I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l .   7 ,   No .   3 J u n e   201 7 ,   p p .   1538 ~ 1 5 4 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 7 i 3 . p p 1 5 3 8 - 1545          1538       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Neura l Ne tw o rk - ba sed M o del P re dictive Co n trol w i th  CPS O G SA  for S M BR Filt ra tion        Za k a r ia h   Y u s u f 1 No rha liza   Abdu l Wa ha b 2 Abda lla h   Ab u s a m 3   1, 2   Co n tro &   M e c h a tro n ics   En g i n e e rin g ,   F a c u lt y   o f   El e c tri c a En g i n e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a la y sia ,     8 1 3 1 0   S k u d a Jo h o Ba h r u ,   M a lay sia   3   W a ter Res e a rc h   Ce n tre,  Ku w a it   In stit u te f o S c ien ti f ic Re se a rc h       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   2 2 ,   201 7   R ev i s ed   A p r   25 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Ma y   20 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts  th e   d e v e l o p m e n o f   n e u ra n e t w o rk   b a s e d   m o d e l   p re d ictiv e   c o n t ro l   (NN M P C)  f o c o n tro ll in g   s u b m e rg e d   m e m b ra n e   b i o re a c to r   (S M BR)  f il tratio n   p ro c e ss . T h e   m a in   c o n tri b u ti o n   o f   th is  p a p e is  t h in teg ra ti o n   o f   n e w l y   d e v e lo p e d   so f c o m p u ti n g   o p t im iza ti o n   tec h n iq u e   n a m e   a c o o p e ra ti v e   h y b rid   p a rti c le  sw a r m   o p ti m iza ti o n   a n d   g ra v it a ti o n a se a rc h   a lg o rit h m   (CP S OG S A w it h   th e   m o d e p re d ictiv e   c o n tro l.   T h e   CP S OG S a lg o rit h m   is  u se d   a a   r e a ti m e   o p ti m iza ti o n   (RT O)  in   u p d a ti n g   th e   NN M P C   c o st  f u n c ti o n .   T h e   d e v e lo p e d   c o n tro ll e is  u ti li z e d   to   c o n t ro S M BR   f il tratio n p e rm e a te  f lu x   in   p re v e n ti n g   f lu x   d e c li n e   f ro m   m e m b ra n e   f o u li n g .   T h e   p ro p o se d   NN M P is  c o m p a re d w it h   p ro p o rti o n a i n teg ra d e riv a ti v e   (P ID)  c o n tr o ll e i n   term   o f   th e   p e rc e n tag e   o v e rsh o o t,   se tt li n g   ti m e   a n d   in teg ra a b so lu te  e rro (IA E)  c rit e ria.  T h e   si m u latio n   re su lt   sh o w NN M P p e rf o r m   b e tt e c o n tro c o m p a re d   w it h   P ID  c o n tro l ler  in   ter m   m e a su re d   c o n tro p e rf o rm a n c e   o f   p e r m e a te  f lu x .   K ey w o r d :   A N m o d eli n g   C P SOGS A   Mo d el  p r ed ictiv co n tr o l   R ea l ti m o p ti m izatio n   SMB R   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   No r h aliza   A b d u l W ah ab ,     C o n tr o l &   Me c h atr o n ic s   E n g i n ee r in g   Dep ar t m e n t,  Fac u lt y   o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,     Un i v er s iti T ek n o lo g i M ala y s ia ,     8 1 3 1 0   Sk u d ai,   J o h o r ,   Ma lay s i a .   E m ail:aliza @ f k e. u t m . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   Me m b r an b io r ea cto r   ( MB R )   is   an   e f f icie n tec h n o lo g y   in   w a s te w ater   tr ea t m e n p r o ce s s .   T h e   co m b i n atio n   o f   m e m b r an tech n o lo g y   a n d   b io lo g ical  p r o ce s s   r ea cto r   is   a n   an s w er   f o r   h i g h   q u alit y   e f f lu e n i n   w a s te w ater   tr ea t m e n t.  Me m b r an f iltra tio n   p r o ce s s   is   v er y   i m p o r ta n t e le m e n t   in   MB R   s y s te m   th i s   is   th e   p lace   w h er s ep ar atio n   p r o ce s s   is   o c cu r .   Ho w e v er ,   MB R   s tr u g g le  w it h   f e w   li m itatio n s   s u c h   as   m e m b r a n f o u li n g   an d   h i g h   e n er g y   co n s u m p tio n   d u r in g   f i ltra tio n   p r o ce s s .   A   f o u li n g   p h e n o m e n o n   i s   ca u s e d   b y   m an y   f ac to r s   s u c h   a s   co llo id al,   p ar ticu late,   an d   s o l u te  m ater ial s .   Me m b r a n f o u li n g   i s   co m p lex   p r o ce s s ,   af f ec ted   b y   m an y   p ar am eter s ,   in cl u d i n g   t h o p e r atio n ,   in f l u en p r o p er ties ,   an d   th m e m b r an its el f   [ 1 ] .   Fo u li n g   ca n   lead   to   a   m e m b r a n clo g g i n g ,   r es u lti n g   i n   t h at  t h m e m b r an p o r e   w ill  b b lo ck ed   b y   s o lid   m ater ial.   Fo u li n g   w il af f ec t h o v er all  p er f o r m a n c o f   f iltra tio n   s y s te m   i n   s h o r an d   lo n g   ter m   o p er atio n ,   b y   in d u cin g   h i g h   f iltra tio n   r esis ta n ce ,   as  r es u lt  o f   t h co m p ac f o r m atio n   o f   f o u li n g   o n   th m e m b r a n s u r f ac e [2 ] .   T h e   clo g g i n g   o n   th m e m b r an al s o   w ill  r ed u ce   t h p er m ea te  f lu x   o u tp u an d   t h s a m ti m e   th o v er all  s y s te m   ef f icien c y   w ill  b e f f ec ted .   Sev er al  m e m b r a n clea n i n g   tech n iq u es   w er i n tr o d u ce d   to   co n tr o f o u lin g   d ev elo p m en s u c h   as  r ela x atio n ,   b ac k w as h ,   air f lo w   a n d   ch e m ical  clea n i n g .   A   p ar f r o m   t h at,   m a n ip u latio n   o f   f l u x   f lo w   r ate  is   v er y   i m p o r ta n in   m e m b r a n f iltra tio n   s y s t e m .   I ca n   b u tili ze   to   r ed u ce   f o u li n g   b y   ad j u s ti n g   th p er m ea te  s et  p o in w h e n   n ec ess ar y   [ 3 ]   C o n tr o lli n g   p er m ea te  f lu x   a d if f er e n s et  p o in i s   ch all en g i n g   tas k   b ec au s t h p r ess u r o f   th e   f iltra tio n   d u to   f o u li n g   p h e n o m e n i s   d if f er e n t   at  d if f er e n s et  p o in t.  Hi g h er   s et  p o in w il r es u lt  o f   h i g h er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       N eu r a l Net w o r b a s ed   Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l wi th   C P S O GS A   fo r   S MBR   F iltr a tio n   ( Za ka r ia h   Yu s u f)   1539   p r ess u r e.   Hig h er   f il tr atio n   p r ess u r is   d u to   th f i ltra tio n   r esis ta n ce s   t h at  in cr ea s at  t h h ig h er   f l u x   f lo r ate. E v en   t h o u g h   MB R   tech n o lo g y   i s   i n tr o d u ce   f o r   m a n y   y ea r s   a g o ,   th e   ap p licatio n   o f   co n tr o s y s te m   in   MB R   s y s te m   s till   n o m at u r e.   A t h m o m en t,  o p en   lo o p   co n tr o s y s te m   s til i m p le m e n i n   m a n y   MB R   p lan t   [ 4 ] .   A p p licatio n   o f   ad v a n ce   c o n tr o s y s te m   f o r   SMB R   p r o ce s s   i s   v er y   c h alle n g in g   ta s k   an d   n ee d s   lo o f   u n d er s ta n d in g   o f   th s y s te m   o p er atio n   an d   d y n a m ic.   So m e   s u cc es s f u i m p le m e n tatio n   o f   clo s lo o p   co n tr o l   h as  s h o w n   t h at  t h ap p licatio n   o f   co n tr o ller   h as  g i v es  i m p r o v e m e n to   t h s y s te m   a n d   p r o ce s s .   P r o p o r tio n al  in te g r al  d er iv ativ ( P I D)   co n tr o ller   is   s till   th m ai n   co n tr o lle r   u s ed   in   m a n y   in d u s tr ie s .   T h is   co n tr o ller   is   v er y   p o p u lar   b ec au s o f   its   s i m p lic it y   a n d   s i m p le  to   u n d er s t an d .   I n   ad d itio n ,   t h co n tr o ller   i s   v er y   s tab le  a n d   ea s y   to   b tu n ed .   C u r cio   et  al  [ 5 ]   p r esen ts   th P I   an d   P I c o n tr o ap p licatio n   to   th UF  m e m b r a n f il tr atio n   p r o ce s s .   Si m u lat io n   o f   t h s y s te m   w a s   d o n e   u s in g   h y b r id   n e u r al  n et w o r k   m o d el.   T h co n tr o ller s   w er u s ed   to   co n tr o th p er m ea te  f lu x   o f   t h f iltra tio n   p r o ce s s .   T h co n t r o ller s   w er t u n ed   u s in g   zi g le r - n ic h o ls   ( Z N)   a n d   I T A E   tu n in g   m et h o d s .   T h a u th o r s   f o u n d   I T A E   t u n i n g   m eth o d   is   m o r r o b u s b o t h   i n   r eg u lato r   a n d   s er v o   p r o b lem   in   p r ev e n ti n g   f lu x   d ec lin d u r in g   f iltra tio n   p r o ce s s .   P I co n tr o ller   w as  u s ed   f o r   p er m ea te  f l u x   co n tr o in   s u b m er g ed   an ae r o b ic  m e m b r an b io r ea cto r   [ 6 ] .   Ho w e v er ,   P I co n tr o ller   w as  f o u n d   p r o d u ce   h ig h   o v er s h o o t a th in i tial  f iltra tio n   c y cle  t h at  ca n   ca u s e   p o o r   f ilt r atio n   p er f o r m a n ce .   T h is   i s   ca u s b y   t h ON   an d   OFF  s ta g es  in   t h f iltra tio n   s y s te m .   I n   o r d er   to   s o lv th i s   p r o b lem ,   f i x ed   f r eq u e n c y   w it h   P I co n tr o ller   w a s   in tr o d u ce   to   co n tr o l th p er m e ate  p u m p .   No n li n ea r   Mo d el  p r ed ictiv co n tr o ( NM P C )   is   a n   e f f ec tiv m o d el  b ased   co n tr o ller   f o r   m a n y   ap p licatio n s   s u c h   as  in   [ 7 ] , [ 8 ]   an d   [ 9 ] .   T h is   tech n iq u i s   v er y   ef f ec ti v s i n ce   m a n y   o f   th p r o ce s s   ar e   n o n li n ea r .   Neu r al  n e t w o r k   b as ed   m o d el  p r ed ictiv co n tr o ( NNM P C )   is   a m o n g   t h p o p u lar   NM P C   tech n iq u e   in   liter at u r e.   T h is   co n tr o ller   em p lo y ed   n e u r al  n e t w o r k   as  a   p r ed ictio n   m o d el  in   th co n t r o ller   d esig n .   T h is   w o r k   e m p lo y ed   th NNM P C   t ec h n iq u to   co n tr o th SMB R   f iltra tio n   p er m ea te  f l u x .   T h NNM P C   is   d esig n   w it h   co o p er ativ p ar ticle   s w ar m   o p ti m izatio n   w it h   g r av ita ti o n al  s ea r c h   al g o r ith m   ( C P OS GS A )   as  a   r ea ti m e   o p tim izatio n   ( R T O)   f o r   th M P C   co s f u n ctio n   m i n i m izatio n .   T h C P SOGS A   o p ti m izatio n   alg o r it h m   i s   n e an d   ef f icien tech n iq u f o r   o p tim izatio n   f o r   m a n y   t y p es   co s f u n ctio n .   I n te g r atio n   o f   th i s   o p ti m izatio n   tech n iq u i n   MP C   w ill p r o d u ce   r eliab le  an d   ef f ec ti v NNM P C .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D   2 . 1 .   P ro ce s s   M o delin g     T h ar tif icial  n eu r al  n et w o r k   ( A N N)   m o d el  w it h   r ec u r r en s t r u ctu r is   ap p lied   w h er th p ast  o u tp u t   an d   in p u is   u s ed   to   p r ed ict  th cu r r en o u tp u t.  T h is   s tr u ct u r is   also   k n o w n   as  n o n li n ea r   au to   r eg r ess i v w it h   ex o g e n o u s   i n p u t ( N A R X) .   Fi g u r 1   p r esen ts   t h m o d el  s tr u c t u r e m p lo y ed   i n   th i s   w o r k .                               Fig u r 1 .   Neu r al  Net w o r k   Str u ctu r e       ( )   is   th v o ltag ap p lied   to   th p er m ea te  p u m p   w h ile,   ̅ 1 ( )   an d   ̅ 2 ( )   is   th p r ed icted   p er m ea te   f l u x   a n d   T MP  r esp ec tiv el y .   1 is   th d ela y   o p er ato r . T h ex p er i m e n ts w er ca r r ied   o u t   in   s i n g le  ta n k   s u b m er g ed   m e m b r a n b io r ea cto r s ,   w ith   w o r k i n g   v o lu m o f   2 0   L   p al m   o il   m ill  e f f l u en t   ( P OM E )   tak e n   f r o m   Sed en ak   P al m   Oil  Mi ll  Sd n .   B h d .   in   J o h o r ,   Ma la y s ia.   T h w o r k i n g   te m p er atu r e s   f o r   th e   b io r ea cto r s   w er at   2 9   ±   1   °C .   T h p lan w as  o p er ated   w ith   1 2 0   s ec o n d   p er m ea te  a n d   3 0   s ec o n d   f o r   r elax atio n   p er io d .   T h air f lo w   r ate  is   m ai n tai n ed   ar o u n d   6 - 8   L P M.   Fig u r 2   s h o w s   th p ilo p lan s etu p   f o r   th e x p er i m e n t.  T h d ata  p lan w a s   co n tr o lled   an d   m o n i to r ed   u s in g   Natio n al  I n s t r u m e n ts ,   L ab VI E W   2 0 0 9   s o f t w ar w it h   NI   USB   6 0 0 9   in ter f ac in g   h ar d w ar e. T ab le  1 s h o w s   t h lis t o f   in s tr u m e n ts   u s ed   in   th p ilo t p lan t d ev elo p m en t.     1   2   1   2   2   ̅ 1 ( )   ̅ 2 ( )   1         A N N   ( )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n e   2 0 1 7   :   1 5 3 8     1 5 4 5   1540                           Fig u r e   2 .   Sch e m atic  Dia g r a m   o f   th S u b m er g ed   MB R       T ab le  1 .   L is t o f   I n s tr u m e n ts /P ar ts   T a g   N o   D e scri p t i o n   C - 1 0 1   2 0 L   2 H P   A i r   c o mp r e sso r   PV - 1 0 1   P r o p o r t i o n a l   V a l v e   FA - 101   A i r f l o w   S e n so r   PI - 101   P r e ssu r e   T r a n sd u c e r   SV - 1 0 1   S o l e n o i d   V a l v e   P e r m e a t e   S t r e a m   SV - 1 0 2   S o l e n o i d   V a l v e   B a c k w a sh   st r e a m   P - 1 0 1   P e r i st a l t i c   P u m p   P - 1 0 2   D i a p h r a g m P u m p   FM - 101   L i q u i d   F l o w   M e t e r   M e mb r a n e   H o l l o w   F i b e r   M e mb r a n e       I n   th i s   w o r k ,   P o ly et h er s u l f o n ( P E S)  m ater ial  w it h   ap p r o x i m atel y   8 0 - 1 0 0 k d p o r s ize  m e m b r a n e   w a s   u s ed   i n   th e   f iltra tio n   s y s t e m .   T h d ata  co llectio n   a s   s h o w n   i n   Fi g u r 3   is   p er f o r m ed   u s i n g   r an d o m   s tep   te s t to   th p er m ea te  p u m p .   T h is   w ill ex c ite  th d y n a m ic  o f   th f iltra tio n   p r o ce s s .   7 0   p er ce n t o f   th d ata  is   u s e d   to   co n s tr u c t h n eu r al  n et w o r k   m o d el  u s i n g   s elec ted   tr ain i n g   m e th o d ,   w h ile  a n o th er   3 0   p er ce n is   u s ed   f o r   test i n g   t h n e u r al  n e t w o r k   ac c u r ac y .           Fig u r 3 .   E x p er i m en t d ata       2 . 2 .   CP SO G S Alg o rit h m   T h C P SOGSA   i s   an   ef f ec ti v o p tim izat io n   tech n iq u th at   ca n   p r o v id o p tim al  s o lu tio n   f o r   m a n y   ap p licatio n s .   Fu n d a m e n tal  ap p r o ac h   o f   th alg o r ith m   is   to   allo w   m o r g r o u p s   w it h   d if f er en ad v an ta g es  to   s ea r ch   f o r   t h b est   s o lu tio n .   W ith   t h is   m eth o d ,   it   is   les s   p o s s ib ilit y   f o r   t h a lg o r it h m   to   tr ap   at  th e   lo ca l   m i n i m a. T h co o p er ativ tech n iq u e   in   t h is   w o r k   is   d escr i b ed   b y   t h i n ter ac tio n   b et w ee n   m a s ter   a n d   s la v e s .   0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 20 40 T i m e   ( s ) Fl u x   ( L / m 2   h ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 100 200 300 T i m e   ( s ) TM P   ( m b a r ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 T i m e   ( s ) A i r f l o w   ( S L P M ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 2 4 T i m e   ( s ) P u m p   ( V o l t ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       N eu r a l Net w o r b a s ed   Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l wi th   C P S O GS A   fo r   S MBR   F iltr a tio n   ( Za ka r ia h   Yu s u f)   1541   T h n u m b er   o f   s la v g r o u p s   c an   b g en er ated   ac co r d in g l y   d ep en d in g   o n   t h co m p lex it y   o f   th o p ti m iza tio n   p r o b lem .   Fi g u r 4   s h o w s   th c o o p er ativ ar ch itectu r b et w ee n   m a s ter   an d   s la v g r o u p s .                       Fig u r 4 .   T h co o p er ativ ar c h itect u r o f   th al g o r ith m       E ac h   o f   t h s la v g r o u p s   w ill  l o o k   f o r   th b est  f it n es s   an d   t h i s   f it n e s s   v alu w i ll  b co m p ar ed   am o n g   th s la v g r o u p .   T h b est  f itn ess   o f   t h s la v g r o u p   w ill  b e   co m p ar ed   ag ai n   w it h   t h m a s ter   g r o u p   an d   t h e   b est f it n es s   ag e n w ill b u s ed   f o r   th v elo cit y   u p d ate  ca lcu la tio n   u s in g   eq u at io n   ( 1 ) .     ( + 1 ) = × ( ) 3 + 1 × ×  1 + 2 × 1 (    ( ) ) ×  2 + 3 × 2 (     ( ) ) ×  3                                                                                    ( 1 )     W h er 1 , 2   an d   3   ar th co n s ta n t.    1 ,  2 an d    3 ar th n o r m al  d is tr ib u ti o n   r an d o m   n u m b er   0   to   1 .     is   th b est  p o s itio n   f r o m   th e   s lav g r o u p s   w h ile     is   th p est   p o s itio n   f r o m   th m a s ter   g r o u p .   T h p o s itio n   u p d ate  eq u atio n   i s   g i v en   b y :     ( + 1 ) = +   ( + 1 )                                                                                    ( 2 )     T h co m p etiti v b et w ee n   t h s lav an d   t h m a s ter   w h ic h   ad o p ted   in   [ 1 0 ]   is   also   ap p lied   in   th is   alg o r ith m ,   w h er e:     I g B est_ s la ve >g B est_ Ma s ter   1 =1 ,   2 =0 ;     I g B est_ s la ve <g B est_ Ma s ter   1 =0 ,   2 =1 ;     IF g B est_ s la ve =g B est_ Ma s ter   1 =0 . 5 ,   2 =0 . 5     I n   th i s   w o r k   t w o   s la v g r o u p s   w er u tili ze   i n   th r ea ti m o p ti m izatio n   ( R T O)   f o r   th MP C   f u n ctio n   m i n i m izatio n .   T h f ir s s la v i s   t h GS al g o r ith m   t h at  a s   d ev elo p ed   in   [ 1 1 ]   an d   a n o th er   s lav i s   f r o m   i n er tia  w ei g h t P SO a lg o r it h m .       T h p r o p o s ed   f r am e w o r k   o f   C P SOGS A   ca n   b d escr ib ed   as th f o llo w i n g   s tep s :   Step 1 : I n itialize  t h p o p u latio n   o f   t h s la v an d   m a s ter   g r o u p s p o s itio n .     [ 1 , 1 2 , 1 , …. . , 1 ;   1 , 2 2 , 2 , …. . , 2 ;   …… ;   1 ,  2 ,  , …. . ,  ;   1 , 2 , , …. . , ]     Step   2 : E v alu ate  t h cu r r en t f i t n es s   ( , ) o f   th a g e n ts .   Step   3 : Fin d   th p er s o n al  b est  an d   w o r s t i n   ea ch   o f   th g r o u p s .     [  , 1 = min ( ) ;   , 2 = min ( ) ; ;    ,  = min ( ) ; , = min ( ) ]     [  , 1 = ma x ( ) ;   , 2 = ma x ( ) ; ;    ,  = ma x ( )   ;    , = ma x ( ) ]     Step   4 :.Fin d   1 an d   2 u s in g   co m p et itiv al g o r ith m .     1     2       3         ………. ……….       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n e   2 0 1 7   :   1 5 3 8     1 5 4 5   1542   Step   5 : Calcu late    an d      u s i n g   eq u atio n s   ( 1 0 )   an d   ( 1 6 )   in   [ 1 1 ]   ( f o r   g r o u p s   th at  r eq u ir ed   th i s   v ar iab les).   Step   6 : U p d ate  v elo cit y   an d   p o s itio n   f o r   all  g r o u p s   w it h   m a s ter   g r o u p   b y   u s i n g   eq u atio n   ( 1 )   an d   ( 2 ) .   Step   7 : Co m p ar if   m ee t th o p ti m izatio n   cr iter ia.   I f   n o t,  r etu r n   to   s tep   2     Step   8 : Retu r n   to   t h b est s o l u tio n     2 . 3 .   Neura l N et w o rk   M o del P re dict iv Co ntr o l   NNM P C   is   m o d el  b ased   co n tr o s y s te m   w h ic h   ex p lici tl y   e m p lo y s   n e u r al  n et w o r k   m o d el  to   p r ed ict  th p r o ce s s   o u tp u at  f u tu r ti m in s ta n t.T h s u cc e s s f u l   o f   t h i s   co n tr o ller   is   m u ch   d ep en d s   o n   th e   ac cu r ac y   o f   t h m o d e.   T h is   w ill  en s u r o p ti m al  o u tp u f r o m   t h co n tr o ller .   T h C P SOGSA   al g o r ith m   is   u s ed   to   o p ti m ize  i n p u o f   t h co n t r o ller   in   o r d er   to   m in i m ize   MP C   co s f u n ct io n .   T h is   o p tim izatio n   p r o ce s s   is   r ep ea ted   at  ev er y   s a m p li n g   i n t er v al.   Fig u r 5   s h o w s   th MP C   b lo ck   d iag r a m .                               Fig u r 5 .   B lo ck   Diag r a m   o f   t h NNM P C   f o r   SMB R   Fil tr atio n   P r o ce s s       T h co s t f u n ctio n   o f   t h NNM P C   is   g i v en   b y :     ( , ) = { = 1 [ ( + ) ( + | ) ] 2 + [ ( + ) ] 2 = 1 }                        ( 3 )     w h er e,   is   p r ed ictio n   h o r izo n ,     is   co n tr o h o r izo n . ,       is   s et  p o in t. ( + )   is   th c h a n g o f   in p u t     an d     ar th co n tr o w ei g h t in g   c o ef f icie n to   ad d   w eig h to   t h r elativ i m p o r ta n ce   o f   t h c o n tr o an d   tr ac k i n g   er r o r s .   Fo r   th co n s tr ain ted   ca s es,  th u p p p er   an d   lo w er   b o u n d   o f   th m a n ip u lted   v ar iab les   ar g iv e n   b y :     ( )    ( )                                                                                   ( 4 )   ( ) ( 1 )  .     I n   t h is   w o r k ,   t h i n p u co n s tr ain   i s   d eter m i n b y   t h m i n i m u m   a n d   m a x i m u m   p er m e ate  p u m p   v o ltag f r o m   th e   cr itical  f l u x   test .   I n   t h i s   w o r k   th m i n i m u m   v o ltag ( )   is   s et   to   0 ,   w h ile   th m a x i m u m   v o ltag ( )   is   3 . 5   v o lt.   L et  t h s tate  o f   th s y s te m   i n   e ac h   s a m p lin g   i n ter v al,     is   d ef i n ed   as f o llo w s :     ̂ ( ) = [ ̂ 0 ( ) ̂ 1 ( ) ̂ 1 ( ) ]                                                                                                  ( 5 )     w h er ̂ ( ) = ( + )   f o r   Δ ( + ) = 0   ; 0   I n   th i s   ap p r o ac h   th n eu r al  n et w o r k   m o d el  is   u s ed   to   p r ed ict  f u tu r o u tp u ts   s e v er al  s tep s   in   f u t u r o v er   th p r ed ictio n   h o r izo n ( ) .   T h is   iter ativ tech n iq u i s   wh er eo u tp u f r o m   t h f ir s p r ed ictio n   ( + 1 )   w il b u s ed   as  in p u ts   f o r   t h n e x p r ed ictio n   i n   p r ed ictin g   (   +   2 ) ,     w ith   th is   i ter ativ e   p r o ce d u r e,   th e   p r ed ictio n   o f   m u l tip le  o u tp u    f u t u r s tep s   ca n   b d o n e.     T h s et tin g   o f   t h NNM P C   p ar a m eter s   e m p lo y ed   in   th is   w o r k   i s   p r esen t s   in   T ab le  2 .         C o s t F u n c tio n     Me m b r an Fil tr atio n   S y s te m   R ef er e n ce    ( )   ( )   ( )   C P S O G S A   O p t i mi z a t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       N eu r a l Net w o r b a s ed   Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l wi th   C P S O GS A   fo r   S MBR   F iltr a tio n   ( Za ka r ia h   Yu s u f)   1543   T ab le  2 .   NNM P C   p ar am eter s   P a r a me t e r   V a l u e   P r e d i c t i o n   H o r i z o n ,     5   C o n t r o l   H o r i z o n ,     3   W e i g h t ,   ( φ , μ )   10   S a mp l i n g   t i me   1   se c o n d       3.   RE SU L T A ND  AN AL Y SI S   T h s i m u latio n   r e s u l f o r   to c y cle  f iltra tio n   s h o w s   t h f il tr atio n   p r o ce s s   w it h o u co n tr o ller   ca u s e   th f lu x   d ec li n at  t h en d   ea c h   o f   t h c y cle.     T h ap p licatio n   o f   co n tr o ller   ca n   m ain tain   t h p er m ea te  f l u x   at   th d esire d   s et  p o in t.  Ho w e v er ,   h ig h   o v er s h o o co n tr o ller   ill  ef f ec th f iltra tio n   p er f o r m a n ce .   Fro m   t h r esu lt ,   it c an   b o b s er v ed   t h at  t h N N MP C   p er f o r m   b etter   co m p ar w it h   t h P I co n tr o ller .   T h f i r s t c y cle  co n tr o ller   p er f o r m a n ce   i n d icate s   th NN MP C   co n tr o ller   p r o d u ce   o n l y   1 . 1 7 o f   o v er s h o o co m p ar ed   w it h   th P I w it h   2 0 . 6 4 %.  T h s ettlin g   ti m e s   o f   t h co n tr o ller s   ar 1 8 . 2   s ec o n d   f o r   th NNM P C   a n d   1 7 . 9   s ec o n d   f o r   P I D   co n tr o ller .   I n   ter m   o f   th ac c u r ac y   o f   th co n tr o ller   th I AE   s h o w s   NNM P C   co n tr o ller   p er f o r m   at  7 2 . 8   an d   th P I co n tr o ller   is   at  1 1 4 . 2 .   Fig u r 6   s h o w s   th r esp o n s o f   th co n tr o ller s   f o r   t w o   c y c le  f iltra tio n   is   s h o ws   in   Fi g u r 6 . T h s tep   r esp o n s p er f o r m a n ce   o f   t h co n tr o ller s   is   p r esen ts   i n   T ab le  3 .           Fig u r 6 .   P er f o r m a n ce   C o n tr o l ler   f o r   T w o   C y cles       T ab le  3 .   C o n tr o ller   P e r f o r m a n ce   at  First C y cle   C o n t r o l l e r   %Ov e r sh o o t   S e t t l i n g   T i me   ( se c . )   I A E   P I D   2 0 . 6 4   1 7 . 9   1 1 4 . 2   N N M P C   1 . 1 7   1 7 . 2   7 2 . 8       T h s ec o n d   s i m u latio n   r es u lt s   is   f o u r   c y cle s   w it h   c h an g e   in   s et  p o in t.  I ca n   b o b s e r v ed ,   th e   NNM P C   p r o d u ce   ap p r o p r iate  r esp o n s at  e v er y   s et   p o in te s ted .   T h P I co n tr o ller   p r o d u ce   h ig h   o v er s h o o at  h i g h er   s e p o in a n d   th er is   n o   e x ce s s iv o v er s h o o f o r   s et  p o in 1 5 L / m 2   h   w h ic h   i s   in   t h f o r t h   c y cle.   Fig u r 7   s h o w s   t h p er f o r m a n ce   o f   th co n tr o ller s   f o r   th s et   p o in t c h an g e.       0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 T i m e   ( s ) Fl u x   ( L / m 2   h )     S e t   p o i n t W i t h o u t   c o n t r o l l e r P I D N N M P C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n e   2 0 1 7   :   1 5 3 8     1 5 4 5   1544       Fig u r 7 .   Fo u r   c y cles  w i th   s et  p o in t c h an g e       4.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r esen ts   t h ap p licatio n   o f   NNM P C   w it h   C P S OGS A   f o r   SMB R   f iltra tio n   c o n tr o l.  T h e   C P SOGS A   a lg o r it h m   p er f o r m s   as  a   R T o f   th e   co n tr o ller   c o s f u n ctio n   w it h i n   1   s ec o n d   s a m p lin g   ti m e.   T h is   w o r k   u tili ze d   t h n e u r al  n e t wo r k   m o d el  th SMB R   f il tr atio n   p r o ce s s .   T h s i m u latio n   r es u lt  f o r   t w o   f iltra tio n   c y cles  i n d icate s   t h co n tr o ller   ca n   p r ev en f r o m   f lu x   d ec l in d u r in g   th f iltra tio n   p r o c ess .   I n   ter m   o f   t h e   ap p licatio n   o f   th co n tr o ller   it  ca n   b co n clu d ed   th N NM P C   co n tr o ller   p er f o r m   b etter   th an   th P I D   co n tr o ller   f o r   esp ec iall y   f o r   th o v er s h o o an d   p r ec is io n   o f   th co n tr o ller .   Si m u latio n   f o r   s et  p o in ch an g e   in d icate s   th e   NNM P C   g i v es  g o o d   tr ac k i n g   at  all   s et  p o i n w i th o u s ig n i f ica n o v er s h o o t.  Me an w h i le,   th e   P I co n tr o ller   also   ca n   tr ac k   t h s et  p o in t;  h o w e v er   t h er is   an   o v er s h o o w as  o b s er v ed   at  th h ig h   s e p o in t.   Fin all y ,   t h N NM P C   w it h   C P SOGS A   is   g o o d   p o ten tial  co n tr o ller   to   b ap p lied   in   m an y   p r o ce s s   co n tr o ap p licatio n s .   Ho w e v er ,   f u r th e r   s tu d y   n ee d s   to   b d o n f o r   ap p licatio n s   th at  r eq u ir ed   m u ch   f a s ter   s a m p l in g   ti m a n d   R T O.       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h au th o r s   w o u ld   li k to   t h an k   t h R esear ch   Un iv er s it y   Gr an ( GUP )   v o te  1 3 H7 0 ,   Un i v er s iti   T ek n o lo g Ma la y s ia  f o r   th f i n an cia s u p p o r t.  T h f ir s au th o r   w an t s   to   th an k   th U n iv er s iti  T ek n o lo g i   MA R A   ( UiT M)   an d   th MO H E   f o r   th T P M - SLA I   s c h o lar s h ip .       RE F E R E NC E S   [1 ]   P .   L Clec h ,   e a l. ,   F o u li n g   in   m e m b ra n e   b io re a c to rs  u se d   in   w a ste w a ter  tr e a t m e n t,   J .   M e mb .   S c i. ,   v o l /i ss u e :   284 ( 1 2 ) ,   p p .   1 7 5 3 ,   2 0 0 6 .   [2 ]   Z.   Yu su f ,   e a l. ,   F o u li n g   c o n tro stra teg y   f o su b m e rg e d   m e m b ra n e   b i o re a c to f il tratio n   p r o c e ss e s   u sin g   a e ra ti o n   a irf lo w ,   b a c k w a sh ,   a n d   re lax a ti o n a   re v ie w ,   De sa li n .   W a ter   T re a t. ,   p p .   1 1 3 ,   2 0 1 5 .   [3 ]   J.  Bu sc h ,   e a l. ,   Ru n - to - r u n   c o n t ro o f   m e m b ra n e   f il tratio n   p ro c e ss e s,”  AICh J . ,   v o l / issu e :   53 ( 9 ) ,   p p .   2 3 1 6 2 3 2 8 ,   2 0 0 7 .   [4 ]   G .   F e rre ro ,   e a l. ,   A u to m a ti c   c o n tr o sy ste m f o su b m e r g e d   m e m b ra n e   b io re a c to rs:  A   sta te - of - th e - a rt  re v ie w ,   W a ter   Res . ,   v o l.   4 6 ,   p p .   3 4 2 1 3 4 3 3 ,   2 0 1 2 .   [5 ]   S .   Cu rc io ,   e a l. ,   De sig n   a n d   tu n i n g   o f   fe e d b a c k   c o n tro ll e rs:  e ff e c t s o n   p r o tein u lt ra f il tratio n   p ro c e s m o d e led   b y   a   h y b rid   sy st e m ,   De sa li n .   W a ter   T re a t. ,   v o l /i ss u e :   34 ( 1 3 ) ,   p p .   2 9 5 3 0 3 ,   2 0 1 1 .   [6 ]   Á .   Ro b les ,   e a l. ,   In str u m e n tatio n   ,   c o n tr o ,   a n d   a u to m a ti o n   f o su b m e rg e d   a n a e ro b ic  m e m b ra n e   b io re a c to rs,”  En v iro n .   T e c h n o l. ,   v o l /i ss u e :   36 ( 14 ) ,   p p .   3 7 4 1 ,   2 0 1 5 .   [7 ]   H.   G .   Ha n ,   e a l. ,   M o d e p re d i c ti v e   c o n tro o f   d isso lv e d   o x y g e n   c o n c e n tratio n   b a se d   o n   a   se lf - o rg a n izin g   RBF   n e u ra n e tw o rk ,   Co n tr o E n g .   Pr a c t. ,   v o l / issu e :   20 ( 4 ) ,   p p .   4 6 5 4 7 6 ,   2 0 1 2 .   [8 ]   K.  O w a ,   e a l. ,   A   W a v e let  Ne u ra Ne t w o rk   Ba se d   No n - li n e a M o d e P re d ictiv e   Co n tr o ll e f o a   M u lt i - v a riab le   Co u p led   T a n k   S y ste m ,   In t.   J .   A u to m.  Co m p u t . ,   v o l .   1 2 ,   p p .   1 5 6 1 7 0 ,   2 0 1 5 .   [9 ]   L .   Ch e n g ,   e a l. ,   Ne u ra l - Ne tw o r k - Ba se d   No n li n e a M o d e P re d ic ti v e   Co n tro f o P iez o e lec tri c   A c tu a to rs,”  IEE E   T ra n s.  I n d .   El e c tro n . ,   v o l /i ss u e :   62 ( 12 ) ,   p p .   7 7 1 7 7 7 2 7 ,   2 0 1 5 .   [1 0 ]   B.   Niu   a n d   H.  W u ,   M C P S O:  A   m u lt i - sw a r m   c o o p e ra ti v e   p a rti c le  s w a r m   o p ti m ize r,   Ap p l.   M a th .   Co mp u t . ,   v o l.   1 8 5 ,   p p .   1 0 5 0 1 0 6 2 ,   2 0 0 7 .   [1 1 ]   E.   Ra sh e d i,   e a l. ,   G S A A   G r a v it a ti o n a S e a rc h   A l g o rit h m ,   In f.   S c i.   ( Ny ). ,   v o l /i ss u e :   179 ( 13 ) ,   p p .   2 2 3 2 2 2 4 8 ,   2 0 0 9 .   0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 20 25 30 T i m e   ( s ) Fl u x   ( L / m 2   h )     S e t   p o i n t P I D N N M P C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       N eu r a l Net w o r b a s ed   Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l wi th   C P S O GS A   fo r   S MBR   F iltr a tio n   ( Za ka r ia h   Yu s u f)   1545   B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS         Zak a riah   Yu su f   re c e i v e d   h is  B.   En g .   Ho n (El e c tri c a l)  a n d   M S c .   El e c tri c a En g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M A RA ,   M a la y sia   in   2 0 0 7   a n d   2 0 1 2   re sp e c ti v e l y .   He   is  c u rre n tl y   w o rk in g   to w a rd   h is  P h in   p ro c e s c o n tr o a th e   F a c u lt y   o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Un iv e rsiti   Tek n o lo g M a la y sia .   He   h a a   f e y e a rs’  e x p e rien c e in   c o n tro a n d   in stru m e n tatio n   f ro m   v a rio u in d u stries .   His  c u rre n re se a r c h   in tere sts  in c lu d e   m e m b ra n e   f il tratio n   a n d   a p p l ica ti o n   o f   so f c o m p u ti n g   in   th e   a re a   o f   p ro c e ss   m o d e li n g   a n d   c o n tro l.                 Ir.   Dr.  No r h a li z a   A b d u W a h a b   is  c u rre n t ly   a n   A ss o c iate   P ro f e ss o a Un iv e rsiti   T e k n o lo g i   M a la y sia   (U T M ).   S h e   is  c u rre n t l y   th e   He a d   De p a rt m e n o f   Co n tr o a n d   M e c h a tro n ics   E n g in e e rin g   De p a rtme n a th e   F a c u lt y   o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   UT M .   S h e   c o m p lete d   h e P h i n   El e c tri c a l   En g in e e rin g   m a jo rin g   in   C o n tr o in   Ju ly   2 0 0 9 .   S h e   is  a c ti v e ly   in v o lv e d   in   re se a rc h in g   a n d   tea c h in g   in   t h e   f ield   o f   in d u strial  p r o c e ss   c o n tr o l.   He e x p e rti se   is  in   m o d e ll in g   a n d   c o n tro o f   in d u str ial  p ro c e ss   p lan t.   Re c e n tl y   sh e   h a w o rk e d   p rima ril y   o n   d if f e re n t y p e o f   d o m e stic  a n d   in d u strial   w a ste w a ter t re a t m e n tec h n o l o g y   to w a rd s o p ti m iza ti o n   a n d   e n e rg y   sa v in g   s y st e m .             Dr.  En g .   A b d a ll a h   A b u sa m   h a b o th   B. S c .   in   Civ il   En g in e e rin g   a n d   M . S c .   in   S a n i tary   En g in e e rin g   f ro m   th e   Un iv e r sit y   o Kh a rto u m ,   S u d a n .   His  P h in   En v ir o n m e n tal  En g in e e rin g   is   f ro m   W a g e n in g e n   Un iv e rsit y ,   T h e   Ne th e rlan d s.  He   is   c u rre n tl y   a   R e se a rc h   S c ien ti st  a th e   K u w a it   In stit u te  f o S c ien ti f ic  Re se a rc h ,   Ku w a it .   His  re s e a rc h   in tere sts  in c lu d e   m o d e li n g ,   sim u latio n   a n d   c o n tro o f   e n v iro n m e n tal  sy ste m s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.