Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri n g (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   2 A pr il   2020, p p. 18 68 ~ 1884   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 2 . pp1868 - 18 84          1868       Journ al h om e page http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Elevati on , pitch  and tra vel  ax is  stabil izati on of  3DOF heli copte with hyb rid contr ol syste m by  GA - LQ R b ase d P I D cont rolle r       Ibra him  K. M ohammed Abdul la I. A bdul la   Depa rtment  o S y stems   and   Cont rol  Eng ine er ing,  Coll ege of   Elec t ronic s E ng ineeri ng,   Ninev ah   Uni ver sit y ,   Ira q       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A pr   29 , 201 9   Re vised  A ug   28 ,   20 19   Accepte Oct  9 , 2 0 19       Thi rese arc work  int roduc e s   an  eff ic i ent   h y brid  con trol   m et hodolog y   through  combin ing  the   tra di ti o nal   proport ional - int eg ral - d er iv ative  (PID cont roller  and   li nea qu adr a ti reg u lator  ( LQR)  opti m al  cont rolher.   The   proposed  h y brid  cont rol  ap proa ch  is  adopte to  design  three  degr e of  fre edom  (3DO F stabi lizing  s y s te m   for  hel ic opt er.   The   g ai pa ramet ers  of   the   c la ss ic   PID   cont roller  ar det ermined  usin the   e le m ent of  the   LQR   fee dba ck  gai m at rix.   The   d ynamic  beha viou of  the   LQR  base PI cont roller,   is  m odel ed   in  st ate  spac form   to  en abl ut lizing  sta te   fe edba c k   cont roller  techn ique .   Th per fo rm anc of  the   proposed  LQR  base LQR   c ontrol l er  is  improved  b y   usin Gene tic  Algo rit hm   opti m iz a tion  m et hod  which  ar adop te to   obt ai o pti m um   val ues   for  LQR  controlle r   gai n   par amete rs .   Th e   LQR - PID   h y b rid  cont ro ll er   i sim ula te usi ng  Matl ab  envi ronm ent   an it per form an ce   is  ev al ua te base o rise  tim e,   sett l ing   ti m e,   over shoot   and  stea d y   st ate   err or  par amete r to  val id at e   the  proposed  3DO hel ic opte bal an ci ng  sy stem.  Based  on  GA  tuni ng  appr oac h ,     the   sim ula ti on  r esult suggest  t hat   the   h y br id  LQR - PID   cont roll er  c an  be   eff ec ti ve l y   emplo y ed   t o   stabili ze   the   3DO F he l ic o pte s y stem .   Ke yw or d s :   3DOF heli co pt er s yst em   Gen et ic  al gorithm   Hybr i c ontrol   LQR c on t ro ll er   PI D  contr oller   Copyright   ©   202 0   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Ibrah im  K . M oham m ed,     Dep a rtm ent o f Sy stem s an C on t ro l E nginee rin g,   Coll ege  of   Ele ct ronics E ng i ne ei ng ,   Nine vah Unive rsity , Mo s ul, Ir aq   Em a il : i br ahim .m oh a m m ed@ uonin e va h. e du. iq       1.   INTROD U CTION   The  3D OF  helic op te m od el   is  m ul ti - input,  m ult i - outp ut  syst em   (M IMO)   with  stron gly   nonlinea cha r act erist ic s,  us e as  ex per im e ntal  platfo rm   for  ve rificat io of  va rio us   con t ro al gorit hm s .     The  helic op te r   is  com plex  m echan ic al   schem and   has   un sta ble  dy na m ic wh ic m ake  usi ng  tra di ti on al   con t ro m et ho ds   to  sta bili ze  i is  big  chall en ge.   In  con t ro proc edure  of   3D OF   helic opte r   syst e m     the  no nlinear  dynam ic is  lin earise a bout   pr es el ect ed  operati ng  c ondi ti on s.  Ba se on  li near ise s yst e m   m od el   cl assic al   pro portiona integ ral  de riva ti ve   PID  c ontr oller  te ch nique   is  wi d el us e due  to   it sim p li ci t and   ea sy  to  re al iz e   [1 ] H owever,  us i ng   c onve ntio nal  PID  te ch nique  is   insuffici ent  to   gu i de  the  helic op te r   thr ough  the  dem and   tra j ect or as   the  re gu la ti on  of  th co ntr oller  pa ram et ers  is  hard  ta s e ve f or    an  e xp e rience c on t ro e ngineers   [ 1 2].   I a no t her  co nt ro m et ho d,  a optim al   tracking  ap proac ui li zi ng  LQR  c on tr oll er  to  sta bili ze  the  he li copt er  syst e m   was  pro posed   by  [ 3].  I th pro posed  s yst e m ,     Ge netic   Al gorithm   (GA)  is  em plo ye to   o pti m iz e   cl assic   LQR  c ontr olle f or  po sit ion   c on tr ol  of  DC   m oto r.   By   us i ng   LQR  c ontr oller  sig nific ant  im pr ov em ent  in  gu i dan ce   of   helic opte syst e m   is  carried  ou t.   Fu rt her   in vesti gations  in  co ntro strat egies  f or   he li cop te s yst e m   are  st il l   the  go al   of  m a ny  researc hers.   ne w   con t ro a ppr oa ch  base on  hybri c ontrol le te ch nique  was  pro po se by  m any  res earche rs  t c on t ro l     the  3DOF  hel ic op te syst em Fan  a nd   J oo   [4 ]   pro posed   hybr i co nt ro m e tho usi ng   fu zzy   an PID   con t ro ll er   to  ba la nce  the   3D OF   helic opte r   syst e m   at   desir ed  e qu il ib r ium   posit ion.  In  th is  stud y,   an   ef f ic ie nt  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  El ec &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ele vation,  pitch  and  tr avel  ax is st ab il izati on  of 3D OF heli cop te r  wi th   ( I br ahim  K.  Mo ham me d )   1869   con t ro m et ho has  bee a dopt ed  to  pro pose  hybri c ontr ol  strat egy  us i ng  both   co nve ntion al   a nd  int el li gen con t ro al gorit hm s.  This  hybr i co ntr ol  appr oach   us es  PI c ontrolle r   as  con ve nt ion al   co ntr ol,  wh il   th li ner   quad r at ic   reg ulato ( LQR)  c on tr oll er  base on  G us e as  an  i ntell igent  co ntr ol.  The  L QR  optim a l   con t ro ll er  is  r ecom m end e to  i m ple m ent  t he  intel li gen syst e m   du to  it hig pr ec isi on   in  m ov em ent  app li cat io ns   [ 5 ] I this  sta te   feedbac co ntr oller   te ch nique   trade off  bet ween   t he  pla nt  char act erist ic s     and     the    in put ef f ort   of the syst em  can be ac hieve if  the c ontr oller g ai n param et ers  are  tu ned  pro pp e rly   [ 6 - 8 ]   T he  LQR  c ontrolle desi gn   can  be   im pr oved  by  em plo yin g   s of com puti ng   an opti m iz at i on   te chni qu es wh ic a re   a do pted   to  ac hieve   tun i ng  proecss   of   the   c on tr oll er  gain  pa ram e te rs s uc h   as   D iffer e ntial   Ev o l ution  (D E )   [9 ] ,   Part ic le   Sw arm   In sp ire Ev olu ti on a ry  Algorit hm   (P S - EA [ 10 ] Pa rtic le   Sw arm   Op ti m isa ti o n   (P S O) [ 11 ],  Ge netic  A lg ori th m  ( G A)   [ 12 ] m e m e ti c algo ri thm  ( MA)  [ 13 ]   I m per ia li st C om petit ive A lg or it hm  (I CA [ 14 ] A nt   Colon O ptim iz at ion   (A C O)   [ 15 ]   Ar ti fi ci al   Be C olo ny   (A BC [ 16 ] and   Ar ti fici al   I m m un e   S yst e m (A IS)   [ 17 ] .   I or de to  validat the  pr opos e he li cop te m odel the  hy br i con t ro syst e m   i s   si m ulate by  us in the   Ma tl ab  en vir onm e nt,  a nd  it bal ancin perfor m ance  is  then   evaluate bas ed  on  sta bili ty   crit eri par am et ers  wh ic inclu de  ri se  and   set tl ing   tim e,  ov ersho ot   and   co ntr ol  input.  T he  pur pose  of   the  pr opos e hybri G A - L QR  ba sed   PID  c on t ro ll er  i to  desig a e ff ic ie nt  c ontr ol  syst em   util iz ed  to   sta bili ze  pr ot otype  3DO helic op te syst e m   at   desired   ro ll   an pitch  po sit io ns   as  w el as  angular  travel  sp ee d.   Durin the  cu rr e nt  dec ade  the re  has  be en  c onsider able  intere st  by   m any  con tr ol   researc he rs  in  us in of   hy br id   co ntr ol  ap proac i va rio us   e ng i ne erin a pp li cat ion s V en doh  and  J ov it ha   [ 18 ]   prese nted  a   hybri con t ro l sy ste m   us in L QR  bas ed  P ID co ntr ol le f or   sta bili zat ion  a nd tra j ect or y t rac king  of m agn et ic  le vit at io syst e m Ar ba et   al [1 9 ]   pro po s ed  hy br i con tr ol  strat e gy  us in f uzzy   based   L QR  c on t ro ll er  f or  3 - D OF   helic op te syst e m Cho ud hary   [1 ]   desig an oth e hybri c on t ro schem us in LQR  bas ed  PID  co ntr olle for   3 - DOF  helic op te syst em ho w eve r,   t he  i ntr odu ce hybri con t ro syst em are  not  ef fici ent  as  th pa ra m et ers  of  the  LQR   fe edb ac gai m at rix  are  obta ined   by  a pply ing   tria a nd  error  pro ced ure.  T he  pa per  pr ese nt s     sim ple  m e tho f or  the  a pp roxim ation   of   PI D   co ntr oller   gain   pa ram eter f r om   feedback   gai m atr ix  of    the   co ntr oller.   The   LQR   co ntr oller  ga in  i obta ine f r om   the  wei gh ti ng  m at rices  an w hich   their   el e m ents v al ue s ar e t un e e ff e ct ively  b y t he GA  opti m iz at i on m et ho d.     The  rest  of   th pap e is  organ ise as  f ol lows Sect ion   2   prese nts  co nf i gu rati on   a nd  dyna m ic s   m od el ing   of  th he li cop te sy stem In   sect io 3 co ntr oller  te chn iq ues  of   helic op te hy bri co ntr ol  syst e m   are  introd uced.  T unin m et ho d   is   desc ribe in   s ect ion   4.   Sect ion  5   intr oduce helic opte c ontr ol  syst em   de sign   is   pr ese nted In   s ect ion   6   sim ulati on   res ults  of  the  hybri co ntro syst em   are  intro du ced  a nd  f ollo wed  by   con cl us io ns  a nd  pro s pecti ve r esearch  in se ct ion 7 .       2.   STRUCT URE   AND D YNAM I CS M ODE LING  OF H EL ICO PTE R   2 . 1.     Heli copte s tu c tu re   The  c on ce ptu a platfo rm   of   3 - DOF  helic opte r   syst em   is  sh ow in  Fig ure  1.  It  c on sist of   a a rm   m ou nted  on  base.  T he  m a i body  of  the  helic op te com po s ed  of  pro pe ll ers  dr ive by   two  m oto rs  m ounte are  the   ei the ends  of  an   s hort  bala nce  ba r.  The   whole  he li cop te body   is  fi xed  on   one   en of  the   ar m   and    balance   bl oc instal le at   the  oth e en d.  T he  balance  a rm   can  ro ta te   a bo ut  tra vel  axis  a well   as  sl op e   on  a el evati on   a xis.  The  body  of   he li cop te is  fr e to  r oll  ab ou the  pitch  a xis.  The  syst em   is  pro vid e by  e nc od e r s   m ou nted  on   t hese  a xis  us e d   to  m easur the  tra vel  m oti on   of  the  a rm   and  it el evati on   a nd  pitch   ang le .     The  prop el le r s   with  m oto rs  can  ge ne rate  an  el evati on  m echan ic al   f orc pro portiona to  the  vo lt age   powe r   su ppli ed  to  the   m oto rs.   This  f or ce  ca cause   the  helic op te body  to  li ft  of f   the  gr ou nd.  It  is  wo rt co ns ider i ng   that t he pur po s e of  us in g balance  blo c is t o red uce t he vo lt age  powe s upplied to  the  propell ers  m oto rs.       2 . 2.     Heli copte r dynamics  an d mathem ati cal m od el ing     I this  stu dy,  the  no nlinear  dy nam ic of   3D OF   helic op te syst e m   is  m od el ed  m a them a t ic al ly   based  on   de velo ping   the  m od el   of  the  syst e m   beh avi or   for  el evati on,  pitch  and   tra vel  axi s.  The  def i niti on   of    the sym bo ls an d no m ecal ture of  the  pro pose d heli cop te sy stem  is includ e in  Ta ble 1.     2.2.1.   El e vatio n axis m od e l   The  f ree  bo dy  diagr am   of   3DO helic opte syst e m   based  on   el evati on  axis  is  sh ow in  Fig ur 2.     The  m ov em ent of the  elevat io a xis is  gove r ned b y t he foll ow i ng d i ff e rent ia l equ at io ns :     ̈ = + cos ( ) , ,   (1)     wh e re    is t he  c entrif ug al  t orq ue,   w hich  is  fu nction o ( ) ,   ,   is fri ct ion  m o m ent ex erte d on   the h el ic op te r   el evati on  axis ,   w hich   is  gen e rated  from   co m bin ing   j oi nt  f rict ion   a nd  ai resist ance,   an ,   is  t he  e ff ect i ve   gr a vitat ion al  t orq ue d ue  to  the  m ass d iffer e nt ia =   about t he  e le vation axis.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 2 A pr i l 202 :   1868  -   1884   1870       Fig ure  1. 3D O F H el ic opte r  S yst e m  [ 20 ]           Figure  2. Sc he m at ic  d ia gr am   of ele vatio a xi s m od el  f or  3DO helic op te syst em       , =   (2)     If  the   el evati on  a ngle   = 0   a nd  th r otati on  a ng l of   pitch   a xis  = 0 the the   ce ntr ifu gal  to r qu e   ( wil l   be  ze ro  ( 1) b as ed on E uler’ s  s econd la w bec om es as f ollo w s:     ̈ = , + ,   (3)     ̈ = ( + ) , + ,   (4)     = = ,   (5)     ̈ = ( + ) , + ,                                                                                                            (6)        ̈ = , + ,                                                                                                                    (7 )     2.2.2.  Pitch  ax is model   Con si der   t he  pi tc schem at ic   diag ram   of   the   syst e m   in  Fig ur 3.  It  ca be   seen  from   the  fig ur t hat  the  m ai torqu act i ng   on   t he   syst e m   pitch  axis  is  pro duced   from   the  thru s fo rc ge nerat ed  by  t he  pr operll er   m oto rs.   Wh e 0 , th gravit at io nal force  w il l a lso  gen e rate a t orq ue  ,   act s on  t he heli cop te r p it ch  axis.                                             , + ,         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  El ec &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ele vation,  pitch  and  tr avel  ax is st ab il izati on  of 3D OF heli cop te r  wi th   ( I br ahim  K.  Mo ham me d )   1871       Figure  3. Sc he m at ic  d ia gr am   of p it ch  ax is m od e f or   3DO helic op te sc he m e       Table  1.   N om e nc la ture  of t he heli cop te syst e m   No m en clatu re   Def in itio n   , ,             Ro tatio n  ang le of  e lev atio n p itch  and  tr av el axis  r esp ecti v ely  ( d eg re e)   Distan ce between  t h e pitch  axis   an d  the h elico p ter  cent e o f    g ravity  ( m )   Distan ce fro m  axle  po in t to eith er  p rop eller  m o to r  ( m )   Distan ce fro m  axle  po in t to th e balan ce blo ck  ( m )   Distan ce between  t h e pitch  axis  and  the center of  pro p ellers ( m )   Lif t f o rce  o f  the p rop erller   m o to rs  ( N )   ,   ,   Fo rces of  f o rnt an d  back  pro p erller   m o to rs ( N)   Vo tag e app lied  to th e f ron t and  back  pro p erller   m o to r  r e sp ectiv ely  ( v )          , ,  , ,  ,       , , ,   , ,       Mass o f  balan ce blo ck  ( k g )   Mass o f  pro p erller   m o to rs  ( k g )   Mass d if f erential a b o u t the elev atio n  axis  ( k g )   Torq u e co m p o n en t gen erate d  f ro m  co m b in in g  the jo in t f riction  and  air   resi stan ce fo elev atio n p itch  and   rate  ax is  resp ectiv e ly  ( N. m )   Cen trif u g al torq u  abo u t the elev atio n  axis  ( N. m )   Ef f ectiv e gravit atio n al torq u e du e to g ravity  ab o u t the e lev atio n  axis  and  p itch  axis  r esp ectiv e ly  ( N. m )   Inertia  m o m en t  of  the syste m  abo u t e lev atio n p itch  and  tr av el axis  r esp ecti v ely  ( k g . m 2 )   Fo rce  co n stan t of  t h m o to r - p rop eller  co m b in atio n       The dynam ic s o f  the  pitch a xi s can  b e  m od el ed  m at he m at icall y as fo ll ows:     ̈ = , ,   ( 8)     Wh e re  , is fr ic ti on m o m ent exe rted o the  p it ch  a xis.     , = sin ( ) cos ( )   (9)     Ba sed on t he  a ssu m ption  that   the p it ch  a ng le   = 0 , = 0   , th e n (8)   bec om es as f ollo w s:     ̈ = ( ) ,   (10)     ̈ = ( ) ,   (11)     ̈ = ,   (12)     2. 2.3 .   Tr avel  axis m od el   The  fr ee   bo dy  diag ra nm   of   the  he li cop te syst e m   dynam ic base on  t rav el   a xis  is   presente i Figure  4.   In  th is  m od el wh e 0 the  m ai forces  act in on   the  helic opte dynam ic are  the  th rust  f or c e s   of  pro pe rlle m oto rs  ( , ).   The se  f or ce hav e   c om po ne nt  gen e rates  a   to r qu e   on  the   tra vel  a xis.  Assu m e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 2 A pr i l 202 :   1868  -   1884   1872   that  the   helic opte r   bo dy  has   r oll  up   by  a an gle    as   s how i Fig ur e   4.  T he t he   dy nam i cs  of  tra vel  a xi f or   3DOF heli co pt er s yst em  is  m od e le as  foll ows:     ̇ = ( + )  ( ) ,   (13)           Figure  4. Sc he m at ic  d ia gr am   of travel  rate a xis m od el  for 3 DOF  helic op te sc hem e       The  t hrust  f oc es  of  t he  t wo  pro per ll er   m oto r ( + )   are  re qu ire to  keep  the   helic op te r   in   flig ht  case an is a pp roxim at e ly   .     ̇ =  ( ) ,   (14)     Wh e re  ,   is  fr ic ti on   m om ent  exer te on  tra vel  a xis.  As     appr oach s   to   zero,  base on  si nc  functi on,    ( ) = , th e a bove  equ at ion   beco m es as foll ows:     ̇ =  ,   ( 15)     Ba sed  on  the   a ssu m ption   that  the  co upli ng d ynam ic s,  gravi ta ti on al   tor que ( , an fr ic ti on m o m ent  exer te on  el evati on,   pi tc an tra vel   axis   a re  ne glect ed,   th en   th dynam ic m od el ing   (7),   ( 12)  and  ( 15 f or   3D O F   helic op te sys t e m  can  be  sim plifie as  in  (1 6), (1 7) an d (18 )  r es pecti vely  [1].     ̈ =   (16 )     ̈   =   (17 )     ̇ =   (1 8)     2.3.     S ys te m state  sp ace m odel     In   or der   to  des ign   sta te   feedb ack  co ntr oller  base on   L QR   te chn iq ue  for  3DOF  helic op t er  syst e m ,   the  dy nam ic m od el   of   the  syst e m   sh ou ld   be  f or m ulate in  sta te   sp ac form In   this  stud y,  the  pr opos e hybri c on tr ol  al gorithm   is  inv est igate for  t he  pu rpose  of   con t ro of   pitch  an gle,  el evat ion   a ng le   a nd   t rav el   rate  of  3D OF  helic opte sc hem by  reg ul at ing   the   vo l ta ge  suo pp li es   to  the  fron t   and  bac m otors .   Let   ( nx 1 ) = [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 ] = [ , , ̇ , , ̇ , ʓ , ]   be   th sta te   vect or  of  t he   syst em ,   the   sta te   var ia bles   are  c ho s en  a the  a ng le a nd  rate  an their   co r respo nd i ng  an gu la vel ociti es,  an ʓ ̇ = , ̇ = .   The   volt ages   s upplied   to   the   fron t   an ba ck   pr op el le rs   m oto rs   are   c on si de red  the   in put’ vector  s uc t hat,   ( ) ( mx1 ) = [ 1 , 2 ] = [ , ]   an the   el evati on  an gle,   pitch  a ngle   and  tra vel  rat are  ass um ed          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  El ec &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ele vation,  pitch  and  tr avel  ax is st ab il izati on  of 3D OF heli cop te r  wi th   ( I br ahim  K.  Mo ham me d )   1873   the  ou t pu t’ ve ct or   su c t ha t,  ( ) ( px1 ) = [ , , ] Ba se on  (13) - ( 15) c hoos in t hese  st at var ia bles   yi el d s   the foll owin syst em  st at e sp ace m od e l:     1 ̇ = = 2     2 ̇ = ̇ = 3     3 ̇ = ̈ = ( + )     4 ̇ = ̈ = ( )   (16)     5 ̇ = ̇ = 2     6 ̇ = ʓ ̇ = 1     7 ̇ = ̇ = 4     The  ge ne ral  sta te   and   outp ut   m at rix  equ at ion desc rib in the  dynam ic   beh a vior  of  th li near - ti m e - inv a riant  ( LTI )   helic opte syst e m  in  sta te  sp a ce f or m  are  as  fo ll ows:     ( ̇ ) =  ( ) +  ( )   (17)     ( ) =  ( ) +  ( )   (18)     Wh e re  ( n x n )   is  the  s yst e m   m a trix,  ( n x m )   is  the  in pu m at rix,   ( p x m )   is  the  outpu m at rix,   a nd  ( m x p )   is  feed  f orward  m at rix,   f or   t he  desig ne sy stem Ba sed  on  ( 16) ,   the   sta te   sp ace  re pr es entat ion   ( 17)  a nd  ( 18 )   are r e w ritt en  a s   in  (19 a nd (2 0)  [ 1 ].       [               0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 ]               [             ̇ ̇ ʓ ]             + [               0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]               [ ]   (19 )     [ ] = [ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 ] [             ̇ ̇ ʓ ]             + [ 0 0 0 0 0 0 ] [ ]   (20)     [             ̇ ̇ ̈ ̈ ̇ ʓ ̇ ̇ ]             = [             0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 . 0655 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 ]             [             ̇ ̇ ʓ ]             + [             0 0 0 0 5 . 8197 5 . 8197 63 . 9498 63 . 9498 0 0 0 0 0 0 ]             [ ]   (21)     In   t his  stu dy,  f or   pur pose   of   con t ro syst em   d esi gn,   the  m od el   of  the  sys tem   is  fo rm ulate in  sta te   sp ace  f or m   us ing   the  phys ic al   par am et er values  sta te in  T a ble  [1 ] Ba se on   (19 an us in   the p a ram et ers  values  in  Ta ble  1 ,  the  sta te  equati on of  t he   s yst e m  is g iven by ( 21).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 2 A pr i l 202 :   1868  -   1884   1874   Table  2.   Value s of  ph ysi cal   pa ram et ers  of   3DO helic op te syst em   Sy m b o l   Ph y sical Un it   Nu m eric al Va lu es     k g . m 2   1 .81 4 5     k g . m 2   1 .81 4 5     k g . m 2   0 .03 1 9   W   N   4 .25 9 1     m   0 .88     m   0 .35     m   0 .17     N/V   12       3.   CONTR OLL ER   TE C HNIQUES    In   this  sect io n,  the  theo ry  of   t he  PID  an L Q con tr oller  te chn i qu e us e for  desi gn i ng   t he  pro posed  helic op te c ontrol  syst em   a re  intr od uced .   The   gai pa ram et ers  of   the  P ID  co nt ro ll er   are  obt ai ned  appr ox im at ely  from   the  LQR  gain  m a trix.  Con tr ol  eq uations   of   el evati on  an gle,  pitch  ang le a nd   tra ve rate   for hel ic op te s yst e m  u sing   PID c on t ro ll er a r e also  pr e sente d     3.1 .    PI c ont rolle r   PID  is  the  m os po pu la con t ro ll er  te ch ni qu that  is  wi dely   us ed  in  i ndus t rial   app li c at ion due  to   the sim plicity   of  it st ru ct ur and can  b e  r eal iz ed  easi ly  f or  var i ou s  contr ol  p r oble m s as the  gain  p a ram eter of  the  co ntr oller  a re  relat ively   in dep e ndent   [ 21 ] [ 22 ] .   Ba sic al ly the  c ontr oller   pro vid es   co ntr ol  com m and   si gn al s   ( ) base on  the   e rror  ( )   betwee t he  dem and   in put  a nd  the   act ua outp ut  of  t he   syst em The  con ti nu ous   tim e stru ct ur of the  PID c on t ro ll er is  as  fo ll ow s :     ( ) = ( ) + ( )  0 +  ( )    (22)     Wh e re  , an   are  the  pro port ion al i nteg ral  an diff e re ntial   com po nen t of  the   co ntr oller  gain .   These  co ntr oller  gain  pa ram et ers  sh ould  be   tun ed  prop e rly   to  enab le   the  ou t pu sta te of   t he  syst e m   to  eff ic ie ntly   f ollow  the  desire input.  If  , an   are  the  desire el evati on  an gl e,  pitch   an gle  and  tra vel  rate  of  the   helic op te syst em it   can  ex press  t he  form   of   P ID  co ntr ollers  use to   m eet   the  desir e ou t pu sta te a s foll ow s  [1, 2 3 ] . In  t his stu dy , f or ele vation an gle, the  cont ro l e quat ion i base d on  t he fo ll ow in P ID co ntr ol   equ at io n:     =  +  ̇ +     (23a)     =  ( )  ̇ +  ( )    ( 23 b)     Wh il e th pitch a ng le  is  contr olled  by the  foll ow in g PD  con trol e qu at io n:      =  +  ̇   (24a)     =  ( )  ̇   (24 b)       The  tra vel  rate  is g ov e rn e d by  the foll owin g PI  c o ntro l e qua ti on     =  +     (25a)     =  ( ) +  ( )    (25 b)     wh e re  = , = , = , ̇ = ̇   an ̇ = ̇ .     3.2 .    LQ c ontrolle r   Linear  quad rat ic   regulat or   is  c omm on   op ti m al   con trol  te c hn i qu e   w hich  has  been  wi dely   util iz ed  in   var i ou m anip ulator  syst em s   [24] Using  L QR  te chn i qu in  desig co ntr ol  syst e m   req ui res  al the    states   of  the  syst e m   plant  to  be  m easur a ble  as  it   ba ses  on  the  fu ll   sta te   feedbac co nce pt.  T he refor e us i ng   LQR  con t ro ll er  t st abili ze  the  3D OF   helic opte syst e m   based   on   t he  ass um ption   t hat  the  sta te of   t he  syst em   are   consi der e m easur a ble.  LQR  appr oach incl udes a pply ing  t he  optim al  co ntr ol effo rt:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  El ec &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ele vation,  pitch  and  tr avel  ax is st ab il izati on  of 3D OF heli cop te r  wi th   ( I br ahim  K.  Mo ham me d )   1875   ( ) =  ( )   (26)     Wh e re    is  t he  s ta te   feedbac ga in  m at rix  of  L QR  c on t ro ll er,   that  will   ena bl the  outp ut  st at es  of  the   syst e m   to foll ow the  tr ajecto ries  of   re fer e nce inp ut, while m ini m izi ng the  f ollow i ng the  cost  fun ct ion :     = ( ( )  ( ) 0 ( )  ( ) )    (27)     Wh e re  a nd  are  ref e rr e to  as  weig htin sta te   and   c ontr ol  m at rices.  The  co ntr oller   feedback  gain   m at rix  can  be dete rm i ned b us i ng bel ow  e quat io n:     = 1   (28)     Wh e re    is ( nxn) m at rix  deter m ined  f ro m  t he  so l ution o th e f ollow i ng Ri ccat m at rix  eq uation:     +   1 + = 0   (29)     In this a pp li cat ion ,   = [ k 11 k 12 k 13 k 14 k 15 k 16 k 17 k 21 k 22 k 23 k 24 k 25 k 26 k 27 ]   and  ( ) = [ 1 2 ] .   Ba sed on t his,   the contr ol e ffor of the  syst em  sta te in  (26 ca n be  wr it te as  foll ows:      [ 1 2 ] = [ k 11 k 12 k 13 k 14 k 15 k 16 k 17 k 21 k 22 k 23 k 24 k 25 k 26 k 27 ] [             ̇ ̇ ʓ ]               (30)     Fo r  the  purp ose  of sim plici t y of co ntr ol pr oblem  the w ei ght ing  m at rices Q a nd R are  chos en  as  the  diag onal   m at rices so  tha t t he  co st f unct ion   ( 27)  ca n be  r ef orm ulate as b el ow :     = ( 11 1 2 + 22 2 2 + 33 3 2 + 44 4 2 + 55 5 2 + 66 6 2 + 77 7 2 + 11 1 2 + 22 2 2 ) 0    (31)     Wh e re  11 , 22 , 33 , 44 , 55 , 66   and  77   denote  the  weig hting  el e m ents  of   flig ht  an gles  an their   corres pondin angular   velocit ie of  t he  pro pose 3DOF  helic op te r   syst em   resp ect ively ,   w hile,  11 and  22   ar e   the  wei gh ti ng  el e m ents  of   c ontr ol  inputs.  It  is  worth  c ons iderin that,   in   this  stu dy,  ba sed  on   t he  sta te   an con t ro L QR  weig hting  m atr ic es  Q   an R the  fee db ac gain   m at rix  ( )   ca be   cal c ulate by  util iz ing   the Mat la c om m and  “ lqr ”.   The  optim al   con t ro a ppr oac L QR  is   hi ghly   rec omm en ded  f or  sta bili zi ng  the  3DO helic op te r   syst e m   as   it  basical ly   loo ks   f or   a   com pr om i sing   bet ween   t he  best  co ntr ol  per f or m ance  and   m ini m u m   c on t rol   effor t.   Ba sed   on  L QR  c on t ro l le r,   a op ti m um   trackin perform ance  can  be  in vestigat e by  pro per  se tt ing   of   the  fee db a ck  c on t ro ll er  gain   m at rix.   To   ach ie ve  this,  t he  LQR  c on tr olle is  o ptim iz ed  by  us i ng  G t un i ng  m et ho d w hich i s adop te to  obtai a n op ti m um  ele m ents v al ues  f or  a nd R w ei gh ti ng  m at rices.       4.   TUNING  M E THOD   In   this  st ud y,  GA   t un i ng   a pp ro ac is  ad opte to  op ti m iz the  LQR  gain  m at rix  us ed  t appr ox im at e   the  gai pa ra m et ers  of   P I D   con t ro ll er  for   3DOF  helic opte syst em GA   is  glob al   search  opti m iz at ion   te chn iq ue  base on  the  strat egy   of  gen et ic an d   natural   sel ect ion   [2 5][ 26 ] .   This  opti m iz at ion   m et ho is  util iz ed  to  ob ta in  an  opti m u m   glo bal  s olu ti on  f or   m or cont ro an m anipu la ti ng   prob le m s.  The  pr oce dure  of   GA  ap proac include of  th ree  basic  ste pe s:  Sele ct ion ,   Cros s over   an Muta ti on.  A pp ly in t hese  m ai op e rati ons  cre at es  new   in divi du al w hich  c ou l be  bette than  thei pa re nts.  Ba sed  on  the  requirem ents  of   desire respo nse ,   the   se qu e nc of  GA  opti m i zat ion   te c hn i que  is  re peated  f or  m any  it eratio ns  a nd  fin al ly   sto ps   at   gen e rati ng   optim u m   so luti on   el em ents  for  the  ap plica ti on   pro blem [ 27 ] T he  se qu e nce  of  the  GA  tun i ng   m et ho is  pres ented  i Fi gure  5   [ 3]. T he  ste ps o the  GA l oop are  d e fine d as f ollows:   1.   In it ia l set  of  popu la ti on.   2.   Sele ct ing   i nd i vi du al for  m at i ng.   3.   Ma ti ng  the  po pula ti on  t c reate p roge ny.   4.   Muta te  p r ogen y.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 2 A pr i l 202 :   1868  -   1884   1876   5.   In se rtin g new  gen e rated  in div id uals int o popu la ti on.   6.   Ar e  the syste m  f it ness  fun ct io sat isfie d ?   7.   En sea rch p ro cess f or so l utio n.   In  this  st udy,  t he  ai m   of   us i ng  GA  op ti m iz a ti on   m et ho is  to  tu ne  t he  PID  c ontrolle r   pa ram et ers  by  m ini m iz ing   sel ect ed  fitness  functi on  w hich   will   be  discusse in  detai in   the  sect ion   4.  The  im ple m ent at ion  proce dure  of  the  GA  tu ning  m et ho be gin s   with  t he  def i ni ti on   ste of  t he   ch ro m os om re pr ese ntati on.  Eac chrom os om i rep re sente by  nin cel ls  wh ic corres pond  to  the  we igh m a tric es  el e m ents  of   the  LQR   con t ro ll er  as  s how in  Fi gur 6.   By   this  re pr ese ntati on  it   can  a dju st  the   LQR  e le m ent in  orde to  a chiev e   the  re qu ire pe rfor m ance.  Th ese  cel ls  are  f orm ed  by  real  posit ive  num bers  an cha racter iz the  ind i vidual  to  be  e valuate [ 27] .           Figure  5. Proce ss lo op of  GA.           Figure  6. De fin it ion  of  G c hrom os om e       5.   HEL ICO PTE H YBR ID  CO NTR OLS  Y STE M DESI GN   In   t his  stu dy,  a   co ntr ol  syst e m   us in L Q base P ID  con t ro ll er  is   de sign e t sta bili ze  3DOF  helic op te syst e m B ased  on   s te input,  hybr i co ntro ll er  is  design e f or  the  fo ll owin desire pe rform ance   par am et ers:  ri se  ti m ( le s tha 10   (m s),  set tl ing  tim ( le ss   t han  30   (m s),   m axim u m   ov ers hoot   per ce ntage ( le ss  than  5% T he  bl ock  dia gra m   of   the  pro pose helic opte r   con t ro syst e m   based   on   L QR  con t ro ll er is  pr esented   in  Fig ure  7.             Figure  7. LQR   co nt ro ll er  base d on G A for  3DO helic op te syst em     11 q   22 q   33 q   44 q   55 q   66 q   77 q   11 r     22 r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  El ec &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ele vation,  pitch  and  tr avel  ax is st ab il izati on  of 3D OF heli cop te r  wi th   ( I br ahim  K.  Mo ham me d )   1877   The  c on tr ol  sy stem   is  analy s ed  m at he m atic al ly   and   the si m ulate us in Ma tl ab/sim u li nk   to ol  to   validat the  propose LQR  c on t ro ll er.  Ba se on  the  desire perf or m ance  par am et ers  wh ic inclu de  ri se  an set tl ing   tim e,  ov e rs hoot  a nd  erro ste ady  sta te   par am et e rs  the   fitnes functi on  of   t he   co ntr ol  pro bl e m   is  form ulate as foll ows:     = 0 . 3 . + 0 . 3 . + 0 . 2 . + 0 . 2 .    (32)     Wh e re,     is  cl ose l oop  t ran s f er  f unct io of   the  helic op te r   syst e m . , , ,    are  th rise  ti m e,  set tl ing   tim e,  m axi m um  ov er  s hoot  and   e rro ste ad sta te   of   the  cl os ed - lo op   c ontr ol  syst e m .   It  is  wo rt co nsi der in that  the  con tr ol   inp ut  effo rt  is  con si der e in  the  evaluati on   process  of  the  pro po se s ta bili zi ng   helic op te syst e m .   In  this   stu dy,  t he  des ign  of  c ontr oller  is   ef fecti vely   optim iz ed  by   us i ng  GA  tu ni ng  m et ho w hi ch  is   adopted   to   obt ai op ti m u m   ele m ents  value for  L QR  weig hting  m at rices  a nd  R.   Th es opti m iz ed  m at rices  are  us in to  ca lc utate   op ti m u m   con trolle ga in  m at rix  by  us in ( 29)  an (3 0).  H oweve r,   the  gain  m atr ix  is   determ ined  by  us in t he  Ma tl ab  c omm and   lqr ’.     5.1 .    PI D appr ox im at i on     In   t his  subsect ion,  the  gain  pa ram et ers  , , of   t he   PI co ntr oller   are  cal culat ed   appr ox im at ely   from   the  feed ba ck  gai n   m at ri x     of  the  L QR  con t ro ll er  base on  GA   optim iz at ion   te ch nique An al yz in (30)  yi el ds  th e f ollo wing  [4 ] :     [ 1 2 ] = [ k 11 k 12 k 13 k 14 k 15 k 16 k 17 k 11 k 12 k 13 k 14 k 15 k 16 k 17 ] [             ̇ ̇ ʓ ]               (33)     5.1.1.  El e vatio n contr ol us in PI c ontr oller   Su m m ing  the  row s  of  (33 r es ults the  fo ll ow i ng [1]:     1 + 2 = ( 2 11 + 2 13 ̇ + 2 16 ʓ ) = ( 2 11 + 2 13 ̇ + 2 16  )   (34)     The  a bove  equ at ion  ca n be  wri tt en  as     = 2 11 ( ) 2 13 ̇ 2 1 6 ( )    (35)     It  is  ob vi ous  that  (23 b)   an (35)   hav the  sam e   structur e this  m eans  that  the  gain  para m et ers  of   pitch  P I D   con t ro ll er   can  b e o btai ned  f rom   the  gai el e m ents  of  L QR co nt ro ll er.   T hus,  c om par ing  ( 23b) w it ( 35) ,   yi el ds   the foll owin g g ai relat io nships:      = 2 11  = 2 13  = 2 16   (36)     The  blo c dia gr am   of   cl os ed - l oop  co ntr ol  syst e m   fo 3DO helic opte syst e m   base on  PID  con t ro ll er  i s   sh ow in  Fi gur e 8 .  Ta king La place t ra ns f orm  f or  elevat io n axi s m od el  (1 3) yi el ds  the  f ol lowing e qu at i on     ( ) . 2 = 1 ( )   (37)     The  tra nsfer  fu nction o t he  el evati on ax is  p l ant is  giv e n by:     ( ) ( ) = 2   (38)     The  tra nsfer  fu nction o t he  P ID   co n tr oller is  as foll ows:     ( ) ( ) =  2 +  +    (39)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.