T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   1 ,  F e br ua r y   2020 ,   pp.   332 ~ 342   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e d  F ir s t  G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I :  10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i1. 12626     332       Jou r n al  h omepage :  ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   R e vi e w  o n   c o n t r ol le r   d e si gn  i n   p n e u m at i c   a c t u at o r   d r iv e   s y st e m       S yam iza  Jam ia n 1 ,   S .   N.   S   S al im 2 ,   M .   N .   Ka m ar u d in 3 ,  M .   Z ain on 4 ,    M.   S.   S ye d   M oh am ad 5 ,   L .   Abd u ll a h 6 ,   M .   A.   M   Han af iah 7     1 ,3 Fak u l t i   K e j u r u t eraa n   E l ek t ri k ,   U n i v er s i t i   T e k n i k al   Ma l ay s i a  Mel a k a,   Mal ay s i a   2 , 4, 7 Fak u l t i   T ek n o l o g i   K ej u ru t eraan   E l ek t ri k   d a n   E l ek t ro n i k ,   U n i v er s i t i   T e k n i k a l   Mal a y s i a  Mel ak a,   Mal a y s i a   5, 6 Fak u l t i   K e j u r u t eraa n   Pemb u at a n ,  U n i v er s i t i   T e k n i k al   Mal ay s i a  Mel a k a,   Mal ay s i a       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT     A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived   M a r   7 ,   2019   R e vis e d  Aug  9 ,   20 19   Ac c e pted  Aug   30 ,   20 19       A   p n e u mat i c  act u at o r  i s   a  d ev i ce  t h at   co n v ert s   co mp re s s ed   ai r  i n t o   mech a n i ca l   en erg y   t o   p erfo rm  v ar i et i es   o f  w o r k .   It   ex h i b i t s   h i g h   n o n l i n ear i t i es   d u e  t o   h i g h   fri ct i o n   fo rce s ,   co mp re s s i b i l i t y   o f  a i r  an d   d ea d   b a n d   o f   t h e  s p o o l   m o v eme n t   w h i ch   i s   d i ff i cu l t   t o   man a g e  a n d   re q u i res   an   a p p r o p r i at e  co n t ro l l er  f o r  b et t er   p erfo rma n ce.   T h e  p u r p o s e  o f  t h i s   s t u d y   i s   t o   rev i ew   t h e  co n t ro l l er  d e s i g n   o f   p n e u mat i c  act u at o r  rec o m men d ed   b y   p re v i o u s   res earc h er s   fro m  t h e   p a s t   y ears .   In i t i a l l y ,   t h e  b a s i c  v i e w s   o f  t h e   p n e u mat i c  w i l l   b e  p res en t ed   i n   t erm s   o f   i n t ro d u c t i o n   t o   t h e  p n e u mat i c  act u a t o r  an d   i t s   ap p l i ca t i o n s   i n   i n d u s t r i es .   A t     t h e  en d   o f  t h i s   rev i e w ,   d i s cu s s i o n s   o n   t h e  d e s i g n   o f  t h e  co n t r o l l ers   w i l l   b e   co n c l u d ed   an d   fu rt h er  res earch   w i l l   b e  p r o p o s e d   al o n g   w i t h   t h e  i mp r o v eme n t   o f  co n t ro l   s t rat e g i e s   i n   t h e  p n eu ma t i c  ac t u a t o r  s y s t em s .   K e y w o r d s :   Ada pti ve   c ontr oll e r     P I D   P ne umatic  a c tuator   S M C   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din g  A u th or :   S ye d  Na ji b  bin   S ye d  S a li m   F a kult i  T e knologi   Ke jur uter a a n  E lektr ik   da n  E lekt r onik   Unive r s it i  T e knikal  M a lays ia  M e laka ,   Ha ng  T ua h  J a ya   76100  Dur ian   T ungga l ,   M e laka ,   M a lays ia   E mail:   s ye dna ji b@utem. e du. my       1.   I NT RODU C T I ON     P ne umatics   is   a n  a s pe c t  of   phys ics   a nd   e nginee r ing   that  us e   ga s   o r   p r e s s ur ize d  a ir   to   make   s omething  move  or   wor k.   I n  pne umatics ,   a   va lve  c ontr ols   the  f low  of   e ne r gy  f r o m  a   pr e s s ur ize d  ga s ,   whic h  is   of ten  ba s ica ll y  c ompr e s s e d  a ir .   T he   de vice   that  c onve r ts   e ne r gy  f r om  the  p r e s s ur ize d  ga s   int o  moveme nt  i s   known  a s   a   pne umatic  a c tuator .   P ne umatic  a c tuator s   a r e   of ten  dr iven  by  e lec tr ic  c ompr e s s or s   a nd  e quipped  to  c r e a te  e it he r   li ne a r   o r   r otar y  mot ion.   F igur e   1  s hows   a   t ypica l  pne umatic  s ys tem.   P ne umatic  s ys tems   a r e   s im il a r   to   hydr a uli c   s ys tems ;  howe ve r ,   the   hydr a uli c   s ys tems   uti li z e   f lui d   to   c ontr ol   moveme nt  a nd   wor k .   T he   pn e umatic  f r a mew or k   s ys tems   a r e   e a s ier   to   outl ine  a nd   les s   dif f icult   to   mana ge   c ompar e d   to   hydr a uli c   s ys tems ,   but     the  hydr a uli c   s ys tems   a r e   e quipped   f o r   gr e a ter   p r e s s ur e :  up  to   10 , 000   P S I   ( pounds   pe r   s qua r e   in c h)   with   hydr a uli c s ,   c ontr a s ted  with  a r ound  100   P S I   with  p ne umatics .   T he   r a pid  de ve lopm e nt   of   a c tuator s   i mpos e s   the  pne umatic  s ys tem  int o  a   mor e   s igni f ica nt  e leme nt  to   be   wide ly  us e d  in  the  r oboti c s   a nd  a utom a ti on  indu s tr y.   A  pne um a ti c   a c tuator   p r opos e s   a   be tt e r   a lt e r na ti ve   than   e lec tr ica l  a nd  hyd r a uli c   a c tuator s   in   a ny   a ppli c a ti on  be c a us e   of   it s   low   im p leme ntation  c os t.   I t  a ls o   pr ovides   the  be ne f it s   of   a   c lea n,   s a f e r   a nd  e a s ier - to - wor k   e n vir onment  [1 - 5] .   T hr ougho ut  the  pne umatic  his tor y,   it   wa s   f ir s t  us e d  in  the  e r a   of   1900s   whe r e   pne umatics   dr i ve s   we r e   us e d  in  the  s hipyar ds   a nd  c on s tr uc ti on  s it e s .   Othe r   a ppli c a ti ons   that  invol ve d   pne umatic  a c tuator s   we r e   in   the   a c ti ve   s us pe ns ion  tec hnology  f o r   ve hicle s   [ 6] ,   in     the  a ir   b r a ke   v a lves   of   he a vy  duty   ve hicle s   [ 7] ,   i n  a   r obot ic  s ys tem  s uc h  a s   I ntelli ge nt   S of t   Ar m   R obot  [ 8] ,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         R e v iew   on  c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  ac tuat or   dr ive   s y s tem   ( Sy amiz a  J amian)   333   c onve ying  s ys tem  [ 9]   a nd  many   mor e .   F o r   the   pa s t  f e w  ye a r s ,   pne umatic   a c tuator   s ys tems   we r e   wide ly  a ppli e d   in  the  f ields   o f   r oboti c s ,   meta ll u r gy  a nd  va r ious   in dus tr ial  pr oc e s s ing  s ys tems .   P ne umatic  a c tuator   be c omes   a n  a uxil iar y  a c tuator   in  a u tom a ted  mate r ial  ha ndli ng  tas ks   due   to  it s   s pe c ial  f e a tur e s   [ 10] .   How e ve r ,   ba s e d  on  the  pne umatic  de mand  f or   good  pe r f or manc e   in   ter ms   of   r o bus tnes s ,   a c c ur a c y,   a nd  s tabili ty,   the  us e d  o f   thes e   a c tu a tor s   be c ome  li mi ted.   P r e vious   r e s e a r c he r s   f ou nd  that    the  r e s e a r c he s   of   thi s   a r e a   we r e   di f f icult   be c a us e   of   the   nonli ne a r it ies   oc c ur r e d   s uc h  a s   h igh   c ompr e s s ibi li ty  o f   the  a ir ,   e xis ti ng  f r ictional  f o r c e ,   va lve   de a d  z one   a nd  mas s   f low  r a te  pa r a mete r s   [ 11 - 14] .   As   a   r e s ult   of   the  oc c ur r e d  c ompl e xit y ,   the   unc e r tainti e s   pa r a met e r s   of   the   s ys tem  we r e   dif f icult  to   be   obtaine d   a nd  c a us e d  a   c ha ll e nging  pr oblem  in  a c hieving  a c c ur a te  pos it i on  c ontr ol.   T he   s tudy  o n  the  pne umatic  a c tuator s   be c a me   a ggr e s s ive  due   to  the   incr e a s ing  de mands   in   the   indus tr y  dur ing   the   1950s   whe r e   the  f ir s t   de ve lopm e nt  of   pne umatics   dyna mi c   c ontr ol  wa s   made   by  P r of .   J .   L .   S he a r e r   in   1956  [1 5 ] .    T he   c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  a c tuator s   s ys tem  s tar ted  in  a r ound  the  ye a r   o f   1990s   a nd  c onti nue d  to  gr ow   in   the  pa s t   ye a r s .   P r e vious   r e s e a r c he r s   a na lys e d  a nd  e xpa nde d  the   r e s e a r c he s   in  the   pne umatic  a c tuator   s ys tems   a nd  s uc c e s s f ull y  ove r c a me  the  dif f icult ies   that  oc c ur r e d.   A   c ontr ol  s tr a tegy   that   is   a lwa ys   us e d  i s   pr opor ti ona l  int e gr a l  de r ivative  ( P I D) .   T he   c onve nt ional  P I D  is   us e d  ba s e d  on  a   r e s e a r c h  a nd  u s ua ll y  c ombi ne d  with  other   tec hniques ,   f o r   e xa mpl e ,   a   ne ur a l  ne two r k,   a   f e e df or wa r d   c ontr oll e r ,   a   f e e dba c k  c ontr oll e r   a nd  other   tec hniques .   M or e ove r ,   other   c ontr o ll e r s   us e d   in   the   pne umatics   a r e   s li ding   mode   c ontr oll e r   ( S M C ) ,   a n   a da pti ve   c ontr oll e r   a nd  o ther   s ynthes is   c ontr oll e r .           F igur e   1 .   A  ba s ic  pne umatic  a c tuator   s ys tem       2.   P NE UM AT I C  AC T UA T OR  CONT ROL L E R  DE S I GN   As   s tate d  in  the  int r oduc ti on,   the  pne umatic   a c tuator   s ys tem  is   known  a s   a   s ys tem  that  c omes   out   with   the  nonli ne a r it ies   s ys tem  model.   T he r e f or e ,   a   typi c a l  c onve nti ona l  c ontr oll e r   is   dif f icult  to   be   im plem e nted  in  the  pne umatic  a c tuator   s ys tem.   I t  c a us e d  t he   s ys tem  to  be   not  im pr ova ble  to  a c hieve   be tt e r   r e s ult s   in   pe r f or manc e   e s pe c ially  with  the   va r iable   loads   a nd   pr e s s ur e s   or   other   unc e r tainti e s .     F r om  p r e vious   s tudi e s ,   the  modi f ica ti on  o f   the   c ontr oll e r   wa s   made   to  im p r ove   the  non li ne a r it ies   that   oc c ur   in   the   pne umatic  a c tuator   s ys tem.   I n   thi s   pa p e r ,   the  r e view   is   ba s e d  on   the   mos t   popular   c ontr oll e r s   us e d  in   pne umatic  a c tuator   s ys tem  s uc h  a s ,   a   pr opor t i ona l  int e gr a l  de r ivatives   ( P I D ) ,   a   s li ding  mode   c ontr o ll e r   ( S M C ) ,   a nd  a n   a da pti ve   c ontr oll e r .   All  o f   the s e   c ontr oll e r s   we r e   s tate d  in   the  p r e vious   s t udies   c onduc ted  by  Hua ng  e t  a l.   [1 6 ] ,   J iape ng  a nd  T a o   [ 17] ,   R e z nik  e t  a l.   [ 18 ] ,   P .   M is hr a   e t  a l.   [ 19 ] ,   R .   R .   S umar ,   e t  a l .     [ 20 ] ,     O.   Ar r ieta   e t   a l .   [ 21 ] ,   V.   P r a bha ka r a n  e t   a l .   [2 2 ]   a n d  C hiang  &   C he n  [2 3 ] .   T he   de tails   of   the  c ontr o ll e r   de s ign   of   a   pr opor ti ona l  int e gr a l   de r iv a ti ve s   ( P I D ) ,   s li din g  mode  c ontr oll e r   ( S M C ) ,   a nd  a da pti ve   c ont r oll e r   will   be   c lea r ly  de s c r ibed  in  the  f oll owing   s e c ti on.       3.   CONT ROL L E R  DE S I GN  B ASE D  ON  P ROP O RT I ONAL   I N T E GRA L   DE RI VA T I V E S   ( P I D)     I n  1997 ,   a   pa pe r   publi s he d   by   [2 4 ]   made   a   c o ntr ibut ion   in   pne umatic  a c tuator   by   pr opos ing   a   c onve nti ona l  P I D   c ontr oll e r   that   a c c ompanie d  wi th  the   f r iction   c ompens a ti on,   bounde d  int e gr a l   a c ti on  a nd   pos it ion  f e e df or wa r d   that  us e d  puls e   width   modu lation  ( P W M )   on - of f   s olenoid  va lve.   T his   pa pe r   pr opos e d  thes e   c ontr ol  tec hniques   to   c ont r ol  the  pos it ion   but   in   the   pne umatic  a c tuator   s ys tem,   i t  is   a lwa ys   s ubj e c ted  to  high  f r iction  f or c e s ,   de a dba nd  a nd  de a dti me.   T he   pa r a mete r   of   the  c ont r oll e r   wa s   s e lec ted  ba s e d  on     the  I s s e r mann’ s   method.   F or   the  f r iction   c ompens a ti on,   it   wa s   f o r mul a ted  ba s e d  on   the  C oulom b   f r ictio n  model   a nd  it   r e duc e d  the  s tea dy  s tate   e r r or   to  ne a r ly   40% .   T he n,   the  bounde d  in tegr a l  a c ti on  wa s   a tt a c he d  to     the  c ontr oll e r   that   f unc ti ons   to   c ontr ol   the   f r ict ion  f or c e   that  c omes   wi th  the   pis ton  s tr oke   a n d  f inally     the  pos it ion  f e e df or wa r d  wa s   to  r e duc e   the  e r r or s   to  r a mp  a nd  S - c ur ve s .   T he   pr opos e d  c ontr o ll e r   with     the  c ombi na ti on   of   the   a bove - mentioned   tec hniq ue s   pr ove d  the  a c tuator   pe r f or manc e   wa s   r obus t   a ga ins t    the  c ha nge s   in  the  s ys tem  mas s   but  the  r is e   t im e   or   the  s tea dy - s tate   a c c ur a c y  wa s   una f f e c ted.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   1 ,  F e br ua r y  2020 :    332   -   342   334   I n  the   r e s e a r c h  c onduc ted  by  [2 5 ] ,   the   f r icti on  c om pe ns a ti on  onc e   a ga in  wa s   a ppli e d  to    the  s e r vo - pne umatic  s ys tem  to  s olve  the  f r iction  pa r a mete r s   that  we r e   dif f icult   to   obtain.   T he   pr opos e d  method   wa s   c ombi ne d  with   a   P I DV F   ( P I D  c ont r ol   with   v e locity  f e e d - f or wa r d   a nd  f e e dba c k)   whe r e   the   P I DV F   wa s   e ndor s e d   int o   a   “ mi xe d - r e a li ty ”   e nvi r onment   a f ter   the   c ontr oll e r   wa s   opt im ize d  o f f - li ne .   A   P I DV F   p r oduc e d  a n  a c c ur a te  model  a nd  opti m ize d  the  c ontr ol ler   o f f - li ne   be f or e   a pplyi ng  it   to   a   phys ica l  s ys tem.       E ve ntually,   a   modi f ied  P I D   c ontr oll e r   with   a   c ombi na ti on   of   a   nonli ne a r   c ompens a ti on  a nd   a c c e ler a ti on  f e e dba c k  wa s   pr opos e d  a s   indi c a ted   by  [2 6 ] .   T his   s tudy  de mons tr a ted  that   t o  a c c om pli s h  a n  a c c ur a te  pos it ion  c ontr ol,   a   t im e   de lay  mi nim iza ti on  a nd  pos it ion  c ompens a ti on  a lgor it hm  mus t  be   uti li z e d.   T he   a na lys is   wa s   r un   ba s e d  on   a   f e w   s e tups   whic h   a r e :   i)   p r opor ti ona l   a nd   ve locity   f e e dba c k,   ii )   pr op or ti ona l,   int e gr a ti on,   a nd  ve loc it y  f e e dba c k,   a nd  las tl y  ii i)   pr opor ti ona l,   ve locity   f e e dba c k  a nd  f e e d  f or wa r d   c ontr ol.     T he   pr opos e d  c ontr o ll e r   p r oduc e d  a   be tt e r   r e s ult   in  the  im pr ove ment   of   the  s ys tem  dyna mi c   r e s pons e   c ompar e d  to  the  c onve nti ona l  P I D  c ontr o ll e r   whic h   the  a c c ur a c y  of   th e   pos it ion   wa s   s hown  withi n  1   mm .     One   of   the  a uthor s   in  the  s tudy  [2 7 ]   r e por ted  that  t he   li mi tations   in  the  pne umatic  a c tuator s   s ys tem  is   inclus ive  of   the  dom inant  dyna mi c   be ha vior   by   t he   non - li ne a r   f unc ti on .   T he   pr opo r ti ona l   outpu t   f e e dba c k   c ontr oll e r   with   s a tur a ti on  wa s   int r oduc e d   to   a c hieve   pr a c ti c a l   tr a c king   a   wide   c las s   of   r e f e r e nc e   t r a jec tor ies   by   de r ivi ng  a   mathe matica l   modelli ng   a nd   f e e dba c k  li ne a r iza ti on   in   the   pos it ion   c ontr ol   a s   a   c ontr o l  de s ign   method.   T he   p r opor ti ona l   f e e dba c k  f or c e   c ont r o ll e r   s tr a ight e ne d   up  the   li mi tations   of   the   de r iv a ti ve s   in    the  r e f e r e nc e   s ignal  a nd  dis tur ba nc e   o f   pis ton   ve locity.   T he   inves ti ga ti on  o f   r a pid  p r otot yping   of   f uz z y   c ontr oll e r   pne umatic  s e r vo - s ys tem  by  [2 8 ]   towa r ds   the  pos it ioni ng  c ontr ol   a nd  tea c hing/ play - ba c k  c ontr ol  wa s   done   by   e xa mi ning  the   f uz z y  log ic  with  P D   c ontr oll e r .   I t   us e d  the  tr a pe z oid  type   25  r ules   a dopted  f r om  M a mdani   a nd  L uGr e   model   to   e nha nc e     the  s im ulation  r e s ult   but   unf o r tunate ly  the   numer i c a l  s olut ion  be c omes   mor e   c ompl e x.   T he   f o r mul a t e d  f uz z y  s ys tem  wa s   pr oduc ti ve ,   s table   a nd   a ble  to   a void   dis tur ba nc e s ;   thus ,   it   c a n  be   im pleme nted  in   a ny   type  o f   pne umatic  s e r vo  dr ives   without   the  ne e d  to  tune  th e   r e gulator ,   a nd   s ignal  f il tr a ti on   c a n  be   a ppli e d  or   a ddit ional   ope r a ti ons   in  the  t r a c k  c ontr ol   a nd  r e s tr ict   the  ge ne r a ted  s ignals .     B e s ide s ,   a uthor   [2 9 ]   f oc us e d  on   c ontr oll ing   the   pos it ion   of   the   pne umatic  a c tuator .   How e ve r ,     the  s ys tem  ha s   the  li mi tations   of   high  a ir   c omp r e s s ibi li ty  a nd  f r iction   f or c e .   T his   r e s e a r c h  us e d  the  c las s ica l   P I D  c ontr oll e r   whe r e   the  Z igl e r   Nic hols   tuni ng  met hod  wa s   us e d  to  tune   the  Kp,   Ki  a nd  Kd  pa r a mete r s .   F ir s tl y ,   a   P - c ontr oll e r   wa s   de s igned  but   whe n  it   r e a c he d  the  pe r mane nt  os c il lation,   it   c ould  not   be   a c c e pted  by    the  pos it ioni ng  s ys tem.   T he n,   a   P D - c ontr oll e r   wa s   int r oduc e d  to  e li mi na te  the  pr oblem  oc c ur   a nd  it   yielde d  a   goo d  r e s ult   in   r e duc ing   the  r is e   ti me,   a nd  the   os c il l a ti on  did  no t  oc c ur .   Af ter   that ,   the  P I - c ontr oll e r   w a s   tes ted   int o  the  s ys tem  but  un f or tunate ly,   the  r is e   ti me  o f   t he   s ys tem  be c a me  wor s e   than  whe n  the  P D - c ontr o ll e r   wa s   us e d  a nd,   the  e r r o r   o f   the  s ys tem  be c a me  c ons tant.   Among  a ll   of   the  tes ted  a nd  s im ulate d  c on tr oll e r s ,     the  P I D - c ontr oll e r   r e duc e d  the  r is e   ti me  a nd  e r r or   but  the  oc c ur r e nc e   of   ove r s hoot  incr e a s e d  a s   the  ti me   incr e a s e d.   An  a na lys is   of   the  c omput e d  s tudy  s how e d  that  the  s ys tem’ s   be ha viour   de li ve r e d  the  be s t  s a ti s f a c ti on  a nd  pr oduc e d  a   model   c a pa ble  to   be   tes ted  in  the   s im ulation  to   obs e r ve   the   pe r f or manc e .   A  c las s ica l  P I D  a ls o  known  a s   a n   a uto - s e lec ti ve   c las s ic a l  P I D   ( t - pid)   wa s   pr opos e d  in   thi s   r e s e a r c h  to   pr ovide   the   a c c ur a c y  of     the  pos it ion   pe r f o r med  in   the  s im ulation ,   a nd   be c a us e   it s   c os t  is   ve r y   low .   How e ve r ,   the   pr opos e d  c ontr oll e r   wa s   c ompl ica ted  to  be   tuned  be c a us e   it   ha d  to   b e   tes ted  in  the   s im ulation   be f or e   be ing  im p leme nted  int o     the  r e a l  plant .   T he   c onve nti ona l   P I D   c ontr oll e r   wa s   c o nti nu ous ly  upgr a de d  in   the   r e s e a r c h  c onduc ted   by     r e s e a r c he r   [ 30 ]   whe r e   the  t r a c king  pos it ion   c ontr ol   method  wa s   pr opos e d.   I t   wa s   divi de d   int o   two   c ont r ol  loop :   i)   inner   p r e s s ur e   c ontr ol  loop  ( P I D  +   f e e dba c k  li ne a r iza ti o n) ,   a nd  ii )   oute r   pos it ion  c ontr o l  loop  ( P I D  +   f r iction   c ompens a ti on) .   T he   f r iction   c ompens a tor s   that  a ug mente d  with  P I D  ha d  be e n   tes ted  e it he r   us ing  ne u r a l  ne twor k   a nd  the  nonli ne a r   obs e r ve r .   C onve nti ona l  P I D  c ont r oll e r   us ua ll y  to  be   unpr e dicta ble  a nd  uns a ti s f a c tor y  due   to   the  f r iction  oc c ur s .   I n  or de r   to  c ompens a te  with  the   f r iction ,   ne ur a l  ne twor k   is   int r oduc e d.   F or   p r e s s ur e   c ontr ol  de s ign,   the  p r opor ti ona l   c ontr ol   va lve   c onve r ts   a n   a na log  e lec tr ica l  input   s ignal  int o  s igni f ica nt  c r os s   s e c ti ona l   ope ning.   W hil e   f o r   the  c ont r oll e r   de s ign  of   pos it ion   c ontr ol   by   us ing  ne u r a l  ne two r k,   the   input   is   the   dif f e r e nti a l   pr e s s ur e   a nd  the  pos it ion  a s   the  output .   P r e s s ur e   c ontr ol  whe r e   P I D  is   c ombi ne d   with  the   f e e dba c k  li ne a r iza ti on  e li mi na ted  the   ove r s hoot  c ompa r e d  to   c onve nti ona l  P I D   that   the   ove r s hoot   is   high .   F or   the   f r iction   c ompens a tor ,   e it he r   by   us ing  ne ur a l   ne twor k  o r   no nli ne a r   obs e r ve r ,   the  tr a c king   e r r o r s   whic h  is   pe a k  a nd  R M S   e r r or   we r e   im pr ove d   e ve n  with   va r ious   a mpl it ude s   a nd  f r e que nc ies .   F or   the  t r a ns ient  pa r t,   it   c a n  be   s e e n  that  ther e   a r e   no   im pr ove ment   a s   the  pe a k   e r r or   is   high   whe n  us ing  the   ne ur a l   ne twor k   a nd   tes ted  by   the  s t e p  input .   Ne xt,   the  P I   c ontr oll e r   wa s   us e d  in  the  s tudy  of   int e ll igent  pne umatic  a c tuator s   ( I P A)   s ys tem  whic h   r e quir e s   a   be tt e r   c ontr ol  a nd   a c c ur a c y  a s   s tate d  in  the  s tudy  by  [ 31 ] .   T he   mos t  s igni f ica nt  is s ue   in    the  pne umatic  a c tuator s   s ys tem  w a s   the  nonli ne a r   a tt r ibut e s ,   f or   e xa mpl e ,   va lve  de a d  z one   a nd  mas s   f low  r a te   pa r a mete r s .   I n  th is   inves ti ga ti on,   on   a c c ount  of   the   nonli ne a r it ies ,   the  P I   c ontr ol ler   a nd  po le  plac e ment  f e e dba c k   c ontr oll e r   we r e   int r oduc e d.   T he   P I   c ontr o ll e r   c o ntr oll e d  the  pne umatic  s ys tem  a nd  f e e dba c k  li ne a r iza ti on  de mons tr a t e d  that  a ny   s ingl e - input   s ingl e - output   ( S I S O)   pne umatic  s ys tem  with   a   li ne a r iza ti on  load.   I n   other   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         R e v iew   on  c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  ac tuat or   dr ive   s y s tem   ( Sy amiz a  J amian)   335   pa r ts ,   inpu t   li ne a r iza ti on   with   s tep  type   dis tur ba nc e   r e jec ti on   c a n  qua nti f y   dis tur ba nc e   in   the   pn e umatic  a c tuator s   with  s tatic  f r iction .   T he   pole   plac e ment  us e d  a   low   or de r   li ne a r   a ppr oxim a ti on   f o r   a   2 - a xe s   puls e   modul a ti on  width   ( P W M )   in  thi s   s tudy.   T he   pole  p lac e ment  method  uti li z e d  the  s e lf - tuni ng  c ontr ol  that  c a n  be   a da pted  with  a ny  pa yload  a nd  ti me - va r ying  pa r a mete r s .   T his   p r opos e d  method  is   mor e   s table   than  the  P I   c ontr oll e r   to   c ontr ol   the  I P A  s ys tem  in  ter ms   of   tr a ns ient  r e s pons e   a nd  s tea dy - s tate   e r r or .   I n  a   s tudy   c onduc ted  by  [3 2 ] ,   it   s howe d  how  to   im pr ove   the  is s ue   invol ving  the   c ompl e xit y  that   oc c ur r e d  in  pr oc ur ing  the  s ys tem  tr a ns f e r   f unc ti o n  pr e c is e ly.   I n  thi s   s tudy,   the  c a s c a de   P I D  c ontr o ll e r   f or   a   pr a c ti c a l  pne umatic  s ys tem  with   good   dis tur ba nc e   r e jec ti on  wa s   int r oduc e d.   T his   s tudy  pr ov ides   a n  identif ica ti on  of   the  s ys tem  to  buil d  a c c ur a te  m a thema ti c a l  mode ls   of   dyna mi c   s ys tems .   P a r ti c le  s wa r m  opti mi z a ti on  ( P S O)   wa s   us e d  a s   a   pa r t   of   the   s ys tem  identif ica ti on  a nd   c ontr ol   de s ign  s tage s .   T he   c a s c a de   P I D  c ontr oll e r   pr ovides   a dva ntage s   to  pne umatic  s ys te m  in  both  pos it ion  a nd  s pe e d  c ontr ols .   I t  is   be c a us e   it   pe r mi ts   the  tr a c king  of   the  s pe e d  pr of il e   in  the  r a nge   of   s p e e d  loop  while  s toppi ng  with  high  pos it ion  a c c ur a c y.   T his   f indi ng  highl ight e d   that  the  c a s c a de   P I D  s tr uc tur e   with  P S O   tuni ng   pr ovides   be tt e r   tr a ns ient  r e s pons e   a nd  les s   s tea dy  s tate   e r r or s   whe n  c ompar e d  with   a   s ingl e   P I D.   Ac c or ding  to  the  r e s e a r c h  by  [3 3 ] ,   a n  im pr ove ment  of   a   nonli ne a r   P I D  ( NPI D)   wa s   pr opos e d  to  c ontr ol   the  pos it ion   of   the   pne umatic   a c tuator .   T his   s tudy   f oc us e d  on   de s igni ng   the   c ontr oll e r   s o  that     the  a c tuator   c a n   ge t   the  de s ir e d   dis plac e ment  with out  ove r s hoot.   I n   a   nonli ne a r   P I D ,   the r e   a r e   two   pa r a mete r s   ne e d  to  be   s pe c if ied  whic h  a r e ,   r a nge   of   va r iation   ( e m a x )   a nd  r a te  of   va r iation   ( α ) .   A  modi f ica ti on  wa s   made   to  a utom a ti c a ll y  obtain  the   pa r a mete r s   to   ove r c ome   t he   dif f icult ies   of   obtaining  them.   F r om   the   pr e vio us   s tudy,   the  va lue  of   ( α )   wa s   take n   by  t r ial   a nd  e r r or   method  whic h  s ometim e s   the   li mi tation   oc c ur r e d  due   to     the  oc c ur r e nc e s   of   s pe e d  a nd  c ha tt e r ing  in  a   s ys tem.   T o   a c hieve   thi s   goa l,   a   ne w  s e lf - r e gulation  of   nonli ne a r   P I D  ( S N - P I D)   c ont r oll e r   with  a ddi ti on  o f   s e lf - r e gul a ti on  f unc ti on   ( S NF )   wa s   p r opos e d  to   ge ne r a te  the  va lue  of   r a te  va r iation  ( α ) .   F r om   the  r e s ult   s hown,   it   c a n  be   c lea r ly  s e e n  that  ther e   is   a n  im p r ove ment  in     the  tr a ns ient  pa r t   whe n  c ompar e d   with   the  non li ne a r   P I D  by   us ing   dif f e r e nt  input s   s uc h  a s   s tep,   mul ti s tep   a nd   r a ndom  wa ve f or m.   S N - P I D   s howe d  a   be tt e r   tr a ns ient  r e s pons e   by  a   f a c tor   o f   2. 2   ti mes   gr e a ter   than     the  pr e vious   NPI D   a nd   the   r obus tnes s   of   the   s ys tem  wa s   a ls o   jus ti f ied   a s   the   pr opos e d   c ontr oll e r   c a n  ha ndle  loads   up  to  28   kg.   I n  a   s ubs e que nt  s tudy,   a n   e nha nc e d  nonli ne a r   P I D   ( E NPI D)   onc e   a ga in   wa s   pr opos e d  in   2015   [3 4 ] .  T he   c ontr oll e r   c ons is ts   of   two  dif f e r e nt  c ont r ol  s t r a tegie s ,   na mely  mul ti - nonli ne a r   ( M N - P I D)   c ont r oll e r   a nd  s e lf - r e gulation  ( S N - P I D)   c ontr oll e r .   F igur e   2  s hows   the  s tr uc tur a l  of   M N - P I D  c ontr ol  s tr a teg y .   T he   d e a d  z one   c ompens a ti on  wa s   a ppli e d  to  ove r c ome   the  de a d - ba nd  of   the  va lve.   I n   a ddit ion,   the   f e e df or wa r d   pa th   a ls o  wa s   a dde d  to  im pr ove   the  t r a c king  pe r f o r manc e .   F o r   M N - P I D,   the  f uz z y  wa s   us e d  to  tune  the  r a te  va r iation  of     the  nonli ne a r   ga in ,   a x   while   f or   S N - P I D,   it   d id  not   us e   f uz z y  to  tune  the  ga in,   but  the  ga in  wa s   ge ne r a t e d  onli ne   thr ough  the  e qua ti on  in  the  S N - P I D  a s   s tate d  in  the  pr e vious   s tudy  [3 3 ] .   I n  thi s   s tud y,   both  M N - P I D  a nd     SN - P I D  pe r f o r med  we ll   in   tr a c king   the   input   tr a jec tor ies .   As   a   r e s ult ,   the  p r opos e d  c ontr oll e r ,   whe n  c ompar e d  to  NPI D   s howe d  no   im pr ove ment,   but   ba s e d  on   t he   pr e vious   s tudy   that   us e d  a   s tep  input ,   it   c lea r ly   made   a n   im pr ove ment.   A  va r ie ty  of   a mpl i tude  a nd  f r e que nc y  we r e   us e d  to  tes t  the  p e r f or manc e   of   the  s ys tem  with    the  pr opos e d  c ontr oll e r ,   but   did  not   s how  a   dif f e r e nc e   whic h  mea ns   the  pr opos e d  c ontr ol  s tr a tegie s   mana ge d   to  a da pt  with  s udde n  c ha nge s .           F igur e   2 .   T he   s tr uc tur a l  o f   M N - P I D  c ontr ol   s tr a teg y  [ 3 2 ]       B it a ou  Ya o  e t   a l.   c onduc ted   a n  e xpe r im e ntal   inv e s ti ga ti on  on  a   s ingl e   pne umatic   a r ti f icia l   mus c le  ( P AM )   a nd  the  hys ter e s is   e leme nt  w a s   take n  int o  a c c ount  [3 5 ] .   An  e mpi r ica l  model  is   a ny  type  of   c omput e r   modelli ng  ba s e d  on   the  e xpe r i menta l  da ta   t ha t  wa s   va li da ted  by   e xpe r im e nts ,   then   a ppli e d  to     the  pos it ion  c ontr ol  o f   P AM .   P AM   is   s ubjec ted  t o  high  nonli ne a r it y   a nd  ti me - va r iant  pr ope r ti e s .   T he r e f or e ,   many  va r iable   s tr uc tur e   c ontr ol   s tr a tegie s   ha ve   be e n  pr opos e d  by   pr e vious   r e s e a r c he r s .   How e ve r ,   in  t his   s tudy  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   1 ,  F e br ua r y  2020 :    332   -   342   336   the  e xpe r im e nt  wa s   c ompar e d  by  us ing  a   s e lf - or ga nizing  f uz z y  c ontr oll e r   with   model  c omp e ns a ti on   ( S OFC M C ) ,   a   s e lf - or ga nizing  c ont r oll e r   ( S OFC ) ,   a nd  a   pr opo r ti ona l  in tegr a l  de r ivative  ( P I D)   witho ut  model   c ompens a ti on.   F r om  the  r e s ult   obtaine d,   a ppa r e ntl y   S OFC M C   s how s   the  be s t  r e s ult   in  tr a c king  e r r or   c ompar e d  to  S OFC   a nd  P I D  whe r e   the  e r r o r   only  moved  a   li t tl e   whic h  is   ± 0. 4   mm   a lt hough  the  e xter na l  load  w a s   a dde d   f r om  45   N  to   85   N.   I t  pr ove d  that  the  r obus tnes s   of   the  s ys tem  is   ve r if ied  a nd  the  s tabili ty  of   the  c ontr o ll e r   wa s   maintaine d.   T h is   s tudy  a ls o  jus ti f ied   that  f uz z y   c ontr oll e r   is   the  be s t  c ontr ol ler   to   c ontr ol   the  p ne umatic    a r ti f icia l  mus c le.   F ur ther mor e ,   a   s tudy   in   2017   by   [3 6 ]   a ls o  s howe d  t he   c ontr ibut ion   in   the  c ont r oll e r   de s ign  onc e   a ga in  is   in  pne umatic   a r ti f icia l   mus c le  ( P AM ) .   T his   s tud y  pr opos e d  a   c onve nti ona l   P I D   c ontr oll e r   wi th  f e e d   f o r wa r d   c ontr ol  but  f or   th is   r e s e a r c h,   it   wa s   upgr a de d  wit h  a   ne w  a da pti ve   ba c k - pr opa ga ti on  ( a B P )   a lgor it hm.   T h is   r e s e a r c h  pr opos e d  the  a bove   method  be c a us e   the  pne umatic  a r ti f icia l   mus c le  ( P AM )   is   incr e dibl y   di f f icult   to   c ontr ol  due   to  the  s tr ong   nonli ne a r   c ha r a c ter is ti c s   a nd  s e ns it ivi ty  towa r ds   the   wor king   e nvir onments   s uc h  a s   tempe r a tur e   a nd   other   pr e s s ur e   r e s our c e s .   I nit ial ly,   the  inver s e   ne ur a l  NA R X   ( I NN )   model   dyn a mi c a ll y  r e c ognize s   a ll   nonli ne a r   e leme nts   of   the   S C AR A  pa r a ll e l   P AM   r obot .   T he n,   I NN   wa s   c ombi n e d  with     the  c onve nti ona l  P I D   c ontr oll e r   to  im pr ove   the   p r e c is ion  a nd  r e duc e   the  s tea dy - s tate   e r r or   in   the  pos it ion  c ontr ol.   A   ne w  a da pti ve   ba c k - pr opa ga ti on  wa s   c r e a ted  ba s e d  on  the  S uge no   f uz z y   s ys tem.   T he   int r oduc e d  c ontr ol  method   pos s e s s e s   the  c a pa bil it y  to   lea r n   a nd  upda te  the   s ys tem  a utom a ti c a ll y  a nd   mi nim ize   tr a c king   e r r or   ne a r   to  z e r o .   T he   pr opos e d  c ontr oll e r   a c hieve d  a n  outs tanding  c ontr ol  qua li ty,   ve r y  a da ptable   a nd  r obus t  without   a ny  r e f e r e nc e   to  e xter na l   dis tur ba nc e s .   As   highl ight e d  by   [3 7 ] ,   thi s   s tudy  f oc us e d  on  t he   pr e s s ur e   tr a c king   c ontr ol   that   wa s   a ppli e d   to    the  pos it ive  a nd  ne ga ti ve   pne umatic  pr e s s ur e   s e r vo  s ys tem  ( P NPP S S ) .   P NPP S S   is   a n  im po r tant  e l e ment  in    the  a e r os pa c e   e nginee r ing  f ield  whe r e   it   is   us e d  in   the  a ir c r a f t  to  moni to r   s e a led  c ha mber   pr e s s ur e .   How e ve r ,   be c a us e   of   the  a ir   c ompr e s s ibi li ty,   a s ymm e t r y  of   c ha r ging  a nd  dis c ha r ging  pr oc e s s ,   the  va r iation  of     the  pa r a mete r s   due   to   a   lea ka ge   that   c a us e d  the   nonl inea r it ies ;  a   c ont r ol   tec hnique  o f   f uz z y  p r opor ti ona l   int e gr a l   de r ivative  wa s   int r oduc e d  a nd  it   wa s   a c c ompanie d  with  a n  a s ymm e tr ic  f uz z y  c ompens a t or .   P I D  wa s   us e d   be c a us e   of   it s   s im ple  s tr uc tur e   but  it   ha s   dif f icu lt y  in  obtaining  good  r e s ult   owing  to  the  oc c ur r e nc e   of   nonli ne a r it ies .   L ikew is e   with   f uz z y ,   whic h  c a n   pe r f or m   we ll   be c a us e   it   doe s   not   r e qui r e   a n   a c c ur a te   model  but   it   lac ks   of   a da pti on   to   a   b r oa d  ope r a ti ona l  r a nge   a n d  s e r ious   a s ymm e tr y.   How e ve r ,   the   modi f ica ti on  w a s   made   by  a dding  a   f uz z y  inf e r e nc e   model   a nd  a n  a s ymm e tr ic  f uz z y  c ompens a tor .   T his   s tudy   indi c a tes   that     the  r e c omm e nde d  c ontr oll e r   ove r c omes   the  a s ym metr ic  pr oblem  a nd  e xe c utes   be tt e r   dyna mi c   pe r f or manc e   f oll owe d  by  a   r a nge   of   pr e s s ur e   in  thi s   f ield   ( 2 - 140   kP a ) .   R e s e a r c h  f indi ng  by  [3 8 ]   a ls o  point ing   towa r ds   t he   us e   of   f uz z y  P I D  c ont r oll e r   in  the  pne umatic   pr e s s ur e   s ys tem.   I n  a ddit ion,   the  f uz z y  P I D  c ont r oll e r   wa s   upgr a de d  by  a dding  a   f r a c ti ona l  or de r   c ontr oll e r   a nd,   the  pr opos e d  c ontr oll e r   known  a s   f uz z y  f r a c ti ona l - or de r   pr opor ti ona l  int e g r a l  de r ivative  ( F F OPI D) .   T his   s tudy  f oc us e d  on  e nha nc ing  the  r obus tnes s   of   the   s ys tem  due   to  the  load  va r iations   a nd  e xter na l  v a r iations .   W hil e   the  c ontr oll e r   wa s   de s igned,   the  P I D  with  Z iegle r - Nic hols   tuni ng  method  wa s   us e d  to  obtain  t h e   va lue  of   Kp ,   Ki,   a nd   Kd  pa r a mete r s .   T he n,   the r e   a r e   two   pa r a mete r s   mus t  be   r e c ognize   by   the  f r a c ti on al - or de r   P I D   ( F OPI D)   c ontr oll e r :   i)   int e gr a to r   o r de r   ( λ )   a nd   ii )   dif f e r e nti a tor   or de r   ( µ ) .   T he   s ys tem  a nd  de r ivativ e s   input s   a s s igned  f r om  the  f uz z y   logi c   c ontr ol ler   ( F L C )   c a n  be   us e d  to  pe r f or m   the  s c a li ng  f a c to r   of   the  p r op or ti ona l,   int e gr a l,   a nd  de r ivatives   ter ms .   I t   a ls o  im p r ove d  t he   pe r f o r manc e   of   the   c ontr o ll e r   us ing  onl ine  ga i n  tuni ng   mec ha nis m.   T he   numer ica l  c ompar is on  of   c onve nti ona l  P I D,   F OPI D ,   a n d  F F OPI D  c ont r oll e r s   we r e   c a r r ied  out   in  the  s im ulation   pa r t.   F r om   that   c ompar is on,   it   is   v e r if ied  that   F F OPI D   pr oduc e s   the  be s t  pe r f or manc e   in  ter ms   of   s e tt li ng  ti me,   ove r s hoot ,   int e gr a l  s qua r e   e r r o r ,   a nd  int e gr a l  a bs olut e   e r r or .   I t  a ls o  jus ti f ied  that  th e   s ys tem  pe r f or ms   we ll   in  ter ms   o f   r obus tnes s   whe n  the  load  wa s   a dde d.     Anothe r   s tudy  by   [3 9 ]   r e por ted   that,   in   or de r   to   s olve  th e   t r a c king  p r oblem  o f   the   s e r vo  pne umatic   pos it ioni ng  s ys tem,   the  a uthor   pr opos e d  a   nonli ne a r   r obus t  tr a c king  c ontr ol  s c he me.   T he   f indi ng  hig hli ghted   to  take   int o  a c c ount  the  pr e s s ur e ,   ve locity,   a nd  pos i ti on  dif f e r e nc e s   of   the  c ha mber s   of   pne umatic  c yli nde r   a s   a   f e e dba c k  s tate .   T his   s tudy  a c hieve d  s uc c e s s   in   the  s im ulation,   a nd   im pleme nted  in  the  r e a l  plant  of     the  pne umatic  s ys tem  a nd  global  s im ulation  model.   T he   c ont r ol  s tr a tegy  wa s   divi de d  int o  tw o  pa r ts :     i)   pr opor ti ona l  c ont r oll e r   a s   a n  inner   loop  to  m e a s ur e   the  dif f e r e nc e   of   the  pr e s s ur e   in  the  c ha mber s   of     the  pne umatic  c yli nde r ,   a nd  ii )   indepe nde nt  f e e dba c k  a nd  f e e df or wa r d  ( f e e df or wa r d   a c ts   a s   pr e - f il ter   of     the  r e f e r e nc e   pos it ion  tr a jec tor y  a nd  f e e dba c k  of   th e   dif f e r e nc e   be twe e n  de s ir e d  a nd  a c tual  s t a te) .   I t  w a s   f ound   that  the  maximum   tr a c king  e r r o r   is   a ppr oxim a tely  2   mm   a nd  the  s tea dy - s tate   e r r or   is   s maller   than  1   mm   whic h  is   be tt e r   than  the   pr e vious   r e s e a r c h’ s   r e s ult ,   5   mm .         4.   CONT ROL L E R  DE S I GN  B ASE D  ON  S L I DI N G  M ODE   CONT ROL L E R  ( S M C)   A  s li ding  mode   c ontr oll e r   is   u ti li z e d  in   mos t  f a mo us   c ontr oll e r s   that   a lwa ys   be e n  us e d  in   pne umatic  a c tuator   s ys tems .   T his   is   be c a us e   S M C   c a n  be   im pleme nted  in   the   nonli ne a r   s ys tem,   ther e f or e   pr e vious   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         R e v iew   on  c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  ac tuat or   dr ive   s y s tem   ( Sy amiz a  J amian)   337   r e s e a r c he s   us e d  thi s   a ppr oa c h  to  mana ge   the  nonli ne a r it ies   in  the  pne u matic  a c tuator   s ys tem  a s   a c c ompl is he d   by   J .   S ong  a nd  Y .   I s hida   [ 40 ]   ,   R iche r   a nd  Huz m ulu  [ 41 ] ,  S.   R .   P a ndian  e t  a l.   [4 2 ] ,   B a r th  e t  a l .   [4 3 ] ,   G .   M .   B one   a nd  S .   Ning   [4 4 ] ,  Y .   C .   T s a i  a nd   A.   C .   Hua ng   [4 5 ] ,   Yua n  e t   a l.   [4 6 ] ,   Z ha o  e t  a l .   [4 7 ] ,   C he n  e t   a l.   [4 8 ] ,     S .   Hodgs on  e t  a l .   [4 9 ] ,   A.   E s tr a da   a nd   F .   P les t a n   [ 50 ] ,  A.   R e z oug,   B .   T ondu ,   a nd  M .   Ha mer l a in  [ 51 ] ,    Aya di  e t  a l.   [5 2 ] ,   a nd   Hida lgo  a nd  G r a c ia  [5 3 ] .   S ur ve ys   on  the  s li ding  mode  c ontr oll e r   c ontr ib uted  the  inf or mation   that,   i t  ha s   be e n  us e d  in    the  pne umatic  s e r vo  s ys tem s   s ince   1997  a s   r e por ted  by  [ 40 ] .   T his   s tudy  c a me  up  wi th  a   r obus t  s li ding  mode  c ontr ol  s tr a tegy  by  c ons ider ing  the  L ya punov  s tabili ty  theor y  a nd   the  s tr uc tur a l  p r ope r ti e s   of   a   pne umat ic  s e r vo  s ys tem.   T he   c ontr oll e r   wa s   de s igned  s o  that  the  output   tr a c king  e r r or   c a nnot  be   lar ge r   than  a ny   r a ndo m  s mall  c ons tant,   a s   ti me,   t  a ppr oa c h  to   inf ini ty,   s tr ong  r obus tnes s   with  r e s pe c t  to  lar ge   unc e r tain  dyna mi c s   c a n  be   pr omi s e d.   T he   c ont r oll e r   de s ign  c omm e nc e d  with  the  de f ini ti on  a nd   a s s umpt ions   f r om  the  a na lys is   model  of   the  pne umatic  c yli nde r   a nd  e qua ti on   pr ove d   by  c o ns i de r ing  the  L ya punov  f unc ti on.   T he   pr opos e d  c ontr oll e r   wa s   then  a ppli e d  to  the  r e a l  plant  in  a n  e xpe r im e nt   to  pr ove   the  tr us twor thi ne s s   in  a   pr a c ti c a l  pne uma ti c   s e r vo   s ys tem.   T he   im pleme nted  load  wa s   30   kg   in   the   f o r wa r d  d ir e c ti on,   100   kg   in   the   ba c kwa r d  di r e c ti on  a nd   c ha nge d  to  100   kg   f or   the   f o r wa r d  d ir e c ti on   a nd  30   kg  f or   the   ba c kwa r d  d ir e c ti on.   B oth   c ondit ions   s ho we d  that    the  dyna mi c a l  t r a c king  e r r o r   is   no   lar ge r   than  2   m m  a nd  the   s tatic  c ontr o l  p r e c is ion  is   a ppr oxim a tely   0. 2   mm .   T he   c ontr ol  s ignal  wa s   c onti nuous   ove r   ti me.   I t   c a n  be   s e e n  that  the  e f f e c ts   of   nonli ne a r   unc e r tainty  f a c tor s   a r e   e ndur e d  a nd  a   good   t r a c king  pe r f o r manc e   wa s   a c hi e ve d.   How e ve r ,   the  c ontr o l  s c he me  c a n  only   be   a p pli e d  f or   the  s e c ond - or de r   pne umatic  s e r vo  s ys tem.   I n  a nother   s tudy  b y  [ 4 1 ] ,   two  non li ne a r   f or c e   c on tr oll e r s   ba s e d  on  the  s li ding  mode  c ontr ol  theor y   we r e   int r oduc e d .   T he   s tudy  s tar ted   with   a   de ve lop ment  of   the   mathe matica l   model   of   a   pne umatic   s ys tem,   a nd   then  the  f ir s t  s tage   of   the  c ont r oll e r   whic h  r e quir e d  a   ve r y  c ompl e x  onli ne   c omput a ti on  f o r   the  c ontr o l  law   wa s   de s igned.   I t   wa s   f oll owe d   by   the  de s igni ng   of   th e   r e duc e d  o r de r   o f   s li ding  mode   c ontr oll e r   by   ne glec ti ng    the  va lve  dyna mi c s   a nd  ti me  de lay.   T he   r e duc e d  or de r   c ontr o ll e r   r e s ult ing  in  the  c ont r ol  law   be c omes   s im pli f ied.   Othe r   r e s e a r c he r s   tr ied   to   c ontr ol   the   pn e umatic  a c tuator s   by   us ing   a   P D   a nd   a n   a da pti ve   c ontr oll e r   but  that  c ont r oll e r   wa s   s uit a ble  only   f or   low   f r e q ue nc ies .   How e ve r ,   in   thi s   s tudy ,   the   im pr ove men t  wa s   in     the  f r e que nc ies   whic h  a   f r e que nc y  of   up  to  25   Hz   wa s   c ompar e d  to   the   pr e vious   s tudy’ s   f r e que nc y  whic h  is   only  up  to  16   Hz .   T he   main  f oc us   of   thi s   s tudy  i s   to  de s ign  a nd   tes t  the  high - pe r f o r manc e   f o r c e   c ontr oll e r   s uit a ble  f or   highl y   de manding   a ppli c a ti ons   s uc h  a s   the  ha pti c   int e r f a c e s .   T he   maximum   f o r c e   tes te d  in   thi s   s tudy  wa s   75   N  whic h  is   s uit a ble  f or   a   human  ope r a tor   a r m  while  the  maximu m  f r e que nc y  us e d  wa s   25   Hz   whic h  c a n  a void   a n   ope r a tor   induce d   os c il lation.   T h e   s tudy  s howe d  both   c ont r oll e r s   we r e   tes ted  by   e xp e r im e nts   a nd  s im ulations .   I t  wa s   f ound   that  the   r e duc e d  c o ntr oll e r   c a n  only   be   i mpl e mente d  f o r   a   mi nim u m  r e quir e d   tas k   s uc h  a s   c ontr oll ing   the  s houlder   a nd  e lbow   joi nts   but  f or   a ny  tas k  that   r e qui r ing  h igh  s pe e d  a nd   a c c ur a c y  moveme nts   f or   e xa mpl e   w r is t  a nd  f inger   joi n ts ,   it   i s   s tr ongly  r e c omm e nde d  to   us e   the  f ull   or de r   S M C .   I n  a nother   s tudy  pr e s e nted  by   [4 4 ] ,   the  s li ding   mo de   c ontr ol   method  ba s e d  on   a   li ne a r   plant   ( S M C L )   a nd  nonli ne a r   plant  ( S M C N)   wa s   im pleme nted  to   e nha nc e   the  pos it ion  tr a c king  c ont r ol  f o r   pne umatic  c yli nde r   a c tuator s .   T he   e xpe r im e ntal  pe r f o r manc e   in  thi s   s ys tem  wa s   c ompar e d  both  in  hor izonta l  a nd  ve r ti c a l.     T he   mot ion   tr a jec tor ies   a r e   to  f o ll ow  the   gr a vit y  loading  a nd  a ll ow  the   tes ti ng  to   be   pe r f o r med  in   va r ious   c ondit ions .   T his   r e s e a r c h  f oc us e d  on  the  de s ign  a n d  tes ti ng  of   two   model - ba s e d  s li ding - mode  tr a c kin g  c ontr ol   a lgor it hms   f o r   pne umatic   c yli nde r   a c tuator s   a nd  a   c ompar is on  that  wa s n't  c onduc ted   in  the   pr e vious   l it e r a tur e   wa s   c a r r ied  out.   S M C N  pe r f or med  be tt e r   in   the  t r a c king  e r r or ,   whic h   is   18%   be tt e r   with   va r ious   o pe r a ti ng  c ondit ions   f or   both   ve r ti c a l   a nd   hor izonta l   c ompa r e d  to   S M C L .   How e ve r ,   the   pe r f or manc e   o f   S M C N  is   not   gua r a ntee d  if   the   c ompl e xit y  is   a dde d  a nd   the  r e qu ir e ment  f or   pr e s s ur e   s e ns or   is   higher   than  in   thi s   s tudy.   T he   s li ding  mode  c ontr oll e r   wa s   im pr ove d  in  2 008  by  a nother   s tudy  in  [4 5 ] .   T he   im pr ove ment   mate r ialize d  whe n  a   mul ti ple - s ur f a c e   s li ding  c ontr oll e r   wa s   s ugge s ted  f or   the  pne umatic  s e r vo  s ys tems   with  va r iable   pa yload   a nd  unc e r taint ies .   I n   thi s   p r o pos e d  c ontr o ll e r ,   the   method   us e d  is   the   s a me  type   a s     the  ba c ks tepping  in   the   [5 4 ] ’ s   a r r a nge ment,   whe r e   a   s li ding  c ont r oll e r   wa s   de s igned  to   mi nim ize   the   r e lative   de gr e e   [5 5 ] .   T he   c ontr oll e r   de s ign  c omm e nc e d  with  a   f e w  a s s umpt ions   f or   the  c ont r oll e r   to   be   f e a s ibl e .     T he   de r ivation   of   the  M S S C   s tar ted  wi th  the   de f ini ti on  o f   the   number   of   s ys tem  s tate s   s l idi ng  s ur f a c e s .     T he   r e s ult   s howe d  the  t r a c king  e r r o r   unde r   M S S C   is   be tt e r   than  unde r   P I D - c ontr ol  bu t  the  us e   o f   S M C   c a us e d   c ha tt e r ing  e f f e c ts .   I n  o r de r   to   r e duc e   the   pos it ion  e r r or   a nd   s witchin g  a c ti vit ies   a s   in   the   s tudy  by   [4 9 ] ,  the   s ys tem  wa s  im pr ove d  us ing  a   s e ve n - mod e   s li ding  c ontr oll e r .   T his   s tudy  pr opos e d  a   s li ding  mode  law   f or   a   r oboti c   s ys tem   that  uti li z e s   on/of f   ( s olenoid)   pne umatic  a c tuator s .   T he   pr opos e d  c ontr ol  de s ign  wa s   e xpe r im e ntally  jus ti f ied  on  a   s ingl e   pne umatic  a c tuator   that  c ons is ts   of   two  c ha mber s   dr iven  by  f our   on/of f   s olenoid  va lves .     T he   s li ding  mode  c ontr oll e r   de s ign  wa s   ini ti a ted  with  the  pos it ion - c ontr ol  s ys tem  whe r e   the  s li ding  s ur f a c e   wa s   de ter mi ne d  a nd  the  s tabili ty  wa s   a na lys e d  by  c ons ider ing  the  L ya punov  f unc ti on.   How e ve r ,   to  a pply    the  c ontr oll e r   mode  s e lec ti on  invol ving  a   s e ve n - mode  c ontr oll e r ,   the  c ur r e nt  c ha mber   pr e s s ur e s   mus t  be   int e ll igent  to   pick  the  s uit a ble  ope r a ti ng   modes .   L a s tl y,   c ontr oll e r   pa r a mete r s   s hould  be   s e lec ted  t o  s moot h    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   1 ,  F e br ua r y  2020 :    332   -   342   338   the  mot ions   a nd  r e duc e   the  s witching  a c ti vit ies .   B a s e d  on  the  r e s ult s ,   the  pr opos e d  s e ve n - mod e   c ontr oll e r   a lgor it hm  is   c ompar e d  with   the  th r e e - mode  s li ding  mode  c ontr oll e r   a nd  it   r e duc e d  the  s witching  a c ti vit ies .     T he   pr opos e d  c ontr oll e r   a ls o  made   a n   im pr ove men t  in  the   tr a c king  e r r or   whic h  is   0 . 45   mm .   Othe r   than  that,   a   s tudy  o f   the  s li ding  mode  c ontr o ll e r   with  a   f oc us   on  the  s witching  ga in  wa s   c a r r ied   out  in   201 4   a s   pr opos e d  by   [ 50 ] .   T h is   s tudy  f oc us e d  on  a   s witching  ga ins   output   f e e dba c k  c ontr ol ler   whic h  is   a   s a mpl e - b a s e d  on  the  s e c ond  or de r   s li ding  mod e .   T his   s tudy  highl ight e d  the  main  c omm on  pr op e r ti e s   of   s li ding  mode  ( S M )   or   high  o r de r   s li ding  mode  ( HO S M )   c ontr ol,   whic h  a r e   the  r obus tnes s   to  the  bounde d   dis tur ba nc e s   matc he d  by  c ontr ol   a nd  f ini te   a ppr oa c h  ti me.   T he   main  a dva ntage   of   the  p r opos e d  c ontr oll e r   is   the  r e duc e d  number   o f   in f or mation   whe r e   the   ti me  de r ivative  of   s li ding   va r iable   is   no t  r e qui r e d.     An  im pr ove ment  to   r e duc e   t he   c ontr ol   va lve  f r ictio n  e f f e c t  wa s   e mphas ize d  in  a   s tudy  by  [5 3 ]   in   2017.   T he   c ontr oll e r   wa s   pr opos e d  in  two  di f f e r e nt  a p pr oa c he s .   T he   f i r s t  a ppr oa c h  wa s   to  c ontr ol   the  f low  of     the  plant  us ing  a   va lve  a s   a   c ontr o l  e leme nt  whic h  int e gr a tes   S M C   unde r   a n  e xter na l  topol ogy   us ing  dif f e r e nt   s a mpl i ng  ti mes   ( 1   ms ,   10   ms ,   a nd  100   ms ) .   T he   s e c ond  a ppr oa c h  wa s   the  int e gr a ti on  o f   S M C   unde r   a n   int e r na l   topol ogy.   I n   thi s   a ppr oa c h,   S M C   a c ts   a s   a   s lave   c ontr ol  loop  f or   the  va lve  pos it ion  s tem  while  P I   c ontr oll e r   a c ts   a s   a   mas ter   c ontr ol   loop   in   r e gulating   th e   f lo w.   T he   e xpe r i menta l  r e s ult   s howe d  that   the   int e gr a ted  S M C   unde r   the  e xte r na l  topol ogy   without   a   s tate   obs e r ve r   with   the  s a mpl ing   ti mes   of   1ms   a nd   10   ms   p r oduc e d    the  be s t  r e s ult .   I n  c ont r a s t,   the  us e   of   100   ms   s a mpl ing  ti mes   yielde d  a   be tt e r   r e s ult   bu t  c ha tt e r in g  pr oblem   oc c ur r e d.   Ne ve r thele s s ,   thi s   int e gr a ted  S M C   is   s uit a ble  f or   a   ve r y  high - pe r f or manc e   c ontr o l  loo p  a nd  in   a ddit ion,   the   im pleme ntation  c os t  is   a ls o  high .       5.   CONT ROL L E R  DE S I GN  B ASE D  ON  AD AP T I VE   CONT ROL L E R     I n  a   s ubs e que nt  s tudy,   the  a uthor   mus t  de a l   with   t he   s a me  pr e vious   pr oblem   a s   the  pne umatic   s e r vo  pos it ion  c ontr ol  s ys tem  ha s   the  typi c a l  c ha r a c ter is ti c s   of   nonli ne a r it y  a nd  ti me - va r ying  [5 6 ] .   A  ne w  im pr ove ment  to  the  f r iction  c ompens a ti on  wa s   m a de   in  thi s   s tudy  with   a   f oc us   to   e nha nc e   the  a c c ur a c y  of   pne umatic  s e r vo  pos it ion  c o nt r ol  s ys tems .   T he   p r opos e d  c ontr oll e r   wa s   a n  a da pti ve   f uz z y - P D.   T he   f uz z y   c ontr oll e r   c ontr ols   the  dis plac e ment  of   a   pne umatic  s e r vo  s ys tem  that  c a n  a r r ive  a t  a   s e t  point   with  a   r e duc e d  ove r s hoot,   but   to  a c hieve   thi s   goa l,   the  a da pti v e   c ompens a ti on  mus t  be   de s igned  a nd   c ombi ne d  with  a   c onve nti ona l  f uz z y   c ontr oll e r   to   c ompens a te  the   f r iction.   I n   the   e xpe r im e ntal   r e s ult ,   it   is   c lea r   that   th e   s e tt li ng  ti me  a nd   s tea dy  s tate   e r r or   unde r   a   c ons tant  load  we r e   obtaine d   f or   les s   than   1   s   a nd  0 . 3   mm   with   a   r e duc e d   ov e r s hoot.   I t   s hould  be   note   that  thi s   tec hnique  wa s   not  tes ted  on  the  s ys tem  unde r   va r iations   of   load.   Ne xt,   the  model  r e f e r e nc e   a da pti ve   c ontr oll e r   ( M R AC )   that  f oc us e d  on  the  c ompens a ti ng  f r iction  a nd   pa yload  unc e r tainti e s   in   a   s e r vo   pne umatic  a c tuati on  s ys tem  wa s   mentioned   by   [5 7 ] .   B a s e d  on   thi s   r e s e a r c h,   the  mos t  c omm on   unc e r tainti e s   oc c ur r e d  in  the   mec ha nica l  s ys tem  we r e   f r iction  a nd   pa yload.   N or mally,   pr e vious   r e s e a r c he s   did  not  take   in to  a c c ount  the   f r iction  that   oc c ur r e d   in  the   s ys tem.   T he   f r iction  oc c ur r e d  whe n  the  pis ton  a nd  r od  s e a l  c ontac ted  dur ing  the  s l idi ng  in  the  pne umatic  a c tuator   s ys tem.   T he   pos it ion  c ontr ol   pe r f or manc e   in  thi s   pa pe r   wa s   c ompar e d  with  it s   w or ks   on  the  mot o r   s ys tems   while  the  pr e vious   r e s e a r c h  us e d  other   thr e e   a da pti ve   c ontr oll e r s   s uc h  a s   ba c ks tepping  a da pti ve   c ontr oll e r ,   s e lf - tuni ng  a da pti ve   c ontr o ll e r ,   a nd   model  r e f e r e nc e   a da pti ve   c ontr oll e r   that  pr opos e d  f or   a   pe r mane nt  magne t  li ne a r   s ync hr onous   mot or   pos it ion  c ontr ol.   F r om  that  c ompar is on ,   it   s howe d  that  pne umatic  a c tuator s   c a n  pr oduc e   a c c ur a te  pos it ion  c ontr ol  s uc h  a s   e lec tr ica l  s ys tem s .   F ir s tl y,   the  f r iction  model  wa s   s e lec ted  ba s e d  on  the  Ga us s ian  e xpone nti a l  s tatic   f r iction   model  whic h  c a ptur e s   thr e e   f r iction  phe nomena ;  C oulom b,   vis c ou s   a nd  S tr ibec k  f r iction.   T he n,   th e   s li ding   mode  c ontr oll e r   wa s   de s igned  to  maintain   the  r ob us t,   s tabili ty,   a nd  good   pe r f o r manc e   of   a   nonli ne a r   c ontr ol   s ys tem  with  nonli ne a r   modelli ng  inac c ur a c ies   a nd  M R AC   w a s   de s igned  f or   the  a da pti ve   f r iction  c omp e ns a ti on .  F r om  that  p r opos e d  c ontr ol  method ,   the   s tea dy - s tat e   pos it ioni ng  a c c ur a c y  wa s   les s   than  0. 05   mm   f or   a   60   mm   s tep  input   with  a   r is e   ti me   of   a bout   200   ms .     Y.   S htes s e l   e t  a l.   [5 8 ]   s tate d,   a   nove l  s upe r - t wis ti ng   a da pti ve   s li ding  mode  c ont r ol  law   wa s   de r ived  us ing  L ya punov  f unc ti on  tec hnique.   T he   p r opos e d  method  us e d  a   dyna mi c a ll y  a da pted  c ont r ol  ga in   tha t  e ns ur e s     the  e s tablis hment  in  a   f ini te  ti me  of   a   r e a l  s e c ond  or de r   s li ding  mode.   T he   e xpe r im e ntal  r e s u lt   s howe d  a   r e duc ti on  in  the  ga in  dur ing  s ome  of   the  ti me  int e r va ls   that  a f f e c t  the  a c c ur a c y  of   tr a c king  pe r f or man c e .   B a s e d   on  the  s tudy  in  2015  by  [5 9 ] ,   to  c ontr ol  the  p os it ion  of   a n  a nthr opomor phic  r obo ti c   ha nd,   a n   a da pti ve   ba c ks tepping  a lgor it hm  wa s   pr opos e d.   T he   pr opos e d  a lgor it hm  wa s   a   c onve nti ona l  P I D  c ontr oll e r   c ombi ne d  with  a n  a da pti ve   ba c ks tepping  p os it ion  c ont r ol.   T h e   pe r f or manc e   of   the   de s igned  c ontr oll e r   wa s   a s s e s s e d  only  in  a   s im ulation  tes t.   T his   s tudy  s howe d  that  the  s e tt li ng  ti me  of   0. 2  s e c ond  with  maximum   e r r o r   of   only    0. 2°  wa s   a c hieve d.     I n  a nother   r e s e a r c h,   [ 60 ]   r e ve a led  that  to  c ontr ol  th e   s pe e d  of   a   va ne - type  a ir   mot or   ( VA M )   pne umatic  s e r vo  s ys tem,   a n  a da pti ve   h igh - pr e c is ion  c o ntr oll e r   mus t  be   de ve loped.   An   a da pti ve   dyna mi c   s li di ng  mode  c ontr oll e r   ( AD S M C )   wa s   pr opos e d  to  a c hieve   thi s   objec ti ve .   T he   c ontr ol  method  f or   VA M   is   divi de d  int o  two   c a tegor ies ;  the  f ir s t  c a tegor y  is   a   model - f r e e   c ontr o l  s uc h  a s   f uz z y  c ontr ol  a nd  P I D  c ont r ol.   At   thi s   s tage ,   it   c a n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         R e v iew   on  c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  ac tuat or   dr ive   s y s tem   ( Sy amiz a  J amian)   339   de r ive  c ontr ol  s ignal  without   r e a li z ing  the  e xa c t  m ode l  of   the  s ys tem.   T he   s e c ond  c a tegor y  is   a   model - ba s e d   c ontr ol  whic h   include s   the  ba c ks tepping  a nd  s li di ng  mode  c ont r ol.   T he   c ontr ol   s ys tem  wa s   us e d  to   c ontr ol     the  pr e s s ur e   di f f e r e nc e   of   the   output   tor que s .   T he   pr e s e nc e   of   a i r   in   the   c ha mber   a nd   f r iction   c a us e s   dif f iculty  in  im pleme nti ng  pa r a mete r s   in  the  c ont r ol  law s .   I t  a f f e c ted  the  s tea dy  s tate   e r r or   a nd  c a us e d  poor   r obu s tnes s   in   the  VA M   a ppli c a ti on .   A  f e w  c ont r ol ler s   we r e   us e d  a s   c ompar is ons   to   the   pr opos e d  c ontr o ll e r .   T he   pr opos e d   AD S M C   e xpe r im e ntal  r e s ult   c lea r ly  s howe d  that  it   im pr ove d  the  s pe e d - tr a c king  pe r f or manc e ,   be tt e r   th a n  P I D,   pr opor ti ona l  in tegr a l  de r ivative - ne ur a l  ne twor k   ( P I DN N) ,   f uz z y - ne ur a l  ne twor k  ( F NN ) ,   a nd  pr o por ti ona l   int e gr a l  de r ivative - f uz z y - ne ur a l  ne twor k  ( P I DFNN ) .       6.   P E RF ORM AN CE   OF   T HE   CONT ROL L E R   T he   pe r f or manc e   f r om  the   pr e vious   s tudi e s   ba s e d  on  thr e e   types   of   c ontr ol ler s   that  a r e   a lwa ys   us e d  in  pne umatic  a c tuator   c a n  be   il lus tr a ted   a s   in  F ig ur e s   3 ,  4   a nd  5 .   B y  r e f e r r ing   to  thes e   F igur e ,   indi c e s   a ,   b,   c,   d,   e  r e pr e s e nts   the  pe r f or manc e   of   the  c ontr oll e r   a c hieve ment  in  the  pr e vious   s tudi e s .   F or   e xa mpl e ,   P I D  c ontr oll e r   c ombi ne d  with   f r iction   c ompens a tor ,   bounde d  in tegr a l  a nd   f e e df o r wa r d   give   the  be tt e r   pe r f or manc e   i n  ter m   o f   a c c ur a te  a nd  t r a ns ient  whe r e   it   r e pr e s e nts   a s :  [ a]   N e xt,   P I D   mer ge d   with   nonli ne a r   c ompens a tor   a nd   f e e dba c k   gives   the  pe r f or manc e   of   a c c ur a te,   [ b]   r e p r e s e nts   it .   F or   index  [ c ] ,   r obus t  a nd  pr e c is e   pe r f or manc e   ha ppe ne d   whe n  global  s li ding  mode  c ontr oll e r   is   im plem e nted  int o  the  s ys tem.   An  im pr ove ment  of   N P I D  with    MN - f unc ti on  a nd  S N - f unc ti on  give  the   pe r f o r manc e   of   [ d]   whic h  is   r obus t,   a c c ur a te  a nd  f a s t  r e s pons e .   L a s tl y,   [ e ]   a ppoint e d  a c c ur a te  a nd  r obus t.   An  e xa mpl e   t o  thi s   pe r f or manc e   is   in  a da pti ve   c ontr oll e r   whe n  M R AC     is   a ppli e d.   T he   pe r f o r manc e   of   the   c ontr oll e r s   in  F i gur e s   3 ,  4   a nd  5   c a n  be   s umm a r ize d  a s   in   T a ble  1 .           F igur e   3.   T he   pe r f o r manc e   of   P I D  c ont r oll e r   in  pn e umatic  a c tuator       T a ble  1 .   P e r f o r manc e   of   the  c ontr ol ler   a c hieve ment   I nde x   P e r f or ma nc e   a   A c c ur a te  a nd t r a ns ie nt   b   A c c ur a te   c   R obus t  a nd pr e c is e   d   R obus t,  a c c ur a te ,  a nd f a s t  r e s pon s e   e   A c c ur a te  a nd r obus tn e s s       He r e   a r e   the  r e c omm e nda ti ons   that  c ould  be   de ve loped  in  f utur e   s tudi e s   to  make   im p r ove ments   in    the  pne umatic  f ield .   M a ny  r e s e a r c he r s   a r e   only  c on c e r ne d  with  how   to  ge t   a   good   s tea dy  s tate   pe r f o r m a nc e   but  only  a   f e w   of   s tudi e s   a im e d  a t  im p r oving  tr a ns ient  p e r f or manc e   to   a c hieve   f a s t  r e s pons e   or   to  p r e ve nt  ov e r s hoot.   T he r e f or e ,   f utu r e   s tudi e s   c a n  im p r ove   the  method  t o  a c hieve   a   good  pe r f or manc e   in   both   tr a c king  pe r f or manc e   a nd  tr a ns ient  r e s pons e .   I n  a ddit ion,   the  r obus tnes s   of   the  s ys tem  c a n  be   im pr ove d  onc e   a ga in  by   in c r e a s ing     the  load  we ight   s uc h  a s   mor e   than  30   kg  by   pr op os ing  a   ne w  c ombi na ti on   tec hnique  int o   the  s ys tem.   T his   phe nomenon  would   ha ve   be e n   mor e   s uc c e s s f ul   if   the   r obus tnes s   of   the   s ys tem  is   a c hieve d  a l ong  with     the  a c c ur a c y  a nd  s tabili ty.   Ne xt,   the  tr a c king  pe r f or manc e   s tudi e s   us ing  s inus oidal  a nd  S - c ur ve   did  not  s how  a n  im pr ove ment  whe n  the  c ompar is on  wa s   made   with  a nother   e xis ti ng  method  s uc h  a s   N - P I D  c ontr oll e r .   I t   ha ppe ns   be c a us e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   1 ,  F e br ua r y  2020 :    332   -   342   340   ther e   a r e   s ome  we a kne s s e s   in  the  pr opos e d  meth o d  to  c ompens a te  the   de a d  z one   in   the  va lve   a s   it   i s   known  that  it   is   one   of   the  nonli ne a r it ies   oc c ur r e nc e s   in   a   pne umatic  a c tuator   s ys tem.   F or   f utu r e   r e s e a r c h,   a n  a da pti ve   tec hnique  c a n  be   a ppli e d  to  the  de a d  z one   c ompen s a tor .   T o  c onc lude,   a ll   i mpr ove ment s   to  be   pr opos e d  in  f utur e   s tudi e s   mus t  c ompl y  with  the  r e qui r e ments   of   the  i ndus tr y  a nd  mus t  be   a ble  to   im pr ove   the   s ys tem  a s   we ll   a s   mee t  the  gr owing   de mand  in  the  pne umatic  a c tuato r s   f ield.           F igur e   4.   T he   pe r f o r manc e   of   the  s li ding  mode   c ontr oll e r   in   pne umatic  a c tuator   s ys tem           F igur e   5.   T he   pe r f o r manc e   of   the  a da pti ve   c ontr oll e r   in  pne umatic   a c tuator   s ys tem       7.   CONC L USI ON     B a s e d  on  pr e vious   s tudi e s ,   the  mos t   c omm on  p r o blem  in   pne umatic  a c tuator   s ys tem  is   c a us e d  by     the  nonli ne a r it ies   of   the   s ys tem  s uc h  a s   the  high   c ompr e s s ibi li ty  of   a ir ,   f r ictional  f or c e ,   de a dti me  a nd   d e a dba nd.   I n  a ddit ion ,   ba s e d  on   the  de mand   of   the   pne umat ic  to   obtain  good   pe r f or manc e s   in   t e r ms   of     the  r obus tnes s ,   a c c ur a c y,   a nd   s tabili ty,   the  us e   o f   t he s e   a c tuator s   be c omes   li mi ted.   P r e vious   r e s e a r c he r s   ha ve   pr oduc e d  many   c ontr oll e r s   to   s olve  thos e   p r oblems .   T he   mos t   wide ly  us e d   c ontr oll e r s   in   the   pne umatic  a c tuator   s ys tem  a r e   pr opor ti ona l  in tegr a l  de r ivatives   ( P I D) ,   s li ding  mode   c ontr oll e r   ( S M C ) ,   a nd  a da pti ve   c o ntr oll e r .     T he   c onduc ted  li ter a tur e   r e view   s howe d  that   in   the   1990s ,   r e s e a r c he s   in  thes e   a c tuator s   incr e a s e d  due   to  many  c ontr ol  s tr a tegie s   we r e   int r oduc e d  a nd   a ppli e d   int o   the   s ys tem  s uc h  a s   P I D   c ontr ol ,   P D   c ontr ol,   s li di ng  mode   c ontr ol,   a nd  a da pti ve   c ontr ol.   T he n,   the  s tudy  in   thi s   f ield  be c a me  mor e   a ggr e s s ive  whe n  the  r e s e a r c he r s   e mer ge d  with   many  a dva nc e d  c ont r ol  s tr a tegie s   in   t he   e a r ly  2000s .   How e ve r ,   mos t   of   the   r e c omm e nde d  c ontr ol   s tr a tegie s   s tudi e s   invol ve d  c ompl e x   pa r a mete r s   a nd  ti e d   with   the   c ompl ica ted   mathe matica l  e qua ti ons .   F or   that   r e a s on,   ove r   the   pa s t  f e w  ye a r s ,   mos t   of   the   r e s e a r c he r s   s ti ll   holdi ng   to   the   c ontr ol   loops   ba s e d  on   pr o por ti ona l  int e gr a l  de r ivativ e s   ( P I D)   c ontr oll e r   be c a us e   of   it s   s im pli c it y  a nd  e a s y  to  unde r s tand.   T his   is   the  mos t  s igni f ica nt  opti on   a va il a ble   in   the  indus tr y   of   c ontr ol  a ppli c a ti on   due   to   it s   s im ple   s tr uc tur e   a s   i t  ha s   o nly  th r e e   pa r a mete r s   to  be   c ons ider e d  e ve n  it   mi ght   f a c e   dif f iculty  in  de a li ng   with  the   highl y  nonl inea r   s ys tems .         AC KNOWL E DGE M E NT S   T his   r e s e a r c h  is   s uppor ted  by   Unive r s it i  T e knikal  M a lays ia  M e lak a   ( UT e M )   a nd  Unive r s it i   T e knolog i  M a lays ia  ( UT M )   thr ough  S hor t   T e r m  –   High   I mpac t  gr a nt  s c he me  ( P J P - HI )   with   r e f e r e nc e   number   of   P J P /2017  F T K/HI /S 01535   a nd  R e s e a r c h  Unive r s it y  Gr a nt   ( GU P )   T ie r   1   vote  no .   Q . J 130000. 7123. 00H36 .   Au thor s   a r e   gr a tef ul  to  UT e M   a nd  UT M   f or   s uppor ti ng   the  pr e s e nt  wor k.   A  s pe c ial  thanks   a ls o  goe s   to  the  M i nis tr y  of   Hi ghe r   E duc a ti on.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         R e v iew   on  c ontr oll e r   de s ign  in  pne umatic  ac tuat or   dr ive   s y s tem   ( Sy amiz a  J amian)   341   RE F E RE NC E S     [1 ]   S.   B.   M.   N o o r,   et   a l . ,   “D es i g n   o f  c o mb i n e d   ro b u s t   c o n t ro l l er  fo r  a  p n e u mat i c  s er v o   ac t u a t o r  s y s t em  w i t h   u n cer t ai n t y , ”   S ci .   R e s .   E s s a y s ,   v o l .   6 ,   n o .   4 ,   pp .   9 4 9 - 9 6 5 ,   2 0 1 1 .   [2 ]   T .   D .   C.   T h an h   an d   K .   K .   A h n ,   “N o n l i n ear  PID   co n t ro l   t o   i mp ro v e  t h e  co n t ro l   p erfo rma n ce  o f  t h e  p n e u mat i c  art i f i ci al   mu s c l e  man i p u l at o r  u s i n g   n e u ral   n et w o r k , ”  M ech a t r o n i c s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   9 ,   p p .   5 7 7 - 5 8 7 ,   N o v   2 0 0 6 .   [3 ]   J .   F.   Carn ei r o   an d   F.   G .   D e  A l mei d a,   “A   h i g h - acc u ra cy   t ra j ect o ry   f o l l o w i n g   c o n t ro l l er   fo r  p n e u mat i c  d e v i c es , ”     In t .   J.   A d v.   M a n u f .   Tech n o l . ,   v o l .   6 1 ,   p p .   2 5 3 - 2 6 7 ,   2 0 1 2 .   [4 ]   S.   A zi z  an d   G .   Bo n e,   “A u t o mat i c  t u n i n g   o f  a n   acc u rat e   p o s i t i o n   c o n t ro l l er  f o r  p n eu ma t i c   ac t u a t o r s , ”  P r o cee d i n g s .   1 9 9 8   IE E E / R S J  In t .   Co n f .   In t e l l .   R o b o t .   S ys t .   In n o v.   Th eo r y,   P r a c t .   A p p l .   (Ca t .   No . 9 8 CH 3 6 1 9 0 ) ,   v o l .   3 ,     p p .   1 7 8 2 – 1 7 8 8 ,   1 9 9 8 .   [5 ]   B.   L u ,   et   al . ,   “Mo d el i n g   an d   co n t ro l   o f  t h e  p n eu ma t i c  c o n s t a n t   p re s s u re  s y s t em  fo r  zero   g ra v i t y   s i mu l at i o n , ”  2008  IE E E / A S M E   In t er n a t i o n a l   C o n f er e n ce  o n   A d v a n ce d   In t e l l i g e n t   M ec h a t r o n i cs ,   p p .   6 8 8 - 6 9 3 ,  2 0 0 8 .   [6 ]   R.   Ro s l i ,   et   al . ,   “A ct i v e  s u s p e n s i o n   s y s t em  fo r  p as s en g er  v eh i cl e  u s i n g   act i v e  fo rce  co n t r o l   w i t h   i t era t i v e  l ear n i n g   al g o ri t h m, ”  W S E A S   Tr a n s .   S ys t .   Co n t r o l ,   v o l .   9 ,   p p .   1 2 0 - 1 2 9 ,   2 0 1 4 .   [7 ]   F.   Bu   an d   H .   S.   T an ,   “Pn eu mat i c  b rak e  co n t ro l   fo r  p rec i s i o n   s t o p p i n g   o f  h eav y - d u t y   v e h i c l es , ”  IE E E   Tr a n s .   Co n t r o l   S ys t .   Tech n o l . ,   v o l .   1 5 ,   p p .   5 3 - 6 4 ,   2 0 0 7 .   [8 ]   J .   Sch rö d er,   et   a l . ,   “Imp r o v e d   Co n t r o l   o f  a  H u ma n o i d   A rm  D r i v e n   b y   Pn e u mat i c  A ct u at o rs , ”  I n t .   Co n f .   H u m a n o i d   R o b o t ,   p p .   1 - 2 0 ,   2 0 0 3 .   [9 ]   B.   E .   St u d en t ,   et   al . ,   “E l ec t ro - P n eu ma t i c  L i ft   an d   Carry   Co n v ey i n g   Sy s t em, ”   In t er n a t i o n a l   Jo u r n a l   o f   S c i e n ce   Tech n o l o g y  &  E n g i n ee r i n g ,   v o l .   2 ,  n o .   1 0 ,   p p .   9 0 4 - 9 0 7 ,   2 0 1 6 .   [1 0 ]   M.   F.   Rah mat ,   et   al . ,   “Rev i e w   o n   M o d e l i n g   a n d   Co n t r o l l er  D es i g n , ”  In t .   J.   S m a r t   S en s .   In t e l l .   S y s t . ,   v o l .   4 ,     N o .   4 ,   p p .   6 3 0 - 6 6 1 ,   J a n   2 0 1 1 .   [1 1 ]   B.   T ah eri ,   et   al . ,   “D es i g n   o f  ro b u s t   n o n l i n ear  fo rce  an d   s t i ff n es s   co n t r o l l er  fo r  p n e u mat i c  act u a t o r s , ”  2 0 1 2   IE E E   5 1 st   IE E E   Co n f er e n ce  o n   D eci s i o n   a n d   Co n t r o l   (C D C) ,   Mau i ,   H I,   p p .   1 1 9 2 - 1 1 9 8 ,  2 0 1 2 .   [1 2 ]   S .   C.   H s u   an d   C.   Y .   L i n ,   “Per i o d i c  m o t i o n   co n t r o l   o f  a  h eav y   d u t y   p n e u mat i c  act u at i n g   t a b l e  u s i n g   l o w - c o s t   p o s i t i o n   s en s o r s   an d   h y b ri d   rep et i t i v e  c o n t ro l , ”  IE E E   In t .   S ym p .   In d .   E l ect r o n . ,   p p .   1 - 6,   2 0 1 3 .   [1 3 ]   G .   M.   Bo n e,   et   al . ,   “Po s i t i o n   co n t ro l   o f  h y b ri d   p n e u mat i c - el ec t ri c  act u at o rs   u s i n g   d i s cre t e - v a l u ed   mo d el - p red i ct i v e   co n t ro l , ”  M ech a t r o n i c s ,   v o l .   2 5 ,   p p .   1 - 1 0 ,   2 0 1 5 .   [1 4 ]   K .   H ami t i ,   et   al . ,   “Po s i t i o n   co n t ro l   o f  a  p n eu mat i c  act u at o r  u n d er  t h e  i n fl u en ce  o f  s t i c t i o n , ”  Co n t r o l   E n g i n ee r i n g   P r a ct i ce ,   v o l .   4 ,   n o .   8 ,   p p .   1 0 7 9 - 1 0 8 8 ,   1 9 9 6 .   [1 5 ]   S.   Cai ,   et   al . ,   “Cy l i n d er  p o s i t i o n   s er v o   co n t r o l   b as e d   o n   f u zzy   PID , ”  J.   A p p l .   M a t h . ,   v o l .   2 0 1 3 ,   p p .   1 - 1 0 ,   N o v   2 0 1 3 .   [1 6 ]   C.   Q .   H u an g ,   “Ro b u s t   N o n l i n ear  PID   Co n t r o l l er s   fo r  A n t i - w i n d u p   D es i g n   o f  Ro b o t   Man i p u l a t o r s   w i t h   an   U n cer t ai n   J aco b i a n   Mat ri x , ”  A ct a   A u t o m .   S i n . ,   v o l .   3 4 ,  n o .   9 ,   p p .   1 1 1 3 - 1 1 2 1 ,   2 0 0 9 .   [1 7 ]   J .   T o n g   an d   T .   Y u ,   “ N o n l i n ear  PI D   co n t r o l   d e s i g n   f o r  i mp ro v i n g   s t a b i l i t y   o f  mi cro - t u r b i n e  s y s t ems , ”  2 0 0 8   3 rd   In t .   Co n f .   E l ec t r i c  U t i l i t y  D er e g u l .   R es t r u ct .   P o wer   Tech n o l .,   p p .   2 5 1 5 – 2 5 1 8 ,   2 0 0 8 .   [1 8 ]   L .   Rezn i k ,   et   al . ,   “PID   p l u s   fu zzy   co n t r o l l er  s t r u ct u res   a s   a  d es i g n   b as e  fo r  i n d u s t ri a l   ap p l i ca t i o n s , ”  E n g .   A p p l .   A r t i f .   In t e l l . ,   v o l .   1 3 ,   n o . 4 ,   p p .   4 1 9 - 4 3 0 ,   2 0 0 0 .   [1 9 ]   P.   Mi s h ra,   e t   al . ,   “A   n o v el   i n t el l i g en t   co n t r o l l er  f o r  co mb at i n g   s t i c t i o n   i n   p n e u mat i c  co n t r o l   v al v es , ”  C o n t r o l   E n g .   P r a ct . ,   v o l .   3 3 ,   p p .   9 4 - 1 0 4 ,   D ecemb er  2 0 1 5 .   [2 0 ]   V .   Prab h a k aran ,   et   a l . ,   “D es i g n   o f  a  co n t r o l l er  fo r  t h e   p n eu ma t i c  f l o w   co n t r o l   v al v e  an d   p res s u re  re g u l at i o n   fo r   ap p l i ca t i o n   rel a t ed   t o   p n e u mat i cal l y   p o w ere d   o rt h o s i s , ”  2 0 1 6   In t er n a t i o n a l   Co n f e r en ce  o n   In f o r m a t i o n   Co m m u n i c a t i o n   a n d   E m b e d d e d   S ys t em s   (ICICE S ) ,   Ch en n ai ,   p p .   1 - 5 , 2 0 1 6 .   [2 1 ]   R.   R.   Su mar,   et   al . ,   “Co m p u t at i o n al   i n t el l i g en ce  a p p r o a ch   t o   PID   c o n t ro l l er  d es i g n   u s i n g   t h e  u n i v er s a l   mo d el , ”  In f .   S ci .   (Ny). ,   v o l .   1 8 0 ,   n o .   2 0 ,   p p .   3 9 8 0 - 3 9 9 1 ,   2 0 1 0 .   [2 2 ]   O .   A rri et a,   et   al . ,   “PID   au t o t u n i n g   fo r  w ei g h t ed   s er v o / reg u l at i o n   co n t ro l   o p era t i o n , ”  J.   P r o ce s s   Co n t r o l ,   v o l .   2 0 ,     n o .   4 ,   p p .   4 7 2 - 4 8 0 ,   2 0 1 0 .   [2 3 ]   C.   J .   Ch i an g   an d   Y .   C.   Ch en ,   “N eu ra l   n et w o rk   fu zz y   s l i d i n g   mo d e  co n t ro l   o f  p n eu ma t i c  mu s cl e  ac t u a t o r s , ”  E n g .   A p p l .   A r t i f .   I n t e l l . ,   v o l .   6 5 ,   p p .   6 8 - 8 6 ,   O c t o b er  2 0 1 7 .   [2 4 ]   R.   B.   V an   V ars ev e l d   an d   G .   M.   Bo n e,   “A ccu rat e  Po s i t i o n   Co n t ro l   o f  a  Pn eu ma t i c  A ct u at o r  U s i n g   O n   /   O ff  So l en o i d   V al v es , ”  i n   IE E E / A S M E   T r a n s a ct i o n s   o n   M ec h a t r o n i cs ,   v o l .   2 ,   n o .   3 ,   p p .   1 9 5 - 2 0 4 ,   1 9 9 7 .   [2 5 ]   A .   Sal eem,   et   al . ,   “Mi x ed - real i t y   en v i r o n me n t   fo r  fri c t i o n a l   p aramet er s   i d e n t i fi ca t i o n   i n   s er v o - p n e u mat i c  s y s t e m, ”   S i m u l .   M o d el .   P r a c t .   Th eo r y ,   v o l .   1 7 ,   n o . 1 0 ,   p p .   1 5 7 5 - 1 5 8 6 ,   2 0 0 9 .   [2 6 ]   J .   W an g ,   et   al . ,   “A   p rac t i ca l   co n t r o l   s t ra t eg y   fo r  s er v o - p n e u mat i c  act u a t o r  s y s t em s , ”  Co n t r o l   E n g .   P r a ct . ,   v o l .   7 ,     n o .   1 2 ,   p p .   1 4 8 3 - 1 4 8 8 ,   1 9 9 9 .   [2 7 ]   A .   Il ch man n ,   et   al . ,   “Pn eu mat i c  cy l i n d ers :   Mo d e l l i n g   an d   feed b ac k   fo rce - co n t r o l , ”  In t .   J.   Co n t r o l ,   v o l .   7 9 ,   n o .   6 ,     p p .   1 - 21 ,   2 0 0 5 .   [2 8 ]   J .   E .   T a k o s o g l u ,   et   a l . ,   “Rap i d   p r o t o t y p i n g   o f  fu zz y   co n t r o l l er  p n eu ma t i c  s erv o - s y s t em, ”  In t .   J.   A d v.   M a n u f .   Tech n o l . ,   v o l .   4 0 ,   n o .   3 ,   p p .   3 4 9 - 3 6 1 ,   2 0 0 9 .   [2 9 ]   M.   Pap o u t s i d a k i s ,   e t   al . ,   “Mo d e l i n g   an d   Si m u l a t ed   C o n t ro l   o f  N o n - L i n ear  Sw i t c h i n g   A c t u a t i o n   Sy s t em s , ”   8 t h  In t e r n a t i o n a l   Co n f er e n ce  o n   S ys t em   S ci e n ce  a n d   S i m u l a t i o n   i n   E n g i n ee r i n g ,  p p .   9 7 - 1 0 2 ,   O ct o b er  2 0 0 9 .   [3 0 ]   H .   K .   L ee,   et   al . ,   “A   s t u d y   o n   t rac k i n g   p o s i t i o n   co n t r o l   o f  p n eu ma t i c  ac t u a t o r s , ”  M ech a t r o n i c s ,   v o l .   1 2 ,   n o .   6 ,     p p .   8 1 3 - 8 3 1 ,   J u l y   2 0 0 2 .   [3 1 ]   A .   A .   M.   Fau d z i ,   et   a l . ,   “Co n t ro l l er  d es i g n   fo r  s i m u l a t i o n   co n t r o l   o f  In t el l i g en t   Pn e u mat i c  A c t u a t o r s   (IPA )  s y s t e m, ”  P r o ced i a   E n g . ,   v o l .   4 1 ,   p p .   5 9 3 - 5 9 9 ,   2 0 1 2 .   [3 2 ]   A .   Sal eem,   et   al . ,   “Id e n t i fi ca t i o n   a n d   ca s cad e  c o n t ro l   o f  s erv o - p n e u mat i c  s y s t em  u s i n g   Part i cl e  S w arm  O p t i mi za t i o n , ”   S i m u l .   M o d el .   P r a c t .   Th eo r y ,   v o l .   5 2 ,   p p .   1 6 4 - 1 7 9 ,   Marc h   2 0 1 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.