad e  i n   t h e  d es ig n ,   s i m u la tio n   an d   co n tr o l  o f   p la n ts   w it h   p ar a m etr ic  u n ce r tai n t y .   Un f o r tu n atel y ,   th er e  ar e  f e w   m e t h o d s   av ailab le  i n   t h e  li ter atu r e  f o r   t h e  d esi g n   o f   p lan ts   w i th   p ar a m etr ic   u n ce r tai n t y   t h r o u g h   m o d el  o r d er   r ed u ctio n   i n   t h e  e n tire   r a n g e   o f   o p er atio n .   So m e  o f   t h e  m o d el  r ed u ctio n   m et h o d s   f o r   f i x ed   co - ef f icie n ts   m en t io n ed   ab o v e   ar e  ex t en d ed   to   o r d er   th e  r ed u c tio n   o f   h i g h er   o r d er   in ter v a l  s y s te m s   th r o u g h   i n te r v al  ar it h m etic  to   d er iv e  lo w er   o r d er   ap p r o x i m ate s .   R o u t h   ap p r o x i m atio n   tech n iq u e  [ 8 ]   b ased   o n   th e   d ir ec t  tr u n ca tio n   o f   t h e  R o u th   tab le  f o r   in ter v al  s y s te m s   u s i n g   i n ter v al  ar i th m eti c   an d   ex ten d i n g   th e  R o u th - P ad e  ap p r o x i m atio n   r ed u ctio n   te ch n iq u e  [ 4 ]   to   th e  in ter v al  s y s te m .   H w an g   et   al. , [ 9 ]   p o in ted   o u t  th at  t h is   m eth o d   h as  s o m eti m e s   f ailed   to   g en er ate  s tab le  r ed u ce d   o r d e r   in ter v al  m o d els   f o r   s tab le  o r ig in al  s y s te m s .   T o   im p r o v e  t h e  ef f ec ti v en e s s   o f       o r d er   r e d u ctio n   o f   in ter v al  s y s te m s ,   m a n y   m i x ed   m et h o d s   ar e  p r o p o s ed   in   [ 1 0 ] - [ 1 2 ] .   T h e  s tab ilit y   a n al y s i s   o f   in ter v al  p o l y n o m ia l  w a s   p r esen ted   in   [ 1 3 ]   u s in g   H u r w itz  p o l y n o m ia l.   I n   th e  ar ea   o f   co n tr o l  en g i n ee r in g ,   a  v er y   le s s   w o r k   h a s   b ee n   m ad e  i n   t h e  d esi g n   o f   co n tr o ller   f o r   h ig h er   o r d er   s y s te m s   u s in g   m o d el  o r d er   r e d u ctio n   tec h n iq u e.   Hen ce ,   it   is   e s s e n tial   f o r   r es ea r ch er s   to   d esi g n   a  co n tr o ller   f o r   th e  h i g h er   o r d er   s y s te m   t h r o u g h   t h e  r ed u ce d   o r d er   m o d el.   Her e  f e w   m et h o d s   ar e  in tr o d u ce d   in   t h e  d esi g n   o f   co n tr o ller s   wh ich   ar e  a v ailab le  i n   t h e  liter a tu r e.   Fro m   L o w er   o r d er   g en er alize d   ag g r e g ated   m o d el   [ 1 4 ] ,   a  s tab ilizin g   co n tr o ller   is   d esi g n ed   f o r   t h e  r ed u c ed   o r d er   m o d el,   if   ap p lied   to   its   o r ig i n al  h i g h e r   o r d er   s y s te m ;  it  d o es  n o t  al wa y s   g u ar an tee   t h e  s tab ilit y   o f   its   clo s ed   lo o p   s y s te m .   A  lo w er   o r d er   co n tr o l  tech n iq u e  p r o p o s ed   [ 1 5 ]   u s in g   a  m o d el  o r d er   r ed u ctio n   o f   an   o p ti m al  clo s ed   lo o p   s y s te m .   B u t  f r o m   th is   co n tr o l  tech n iq u e,   th e   h ig h er   o r d er   s y s te m   s tab ilit y   n o t  r etain ed   f o r   a  s tab le   o r ig i n al  s y s te m .   Mo s t  o f   r esear ch   w o r k   h as  ca r r ied   o u t  in   th i s   d ir ec tio n   an d   a  f e w   m e th o d s   ar e  av ailab le.   A   co n tr o ll er   s ch e m e  [ 1 6 ]   is   p r o p o s ed ,   w h ic h   is   r estricte d   t o   p ar ticu lar   Dav is o n   r ed u ce d   o r d er   m o d el  o n l y   an d   r eq u ir es   th e  s y s te m   s tate s   to   b e  av ailab le  f o r   f ee d b ac k .   C er tain   s tab ilit y   co n d itio n s   ar e  m en tio n ed   i n   [ 1 7 ]   th at  th e  c o n tr o ller   d esig n ed   is   n o t  o n l y   s tab ilizes   t h e  r ed u ce d   o r d er   m o d el  b u t   also   s tab ilizes  t h e  o r i g i n al  h i g h er   o r d er   s y s te m .   He  a ls o   s h o w ed   th a t  th e  ap p r o x i m ate  in cl u s io n   o f   a n y   u n s tab le  r ea l   m o d es  o f   t h e  h ig h er   o r d er   s y s te m   in   t h e  lo w er   o r d er   m o d el  w il l  r etai n   t h e  e x is te n ce   o f   s u c h   s i m u ltan eo u s   s tab il izin g   co n tr o ller .   A   s p ec ial  ca r e  f o r   an y   m o d el  r ed u c tio n   s c h e m e  [ 1 8 ]   h as  ta k e n   to   o b tain   s tab iliz in g   co n tr o ller s   f r o m   a  r ed u ce d   o r d er   m o d el.   I n   t h e   d ir ec tio n   o f   A r n o   L in n e m an n ,   a  d o m in a n t  p o le  r ete n tio n   tec h n iq u e  [ 1 9 ]   is   p r esen ted   in   a   co n tr o ller   d esig n   f o r   co n ti n u o u s   ti m e  s y s te m s   t h r o u g h   r ed u ce d   o r d er   m o d el.   A ll   t h ese  a v ailab le  m et h o d s   a r e  u s ed   o n l y   f o r   f i x ed   co ef f ic ien t s   o f   a  p o l y n o m ial/ s y s te m .   I n   co n tr o l  en g i n ee r i n g   ap p lic atio n s ,   tu n i n g   o f   P I ,   PID   an d   lag /lead   co n tr o ller s   h a v e  b ee n   w id el y   u s ed   in   in d u s tr ies  f o r   s ev er al   d ec ad es.  Ho w e v er ,   m a n y   i m p o r tan t  r esu lt s   h a v e  b ee n   r ec en tl y   r ep o r ted   o n   co m p u tatio n   o f   all  s tab ilizi n g   P ,   PI  an d   P I D  c o n tr o ller s   in   [ 2 0 ] - [ 2 2 ] .   T h ese  co n tr o ller s   a r e  w id el y   u s ed   i n   v ar io u s   p r o ce s s   co n tr o l  ap p licatio n s .   T h e  co n tr o ller   p er f o r m an ce   w a s   co m p ar ed   b ased   o n   s ettli n g   ti m e,   p er ce n t  o f   o v er s h o o t  an d   s tab ilit y   an al y s is   o f   a  g iv e n   s y s te m   w it h   f i x ed   co ef f icie n t s .   B u t ,   m an y   co n tr o l   en g i n ee r i n g   p r o b le m s   r e p r ese n ted   b y   th eir   m at h e m a tical  m o d el  i n   a  w id e  r an g e  o f   u n k n o w n   o p er atin g   co n d itio n s   ar e  b o u n d   u n d er   a  ce r tain   a m o u n t  o f   u n ce r tain t y .   T h e  lar g e  u n ce r ta in t y   p r es en t  in   t h e  co n tr o l   s y s te m   ca u s e s   d eg r ad atio n   o f   s y s te m   p er f o r m an ce   a n d   d esta b ilizatio n .   T h e  m o d el  is   k n o w n   ap p r o x i m atel y   an d   h e n ce   it  i s   n ec es s ar y   to   in co r p o r ate  th e  r o b u s t   i n   d esi g n .   T h er ef o r e,   r o b u s t  co n tr o l   p r esen t  in   th e s e   u n ce r tai n tie s   is   v er y   i m p o r ta n t  f o r   p lan t  o p er atio n   u n d er   s tab ilized   co n d itio n .   T h is   n ec ess itated   a  r o b u s t   co n tr o ller   d esig n   w h ic h   co u ld   s tab ilize  t h e  p la n t  f o r   all  t h e  o p er atin g   co n d itio n s .   Hen ce   d esig n i n g   a  r o b u s t   co n tr o ller   f o r   p ar am etr ic  u n ce r tain   p lan t s   h a v i n g   u n k n o w n ,   b u t  b o u n d ed   p ar am e ter   u n ce r tai n tie s   h a s   b ec o m e  t h e  p r o b lem   o f   r esea r ch   n o w ad a y s .   T o   m i n i m ize  th e  s tated   u n ce r tai n ties ,   m a n y   s o lu tio n s   w er e   p r o p o s ed   in   th e   liter at u r e  f o r   t h e  s i m u latio n ,   d esi g n   a n d   t u n i n g   o f   co n tr o ller s   [ 2 3 ] - [ 2 4 ] .   R e ce n tl y ,   af f o r d ab le   r esu lt s   h a v e  b ee n   r ep o r ted   o n   co m p u tatio n   o f   all  s tab ilizi n g   P ,   PI  an d   P I D  co n tr o ller s .   T h er ef o r e,   af ter   th e   r en o w n ed   t h eo r e m   o f   Kh ar ito n o v   [ 1 3 ] ,   th e  s tab ilit y   an al y s i s   o f   p o l y n o m ials   d u e  to   p ar am eter   u n ce r tai n t y   h as  a n   i m p o r tan t  asp ec ts   o f   r esear ch er s .   A s   p er   Kh ar i to n o v ,   th e  in ter v al  p o l y n o m ial  w h ic h   ass e s s e s   r o b u s t   s tab ilit y   co n d itio n s   t h at  f o u r   s p ec iall y   co n s tr u cted   ex tr e m e   p o ly n o m ial s   ar e  Hu r w itz.   R o b u s t  s tab ilit y   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I J R A ,  Vo l.  7 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8 :   2 3 2   –   2 5 0   234   in ter v a l  p o l y n o m ial   is   also   d is cu s s ed   b y   m a n y   r esear ch e r s ' .   I n   [ 2 5 ] ,   n ec ess ar y   a n d   s u f f icie n t   s tab ilit y   co n d itio n s   f o r   in ter v a l p o l y n o m ial s   ar e  p r o p o s ed   u s in g   t h e  r esu lt s   o f   [ 2 6 ]   f o r   f ix ed   p o l y n o m i al s .   I n   th i s   p ap er ,   m o d el  o r d er   r e d u ctio n   o f   in ter v al  s y s te m s   i s   ca r r ied   o u t  b y   u s in g   t h e  K h a r ito n o v ‟ s   p o ly n o m ia l  [ 1 3 ]   an d   d i f f er en tial  e v o lu tio n   [ 2 7 ]   u s in g   th e   I SE  m et h o d .   T h e  n u m er ato r   an d   d en o m in a to r   p o ly n o m ia ls   o f   th e  r ed u ce d   m o d el  ar e  o b tain ed   b y   m i n i m izi n g   i n te g r al  s q u ar ed   er r o r   b et w ee n   th e  tr a n s ie n t   r esp o n s e  o f   t h e  o r ig in al  h i g h er   o r d er   s y s te m   a n d   t h e  r ed u ce d   o r d er   m o d el  p er tain in g   to   a  u n it  s tep   in p u t.  T h u s ,   th e  s tab il it y   i s   g u ar an te ed   f o r   th e  r ed u ce d   o r d er   s y s te m   if   t h e  o r ig i n al  h ig h er   o r d er   s y s te m   i s   s tab le   an d   th e  r esp o n s e s   m atc h i n g   b et w ee n   o r ig in a l  h i g h er   o r d er   s y s te m   an d   th e  r ed u ce d   o r d er   m o d el.   T h en   a  P I /PID  co n tr o ller   is   d esig n ed   f o r   r ed u ce d   lo w er   o r d er   in ter v al  p r o ce s s   p lan t  b ased   o n   t h e  n ec e s s ar y   a n d   s u f f icie n t  s tab ilit y   co n d itio n s   [ 2 8 ] .   T h e s e  co n d itio n s   ar e  u s ed   to   d e r iv e  a  s et  o f   in eq u alities   in   ter m s   o f   co n tr o ller   p ar am eter s .   T h e  in eq u alit y   co n s tr ai n ts   i n   t h e  p o ly n o m ial  ar e  s o l v ed   co n s eq u e n tl y   to   o b tain   th e   co n tr o ller   p ar a m eter s   w it h   t h e  h elp   o f   DE .   T h e  P I /P I D  co n tr o ller s   d esi g n ed   i n   t h i s   p r o p o s ed   m et h o d   n o t   o n l y   s tab ilizes   th e  r ed u ce d   o r d er   m o d el,   b u t  al s o   th e  o r i g in al  h i g h er   o r d er   s y s te m .   T h e  ef f icac y   o f   t h e   p r o p o s ed   m et h o d   is   d em o n s t r ated   b y   i m p le m en tin g   w it h   a  ty p ical  n u m er ical  ex a m p le   av ailab le  in   th e   liter atu r e.   I n   co m p ar is o n   w it h   th e   m eth o d s   a v ailab le  i n   th e  l i ter atu r e  [ 2 3 ] ,   th e  p r o p o s ed   m e th o d   in   t h is   p ap er   is   s i m p le   an d   i n v o lv e s   le s s   c o m p u tatio n al  co m p le x it y . T h is   p ap er   is   o r g a n ized   as  f o llo ws:   Sect io n   2   g i v e s   r o b u s t  o f   s tab ilit y   co n d itio n s   o f   i n ter v al   p o l y n o m ial.   Secti o n   3   p r esen t s   t h e  p r o b le m   f o r m u la tio n   a n d   t h e   p r o p o s ed   o r d e r   r ed u ctio n   alg o r ith m .   Sectio n   4   p r o p o s es  th e  d esig n   p r o ce d u r e  f o r   r o b u s t  s t ab ilizin g   P I /P I D   co n tr o ller   in   s ec tio n   5   p r o p o s ed   m e th o d   is   ap p lied   to   d esig n   a  r o b u s t  P I /P I D  co n tr o ller   f o r   h i g h er   o r d er   in ter v a l p r o c ess   p lan t  w it h   a  s u itab le  n u m er ical  ex a m p le  an d   th e  f i n al  co n cl u s io n   is   g i v en   in   s ec tio n   6 .       2.   RO B UST   ST AB I L I T Y  CO NDIT I O NS O F   I N T E RVA L   P O L YNO M I AL     C o n s id er   an   in ter v al  p o l y n o m i al  „ P ( s ) ‟   o f   o r d er   n   o f   th e  f o r m   g iv e n   b elo w .     , p s p ... s p ... s p s p ) s ( P 0 1 i i 1 n 1 n n n     W h er e  ] b , a [ p i i i f o r     . n ,....., 3 , 2 , 1 , 0 i   A cc o r d in g   to   An d er s o n ,   J u r y   an d   Ma n s o u r   [ 2 9 ]   th e  n ec e s s ar y   an d   s u f f icie n t  co n d itio n   f o r   r o b u s t  s tab ilit y   o f   in ter v al  p o ly n o m i als  o f   o r d er   3 n   is   p o s itiv e  lo w er   b o u n d s   o n   th e  co ef f icien ts   o f   a n   in ter v al   p o ly n o m ia l.T h er ef o r e,   co n s id er   an   in ter v a l p o l y n o m ial  o f   o r d er   n =1     ]. b , a [ p w h e r e , s p ) s ( P i i i i 1 0 i i     ]. b , a [ s ] b , a [ p s p ) s ( P 0 0 1 1 0 1     T h er ef o r e,   as p er   A n d er s o n   et  al. ,   [ 2 9 ] ,   th e  r o b u s t stab ilit y   co n d itio n   i s     0 a a n d 0 a 0 1 i.e .   0 a i   f o r   i=0 , 1 .     Si m i lar l y   f o r   o r d er   n =2     ]. b , a [ s ] b , a [ s ] b , a [ p s p s p s p ) s ( P 0 0 1 1 2 2 2 0 1 2 2 i 2 0 i i     T h er ef o r e,   th e  r o b u s t stab ilit y   co n d itio n   is     0 a , 0 a 1 2 an d   0 a 0   i.e .   0 a i   f o r   i = 0 , 1 , 2 .     L e mm a   2 . 1   C o n s id er   a  r ea l H u r w itz  p o l y n o m ial  Q( s )   o f   th e  f o r m   ( 1 )     0 1 i i 1 n 1 n n q s q .... s q ... s q s q n Q ( s )   ( 1 )     n ,... .... , 2 , 1 , 0 i     W h er e i q is   r ea l a n d   p o s itiv e,   0 q 0 .   I f   an y   co m p lex   n u m b er   Z   s u c h   th at  , ) z ( f ) z ( f , 0 R e m o r eo v er , , ) z ( f ) z ( f C on z C on z w h er e  C   i s   a  C lo s ed   co n to u r ,   th e n ,   ac co r d in g   to   R o u th e ‟ s   th eo r e m   [ 2 8 ]   th e  f o llo win g   t w o   p o l y n o m ials   ca n   b e  f o r m u la ted   (2 - 3) .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   o f ro b u s t c o n tr o ller   fo r   h ig h er o r d er in terva l sys tem  u s in g   d if feren tia l …   ( D.   S r in iva s a R a o )   235   x s 0 2 ] ) s ( Q ) s ( Q [ 2 1 Q   ( 2 )     x s 1 2 ] ) s ( Q ) s ( Q [ s 2 1 Q   ( 3 )     T heo re m   2 . 1 :Fo r   s tab ilit y   o f   ) s ( Q th e  t w o   p o l y n o m ia ls   0 Q   an d   1 Q f o r m ed   b y   th e  alter n ate   co ef f icie n t s   o f   a  Hu r w i tz  p o ly n o m ial  i n   ac co r d an ce   w it h   eq u atio n s   ( 2 )   an d   ( 3 )   m u s t  h av e  n e g ati v e  r ea l  ze r o s .   T h e  p r o o f   o f   th is   is   g i v e n   in   [ 2 8 ] .     2 . 1 .   Nec ess a ry   co nd it io ns   f o r  t he  s t a bil it y   o f   a n inte rv a l po l y no m ia l s   C o n s id er   an   in ter v al  p o l y n o m i al  o f   o r d er   n   >  3   o f   th e  f o r m   ( 4 )     , p s p ... s p ... s p s p ) s ( P 0 1 i i 1 n 1 n n n   ( 4 )     W h er e  ] b , a [ p i i i f o r     . n ,....., 3 , 2 , 1 , 0 i   T h e  n ec ess ar y   co n d it io n s   f o r   an   in ter v al  p o l y n o m ia l to   b e  s tab le  is   g i v en   as  ( 5 )     0 a b i i f o r . n ,......, 3 , 2 , 1 , 0 i   ( 5 )     2 . 2 .   Su f f icient   co nd it io ns   f o r  s t a bil it y   o f   inte rv a l po ly no m ia l  f o r  n > 3     A   r ea l c o ef f icie n t i n ter v al  p o l y n o m ial  o f   d e g r ee   n   is   o f   t h e  f o r m   ( 6 )     0 1 1 n 1 n n n p s p ...... s p s p ) s ( P   ( 6 )     W h er e 4 n ,      ] b , a [ p ] , . . . . . . , b , a [ p ], b , a [ p ], b , a [ p ], b , a [ p n n n 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0     T heo re m   2 . 2 :  A   r ea l  co ef f icie n t  i n ter v al   p o l y n o m ial  o f   d eg r ee 4 n   g i v en   i n   eq u atio n   ( 6 )   is   s ai d   to   b e  r o b u s tl y   s tab le  i f   an d   o n l y   i f   t h e  f o llo w in g   co n d itio n s   ar e  s ati s f ied .   T h er ef o r e,   th e  n ec es s ar y   a n d   s u f f icie n t  co n d itio n s   f o r   s tab ilit y   o f   in ter v al  p o l y n o m ial s   o f   o r d e r   3 n ar e  d er iv ed   f r o m   [ 2 8 ]   an d   th e y   ar e  p r esen ted   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   R o b u s t Stab ilit y   co n d itio n s   f o r   v ar io u s   h i g h er   o r d er   in ter v a l p o l y n o m ials   Order   o f   t h e P o ly n om ial   Ne c e s s ar y  Con d i t i on s   S u f f icie n t   c on d it i on s   3   0 a n 0 i   Where  i  =   0, 1, 2 , 3.   2 0 2 1 b b 3 a   4   0 a n 0 i   Where  i  =   0,   1 , 2, 3, 4 .   4 0 2 2 b b 4 a   a n d   . 0 b a 3 1   5   0 a n 0 i   Where  i  =   0,   1 , . . 4,   5 .   4 0 2 2 b b 4 a a n d 5 1 2 3 b b 4 a   6   0 a n 0 i   Where  i  =   0,   1 , . ,   5, 6 .     4 0 2 2 b b 3 a a n d . b b 4 a 5 1 2 3   7   0 a n 0 i   Where  i  =   0,   1 , . ,   6,   .   4 0 2 2 b b 3 a a n d 5 1 2 3 b b 3 a .   8   0 a n 0 i   Where  i  =   0,   1 , , . . ,   7, 8 .   , b b 3 a 5 1 2 3 8 0 2 4 a a 4 b a n d 0 b a 6 2 .   9   0 a n 0 i   Where  i  =   01, , . . , 8, 9.   8 0 2 4 a a 4 b 9 1 2 5 a a 4 b , 0 b a 6 2 a n d   0 b a 7 3   10   0 a n 0 i   Where  i  = ,   1,   9,   10.   8 0 2 4 a a 4 b   ,  9 1 2 5 a a 4 b ,  10 2 2 6 a a 4 b a n d     0 b a 7 3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I J R A ,  Vo l.  7 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8 :   2 3 2   –   2 5 0   236   3.   P ro po s ed  o rder   re du ct io n a lg o rit h m   3 . 1   P ro ble m   f o r m u la t io n   C o n s id er   a  h ig h er   o r d er   co n tin u o u s   t i m e  i n ter v al  s y s te m   g iv e n   b y   t h e  tr an s f er   f u n ctio n   ( 7 ) :     n n n 1 1 0 0 m m m 1 1 0 0 s ] D , D [ . . . . . . s ] D , D [ ] D , D [ s ] C , C [ . . . . . . . s ] C , C [ ] C , C [ ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G n m   ( 7 )     W h er e  ] C , C [ i i f o r   m ,...., 2 , 1 , 0 i ar e  n u m er ato r   co ef f icien ts   o f   ) D , C , s ( G w i t h i C an d   i C   as   lo w e r   an d   u p p er   b o u n d s   o f   i n ter v a l  ] C , C [ i i   r esp ec ti v el y ,   an d   ] D , D [ i i f o r   n ,.. . ., 2 , 1 , 0 i ar e  d en o m i n a to r   co ef f icie n t s   o f   ) D , C , s ( G w it h   i D an d   i D   as lo w er   a n d   u p p er   b o u n d s   o f   i n ter v al  ] D , D [ i i   r esp ec tiv el y .   I t  is   d esire d   to   s y n t h esize  a  r o b u s t  co n tr o ller   f o r   th is   h ig h er   o r d er   in ter v al  p lan t.  T h is   ca n   b e   ac h iev ed   b y   ap p r o x i m ate  t h e   h ig h er   o r d er   p lan t  in to   th e  r ed u ce d   o r d e r   m o d el  u s i n g   th e  p r o p o s ed   m o d el  o r d er   r e d u ctio n   al g o r ith m   a n d   a  P I /P I D  r o b u s t  co n tr o ller   is   d esi g n ed   f o r   th e   r ed u ce d   o r d er   m o d el  u s in g   t h e   p r o p o s ed   alg o r ith m   g i v en   i n   s ec tio n   4 .   Fin al l y   t h e  d esig n ed   co n tr o ller   is   attr ib u ted   to   th e  h i g h er   o r d er   s y s te m   f o r   r o b u s t stab ilit y .   T h e  k th   o r d er   r ed u ce d   in ter v al  m o d el  i s   o b tain ed   f r o m   o u r   p r o p o s ed   m et h o d   is   g i v en   a s   ( 8 )     k k k 1 1 0 0 1 k 1 k 1 k 1 1 0 0 k s ] d , d [ . . . . . . s ] d , d [ ] d , d [ s ] c , c [ . . . . . . . s ] c , c [ ] c , c [ ) d , s ( D ) c , s ( N ) d , c , s ( G   ( 8 )     W h er e  ] c , c [ i i f o r   1 k ,...., 2 , 1 , 0 i ar e  n u m er ato r   co ef f icie n ts   o f   ) d , c , s ( G w i th i c an d   i c   as  lo w er   an d   u p p er   b o u n d s   o f   i n ter v al   ] c , c [ i i   r esp ec tiv el y ,   an d   ] d , d [ i i f o r   k , . . . . , 2 , 1 , 0 i ar e  d en o m in a t o r   co ef f icie n ts   o f   ) d , c , s ( G w it h   i d an d   i d   as lo w er   a n d   u p p er   b o u n d s   o f   i n ter v al  ] d , d [ i i   r esp ec tiv el y .     3. 2 . O rder   Reduct io n O f   I nte rv a l Sy s t e m   A cc o r d in g   to   th e  Kh ar ito n o v ‟ s   t h eo r e m ,   th e  in ter v al  s y s te m   ca n   b e  r ep r esen ted   in to   f o u r   f i x ed   p ar am eter   K h ar ito n o v   tr an s f er   f u n ctio n s .   T h e y   ar e  g i v en   a s   (9 - 12) :     n n 2 2 1 0 m m 2 2 1 0 1 1 1 s D . . . . . . . s D s D D s C . . . . . . . . . . s C s C C ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G   (9 )     n n 2 2 1 0 m m 2 2 1 0 2 2 2 s D . . . . . . . s D s D D s C . . . . . . . . . . s C s C C ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G   ( 10 )     n n 2 2 1 0 m m 2 2 1 0 3 3 3 s D . . . . . . . s D s D D s C . . . . . . . . . . s C s C C ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G   (1 1 )     n n 2 2 1 0 m m 2 2 1 0 4 4 4 s D . . . . . . . s D s D D s C . . . . . . . . . . s C s C C ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G   ( 1 2 )     T h e  ab o v e  f o u r   Kh ar ito n o v ‟ s   t r an s f er   f u n ct io n s   ar e,   in   g e n er al  r ep r esen ted   as   ( 1 3 )     ) D , s ( D ) C , s ( N ) D , C , s ( G i i i f o r   i=1 , 2 , 3 , 4   ( 1 3 )     T h ese  h i g h er   o r d er   f o u r   f i x ed   p ar am eter   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n ct io n s   ar e  ap p r o x i m ated   in to   th e   r ed u ce d   o r d e r   m o d el  u s i n g   f o llo w i n g   p r o ce d u r e. L et  th e  f o u r   f ix ed   p ar a m eter   r ed u ce d   o r d er   m o d els  o f   t h e   ab o v e  eq u atio n s   ( 9 - 1 3 )   o b tain ed   b y   th e  p r o p o s ed   m eth o d   ar e  d ef in ed   as  ( 1 4 - 17)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   o f ro b u s t c o n tr o ller   fo r   h ig h er o r d er in terva l sys tem  u s in g   d if feren tia l …   ( D.   S r in iva s a R a o )   237   k k 2 2 1 0 1 k 1 k 2 2 1 0 1 r 1 r 1 k s d . . . . . . . s d s d d s c . . . . . . . . . . s c s c c ) d , s ( d ) c , s ( n ) d , c , s ( G   ( 1 4 )     k k 2 2 1 0 1 k 1 k 2 2 1 0 2 r 2 r 2 k s d . . . . . . . s d s d d s c . . . . . . . . . . s c s c c ) d , s ( d ) c , s ( n ) d , c , s ( G   ( 1 5 )     k k 2 2 1 0 1 k 1 k 2 2 1 0 3 r 3 r 3 k s d . . . . . . . s d s d d s c . . . . . . . . . . s c s c c ) d , s ( d ) c , s ( n ) d , c , s ( G   ( 1 6 )     k k 2 2 1 0 1 k 1 k 2 2 1 0 4 r 4 r 4 k s d . . . . . . . s d s d d s c . . . . . . . . . . s c s c c ) d , s ( d ) c , s ( n ) d , c , s ( G   ( 1 7 )     T h e  ab o v e  Fo u r   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n c tio n s   ar e,   i n   g e n er al  r ep r esen ted   as   ( 1 8 ) :     ) d , s ( d ) c , s ( n ) d , c , s ( G i k i k i k Fo r   i=1 ,   2 ,   3 , 4 .   ( 1 8 )     I n   th is   w o r k ,   t h e  n u m er ato r   a n d   d en o m i n ato r   co ef f icie n ts   o f   th e  r ed u ce d   m o d el  ar e  o b tain ed   b y   m i n i m izi n g   th e   o b j ec tiv e  f u n c tio n   ‟ J „ ,   w h ic h   i s   t h e  er r o r   b etw ee n   t h e  o r ig in al   h ig h er   o r d er   s y s te m   a n d   th e   r ed u ce d   o r d e r   s y s te m .   T h er ef o r e,   it is   r ep r esen ted   in   th e  f o r m   ( 1 9 ) :     dt )) t ( y ) t ( y ( J 0 2 k   ( 1 9 )     Ma th e m atica ll y   t h e   I n te g r al  S q u ar e  er r o r   ca n   b e  r ep r esen ted   as   ( 2 0 )   2 M 0 k )] t ( y ) t ( y [ J   ( 2 0 )     W h er e,   y   ( t)   i s   t h e  u n it  s te p   r e s p o n s e  o f   h ig h er   o r d er   an d   y k   ( t)   is   t h e  u n it  s tep   r es p o n s e   lo w er   o r d er   s y s te m   at  t h e   in s ta n t  i n   th e  ti m e  in ter v al  0   ≤   t  ≤   M,   w h er e  M  is   to   b e   ch o s en .   T h e  o b j ec t iv e  is   to   o b tain   a  r ed u ce d   o r d e r   m o d el,   w h ic h   i s   clo s el y   ap p r o x i m ate  o r ig i n al   s y s te m .   T h e  o b j ec tiv e  f u n cti o n   is   to   m i n i m iz e   I SE  b y   u s i n g   DE .       3 . 3 .   P ro po s ed  DE   a lg o rit h m   f o r  o rder   re du c t io n   DE   is   a  s to ch as tic,   p o p u latio n   b ased   d ir ec t  s ea r ch   o p ti m iz atio n   al g o r ith m   i n tr o d u ce d   b y   Sto r n   a n d   P r ice  in   1 9 9 7 [ 2 7 ] .   DE   w o r k s   w it h   t w o   p o p u latio n s ;  o ld   g en er atio n   an d   n e w   g e n er a tio n   o f   t h e  s a m e   p o p u latio n .   NP   is   th e  s ize  o f   t h e  p o p u latio n   a n d   it is   ad j u s te d .   T h e  p o p u latio n   co n s i s ts   o f   r ea l v al u ed   v ec to r s   w it h   a  d i m e n s io n   D  th at  eq u als  t h e  n u m b er   o f   d esi g n   p ar a m eter s /co n tr o l  v ar iab les.  T h e  p o p u latio n   i s   r an d o m l y   in i tialized   w it h i n   t h e  in itial  p ar a m eter   b o u n d s .   T h e  th r ee   m ai n   o p er atio n s   c ar r y   o p ti m izatio n  p r o ce s s es  ar e:  m u tatio n ,   cr o s s o v er   an d   s elec tio n .   I n   ea c h   g e n er atio n ,   i n d i v id u al s   o f   t h e  c u r r en t  p o p u lat io n   b ec o m e  tar g et  v ec to r s .   Fo r   ea ch   tar g et  v ec to r ,   th e   m u ta tio n   o p er atio n   p r o d u ce s   a  m u tan t  v ec to r .   T h e   cr o s s o v er   o p er atio n   g en er ate s   a  n e w   v ec to r ,   ca lled   tr ial  v e cto r s ,   b y   m i x i n g   t h e  p ar a m et er s   o f   th e  m u ta n t   v ec to r   w it h   t h o s e  o f   t h e  tar g et   v ec to r .   I f   th e  tr ial  v ec to r   o b tain s   a  b etter   f it n es s   v al u e  t h an   th e  tar g et  v ec to r ,   th en   t h e  tr ial  v ec to r   r ep lace s   th e  tar g et  v ec to r   in   t h e  n e x t g e n er atio n .     3 . 3 . 1 . In it ia liza t io n:   Def i n e  u p p er   an d   lo w er   b o u n d s   f o r   ea ch   p ar a m eter   o f   t h e  r ed u ce d   o r d er   m o d el  ( 2 1 )     , X X X U j 1 , i , j L j   ( 2 1 )     R an d o m l y   s elec t  t h e  i n itial   p ar a m eter   v al u es   u n i f o r m l y   o n   th e  i n ter v a ls ], X , X [ U j L j an d   th e  ele m e n ts   o f   ea c h   in d iv id u al  j 0 , i X ar e  g iv e n   b y   ( 2 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I J R A ,  Vo l.  7 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8 :   2 3 2   –   2 5 0   238   ) X X .( r an d X X j m i n j m a x j m i n j 0 , i   ( 2 2 )     W h er e    i =   1 , 2 , …, N  an d     j =  1 ,   2 , …. . , D.   W h er e  N  is   t h e  p o p u latio n   s iz e,   r an d   ( 0 , 1 )   is   a  r an d o m   n u m b er   u n i f o r m l y   d is tr ib u ted   b etw ee n   0   an d   1 ,   D  i s   th e  n u m b er   o f   co n tr o l v ar ia b le s .     3. 3 . 2 .  M uta t i o n:   Mu tatio n   ex p an d s   t h e  s ea r ch   s p ac e.   DE   u n d er g o es  m u t atio n   o p er atio n   af ter   in itializ atio n .   I n   m u tatio n   o p er atio n ,   it   p r o d u ce s   m u tan t   v ec to r   V i , G,   w it h   r es p ec tiv e  to   ea c h   in d i v id u a l  X i , G,   s o   ca lled   tar g et   v ec to r ,   in   th e  c u r r en t p o p u lat i o n   v ia  m u ta tio n   s tr ateg y   ( 2 3 ) :     ). X X ( F ) X X ( F X V G , 2 r G , 1 r G , i G , b e s t G , i G , i   ( 2 3 )     Fo r   a  g i v en   p ar a m eter   v ec to r   G , i X   t w o   v ec to r s   G , 1 r X   an d   G , 2 r X   ar e  s elec te d   r an d o m l y   s u ch   th a t   th e  in d ice s   r 1 ,   r 2   is   d is tin ct.   T h e  m u tatio n   f ac to r   F is   a  co n s t an t f r o m   [ 0 ,   2 ]   is   ca lled   th e  d o n o r   v ec to r .     3 . 3 . 3 .  Cro s s o v er :   C r o s s o v er   in co r p o r ates  s u cc e s s f u l  s o lu tio n s   f r o m   th e  p r ev io u s   g e n er atio n .   A f ter   m u ta tio n ,   DE   u n d er g o e s   cr o s s o v er .   T h e  tr ial  v ec to r   G , i U   is   d ev elo p ed   f r o m   t h e  e le m en ts   o f   t h e  tar g et  v ec to r , , X G , i   an d   th e  ele m en t s   o f   t h e  d o n o r   v ec t o r ,   : V G , i   ( 2 4 )     o t h e r w i s e X ), j j ( or ) CR ) 1 , 0 ( r a n d ( if v u j g , i r a n d j j G , i j G , i   ( 2 4 )     E le m e n ts   o f   t h e  d o n o r   v ec to r   en ter   th e  tr ial  v ec to r   w i th   p r o b ab ilit y   C R   ( cr o s s   o v er   r ate)   s et   to   [ 0 ; 1 ] .     3. 3 . 4 .   Select io n:   T h e  n e w l y   g e n er ated   v al u es  o f   tr ail  v ec to r s   ex ce ed   t h e  co r r esp o n d in g   u p p er   an d   lo w er   b o u n d s ;  w e   in itial ize  th e m   r an d o m l y   a n d   u n i f o r m l y   w it h in   t h e  p r e - s p ec if ied   r an g e   ( 2 5 ) :     o t h e r w i s e X ), X ( f ) U ( f if U X j g , i G , i j G , i j g , i j G , i   ( 2 5 )     T h e  tr ail  v ec to r   X i, G  is   co m p a r ed   w it h   tr ail   v ec to r   U i, G  a n d   th e  o n e   w it h   lo w e s t  f u n ctio n   v alu e   i s   ad m itted   to   t h e  n e x t  g e n er atio n .   T h er ef o r e  th e   f o u r   k th   o r d er   r ed u ce d   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n ctio n   d en o m i n ato r s   an d   t h e  n u m er ato r s   ar e  o b tain ed   b y   m i n i m izin g   i n teg r al  s q u ar e  er r o r   u s in g   Di f f er e n t ial   E v o lu tio n   A l g o r ith m .     Fin all y   t h e  r ed u ce d   o r d er   in ter v al  m o d el  is   o b tai n ed   b y   t h e  f o llo w i n g   eq u a tio n   ( 2 6 ) :     j ij k 0 j ij j ) ij 1 k 0 j ij i k s )] a m ax ( ), a [ m i n ( s ] b m ax ( ), b [ m i n ( ) d , c , s ( G Fo r   i=1 ,   2 ,   3 , 4 .   ( 2 6 )     Fo r   th is   r ed u ce d   o r d er   m o d el,   a  P I /PID  r o b u s t  co n tr o ller   is   d esig n ed   b ased   o n   th e  m i n i m i za tio n   o f   th e  o b j ec tiv e  f u n ctio n     2 0 I I 2 0 P P ) K K ( ) K K ( J   f o r   P I   co n tr o ller   an d   2 0 D D 2 0 I I 2 0 P P ) K K ( ) K K ( ) K K ( J f o r   P I D  co n tr o ller   u s in g   th e  s a m e  DE   alg o r it h m .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   o f ro b u s t c o n tr o ller   fo r   h ig h er o r d er in terva l sys tem  u s in g   d if feren tia l …   ( D.   S r in iva s a R a o )   239   4.   Desig n P ro ce du re   f o r  Ro bu s t   s t a bil izing   P I /PID  Co ntr o ll er   L et  th e   s tab ilizi n g   co n tr o ller ) s ( G c is   co n s id er ed   to   b e  a  P I /P I D  co n tr o ller   tr an s f er   f u n ct io n   o f   th e   f o r m   g iv e n   b elo w   ( 2 7 - 28) .     ) s ( D ) s ( N s K K ) s ( G c c I P c f o r   P I   co n tr o ller   ( 2 7 )     ) s ( D ) s ( N s K s K K ) s ( G c c D I P c f o r   P I D  co n tr o ller   ( 2 8 )     W h er e  P K =  P r o p o r tio n al  g ain ,   I K =I n teg r al  g ai n   an d   D K d er iv ativ e  g a i n .   No w   t h e  s y s te m   w it h   r o b u s t s t ab ilizin g   co n tr o ller   f o r   p ar am e tr ic  u n ce r tai n t y   is   as  s h o w n   i n   Fig u r e  1.       y + U r e P I D R o b u s t   C o n t r o l l e r + + + P l a n t   G ( s , C , D )     Fig u r e  1 .   B lo ck   d iag r a m   o f   cl o s ed   lo o p   s y s te m   w it h   P I /P I D  co n tr o lle r       T h en   th e  clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n ct io n   w it h   a  P I   / P I D  c o n tr o ller   ca n   b e  d ef in ed   as  ( 2 9 )     ) d , s ( D ) s ( D ) c , s ( N ) s ( N ) c , s ( N ) s ( N ) d , c , s ( G ) s ( G 1 ) d , c , s ( G ) s ( G ) s ( T r c r c r c r c r c   ( 2 9 )     W h er e ) c , s ( N r   an d ) d , s ( D r   ar e  th e  n u m er ato r   an d   d en o m i n ato r   p o l y n o m ial s   o f   th e   r ed u ce d   o r d er   in ter v a l  p la n t, ) s ( N c an d ) s ( D c ar e  th e  n u m er ato r   an d   d en o m i n ato r   p o ly n o m ial s   o f   ) s ( G c   r esp ec tiv el y .   T h i s   P I /PID  co n tr o ller   r o b u s tl y   s tab ilizes  t h e  in ter v al  p la n ts   f a m il y ,   if   f o r   all  C c an d D d ,   th en   t h e   ch ar ac ter is tic   p o l y n o m ial   o f   a  clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n ct i o n   g iv e n   i n   eq u atio n   ( 2 9 )   h as  all   ze r o s   h a v e   n eg at iv e   r ea l  v al u es.  No w   ap p l y   t h e  n ec e s s ar y   an d   s u f f icie n t   co n d itio n s   o f   r o b u s t   s tab ili t y   co n d itio n s   g i v e n   in   T ab le. 1   to   th e  clo s ed - lo o p   ch ar ac ter is tic  p o l y n o m ial ) d , s ( D ) s ( D ) c , s ( N ) s ( N r c r c wh ich   lead s   to   a   s et  o f   co n s tr ain ts   i n   ter m s   o f   co n tr o ller   p ar am eter s .   T h en   t h ese   co n s tr ain t s   ar e  s o lv ed   b y   u s in g   DE   s o   as  to   m i n i m ize  th e  o b j ec tiv e  f u n ctio n 2 0 I I 2 0 P P ) K K ( ) K K ( J f o r   P I   co n tr o ller   an d   2 0 D D 2 0 I I 2 0 P P ) K K ( ) K K ( ) K K ( J f o r   P I D  co n tr o ller   to   o b tain   co n tr o ller   p ar a m eter s .   T h en   a f ter   o b tain in g   th e  co n tr o ller   p ar a m eter s ,   f o r m   f o u r   s ets  o f   K h a r ito n o v ‟ s   p o l y n o m ial s   [ 1 3 ]   to   ch ec k   t h e  s tab ilit y   an d   th e  clo s ed - lo o p   s tep   r esp o n s e  to   v er i f y   th e  r es u lt s .     A p p lica tio n   o f   th e  DE   al g o r ith m   f o r   d eter m i n i n g   t h e  co n tr o ll er   p ar am eter s   i s   as f o llo w s :   Step   1 : I n itializatio n :    Def i n e  u p p er   an d   lo w er   b o u n d s   f o r   ea ch   co n tr o ller   p ar a m eter   o f   th e  P I /P I D  co n tr o ller   ( 3 0 )     , X X X U j 1 , i , j L j   ( 3 0 )     T h e  in itial p ar a m ete r   v al u e s   ar e  r an d o m l y   s e lecte d   u n i f o r m l y   w it h i n   th e  al lo w ab le  r a n g e   ( 3 1 )     ], X , X [ U j L j ) X X .( r an d X X j m i n j m a x j m i n j 0 , i   ( 3 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I J R A ,  Vo l.  7 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8 :   2 3 2   –   2 5 0   240   W h er e  I   =  1 , 2 , …, N  an d     j =   1 ,   2 , DN  is   t h e  p o p u lat io n   s ize,   r an d   ( 0 ;  1 )   is   a   r an d o m   n u m b er   u n i f o r m l y   d i s tr ib u ted   b et w ee n   0   an d   1 ,   D  is   t h e  n u m b er   o f   co n tr o ller   p ar a m eter s .   T h e  m in i m u m   an d   m ax i m u m   v a lu e s   o f   t h e  co n tr o l v ar iab les f o r   P I /P I D  C o n tr o ller   i.e . P K , I K   an d   D K ar e  s elec ted   as     10 K 0 P an d 5 K 0 I f o r   P I   co n tr o ller .     , 10 K 0 P 5 K 0 I an d 5 K 0 D f o r P I D  co n tr o ller .     Step   2 : M u tatio n   DE   u n d er g o es   m u tatio n   o p er atio n   a f ter   i n it ializatio n .   I n   m u tatio n   o p er atio n ,   it   p r o d u ce s   m u tan t   v ec to r   V i, G ,   w it h   r e s p ec tiv e   t o   ea ch   i n d i v i d u al   X i, G ,   s o   ca l led   tar g et  v ec to r ,   i n   t h e  c u r r e n t  p o p u latio n   v ia   m u tatio n   s tr ateg y   ( 3 2 ) :      ). X X ( F ) X X ( F X V G , 2 r G , 1 r G , i G , b e s t G , i G , i   ( 3 2 )     Fo r   a  g iv e n   p ar a m e ter   v ec to r   G , i X   t w o   v ec to r s   G , 1 r X   an d   G , 2 r X   ar e  s elec ted   r an d o m l y   s u ch   th at  th e i n d ices   r 1 ,   r 2   is   d is tin ct.   T h e  m u tatio n   f ac to r   F=1 . 2   is   ch o s en   f r o m   [ 0 ; 2 ]   is   ca lled   th e  d o n o r   v ec to r .     Step   3 : Cro s s o v er   Af ter   m u tatio n ,   DE   u n d er g o es   cr o s s o v er .   T h e  tr ial  v ec to r   G , i U   is   d ev elo p ed   f r o m   t h e  ele m e n ts   o f   th e  t ar g et  v ec to r , , X G , i   an d   th e  ele m en ts   o f   th e  d o n o r   v ec to r   ( 3 3 ) ,  : V G , i     o t h e r w i s e X ), j j ( or ) CR ) 1 , 0 ( r a n d ( if v u j g , i r a n d j j G , i j G , i   ( 3 3 )     E le m e n ts   o f   t h e  d o n o r   v ec to r   en ter   th e  tr ial  v ec to r   w i th   p r o b ab ilit y   C R   =  0 . 6   s et  f r o m   [ 0 ; 1 ] .     Step   4 : Sele ctio n   T h e  n e w l y   g e n er ated   v al u es  o f   tr ail  v ec to r s   e x ce ed   th e  co r r esp o n d in g   u p p er   an d   lo w er   b o u n d s ; we   in itial ize  th e m   r an d o m l y   a n d   u n i f o r m l y   w it h in   t h e  p r e - s p ec if ied   r an g e   ( 3 4 ) :     o t h e r w i s e X ), X ( f ) U ( f if U X j g , i G , i j G , i j g , i j G , i   ( 3 4 )     T h e  tr ail  v ec to r   X i , g   is   co m p a r ed   w it h   tr ail  v ec to r   U i, G   an d   th e  o n e  w ith   lo w es t  f u n ctio n   v alu e  i s   ad m itted   to   th e  n e x t  g e n er atio n .   Fin al l y   t h e  r esu l ts   o f   t h e  b est  p ar am e ter s   o f   a  P I /P I D   co n tr o ller   an d   f itn es s   ar e  o b tain ed       5.   NUM E RICAL   E XAM P L E     C o n s id er   a  w i n g   air cr af t [ 2 3 ]   w h o s e  tr an s f er   f u n ct io n   w it h   p ar a m etr ic  u n ce r ta in t y   i s   g i v e n   ( 3 5 )     ] 1 . 0 , 1 . 0 [ s ] 9 . 33 , 1 . 30 [ s ] 8 . 80 , 4 . 50 [ s ] 6 . 4 , 8 . 2 [ s ] 1 6 6 , 90 [ s ] 74 , 54 [ ) D , C , s ( G 2 3 4   ( 3 5 )     T h e  clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n cti o n   o f   th e  ab o v e  i n ter v al  s y s te m   is   g i v en   b y   ( 3 6 )     ] 1 . 166 9 . 89 [ s ] 9 . 107 1 . 84 [ s ] 8 . 80 4 . 50 [ s ] 6 . 4 8 . 2 [ s ] 1 1 [ ] 166 90 [ s ] 74 54 [ ) s ( T 2 3 4   ( 3 6 )     T h is   h i g h er   o r d er   clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n ctio n   o f   in ter v al  s y s te m   ca n   b e  r ep r esen ted   as  f o u r   f i x ed   p ar am eter   K h ar ito n o v   tr an s f er   f u n ctio n s   t h at  ar e  g i v en   a s   ( 3 7 - 40) :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   o f ro b u s t c o n tr o ller   fo r   h ig h er o r d er in terva l sys tem  u s in g   d if feren tia l …   ( D.   S r in iva s a R a o )   241   9 . 89 s 1 . 84 s 8 . 80 s 6 . 4 s 90 s 54 ) s ( T 2 3 4 1   ( 3 7 )     9 . 89 s 9 . 107 s 8 . 80 s 8 . 2 s 90 s 74 ) s ( T 2 3 4 2   ( 3 8 )     1 . 1 6 6 s 1 . 84 s 4 . 50 s 6 . 4 s 1 6 6 s 54 ) s ( T 2 3 4 3   ( 3 9 )     1 . 166 s 9 . 107 s 4 . 50 s 8 . 2 s 166 s 74 ) s ( T 2 3 4 4   ( 40)     I t  is   d if f ic u lt  to   an al y ze   th e  h ig h er   o r d er   s y s te m ,   b ec au s e  t h e  co s t  a n d   co m p lex i t y   o f   t h e  h ig h er   o r d er   s y s te m   in cr ea s e  w it h   i n cr ea s e  in   o r d er   o f   s y s te m .     T h e  m o d el  o r d er   r ed u ctio n   is   r eq u ir ed   f o r   m i n i m izi n g   t h e  co s t  a n d   co m p lex i t y   o f   th e  h i g h er   o r d er   s y s te m .   T h e  n u m er ato r   an d   d en o m i n ato r   co ef f icie n t s   o f   t h e  r ed u ce d   o r d er   m o d el  ar e  o b tai n ed   b y   m i n i m izi n g   i n teg r al   s q u ar e  er r o r   u s i n g   t h e   p r o ce d u r e  g iv en   i n   s ec tio n   3   an d   ar e  av ailab le  f r o m   t h e  f o llo w i n g   T ab les 2 an d   3 .   T h e  f o u r   r ed u ce d   o r d e r   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n ctio n s   ar e   ( 4 1 - 44) :     7 8 7 7 . 89 s 7 1 3 1 . 81 s 4 3 6 4 . 79 1 5 1 1 . 90 s 4 0 1 4 . 53 T 2 1 k   ( 4 1 )     5 8 2 9 . 89 s 9 3 7 8 . 1 0 4 s 2 5 6 9 . 77 3 0 3 2 . 90 s 2 9 5 2 . 73 T 2 2 k   ( 4 2 )     7 6 5 . 1 6 9 s 80 s 50 9 4 9 4 . 1 6 9 s 9 9 6 5 . 59 T 2 3 k   ( 4 3 )     9 9 9 3 . 169 s 120 s 50 2 6 7 8 . 169 s 9 9 9 4 . 84 T 2 4 k   ( 4 4 )     T h er ef o r e  th e  s tep   r esp o n s es  o f   th e  o r ig i n al  an d   r ed u ce d   o r d er   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n c tio n s   ar e   s h o w n   in   F ig u r e   2 ,   3 ,   4 ,   an d   5   r esp ec tiv el y .       T ab le  2 .   T y p ical  p ar am e ter   u s ed   b y   Di f f er en tial E v o lu t io n   f o r   f o u r   Kh ar ito n o v ‟ s   tr an s f er   f u n ct io n s .   N a me   F i r st   K h a r i t o n o v   S e c o n d   K h a r i t o n o v   T h i r d   K h a r i t o n o v   F o u r t h   K h a r i t o n o v   V a l u e   V a l u e   V a l u e   V a l u e   M i n i m u m   M a x i m u m   M i n i m u m   M a x i m u m   M i n i m u m   M a x i m u m   M i n i m u m   M a x i m u m   P o p u l a t i o n   s i z e   50   20   50   20   CR   0 . 8   0 . 8   0 . 8   0 . 8   F   0 . 5   0 . 5   0 . 5   0 . 5   N u me r a t o r   p a r a me t e r 1   50   60   70   80   50   60   80   90   N u me r a t o r   p a r a me t e r 2   85   95   90   1 0 0   1 6 0   1 7 0   1 7 0   1 8 0   D e n o mi n a t o r   p a r a me t e r 1   70   80   70   80   50   60   50   60   D e n o mi n a t o r   p a r a me t e r 2   80   90   1 0 0   1 1 0   80   90   1 1 0   1 2 0   D e n o mi n a t o r   p a r a me t e r 3   85   95   80   90   80   90   1 1 0   1 2 0   M a x i m u m   G e n e r a t i o n s   1 0 0   1 0 0   1 0 0   1 0 0       T ab le  3 .   C o m p ar is o n   o f   I SE  f o r   f o u r   Kh ar ito n o v   p o l y n o m ia ls .   N a me   o f   p o l y n o mi a l   I S E   M a x i m u m   M i n i m u m   F i r st   K h a r i t o n o v   6 . 6 7 7 * 1 0 - 4   2 . 4 * 1 0 - 3   S e c o n d   K h a r i t o n o v   0 . 0 0 3 1   0 . 0 0 4 8   T h i r d     K h a r i t o n o v   0 . 0 0 7 5   0 . 0 0 8 9   F o u r t h   K h a r i t o n o v   0 . 0 3 4 9   0 . 0 4 2         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.