Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 2 ,  A p r il  201 6, p p 62 1 ~ 62 I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 2.8 123          6 21     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Speed Control of a Single Taip ei Mass Rapid Transit System  Train by Using a Single In put Fuzzy L ogi c Cont roll er       Hari Ma gh fir o h 1 , O yas   W a hyu n g g o ro 1 A d ha  Ima m  Ca hy ad i 1 , K u Lung Li an 2 , B w o Re n Ke 3   1 Dept. of  Electrical Engin eer ing  a nd Information  Techno log y , Universita s Gad j ah   Mada, Yog y akar ta, Indonesia  2 Dept. of  Electrical Engin eer ing,  Nationa l T a iwan  Universit y   of Sc ienc and T echn o log y Taip ei T a iwan   3 Dept. of  Electrical Engin eer ing,  National Penghu  Un iversity   of Science  and Techn o log y , Penghu Taiwan       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  J u l 13, 2015  Rev i sed  D ec 19 , 20 15  Accepte Ja n 12, 2016      The purpose of this stud y  was to design a speed controller for mass rapid   transit (MRT) tr ain b y  using a single i nput fuzzy logic controller  (SIFLC). A  com p lete tr ain  m odel, which was  des i gned according to the  des i gn of a  Taip ei M R T tra i n, was  us ed for anal yz ing bot h m echanic al a nd ele c tri c a l   parts. Th e SIFLC was used for improvi ng a fuzz y log i c con t roll e r  (F LC) b y   reducing  its nu mber of control rules.  The r e su lts indi cat ed th a t  the  SIFLC  exhibited more  favorable perfor m ance  than  the FLC did and a substantial  reduction in  the  number of fuzzy rules an d  processing time.  Ther efore,  tuning   the S I F L C was  eas ier  com p ared with tuning  the F L C; furt herm ore, t h e   sim u lation tim of the SIFLC was shorter  than that of the FLC ,  exhibiting   reductions of up to 17.3% in a constant  tra c k (track withou t gradien t  and   curvatur e)  and  up to 12 .27%  i n  a v a ri able  tr a c k (tr ack  with  gradien t  and   curvatur e). Keyword:  Fuzzy logic c o ntroller  M a ss ra pi d t r a n si t   Railway   Single i n put  fuzzy   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r H. M a gh fi r o h,    Depa rtem ent of Electrical E n ginee r ing a n   In fo rm ation Te chn o lo gy ,   Uni v ersitas Ga dja h   M a da,   Yo gy aka r t a , In do nesi a.   Em a il: h a ri.m a g hfiro h @g m a i l .co m       1.   INTRODUCTION  Mass rapi d tra n sit (MRT) sy ste m s play a crucial role   in public  tra n s p ortation because  of  t h eir high  efficien cy and   rid e rsh i p ,  esp e cially  in  h i g h   p opu lati o n  d e nsity areas su ch as  m e tro p o litan  areas. Th e Taip ei  R a pi d Tra n si t  Sy st em  (TR T S), al so cal l e d T a i p ei  M e t r o, w a s est a bl i s hed  by  t h e Depa rt m e nt  of R a pi Tran si Sy st em s and  o p erat e d  by  Tai p ei  R a pi d  Tra n si t  C o rp o r at i o n .  The  TR TS c o m p ri ses 10 9 st at i ons a n d  1 1  l i nes,  wi t h  a t o t a l  of   12 1. km  of  re ven u e t r ack , a n d  i t  t r ans p ort e d,  o n  a v era g e ,  m o re t h an  1 . 96  m i l l i on pas s en gers  p e r d a y i n  May 20 15   [1 ].  Au t o m a t i c trai n  op eration  (ATO) is an  in tegrated   aut o m a t i on t r ai n co nt r o l  sy st em  whi c h  has a di rect   im pact in the devel opm ent of train  operation  syste m . Therefore ,  the st udy  of  AT O has attraced significant   at t e nt i on i n  t h e rece nt  deca d e s. C h i u   [2]   pr op ose d   a Taipei MRT m o d e l th at using  a  propo rtion a l-in t e g r al- deri vat i v e ( P I D ) c o nt rol l e m e t hod.  The  P I gai n s a r u s ual l y  det e rm ined t h r o ug h t r i a l  and er r o r,  and t h i s   m e thod m a y not return optim al gains. A  fuz z y logic c ontroller (FLC) is a  widely  use d  de vice  for controlling  t r ai n spee d. Y a su no b u   et al.  [3] designed  a fuzzy AT O cont roller th at  can control a train autom a tically.  Ch ang   et al [4] also applie d fuzzy logic rules to a n   AT co nt r o l l e r t o  p r ovi de m u lt i object i v e co n t rol  f o r   satisfyin g  v a rio u s   railway op eration a l requ irem en ts.  Both of these fuzzy ATO  co n t rollers can  p e rf orm   effectively a n d are s u peri or t o  PID c ont rollers.  C h an g a nd  X u  [5]  use d   di f f e r ent i a l  ev ol ut i on  (D E) al go ri t h m  based t u n i ng t o  i m pl em ent  a f u zzy   ATO.  DE is  u s ed  for op tim iz i n g fu zzy m e mb ersh ip fu n c ti on s.  Tao   et al.   [6 ] propo sed a  m u l ti  m o d e  in tellifen cont rol  usi n g B a ng -ba n g- Fu zzy -PI  s w i t c hi ng  c o nt r o l   fo r spee co nt r o l   of hi g h   s p eed r a i l w ay The pu rp ose of   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    62 1 – 6 2 9   62 2 m i xed co nt r o l l e rs i s  t h at  t h ban g - ba n g  c o n t rol  i s   used   wh en th e erro r is to o larg e, t h en  to g e t t h e smaller  er ro r,  th e fu zzy co n t ro l is u s ed Wh en  th e erro r is v e y sm a ll, PID con t ro ller is u s ed. Ke  et al.  [ 7 ] pr oposed  a  fuzzy - P I D  gai n  sche d u l e r f o r t r acki ng t h spee d o f  M R T t r ai ns, an d t h e pr op ose d  sc h e dul e r  ex hi bi t e d hi gh   perform a nce unde r acceleration restri ctions . Howe ve r, they used co m p lex and tim e  consum ing three   d i m e n s io n a l win d o w for fu zzy ru les. FLC s  requ ire a lo ng  co m p u t atio nal ti me  th at is  p r opo rtion a l to  th num ber o f  f u z z y  rul e s. The c u r r ent  st u d y  pr op oses a si m p le si ngl e i n p u t  fuzzy  l o gi c co nt r o l l e r (SI F L C ) fo r   repl aci n g   FLC s  i n  s p ee d c ont rol   of  m a ss rap i d t r a n si t  (M R T ) t r ai n.   The  SIFLC es sentially has t h e sam e  conc ept as  th at  o f  FLCs;  h o wever, it  u s es ju st  on e i n pu t.  There f ore, it offe rs a c onsi d e r able   redu ction in  fu zzy ru les. Cho i   et al.  [ 8 ]  pro p o se d t h e  SIFLC  a n d p r ove th at it o p e rates effectiv ely in   regu latio n and   track ing   p r ob le m s . Lon d h e   et a l .  [ 9 ]  use d  a n  S I FLC  t o  pe rf orm   spatial control of a n  a dva nc ed  heavy  wate r react or, a n their results s h owe d  t h at the   SIFLC  ha d s u peri or  per f o r m a nce and a s h o r t e r co m put at i on t i m e   com p ared with a conv en tional FLC. I s h a que  et al.  [10]  us ed an   SIFLC t o  co n t ro l an un m a n n e d   u n d e rwater veh i cle; th ey  con c lud e d th at the SIFLC exh i bited  h i gh er tenab ility  and a s h orter c o m putation time co m p ared  with an FLC.  There f ore, t h e SIFLC ca n be  im ple m ented in sl ow  process o rs at a  low cost. C h iang  et al.  [11 ]  u s ed  an  SIFLC as a reg u l atio n  co n t ro l fo in tellig en t v e hicles  because  of its si m p licit y com p ared with conventional  FLCs.  Th e r e st of  this p a p e r  is o r g a n i zed  as fo llo w s .   Sectio n   I I  pr esen ts th e MRT  m o d e l.  Sectio n  III  prese n t s  t h fo rm ul at i on of t h e pr op ose d  S I F L C  C ont r o ller. The res u lts and case study a n alysis are des c ribe in  Section   IV.  Fin a lly, th e con c lu si o n  is prov id ed  in Section   V.      2.   MASS RAPID  TRANSIT MODEL  A t r ai n m odel  of t h e B a n n a n  Li ne of t h e T a i p ei  M R T was const r uct e d usi n g M A TL A B -Si m ul i nk.  Th e m o d e led  train  is an  electrical  m u ltip le  u n it (EM U ) that co m p rises two  m o to r cars an d  a trailer car. For  sim u lating spe e d control, the  train  propulsi on system  and track profiles  were m odeled. Because the  train  d e ri v e po wer fro m  th ird rails, a th ird   rai l   m o d e was  also  in cl u d e d .  Data  on  th Taip ei MRT syste m   reg a rd i n g th e t r ain ,  track, and th ird  rail  were u s ed  i n  th e m o d e l.  The p r o p u l s i o n sy st em  of t h e B a nna n Li ne  of t h e Tai p ei   M R T com p ri ses an AC  i n du ct i on m o t o r   cont rol l e by   a vari a b l e -v ol t a ge va ri abl e - f r e que ncy  ( V V V F) c o nt r o l l e r  by  m eans of  V/ f t ech ni q u e[ 2] . The   three  phase  voltage are  m eas ure d  a n c o mpare d   with the  re fere nce  val u of   vol t a ge   req u i r e d  a n d t h en  t h e   req u i r e d  fre q u e ncy  of p u l s e are gene rat e by  t h e P W M  g e nerat o r so as  t o   m a i n t a i n  a const a nt  t o r que  even at   lowe r spee d [12]. The Taipei  MRT uses thre e switching  m e thods accordi n g to the tr ain s p eed; SPWM is used  at 0 –22   k m /h , a qu asi- si x - step  m e th o d  is used  at  22 –42   km/h , and  a six- step  m e th od  i s  u s ed  at  42– 80   k m /h   [1 3] .   Taip ei MRT tr ain s  d e r i v e  pow er  fr o m  a tr a c tio n  sub s tation  ( T SS)  th rough  a th ir d  r a il w ith  a 7 5 0  V   dc sy st em . Thi s  st udy  e x am i n ed t h e s p ee d c ont rol   of a  single train t h at operates  bet w ee n t w o TS Ss.  Fi gu re  1   sh ow s th e cur r en t f l o w  th roug the t r ain a n d its re sistance s.          Fig u r e   1 .  Cur r e n t  f l o w  fr o m  tw o TSS thr ough  a t r ain      The electrical resistances ca be  form ulated as follows:                ( 1 )                 ( 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Spee d  C o nt rol   of  a  Si ngl Tai p ei  M a ss R a pi d Tr a n si t  Sy st em Tr ai n  b y  U s i n g  a  Si ngl e …   ( H ari  M a g h f i r oh)   62 3             ( 3 )                                         (4)     whe r  is th e th ird  rail resistan ce fro m  TSS  1  ( ),   is th e th ird  rail resistan ce fro m  TSS  2  ( ),   is th e   runn ing  rail  resistan ce conn ected  to TSS 1 ( ),   is th e ru nnin g   rail resistan ce co nn ected   to  TSS  2   ( ),    is  th t h ird rail resistan ce p e r k ilo m e ter  ( / k m ),  is  th ru nn ing  rail resistan ce p e r k ilo m e ter   ( / k m ) ,    is t h train s p eed (km/h), a n  is the distance  bet w een two T S Ss (km ) There  are  f o ur  t y pes  of  f o rce  resi st ance which are  starting  resistance  ( R S kN ), r unn ing  r e sistance  ( R R , kN), gra d ient resistance  ( R G , kN ), a nd c u r v e resi st a n ce  ( R C , kN ). Runn ing  r e sistan ce is ad op ted  fr om th e   Davi s  eq uat i o n  as ( 5 ):                 ( 5 )     whe r A  is the  coefficient in  N,  B  is the coe fficient in  Ns/ m , and  C  is the coefficient in Ns 2 /m 2 . Furth e rm ore,   R G   occ u rs  beca use  of the t r ack gradie nt, a n d its value   is relat e d  to th e t r ain   mass as exp r essed  i n  (6):                                     (6)     whe r  is th mass o f  t h e train  (ton),   is g r av itatio n a l acceleratio n   (m /s 2 ), a n d    is the angle  of gradie nt Curve  resistance, as e x presse d in (7), is  ca us ed  by the e ffe c t  of track curve  [14].    0 . 0 1                                  (7)     Here k  i s  a dim e nsi onl ess p a ram e t e r (depen di n g  o n  t h e t r ai n desi g n , a nd  v a ri es fr om  500 t o  12 0 0  wi t h  8 00 as   the ave r age )  a n r  is the  cu rv e  radi us (m ) o n   a h o rizo ntal pl an e.  As e x pres sed in (8), the t o tal resistance  ( R ) is   the s u m  of all  of the a f orem e n tione resista n ces.                                                       (8)     There f ore,  t h e   m o ti on e q u a t i o becom e                ( 9 )     whe r e  F  is trac tion  force  (kN) and  a  is t h e tra i n acceleration  (m /s 2 ).       3.   CONTROLLER DE SIGN    3. 1.   Fuz z y  L o gi c C o n t r o l l er  Zade h i n t r od u ced t h fuzzy   l ogi c sy st em  ( F LS) i n  1 9 6 5 ,  and M a m d ani  devel ope d t h e  fi rst  f u zzy   co n t ro l m o d e l in  19 81  [15 ] . In  a con t ro l syste m , th e FLS is called  as Fu zzy Lo g i c Con t ro ller (FLC).  An  FLC   req u i r es si m p l e r m a t h em at i c s and  o ffe rs  a hi g h er  de gr ee of  free d om  i n  t uni ng i t s  cont rol  p a ra m e t e rs  com p ared wi t h  ot her  n onl i n ea r co nt r o l l e rs [ 1 0] . A n  FLC  co m p ri ses fou r  c o m pone nt s, w h i c h are f u zzi fi c a t i on,   a ru le b a se, an  inferen c e mech an ism ,  and d e ffu z ifi cation .   Figu r e  2 sh ow s th e c o mpone n ts  of a  fuzzy   co n t ro ller  with two inp u t s (erro r  ( e ) a n d  cha n ge  of  er ro ( ) )   an d on ou tpu t  ( c o n t ro ller  si gn al ( u ))       Fi gu re 2.   FLC  st ruct u r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    62 1 – 6 2 9   62 4 3. 2.   Si n g l e  In put  Fuz z y  L o gi c C o n t r o l l er  The m a i n  i npu t s  of a n  FLC  a r e err o r an d ch ange  of e r r o r,  rega rdl e ss  of t h e com p l e xi t y  of  pl ant s A   two   d i m e n s io nal (2D) ru le tab l e is th en  constr u c ted on  a ph ase  p l an e ( e ,  ). Th ou tpu t   o f   th e FLC is  applied   to  th e p l an t as th e con t ro ller sig n a u . M o st  r u l e  t a bl es o f  F L C s  have a  skew-symm e try  p r op erty [8 ].  In  th is  stru cture, th e sa m e  o u t p u t   m e m b ersh ip s are arran g ed in  a d i ag onal d i rectio n ,   co nstitu tin g  the  m a in  ch aracteristic o f  th e stru ct u r e (Tab le 1). In th is cas e, fiv e   m e m b ersh ip are u s ed n a mely p o s itiv e b i g  (PB ) positive sm all   (PS), zero (Z), negativ e sm all  (NS), and ne gative big (NB ) . The  m a gnitude of each point  on a  part i c ul a r  di a g onal  l i n e i s   pr op o r t i onal  t o  t h e di st a n ce  fro m  i t m a in  d i ag on al lin e. Th is prop erty en ab les  usi n sign ed  dista n ce,  wh ich is th e d i stan ce fro m  th m a i n  d i ag on al line  to an actual st ate [8]. The  de rive si gne d di st a n c e  i s  t h en use d  as t h e fuzzy  i n put . T h e i n put   of t h e F L C  i s  thus  o n l y  one v a ri abl e . T h ere f ore ,  t h e   rule  base is  conside r ably  reduced com p ared with  t h at of con v e n tion a l FLCs.  As s h ow n i n   Tabl 1, t h e b o u n d ari e of   e  and   in  th e sa m e  co n t ro ou tpu t  are  sh aped  lik e a  staircase. If the q u a n tizatio n  lev e l o f  th e ind e p e nd en t v a ri ab les b e co m e s  in fin itesi m a l,  th en  th e bou nd aries  b eco m e  straigh t  lin es  (Figu r e 3 ) . Th e ab solu te m a g n itu d e  o f  th e con t ro l  in pu t is  p r o portio n a l t o  th sig n e d   distance  ( d fro m  th e m a in  diag on al. To  d e termin d,  as su me    ,  is an in t e rsectio po in t  of th e m a in   di ag onal  l i ne a n d  t h e l i n e   per p en di cul a r t o  i t  fr om  a kn o w n   ope rat i n poi nt    ,  (Fi g ure  4 ) .       Tabl e 1. FLC   r u l e   t a bl e   \   PB PS  NS  NB  NB  NS  NS  NB  NB  NS  PS  NS  NS  NB  PS  PS Z  NS  NS  PS  PB  PS  PS Z  NS  PB  PB  PB  PS  PS Z            Fig u re 3 .   Ru le Tab l e with   Infin itesi m a Qu antizatio n   Levels       Fi gu re 4.   Si g n e d  Di st ance         The m a in diagonal is  a s w itching line  or sli d in g s u rface t h at can  be  repre s ented as  follows:    :  0           ( 1 0 )     whe r λ  is th e slo p e  of th main  d i ag on al lin e L Z  (Fi g ure  3). T h e di st a n ce bet w ee n p o i nt s A an d B  can be   calcu lated  as  fo llo ws:        |  |                                   (11)     In g e n e ral, th is equ a tio can   be rewritten  as fo llo ws:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Spee d  C o nt rol   of  a  Si ngl Tai p ei  M a ss R a pi d Tr a n si t  Sy st em Tr ai n  b y  U s i n g  a  Si ngl e …   ( H ari  M a g h f i r oh)   62 5  |  |                    ( 1 2 )     Fo r an y arb itrary po in t,   , , t h e s i gne di st ance  ( ) i s  de fi ne d as  f o l l o ws:      |  |               ( 1 3 )     w h er   1, 0 1, 0                  ( 9 )     Because the si gn  of the c o ntrol input is ne gative whe n   s >  0  and posi tive whe n   s < 0  and beca us e its   mag n itu d e  is  propo rtion a l to th d i stan ce  from   s = 0 ,  th en [9   ∝                                           (15)     Since t h e c o ntrol action ca n be dete rm ined by only  , it is app r op riate to cal l th e con t ro ller a  SIFLC. Th 2 D   rul e  t a bl e ca n be co n v ert e d i n t o  a  one  di m e nsi o nal  r u l e  t a bl e (Ta b l e  2) whe r e L NB  is the signed  dista n ce of  NB to the m a in diagonal (L Z ) (re fer to Fi g u re  3). T h e r ef ore ,  the n u m b er of  rules is con s idera b ly  r e duce d   com p ared  with that of t h F L C .  Fu rt he rm ore, t h r u l e s ca n  be a d ded  o r  m odi fi ed t o  ac hi eve  fi ne c o nt r o l .       Tabl e 2.  R u l e  Tabl e of SI FL C     L NB  L NS  L Z  L PS  L PB   PB PS  NS  NB      Depe n d i n on  t h fuzzy  i n f e rence  an de fuzzi fi cat i o m e t hod  use d ,   t h e FLC   p r o v i d es ei t h e r  a  l i n ear  o r   n o n lin ear in terp o l ation .   Th e SIFLC  u s es lin ear in te rpolation; therefore, t h e cont rol   si gnal  becom e                                           (16)     whe r 0  is a co nstan t Fi gu re  5 s h ows  t h e S I FLC   st r u ct u r e.  Wh en  t h e si gne di st ance m e t hod i s   use d , t h e t w o i n p u t s   ( e  and  ) bec o m e  one i n p u t  ( ). T h di ffe rence  bet w e e n t h e F L C  an d SI FLC  ca n b e  cl earl y  obse r ved  by  com p ar i n g   Fi gu res  2 a nd  5. T h e S I FLC   has  num erou adva nt age s  i n   com p ari s on  wi t h  FLC s  [ 1 6] :  It  req u i r es  o n l y  one   i n p u t  va ri abl e  (i .e.,  si g n e d   di st ance) rega rdl e ss  o f  t h com p l e xi t y  of  t h pl ant s . T h num ber  of  t uni n g   param e ters is consi d era b ly de creased. T h ere f ore, t uni ng  the ru les, m e m b ersh i p  fu nct i o n s , an d sc al i ng  f act or s   is m u ch  easier  in  th SIFLC t h an in  an   FLC. It is eq u i val e n t  t o  a sl i d i n g  m ode  co nt r o l  ( S M C ) wi t h  a  bo un da ry   layer. Th is fact  ev id en ces th cl o s e-loop  stabilit y o f  t h e SIFLC.          Figure  5.  SIFL C Struct ure       4.   SIMULATION RESULT  AN D D I SCU SSION  The di st a n ce b e t w een t w o st at i ons was  1 2 76 m ,  and t h e  speed l i m i t  and s p ee d refe r e nce we re 8 0   km /h. Acceleration a nd  je rk  restrictions  we re set to  within 1 m / s 2  and ±1 m / s 3 , respe c tively, in accorda n c e   with  th e Tai p ei MRT regu latio n s . In  th is case, th e grad ie nt  and c u rve  resis t ances we re conside r ed a s  shown i n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    62 1 – 6 2 9   62 6 Tabl e 3 a nd  4,  respect i v el y .  C onst a nt  t r ack a nd  vari a b l e  t r a c k we re use d  f o val i d at i n g t h e per f o r m a nce of t h e   pr o pose d  c ont r o l l e r. C o nst a nt  t r ack re fers t o  t r ack  w itho u t g r ad ien t  and cu rv atur e, whereas  va riable trac refers to track   with   g r ad ien t  an d curv atu r e.  The si m u l a t i on wa s pe rf or m e d i n  t h e M A TL AB -Si m ul i nk e nvi ro nm ent .  Tri a n gul ar   m e m b ershi p   fu nct i o ns, M a m d ani  i n ferenc e, and cent e r o f  gra v i t y  defu zzificatio n  were u s ed  in  bo th  th e FLC an d  SIFLC .   Fi ve m e m b ershi p   f unct i o ns  were  use d :   NB , N S , Z ,  P S , a n d PB .       Tabl e 3.  T r ac k Gra d i e nt   S t ar t   P o in t   (m En d  P o in t (m G r ad ie n t  (% 0   160  0  160   561  - 2 . 11  561   928  2. 43   928   1143  0. 1143   1276  0    Tabl e 4.  T r ac k C u r v at u r e   S t ar t   P o in t   (m En d  P o in t (m R a d i u s  (m 0 201  0  201 287  280   287 428  0  428 514  280   514 870  0  870 999  1000   999 1276  0      4. 1. C o ns ta nt T r ack   Fig u re  6  illu strates th e sp eed   v e rsu s  ti m e  cu rv e,  ind i catin th at, co m p ared with  t h FLC, th e SIFLC   h a d a  faster resp on se at th e same startin g  time and   b r ak i n p o i n t . Th e SIFLC exh i b ited a sho r ter settling  time   an d sim u latio n  ti m e . In  t h is case, th e SIFLC  was  faster th an  th e FLC  b y   1 7 .3%. Th is  p r o v e s th at t h e SIFLC   has a sh ort e r com put at i on t i m e t h an t h e FL C  does,  beca us e it contains fe wer fuzzy ru les. Bo th  th e SIFLC an FLC   di d not  sh ow   o v e r sh o o t  or   u n d ers h oot .         Fi gu re 6.   S p ee vs .  Ti m e  for  C onst a nt  Tra c k       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Spee d  C o nt rol   of  a  Si ngl Tai p ei  M a ss R a pi d Tr a n si t  Sy st em Tr ai n  b y  U s i n g  a  Si ngl e …   ( H ari  M a g h f i r oh)   62 7     Fi gu re  7.  C o ns t a nt  Trac k:  (a Spee vs .  distance (b) Accele r ation, jerk, and gra d ient  vs .  distance  (c)  Vo ltag e  and  cu rren vs .   di stance (d) Power  vs.  di st a n ce       Fi gu re  7 s h o w s a spee ver s us  di st ance c u rve a s  we ll as  an electrical c u rve  (voltage, current,  and  powe r) whic h depicted  the  s p eed res p on se , acceleration a nd  je rk  restrict ions , re gene rat i ve braki n g, and also  m odel’s efficiency. Figure  7(a) de pi cts the  speed c u rve,  indicating that  the  speed res p onse was  consistent  with the spee command and  the train was st op at target  distance. The acc eleration curve  ascende d whe n  the   spee d com m and  was i n c r ease d  a nd i t   desce nde w h en t h e  spee d c o m m a nd  was  dec r ea sed.  The  je rk   cur v e,   whic h is the de rivative  of the  acceleration, e xhi bite d the sa me phenom e non. The  highes t acceleration occure whe n  t h e train  started to run,  while   negative  value  of accel eration m eans th at braki ng  was activated. Both t h e   acceleration a n jerk  were stil l below the li mit of ±1 m / s 2  for acceleration a nd  ±1 m / s fo r jer k , Fig u r e   7( b ) The  gra d ient  in this  case  wa s zero.  Figure   7(c )  s h ows   th e vo lta g e  an d cu rr e n t cur v es  of contact  shoes.  T h v o ltag e  and  curren t  were inv e rsely p r op ortion a l; th at is,  when the  voltage  was at a m i nimum ,  curre nt wa s at a  maxim u m  and  vice ve rsa.  Howeve r, t h e current was  propo rtio n a to  p o wer. Wh en  th e trai n cons um ed energy,  the power consum ption c u rve increas ed Whe n  t h e t r ai obt ai ne d  en ergy   fr om  t h e t h i r d rai l ,  i t s  ene r gy   decrease d  ( r e p resent e d  by  t h e vol t a ge  of t h e co nt act  sh o e s).  Whe n  t h e  t r ai n st op pe d,  t h e vol t a ge  o f  t h co n t act sho e was equ a l to  th at o f  th e t h ird rail (i.e., 75 0   V d c ). A  v o ltag e  v a l u e th at was lower th an  75 indicated t h at the train a b s o rbed th e e n er gy On t h e ot her  h a nd , a v o l t a ge  val u hi g h er t h an 7 5 0  V i ndi c a t e that the trai n released e n ergy thro ugh rege nerative bra k ing.  Because   of  t h e acceleration and  jerk lim itation,  the  m a xim u m   voltage  was lower tha n  900  V, indicati ng that it did not exceed th e limit of the third rail  vol t a ge whi c h  was  9 0 0  V .  Fi gu re  7( d )  d e pi c t s t h po wer   curve;  both t h e el ectrical  and m e chanical c u rve s  are   also  sho w n  in  th is fig u re. These tw o curves  are nearly the sa m e , indicat ing that the syste m  efficiency wa s   fav o ra ble.     4. 2. V a ri abl e  T r ack   After th p r o p o s ed  co n t ro ller was p r o v e d  to o p e rate effectiv ely in  th e co nstan t  track  case, th is stu d y   tested its perform a nce in a va riable  trac k ca se. Figure  8  shows  the s p ee vers us tim e curve  for the  va riable  track, i ndicating that the SIFL C had a fa ster  response  com p ared  with the FLC. Th e S I FL C  exhi bi t e d a s h o r t e r   settlin g  ti m e  a n d  sim u latio n  ti m e . In  th is case, th e sim u l a tio n  ti m e  o f  b o t h  th e SIFLC an d  FLC increased  com p ared  with the case of th e consta nt track beca use  of the  gra d ient   and c u rve e ffe cts. In t h is cas e, the   SIFLC  was still faster t h an the FLC  b y   1 2 .27 % . Th is  proved  th at  th SIFLC h a s a sho r t e r co m p u t atio n ti m e Th e track   g r adien t  cau sed  a little o v e r-shoo t an d   un d e r-s hoo t in  th resp on se sp eed. Howev e r, t h is v a l u e was  l o w (l o w er   t h a n  0. 5 km / h an d,  t h u s ca n be t o l e rat e d.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    62 1 – 6 2 9   62 8     Fi gu re 8.   S p ee vs .  Tim e  for  Varia b le Trac k       Figure  9(a) shows  the  s p eed  curve  ve rsu s  di st ance. Al t h ou gh   t h e r e were  som e   gra d i e nt  chan ges ,  t h e   spee d re sponse  was  consistent with the s p ee d c o mmand.  Figure  9(b) shows accelera tion,  je rk, a n d gradient  cu rv es, ind i catin g th at th e acceleratio n  curv e was  b e l o w th e li m i t o f   ±1  m / s 2  and  th e j e rk   was i n  th e li m i t o f  ±  1 m / s 3 , d e sp ite th e ex isten ce  o f   g r ad ien t  ch an g e s. Neg a tiv e g r ad ien t o r   do wnh ill track co nsu m e less e n erg y   t h an zer gra d i e nt s do  beca u s e t h e rege ne r a t i v e bra k i n was activ ated   to  m a in tain  th e sp eed  at th d e sired   lev e l, as  shown  at t h 4 00-m  d i stan ce. Ho wev e r,  po sitiv g r ad ien t s or  u p h ill tracks con s u m m o re po wer  com p ared with zero and ne ga tive gradie nt s,  for exam ple, Figure  9( d) cl ea rl y  depi ct s t h i s  effect at the 800- m   distance.          Fi gu re 9.   Va ri abl e   Trac k:  (a)  Spee vs .  distance (b) Accele r ation, jerk, and gra d ient  vs .  distance  (c)  Vo ltag e  and  cu rren vs .   di stance (d) Power  vs.  di st a n ce       5.   CO NCL USI O N   Thi s  st u d y  i n vol ved m odel i ng a n d co nt r o l l i ng Tai p ei  M R T t r ai ns.  C a se st udi es  wi t h  di f f ere n t   schem e s were  per f o r m e d. Th e resul t s  i n di c a t e d t h at  t h S I FLC  e xhi bi t e d m o re fa vo ra bl e pe rf orm a nce t h an   th e FLC d i d  and  a sub s tan tial redu ction  in  the n u m b e r of  fuzzy rules. The r efore,  tun i ng  th e SIFLC was  easier  co m p ared   with tu n i n g  t h e FLC; fu rt h e rm o r e, th e sim u latio n  tim e o f  th SIFLC  was sho r ter th an  th at  o f  t h FLC. Th e SIFLC ad op ts th e SMC  met h o d ; th erefore, its stab ility  is  g u aran teed . It can  b e  con c lud e d  th at   SIFLC   can  be   use d  t o  re pl ace  FLC  i n  s p eed   cont rol   of  m a ss ra pi d t r ansi t   ( M R T ) t r ai n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Spee d  C o nt rol   of  a  Si ngl Tai p ei  M a ss R a pi d Tr a n si t  Sy st em Tr ai n  b y  U s i n g  a  Si ngl e …   ( H ari  M a g h f i r oh)   62 9 REFERE NC ES   [1]   May  2015. [Online] . Available: h ttp://web .metro .taipei/Rid ersh ipC ounts/E/10405e.htm.  [2]   H.W .  Chiu, Ma ster Thesis: Si m u lation and A n al y s is  of Train  Performance B a sed on Actual MRT Operatio Characteristics, Taip ei:  NTUST, 2013.  [3]   S. Yasunobu, Miy a moto S. and H.  Ihara, "A fuzzy   control for tr ain automatic stop control," in  Trans. Soc. Instrum.  Control Engin e ering , E-2(1) , pp.  1-9, 2002 [4]   C. Chang ,  D.  Xu and H.  Quek,   "Pareto-optim al   set based  m u ltio bjec tive  tuning   of fuzz autom a tic  tra i n oper a ti o n   for ma ss tra n sit sy ste m , "   IEE Pro c .Electrica l Pow e r Application,  v o l. 146 , no . 5 ,  pp . 577-583 , September 1999.  [5]   C. Chang  and D. Xu, "Differ e ntial ev o l ution  bas e d tuning of  fuzzy  automati train operation for   mas rapid transit  sy s t e m , "   I EE Pr oceed ing  E l e c tr i c al Power  Appli c ation ,   vol. 147 no. 3 ,  pp . 206-2 12, May   2000.  [6]   H. Tao ,  N. Hongxia, and F .  Du owang, “Speed  Control  of High -speed Railway   on Multi-m ode I n tell igent  Contr o l   and Feature Recognition,”  in  TELKOMNIKA Indonesian Journal  of Electrical  En gineering , vol.1 0, no. 8, pp. 206 9- 2074, December  2012.  [7]   B.R. Ke, C.L. Lin and C.W. La i ,  "Optim ization of  train speed tr aje c tor y   and contro l of mass rapid t r ansit s y stems,"   Control Engin e ering Practice,  vo l. 19 , pp . 675-68 7, April 2011.  [8]   B.J. Choi, S.W.  Kwak and B. K.  Kim, "Design of a single-inpu t fu zz y  logic con t roller and  its proper ties,"  Fuzzy  Sets  and Systems  ELSEVIER,  vol. 10 6, pp . 299-308 1999.  [9]   P. Londhe, B.  Patre and A. Tiwari,  "Design of Single-Input Fuzzy  Logic  Controller for  Spatial Contro l of   Advanced H eav y W a t er  Rea c tor , IEEE Transaction on Nu clear  S c ien c e,  vol. 61 no. 2 ,  pp . 901-9 11, April 2014.  [10]   K. Ishaque, S. A bdullah ,  S. A y o b  a nd Z. Salam, "Single Input Fuzzy  Logi c Contr o ller for Unmanned Underwater   Vehicl e,"  J In tell Robot Syst,  pp . 87-100,  Febru a r y  2010.  [11]   H.H. Chiang , S.J. Wu, J.W.  Perng, B.F. Wu,  and T.T.  Lee, " T he Human-in-the-L oop Design  Approch to th Longitudin a l Au tom a tion S y st em  for an Inte llig en t Vehicl e,"  I EEE Transaction on Systems,  Man, a nd Cybernetics vol. 40 , no . 4 ,  pp . 708-720 , Jul. 2 010.  [12]   C. Nagamani, R .  Somanathan U.C. Ku mar, “ Design and Analy s is of Driv e Sy stem with Slip  Ring Induction   Motor for Ele c tr ic Tr act ion in In dia, ” in Int e rna t i onal  Journal of  Power Electronics  and Drive S y s t em  (IJ P E DS ),   vol. 5 ,  pp . 374-3 82, Februar y  20 15.  [13]   Y.T. Hs iao and K.C. Lin, "M eas urem ent and Charac teri zation of Harmonics on th Taip ei MRT DC S y st em ,"  IE EE  Transactions on  Indus try Applica tions,  vo l. 40, no . 6 ,  pp . 1700-17 04, Novem b er/D ecem ber  2004.  [14]   B. Rochard and  F. Schmid, "A r e view of methods  to  measure and calcu la te train resistance,"  Jo urnal of Rail and  Rapid Transit,  p p . 185-199 , 200 0.  [15]   S .  P r avada lioglu ,  "S ingle- chip fu zz y log i contro ller d e sign and  an application on  a  perman ent magnet dc motor,"   Engine ering App licat ion on  Arti fi cial  Inte llig enc e ,   pp. 881-890, May  2005.  [16]   B.J. Choi, S.W. Kwak and B. K. Kim, "Design and Stabil ity  A n aly s is of Single-Input  Fuzzy   Logic Controller ,"   IEEE    Transaction on System s,  Man, and  Cyber n etics,  vol. 30 , n o . 2 ,  pp . 303-30 9, April 2000.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.