Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   3 June   2020 ,  pp. 3 047~ 3056   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 3 . pp3047 - 30 56          3047       Journ al h om e page http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Evol ut ion ary  al go ri th ms - ba se d   tu nin g of PID con troll er     fo an  AVR sys tem       Petchin athan  Govind an   Depa rtment  o E le c tri c al a nd  Co m pute Engi n ee r ing,   Co ll eg of   Engi ne eri ng  D eb re  Berh an  Univ e rsit y ,   Et hiop ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ve d   Ma r   14 , 201 9   Re vised  N ov   16 ,   20 19   Accepte Dec   1 , 2 0 19     In  thi s   pape r ,   a evol u ti ona r y   al gorit hm - base d   opti m izati on   a lgori thm  i s   proposed  with   new  obj ec t ive  func ti on   to   des ign  a   PID   con trol ler  for     the  aut om atic   vo lt ag r egulator   ( AV R)  s y stem.   T he  n ew  ob j ective  func ti on   is   proposed  to   improve  th tra nsi en response   of  the  AV cont ro s ystem  and  to   obta in   the  opt i m al   val u es  of   c ontrol ler  ga in.  I thi p ape r ,   p a rti cle  sw arm  opti m iz ation  (PS O)  and  cuc koo   sea rch   (CS)  al gor it hm are  proposed  to   tun e   the  par ame te rs   o a   PID   cont ro lle for   th e   con trol  of  AV s y stem.   Sim ula ti on  result ar c apable   and   illus tra t the  eff ec t ive n ess  of  the   propo sed  m et hod .   Num eri ca l   and   s imulat ion   resul ts  base d   on   the  pr oposed  tun ing   a pproa ch   on   PID   cont rol  of   an  AV s y ste m   for  servo   and  reg ulator y   co ntrol   show     the   excel l ent   p er form anc of   PS O a nd  CS   opt imiza t ion  a lgori thm s.     Ke yw or d s :   AV syst em   Cuck oo sea rch    Ev olu ti onary  a lgorit hm s   Objecti ve f un c ti on   PI D  contr oller   PSO   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 :   Petc hin at ha n   G ov i nd a n ,   Dep a rtm ent o f El ect rical  an Com pu te E ng i neer i ng,    Coll ege  of   En gi neer in g De br e  Berh a n   U niv e rsity   Debre Be rh a n,  Ethio pia .   Em a il gp et chi@g m ai l.co m       1.   INTROD U CTION   Au t om atic  volt age   re gu la t or  pl ay c ru ci al   r ole  i powe r   s yst e m   so   a t regulat t he  ou tpu t   volt age  at   nom inall const ant  desire vo lt age   le vel.   In  po wer  ge ne rator,  the   f unct ion   of  A VR  is  t e ns ure  t he  volt age   from   the  po we ge ner at or t be  r unning  s m oo thly   and   a ls to  m ai ntain   the  sta bili ty  of   the  volt ag from     the  ge ner at or s The st abili ty   of  the  A VR  co ntr ol  syst e m   is  an im po rtant  iss ue   since  it   can  c riti cal ly  i m pin ge o the  secu rity   of   the  powe syst e m The  excit a ti on   syst em   ou gh to  res pons i ble  for  the  e ff e ct ive   vo lt age  c on t ro l   and  im pr ovem ent  of  t he  syst e m   sta bili ty   [1] T he  e xcita ti on  syst em   no t   on ly   co ntr ols  t he   outp ut  volt age   of     the  ge ne rator  a nd  al so   c ontr ols  the  powe fa ct or   a nd  m agn it ud of  the  c ur ren t I m os of  the  e xcite sy stem   thyrist or - bas ed   syst em   is  e m plo ye to   pro vid e   a   co nt ro ll ed   outp ut   vo lt age   t t he   e xcite r.  I m os of    the  in du st rial   app li cat io ns   th pro portio nal - integ ral - der i va ti ve  (PID c ontr oller  has   be en  c omm on ly  us e because   of   it si m ple  config urat ion,  tr ouble - fr ee  im ple m entat ion   an go od  perform ance  in  la rg e   ra nge  of  op e rati ng  c ondi ti on s.   Ne ve rth el ess,  e ff ect ive   an s uitable   t un i ng  of  the   P I c ontr oller’s   par am et ers  ha s   bee relat ively   diff i cult  beca us m any  in du st rial   processes   are  f reque ntly   aff ec te by  pro blem su c as  highe ord er,   tim e d el ay s an d nonli nea riti es [2 - 4].   The  t un i ng   of  PI D   co ntr oller   ha been  do ne   thr ough  c onven ti onal   m et ho ds  ove the   pa st  deca des.    The  c onve ntio nal  m et ho f or  tu ning  of  P I c on t ro ll ers   su c as   Zie gle r - Nich ols  ( Z - N)  an C ohen - Co on  te chn iq ues   a re  pro d uci ng  on ly   sta ble   tu ned  pa ram et ers  with   s om os ci ll at i on  a nd  ov e rs hoot   outp ut   res ponse In  or der  to   av oid  the   sho rtcom ing of   the   co nventio nal  tun in m et ho ds,  s of t   com pu t ing  te ch niques   li ke   Ar ti fici al   Ne ural   Networ an Fu zzy   lo gic  ap proac hes  ha ve  been   pro posed   in  the  li te ratur e   [5,  6].   E voluti on a ry     al gorithm s - based   ap proac hes  are  al so   propos ed  to  tu ne  the  par am et ers  of   PI c ontr oller  in  m any  app li cat ions   in  li te ratur e.   P et chinatha et   al has  pro pos ed  c om bin at ion   of  PS a nd  bacteria f oragin al go rith m   for  op ti m al   tun in of   t he  P con t ro ll er  [ 7].  Re centl y,  Mult idynam ic Algorithm   for   Global   Op ti m iz at ion     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 3 J une  2020   30 47   -   3056   3048   (MA GO)  [ 8],  An t   Col on y   O pti m iz at ion   ( A CO)   [ 9],  Hyb r id  Bi oge ogra p hy  base O ptim iz at ion   (BB O)  [ 10 ] Si m ultaneo us   Pertu rb at io Stoch a sti App roxim a ti on   [ 11 ] Africa buf falo  op ti m iz a ti on   al gorithm   (A BO)   [ 12 ]   Invasive   wee op ti m iz ation   ( I WO)  [ 13,   14]   and   PS O al gorit hm   [1 5]  ha pr opos e for t uni ng   of  P ID   c ontrolle r   par am et er in   va rio us  c on t ro app li cat io ns   In   recent  li te ratur m any  evo l ution a ry  opti m iz at ion   al gorith m s   are  propose f or   t un i ng   PID  co ntr oller   in  the   A VR  syst e m   su ch   as  A na rch ic   So ci et Op ti m iz ation   [ 16 ] ,   rei nfor ce m ent  le arn i ng  autom at op ti m iz at ion   appr oach   [ 17 ] ,   real  co de G with   f uzzy  log ic   te c hn i qu e   [18],  Ch oatic   ant  swa rm   al go rithm   [19],  A rt ific ia Be Colo ny   al gorithm   [20],  Hybr i G A - Ba ct erial   Fora ging  (BF al gorith m   [2 1]  a nd  l oc al   unim od al   sa m pl ing  al gorithm   [2 2].   G A   an A nt  Colo ny  O ptim i zat ion   te c hniq ues  are   pr opose t t un e   the   par am et ers  of  FO P I D   con t ro ll er   in   c on t ro ll in of  A VR  syst em In  so m of  the  re search   pap e rs   novel  perf or m ance  c rite ria  ha bee n   pro po se f or   op ti m al   tun ing  of  P ID  an F OP I c ontr oller  in   A VR  c ontr ol  syst em novel  perform ance   crit erion  c om pr ise of  ov e rs hoot,   set tl ing  ti m e,  ste ady  sta te   er ror   an m e an  of  ti m weigh te i nteg ral  abs olu te   error   has  bee pr opos e f or   optim al   tu ning  of  P ID   con t ro ll er  i AV syst em   us in c ucko searc   al gorithm   [2 3].   A.   Sika nder  e t.  al 20 18  has   pro po se a   cuc koo  sea rc al gorithm   based  f racti on al   orde r   PID   con t ro ll er   f or  AV R   syst em   with  perf or m ance  c rite rio wh ic was   pro po s e by   Gai ng  et .   al   in   2004  [24].   In   t his  resea rch  wor k,   Cuc koo  search  (CS a nd  p a rtic le   swa rm   op tim iz a ti on   ( PSO)  al go rithm are  propos ed  to   fin the  op ti m a par am et ers  of  PI c ontr oller   in  the  co ntr ol  of   a uto m at ic   vo lt age  re gula to ( AV R syst em   with   new  pe rfo rm a nce  c rite rio c om pr ise of  Int egr al   a bs ol ute   erro r,   rise  ti m e,  set tl ing   ti m e   an peak  ove r sh oot.  The   pe rfo rm a nce   of   this   ne pro pose perform ance  c rite rion  is   c om par ed  with   perform ance  of  oth e r   perform ance  cr it er ion   s uc as  ITAE,  ITSE I SE,  MSE  a nd  I AE.   The  pa per   is  m ai nly  or ga ni zed  su c t hat  s ect ion  two  de scribe about  t he  A ut om atic  Vo lt a ge   Re gula to ( AV R syst em ;   sect io t hr ee   exam ines  the  Cuck oo  search  (CS)   al gorithm   and   pa rt ic le   swar m   op ti m iz at ion   (P S O al gori thm s;  s ect ion   f our  a nd  five  co nce ntra te   on   the  a pp li cat ion  of  CS - PID,   PS O - P I a nd  c onven ti onal   t un i ng  m et ho (Zie gl er - Nic ho ls i op ti m al   tun ing  PI D   con t ro ll er  f or   both  se r vo   an r egu la to ry  c on tr ol  of  AV syst e m Additi on al ly sect ion   si de scribes  c oncl us ions   of the st ud y.       2.   AU TO M ATI C VOLT A GE  R EG ULAT O   The   A uto m at ic  V oltage   Re gul at or  ( AV R )   is  a   ve ry  im po rta nt  m od ule   to   m ain ta in   the   te rm i nal  vo lt a ge   of  a ny  power  gen e rato rs   sinc it   ad justs  t he   excit er   vo lt ag of   the   po wer  ge ne rators.   T he  A VR  syst e m   is  to  c on ti nu ously  observe the te r m inal vo lt age  of   powe ge nerat or   under   va riou s l oad i ng cond it io ns  at al l t i m es b ens ur in that  t he  ge ner at or ' vo lt age  operat es  within  the  predeterm ined  lim i ts.  The  A V syst e m   con sist of  four   m ai par t s,  nam el a m p li fier,  excit er,   gen e rato a nd   sens or .   The  re al   m od el   of   A VR  syst em   [ 2 0 ]   is  il lustrate d   in  Fi gure  1 .   In   or de to  m od el   the  f our  af or e sai c om po ne nts  an determ ine  their  trans fer   f un ct ion s ,   each  com pone nt  m us be  li near iz ed  by  ignori ng   t he  sat ur at ion   an oth e no nlinear it ie and   al s c on s ideri ng     the  m ajo ti m co ns ta nt.  Th est i m at ed  transf e functi ons  of   t hese  c om po ne nts  m a be  re present ed  by   m at he m at ic a l as f ollow s  [1 2 ] :   The  tra nsfer  fu nction m od el  of the  am plifie is represe nted by      s G s V s V a a e R 1 ) ( ) (                     ( 1)     wh e re  a G denotes  the  gain   of  the   a m plifie r,   a   den otes  t he  tim const ant  of  a a m plifie m od el e V   and  R V   represe nts  the  error   volt age  a nd   am plifie volt age  res pecti vely Th sta ndard   values  of   a G   are  bet ween   10  and  400.   T he  ti m const ant  a   of an   a m plifie ra ng e   from  0 .02 t o 0 .1 s.     The  tra nsfer  fu nction m od el  of a e xcite ca n be  re pr ese nted   by a  gain   e G   and  tim e co ns ta nt  e     s G s V s V e e R F 1 ) ( ) (                   (2)     wh e re  F V   denotes   the  fiel vo lt a ge.   T he  sta nd a r val ues  of   e G   are   betwee 10  a nd  40 0.   T he  ti m const ant  e of an  am plifie ra ng es   f ro m  0 . to  1.0 s.   Si m il arly the  li near iz ed   tra nsfer   f unct ion  m od el   of   the   ge ne rator  c ou l be   re pr e sente by   gain   g G   and tim e con st ant g .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Evolutio nary  al go rit hms - base d   tu ning  of P I c on tr oller f or a A VR syste m   ( Pet c hinat han Go vi ndan )   3049   s G s V s V g g F T 1 ) ( ) (                   (3)     wh e re  T V   denotes   th ge ner at or   te rm inal  vo lt age.  T he  c onsta nts   g G   and   g   are  load  de pende nt,   g G coul var from   0. to  1.0   an g   bet ween  10  a nd  400.   T he  ti m c on sta nt  e of   a a m pl ifie ra ng e from   1. t o   2.0 s .  (fu ll  l oad to  no loa d).     Finall y,  the  tra ns fe f unct ion   m od el   of   the  s ens or   ca be  r epr ese nted  by  si m ple  first  or de tran sfe r   functi on, give n by,     s G s V s V s s T S 1 ) ( ) (                     (4)     wh e re  S V   de not es  the  se nsor  out pu volt age.  Tim con sta nt  s cou ld  be  ve ry  sm al l,  gen e rall be tween  0. 00 and  0.0 s .   T he   value of  gai a nd  tim const ant  f or   va rio us   c om po ne nts   in  AV m od e are  li ste in   T able  1.   Ma ke use  of th e ab ov e  m od el s,  the  AVR   bloc k diag ram  is con t ro ll ed  b PID c on t ro ll er is   sh ow in  Fi gur e 2 .           Figure  1.   Mo de l of A VR syst e m  [ 2 0 ]       Table  1.   Gain   and tim e con st ant of c om po ne nts  of   A VR m od el   Co m p o n en ts   Gain   Ti m e  con stan t   A m p lif ier   10 a G   1 . 0 a   Exciter   1 e G   4 . 0 e   Gen erator   1 g G   1 g   Sen so r   1 s G   01 . 0 s           Figure  2.  Bl oc k diag ram  o th e AVR sy ste m   con t ro ll ed  b P ID   co ntr oller   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 3 J une  2020   30 47   -   3056   3050   3.   EVOLUTI ONAR Y   ALGO R ITHMS   Ma ny  ev olu ti onary  al gorit hms  are  re ported   in  li te ratur for  t un i ng   of  PID  c on t ro ll er  par am et er  in  m any   app li cat io ns I this  pap e r,   par t ic le   swar m   op ti m iz at ion   (P SO)  an cuc koo  se arch   (CS)   al go r it h m are  propose for op ti m al  tun ing   of P ID co nt r oller in  AVR  syst e m . Th ba sic s of these  pr opos e al gorithm s ar e as foll ow s :     3.1.    P art ic le   s w arm  op timi z at i on   (PSO)  al go ri th m   PSO  al gorithm   was  de velo pe by  Mr.  Jam es  Ke nn e dy  a nd  Russell   C.   Eberha rt  in  19 95  [ 2 5 2 6 ]   PSO  is  im ple mented  base on  the  bi ol ogic al   be hav i our  of  som ani m al to  chase  t he  al ive  hab it t hroug swar m   intel li gen ce.  S om of   the  at tr act ive  featu res  of  PSO  are eas to  i m ple m ent  an al so  no g r adient  in form a ti on   is   require d.   It  ca be  us e to   so l ve   wi de  ar ray  of   dif fer e nt  op t i m iz ation   pr ob l e m s.  It  has   the  popula ti on   of  s war m s   that  is  al lowed  to  m ov in  th search  s pace   accor ding  to  fr am ed  form ula.  The  m ov e m ent  of   the  s war m   popula ti on  res ults  in   the   best - kn own   posit io of  th s war m ’s  popula ti on.  The   proce ss  is   rep eat e ti ll   th be st   s at isfact or s ol ution  is  obta ine d.   T he  c hoic a nd  sel ect ion   of  PSO   pa ram et er ha ve  la r ge  i m pact  on   opti m iz ing   perform ance an d y ie lds the  best  r es ult.   The  PS al gor it h m   con sist s   of  a   colle ct ion  of  pa rtic le tha m ov in  t he  r egio of  the   se arch  s pace   influ e nce by   their   ow best  p ast   l ocati on  a nd  th e b est   pas locat io of  t he   w hole   s wa rm   or   a   cl os e  n ei ghbo ur.   Each ite rati on  a p a rtic le ’s  vel ocity  is upd at e d usin g:      )) ) ( ( * ) ( * ( ) ) ) ( ( * ) ( * ( ) ( ) 1 ( 2 1 t P P r a n d C t P P r a n d C t V t V i g b e s t i b e s t i i i     (5)     wh e re ) 1 ( t V i   is  the   new  velocit of  t he   i th   par ti cl e,   C 1   an C 2   are  the   weig ht  fa ct or  f or  t he  loc al   best   a nd  global  best  pos it ion res pecti ve ly P i ( t )   is  the   i th  par ti cl e’s  po sit ion   at   tim e b e s t i P   is  the  i th  par ti cl e’s  best - kn own   po sit io an g b e s t P is  the   be st  posit ion  well - kn own   to   the   s war m T he  r and( )   functi on  ge ner at es  a   unif or m   rand om   value  betwee a nd   1.   T he  vari ants  in  the  ( 5 )   co ns ide bes po sit ions  wit hin   pa rtic le local   neig hbour hood  in  ti m e. A  p a rtic le  p os it io is  updated  usi ng:     ) ( ) ( ) 1 ( t V t P t P i i i   (6)     3.2.    C uck oo  s earch  ( CS )   al gori th m   The  CS   al gorit hm   was  de velo ped  by   Mr.   Xi   Shan a nd  S us a Deb  in  20 09.  It  is  im ple m ented  base on   t he  uniq ue  be hav i our  of   the   bird   c uc koo.   T he  init ia popu l at ion   ta ke is  the  num ber   of  c ucko os   an it eggs.  Cuck oo  wil search  a nd  la ys  it egg in  th nests  of  ot he host  sp eci es .   It  will   seek  f or   the  best  ne s fr om    the  acce s sible  nests.   It   reli es   on  th ree   at ti tude nam ely  it   la ys  one   eg at   a   tim e,  and  the   ne st  with   best  e gg s   ca be  a gitat ed  ove ne xt  bear in for  ha tc h in g,   t he  acce ssi ble  a m ou nt  of  host  nests  is  fi xed.  Ba sed  on   t his  cucko hatchin a ddre ss  the   optim iz e so l ution  is   ac qu i red  f or  t he   pro blem The  best  e xe rcise  a m ou nt  is  cal le from   the  trave rse s olu ti ons.  T he re fore,  sit uatio n,   in  w hich  t he  gr eat est   num b ers  of  e gg a re  s aved,  is  the  para m et er  wh ic the  c uc koo  sea rch  int ends  to  op ti m i ze  it .   Fo sim plici ty   in  descr ibin C uckoo   Searc al gorithm   the foll owin t hr ee  ideali zed  ru le s a re  us e d [ 2 7 ]:     Each c uc koo  la y   on e  egg at a  t i m e, an d d um it s egg in  the  r andom ly  ch os e n nest;     The best  nests  with  high  qu al i ty  o e ggs  will  carr ov e t th e n e xt g e ne rati on s;     The  num ber   of  avail able  ho st  nests  is  fixe d,  a nd  the   eg la id   by  c uc koo  is  disco ver e by  t he  host  bi rd  wi th   a pro ba bili ty  P a   [ 0,   1].     Ba sed  on  t hes th ree  ru le s t he  basic   ste ps  of   the   Cuc koo  Searc (CS )   al gorithm ca be   s umm ari zed  a s   the pseu doco de  shown i Fig ur e   3   [2 7 ].   W he gen e rati ng   ne so l utio ns  X(t+ 1) for , sa y, a cuc koo  i , a  Lévy flig ht  is perfo rm ed.  Lév y fli ght i on e  of t he wel l - kn own  fligh ts   beh a viou r of  m any anim al s an in sect s.     ) L é v y ( ) ( ) 1 ( t X t X i i   (7)     wh e re ,   α   is  the  ste siz w hich  m us be   re la te to  t he  sca le of  the  pro bl e m   of   i nterests.   Ma inly we   ca us e   α   1.  I t he  ( 7 )   is  basical ly   r andom   walk   s t och a sti eq uation.  In  m os cas es,  a   ra ndom   w al is  a   m ark ov   chai whose  ne xt  loc at ion   only   de pe nd on  the  c urr ent  locat io ) ( t X i and   the  tra ns it io pro bab il it (th seco nd   te rm   in  the   ( 7 ) ).   The   pro duct     m eans  e ntry  wise  m ul ti plica ti on s.  T he  rand om   walk  via  vy  fligh is   m or e ff ic ie nt   in  e xp l or i ng  th searc sp ace   since  it ste l eng t is   m uch   longer   in   the   long   r un.  Lévy  fligh t   will   m ake  sur e   the  syst e m   will   no be  trap pe in  l ocal  op tim u m CS  al go rithm   is  popu la ti on - base al gorithm   and   it   is   si m il ar  to  GA  and  PSO,   but  i C al gorith m   the  num ber   of  par am et ers  to  be   tu ne is  l ess  th an   GA  a nd  P S O ,   and th us  it  is  pro ba bly m or e comm on  to  ad a pt to  a  w i der cl ass of  op ti m iz a ti on   pro blem s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Evolutio nary  al go rit hms - base d   tu ning  of P I c on tr oller f or a A VR syste m   ( Pet c hinat han Go vi ndan )   3051       Figure  3.  Pse udoc ode  of cuc koo sea rc h (CS )  algorit hm       4.   FOR M ULAT ION   OF  OBJ ECTIVE F U N CTIO N   In  this   pa pe r,   var i ou s   obj ect ive  functi ons   a re  im ple m ente t fin t he  optim al   par am e te rs  of  P I D   con t ro ll er  us in pro pose ev olu ti onary  al gorithm and   al so   pe rfo rm ance  of   var i ou obj ect iv f un ct i on a re   com par ed. Th e   va rio us  im plem ented  ob j ect ive  functi ons a r e:     Me an  S quare  Error dt t e t M S E 0 2 )) ( ( 1             (8)     In te gr al  S quare  Erro r:  dt t e I S E 0 2 ) (             (9)     In te gr al s Tim e Square  Erro r:  dt t e t I T S E 0 2 )) ( (             (10)     In te gr al  Tim e w ei ghte d A bso lute Er ror:  dt t e t I T A E 0 ) (         (11)     In te gr al   Absol ute Err or dt t e I A E 0 ) (             (12)     wh e re   e(t)   is  t he   er ror   sig nal  i ti m do m ai n.   I proce ss  of  t un i ng  of  P ID  c on t ro ll er,   t he  c on t ro ll er   pa ra m et ers  are  a dju ste t m ini m iz t he  e rror  si gnal   or  to   m ini m iz the  val ue   of  a bove   m entioned   obje ct ive   functi ons  ( 8 - 12 ) .   I order  to  i m pr ove  the  ti m respon se   a naly sis  by  re du ci ng   rise  ti m e,  ov e rs hoot  a nd  set tl ing   tim and   t get  bette res pons e   of  t he  c ontr oller,  t he  c om bin e obj ect ive   fun ct ion   has   be en   form ulate by  us in IA E ti m do m ai sp e ci ficat ion s   s uch   as  ris tim e,  set tl ing   tim and   peak  overs hoot  a nd   the  weig ht  fa ct or s.     The  wei gh i ng   f act or are  be nt  by  an  age ncy  of  assum ing   it er at ion f or   al te r ed  am ou nt  of  weig hts  an ac cepti ng  the  weig ht  ag e ncy  with  bette pe rfor m ance.  The  perf orm ance  of   pro po s ed  c om bin ed  ob j ect ive  f un ct i on     ( in   ( 13 ) )   ha be en  c om par ed   with  oth e e xis ti ng   obj ect ive   functi ons.   The   wei gh ti ng  fact or s   f or  this   res earch   work  a re  c ons idere as   w 1 = 40  a nd  w 2 =2 us i ng  tria a nd  e rro r   proce dure .   T he   f or m ulate e quat io f or     the co m bin e d objecti ve  fun ct ion  is  as  fo ll ow s:     ) ( 2 1 I A E w ov e r s ho ot P e ak t i m e Se t t l i ng t i m e R i s e w F   (13)     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 3 J une  2020   30 47   -   3056   30 52   5.   IMPLEME N TATION   OF   TUNING  OF   PID CO NTR OLL ERS -- SE TPOINT T R ACKIN G   In   t his  pa per,  tun i ng   of  PID  Con tr ollers  has   been   im ple m e nted  a nd   sim ul at ed   us i ng   Zie gler - Nich ol s   (Z - N), C ucko o Searc a nd Pa rtic le  Sw arm  Optim iz at ion  alg or it hm  f or the   con t ro of AV R sy stem .     5.1.     Z ie gler - nichols  (Z - N ) me thod  of   t un ing   The   Z -   m et ho is   c onve nt ion al   cl os e l oop  m et ho f or  tun in of   PID   con t ro ll er.   T hi te ch n iq ue  is  al so   cal le as  an   u lt im a te   c yc li ng   m et ho wh ic is  bas ed  on  ad justi ng  cl os e lo op   ti m resp ons unti su sta ine os ci ll at ion occur.   The c on tr olle set ti ngs  are   c om pu te base on  the   in form at ion   from   the  cl os ed   loop  res pons e.   The   pe rfor m ance  of  A VR   sys tem   has  been  a naly zed  by  i m plem ent ing   Z - tu ni ng   m et h od  f or   tun in the   par a m et ers  of  PID   con t ro ll er.   T he   trans fer  f unct io n   m od el   of   am plif ie r,  e xcite r,  gen e rato r   an d   s ens or   has bee de riv ed By   us in t hi s d eri ved tra nsfer  functi on,  th e Ma tl ab - Sim ulin m od el  of  t he  cl ose d l oop  AV syst e m   with  P ID  co ntr oller  has  bee dev e lop e as   s how in   the   Fig ure  4 T he  c ontr oller  gain  val ue an   the  de rive ti m respo ns e   s pe ci ficat ion are   giv e in  T a ble  2 T he  respo nse   ob ta i ned   us in the  Z - m eth od  is  represe nted  i n t he  Fig ure  5 .           Figure  4.  Ma tl ab Sim ulink  m od el   of close l oop A VR syst em  w it PI D  contr oller       Table  2 C on t r oller  gain  a nd t i m e resp onse  s pecifica ti ons for Z - m et ho d o tu ning   PID  Co n troller  gain   K p   K i   K d   0 .99 4   1 .56 7   0 .21 1   Ti m e  r esp o n se sp ecif i catio n s   Ris e ti m e   ( Tr )  in s ec   Settlin g  ti m e   (Ts i n  sec   % Peak  ov ersh o o t ( % Mp)   Peak  valu e   (Cp )   Peak  ti m e   (T p in  s ec   0 .21 2 8   1 .07 4   3 1 .42 1 6   1 .31 4 2   0 .55 3 5           Figure  5. Cl os e lo op  respo nse   of  AV syst e m   (Z - tu ning )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Evolutio nary  al go rit hms - base d   tu ning  of P I c on tr oller f or a A VR syste m   ( Pet c hinat han Go vi ndan )   3053   5.2.  C algorithm - based   tuni ng   In  th is  resear ch  wor k,   t he   cuc koo  sear ch  al go rithm   has  bee im ple m ented  f or  i m pr ovin   the  pe rfor m ance  of   t he  P ID   c on t ro ll er.   The  par am et ers  consi der e f or  CS  al gorithm are  as  fo ll ows:  Num ber  of   nests  ( n)   =   25,  Disc overy  rate  of   al ie e gg (P a 0.2 5,   T otal  nu m ber   of  it erati on s   =   100.   In   t his   work,   var i ou s   ob j ect ive  functi ons  a r co ns ide re for  op ti m al   tun in of  P ID  co ntr oller  as   m entioned  in   the  ( 8 )   to   ( 12) .     Fo r  eac obj ec ti ve fu nctio n, the  cu c koo sea r ch  alg or it hm   is  sim ulate f or   10  num ber of   tim es. Th opti m iz ed  PI D   c on t ro ll er  p aram et ers  an tim do m ai s pecifica ti ons  a r rec orde f or each run. A fte r   10   num ber  o f  r uns,  the av er age  value  of PID c on t ro ll er  par am et e rs  an ti m e  d om ai sp eci ficat ion for  each  obj ect iv e f un ct i on  a re   ta bu la te i Ta ble  3.   T he  ste respo ns of  cl ose lo op  AV con t ro syst em   for  eac obj ect ive  f unct io is  s ho w in  Fig ur 6.   From   the  Table  and   Fig ur 6,   it   has  bee co nc lud e that,  t he   perform ance  of   t he  CS  al go rithm   base P ID  co nt ro ll er  with  I AE   obj ect iv f unc ti on   is  pro du ce bette r esp on se  with   le ss  oversho ot,  rise  ti m and  set tl ing  tim e.        Table  3 C on t r oller  gain  a nd t i m e resp onse  s pecifica ti ons for va rio us   obj e ct ive fun ct io ns (CS  base t un i ng)   Ob jectiv e   f u n ctio n   Kp   Ki   Kd   Ris e ti m e     (Tr in  sec   Settlin g  ti m e   (Ts in  sec   % Peak   ov ersh o o t   (% M p )   Peak  valu e   (Cp )   Peak  ti m e   (T p in  se c   MSE   0 .99 9   0 .46 0 9   0 .2   0 .22 6 2   1 .41 5 5   1 9 .58 5 2   1 .18 7 8   0 .50 6 3   ISE   0 .87 6   0 .46 0 9   0 .2   0 .24 1 2   1 .40 0 7   1 4 .59 0 7   1 .14 0 6   0 .55 6 1   IT SE   0 .86 1   0 .47 1 8   0 .19 9 8   0 .24 3 5   1 .37 7 1   1 4 .09 1 1   1 .13 6 5   0 .55 6 1   IT A E   0 .67   0 .47 3 6   0 .19 9 8   0 .28 0 2   0 .77 7 1   5 .43 3   1 .05 4 4   0 .55 8 1   IAE   0 .65 1   0 .46 0 4   0 .19 9 9   0 .28 4 7   0 .74 2 3   4 .43 4 6   1 .04 4 6   0 .57 3 3   Co m b in ed   0 .55 4 3   0 .39 0 4   0 .18 2   0 .33 4   0 .53   0 .08 5 3   1 .00 2   0 .65 8 1       Ba sed  on  t he c om par at ive  perform ance  anal ysi an perfor m ance  of  va rio us   obj ect i ve  functi ons  (8 t ( 12 ),   the  ne com bin ed  obj ect iv f un ct i on   has  been   form ulate as  m entione in  ( 13 ) I orde to  i m pr ove   the  perform ance  of  PID   co ntr oller,   in   this  c om bin ed  obj ec ti ve  f unct ion  ti m respo ns e   s pecifica ti ons  a re  al s consi der e al ong  with  IAE  a nd  weig ht  fact or T he  C al gorithm   based   PID  con t ro ll er   with   com bin ed  obj e ct ive   functi on  is  sim ula te for  th 10   num ber   of   it erati ons.   The  perform ance  of   c om bin ed  ob j ect ive  f unct ion   i s   com par ed  with   the  pe r form ance  of  I AE  obj e ct ive  functi on.  Fr om   the  com par at ive   analy s i show in   Ta ble  and   Fig ur 6 i has  been   c oncl ud e d t hat,  the  perform ance  of  com bin ed  obje ct ive  functi on   base d P ID   c on trolle has  yi el de be tt er r es pons with im pr oved   peak o ve rsho ot,  rise ti m e and   set tl ing  tim e.           Figure  6.  The   c losed   lo op r es ponse   of  t he AV R sy stem  f or va rio us   obj ect iv e f un ct io ns     (CS  al go rithm - base d   tu ning)   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 3 J une  2020   30 47   -   3056   3054   5.3.    PS algo ri th m - ba se d   t uning   Fr om   the  CS  al go rit hm - based   tu ning  it   has  bee prov e that,  IAE  and   c om bin ed  obj ect iv e     functi on - base d   tun in has  pro du ce bette pe rfor m ance  f or  the  set   point  t rack i ng   pro ble m In   order   t ens ur the  ef fecti ven e ss  of  the  CS   a lgorit hm   in  tun in of   P I c on t ro ll er,   the  perform ance  of  the  CS  al gor it h m   is   com par ed  a nd  analy zed  wit PS al gorit hm   in  this  wo r k. T he  P SO   par am et ers  are  sel ect ed  as  f ollows dim ension   ( d)   =   3,   popula ti on   siz e   =   25,  m axim u m   nu m ber   of  bir ste 100,   c ogniti ve  fact or   (C 1 1.2,  so ci al  accel erat ion   facto r (C 2 ) =  1 . 2, ine rtia  wei gh facto ( w 0.9.   The  c om par at ive  pe rfo rm ance  analy sis  of  CS  an PS bas ed  P ID   t un i ng   with  Z - t un i ng  is  s hown  in   Table  4.  F ro m   t he  Ta ble  a nd  the  Fig ur 7,   it   has  been   c oncl ud e that the  e vo l ution a ry  al gorithm   has  pro du c e bette perform a nce  tha t he  Zi egler - Nich ols  m et ho d.  Am ong  the   pro pose evo l ution a ry  al gorithm s,  the  Cuck oo   Searc al gorith m   has  yi el ded   bette res ponse   than  the  PS al gorithm   with  bette ti m e   respon se  s pecifi cat ion s   in the se t p oin t  tracki ng probl e m .           Figure  7 Cl os e d respo ns of  AV syst em  f or CS a nd PSO  b ase d PI tu ni ng       Table  4 C on t r oller  gain  a nd t i m e resp onse  s pecifica ti ons   f or CS a nd PSO  b ase t un i ng  with Z - N  tu ning   Co n troller para m e t ers  &   ti m   resp o n se Sp ecif icatio n s   Ob jectiv e Fun ctio n   Z - N   PSO - I AE   PSO   Co m b in ed   CS - IA E   CS   Co m b in ed   K p   0 .99 4   0 .97 9 2   0 .54 5 5   0 .65 1 4   0 .55 4 3   K i   1 .56   0 .73 7 4   0 .41 2 7   0 .46 0 3 7   0 .39 0 4   K d   0 .21 1   0 .37 4 9   0 .19 5 7   0 .19 9 9 4   0 .18 1 7 9   Ris e ti m e  ( T in  s ec   0 .21 2 8   0 .16 8 9   0 .32 7 1   0 .18 4 7   0 3 4 4   Settlin g  ti m (T s i n  sec   1 .07 4   0 .89 8 2   1 .13 7 5   0 .74 2 3   0 .52 9 9   % Peak  ov ersh o o t ( % Mp)   3 1 .42 1 6   1 3 .87 2   0 .45 3 2   4 .43 4 6   0 .08 5 3   Peak  valu e   (Cp )   1 .31 4 2   1 .14   1 .00 6   1 .04 4 6   1 .00 15   Peak  ti m e  ( T p in  s ec   0 .55 3 5   0 .35 5   2 .33 2 6   0 .57 3 3   0 .65 8 1       6.   IMPLEME N TATION   OF   TUNING  OF   PID CO NTR OLL ERS DI STUR B A NCE  R EJE CTIO N   The  AV R   syst e m   has  bee i m ple m ented  s fa i this  pa per   f or   t he  s et   po i nt  trac kin pro blem   In  ord e to   ana ly se  the  pe rform an ce  of  ev ol ution a ry  al gori thm - based   tu ni ng  of  P ID  co nt ro ll er,   the d ist urba nce   rej ect io pro bl e m   al so   reali ze in   this   resea r ch  wor k.   The   CS,  P SO  an Z - N   m et ho ds   base P ID  c ontrolle rs   hav e   bee im ple m ented  to  so l ve  the   dist urba nce r ejecti on problem In   this   work, I AE   an com bin ed  obje ct ive  functi on  ha be en  co ns i der e as  an  obj ect ive  functi on  f or   C an PS bas ed  tu ning  of   PID  co ntr oller.  B ecaus e   these  t wo  ob j e ct ive  f unct ion s   we re  pro duce bette r   pe rform ance  in   set   point  t rack i ng  pro ble m The  Sim ul ink  m od el   o the  A VR  syst e m   fo the  distu rb a nce   rej ect io pr ob l e m   is  sh own  in   Figure  8.   I th is  si m ulati on   stud y,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Evolutio nary  al go rit hms - base d   tu ning  of P I c on tr oller f or a A VR syste m   ( Pet c hinat han Go vi ndan )   3055   bo t posit ive  a nd   ne gative  in put  distu rb a nce  has  been   i ntr oduced   i the  A V syst e m   after  reachi ng   ste a dy   sta te  in  bet ween  to  sec  as   s hown  in  Fig ur 9 The   outp ut  re sp onse   of  distu rb a nce  rej ect i on  prob le m   us in CS,   PSO  an Z - m et ho d - base tun in of  P ID  con t ro ll ers   f or  pro po se obj e c ti ve  f un ct io ns  is  sho wn  in  Fig ur e   9.  Fr om  the  Fig ure  it  h as  been   con cl ud e th at ,  the co m bin ed object ive  funct ion - base C S a lgorit hm  tun ing  h a s   pro du ce d bett er  perform ance than   PS a nd  Z - N  b a sed  tu nin g.           Figure  8.  Ma tl ab - sim ulink   m od el   of  AV s yst e m  w it PID c on t ro ll er  f or  disturba nce rejecti on  prob le m           Figure  9 The   Cl os ed  l oop re sp onse  of st he AVR  syst em  f or d ist ur ban ce   rej ect io n   us in Z N, CS  and PS O base d t un i ng       7.   CONCL US I O N   In   this  w ork,   tun in of   P I D   con t ro ll er  para m et ers  us in CS,  PS an Z - m et ho ds  pr ese nt  in     the  c on t ro of  AV R   Syst em The  pro posed   m et ho fi nd s   out  the   op ti m al   par am et ers  of  PID  c ontrolle r   by  so l ving   the  opti m iz at io pr ob le m   fo m ini m iz ing   the   obj ect ive  func ti on   com pr isi ng  I AE,   rise  ti m e,  set tl ing   tim e   an peak  over   s hoot.   From   the  num ero us  re su lt of  sim ulati on ,   it   has   bee con cl ud e that CS   al go rithm   ba sed   tun in yi el ds   bette co ntr oller  pe r f or m ance  than  P SO   a lgorit hm - based   tun in a nd   it   is  far   bette r   tha conve ntion al   Z - N   m et ho d.  Fro m   the  Figure  and  Ta ble  it   ha bee sho wn  that,  the   pe rce nt age  peak  ove rs hoot  has  bee a bundantly   re duced   to  0.085 %   in  CS   with   com bin e obj ect iv f un ct io t han  32. 421%   in  t he   Z - m et ho d.  Sim i l arly ,   the  ti m do m ai sp eci fi cat ion hav be en  ric hly  co unte r balance by   the  ap plica tio of     the CS al gorith m  an the  perf or m ance of the  AVR co ntr ol s yst e m  h as also  been ab unda ntl y im pr oved .     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 3 J une  2020   30 47   -   3056   3056   REFERE NCE S   [1]   Vijay   V it t al  and   Jam es  D   M. ,   Pow er  S y s te m   Co ntrol  and   Stabilit y ,   Third  edi t ion   IE EE  Press   Po wer  Eng ineeri ng   Serie s,  A   Jhon wil e y   sons ,   Inc . ,   publ icati ons,   2 020.   [2]   A.  Visioli ,   Tu ning  of  PID   cont roll e rs  with  f uzzy   log ic ,”   Pr oc.   Inst.   Elec t .   Eng.   Control  T heory   Applicati on ,     vol.   148 ,   no .   1 ,   p p.   1 - 8 ,   2001 .     [3]   T.   L .   Seng ,   M.  B.   Khali d ,   and  R.   Yus of ,   Tuning  of  n eur o - fu zzy   con troller  b y   g ene t ic   al gor ithm ,”  IEEE  Tr ans.  Syst. ,   Man,   Cyb e rn.  B ,   vol .   29 ,   no .   2 ,   pp .   226 - 236 ,   1999   [4]   R.   A.  Krohl ing  and  J.  P.   Re y ,   Design  of  opti m al   d isturb ance  re je c ti on  PID   controlle rs  using  g e net i a lgori thm,   IEE E   Tr ans.  Ev o l.   Comput ,   vo l. 5 ,   no .   1 ,   pp .   78 - 82 ,   2001   [5]   Petc hin at han ,   e t   al. ,   Lo ca l   li ne ar   m odel  tr ee a nd   Neuro - Fuzz y   s y s te m   for   m odellin and   cont ro l   of   an  expe r imenta pH ne utralizat io p roc ess ,”   Braz il ian Journal  o f Chemic al   Engi n ee ring ,   vol .   31 ,   no.   2 ,   pp .   483 - 4 95 ,   2014 .   [6]   Binod  Kum ar  Sahu,   et   a l. ,   T ea ch ing learni n base opt imiza t ion  a lgori th m   base fuz z y - PID   cont roll e for   aut om at i g ene r at ion   cont ro of   m ult i - area  powe s y st em ,”   Appl i e Sof Computi ng ,   vol .   27 ,   pp .   2 40 249 ,   2015 .   [7]   Petc hin at han et  al. ,   H y br id  P SO - Bac te ri al   Fo rag ing  B ase In te lligent  PI  Con trol ler  Tun ing  f or  pH  Proce ss ,”   Proce ed ings  of   the  Inte rnat iona Con fe renc e   on   Information   S y stems  Design   a nd  Int el l ige nt   A ppli cation 201 2   ( INDIA  2012) ,   pp.   515 - 522 ,   201 2 .   [8]   G.J. 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