I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   4 ,  A u g u s t   201 9 ,   p p .   2 4 9 1 ~2 4 0 2   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 4 . p p 2 4 9 1 - 2402          2491       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Desig n  n o nlinea r  m o del  r efe rence   w ith  f u zz y   c o n troller f o r  n o nlinea r SIS O   s econ d  o rder   s y ste m s       E k hla s   H .   K a ra m 1 ,  Na s ir  A.   Al - Aw a d 2 ,  No o r  S.  Abdu l - J a leel 3     1, 2 De p a rtm e n t  o f   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   Al - M u sta n siriy a h   Un iv e rsity ,   Ira q     3 De p a rt m e n t  o f   El e c tri c a l   En g in e e rin g ,   Al - M u sta n siriy a h   Un iv e rsit y ,   Ira q       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   16 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J an   8 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   J an   11 ,   2 0 1 9       M o d e l  re f e re n c e   c o n tro ll e r  is  c o n sid e rin g   a s  o n e   o f   th e   m o st  u se f u l   c o n tro ll e r   to   sp e c if ic p e rf o r m a n c e   o f   s y ste m s w h e re   th e   d e sire d   o u tp u t  is p ro d u c e d   f o r  a   g iv e n   in p u t .   T h is  sy ste m   u se d   th e   d if fe re n c e   b e t w e e n   th e   o u t p u ts  o f   th e   p lan t  a n d   t h e   d e sire d   m o d e l  b y   c o m p a rin g   th e m   to   p ro d u c e   th e   sig n a ls  o f   th e   c o n tro l.   T h is  p a p e r  f o c u s  o n   d e sig n   a   m o d e l  re f e re n c e   c o n tro ll e r  (M RC)  c o m b in e d   w it h   (t y p e - 1   a n d   in ter v a l  t y p e - 2 )  f u z z y   c o n tro l  sc h e m e   f o r  sin g le   in p u t - sin g le  o u t p u t   (S IS O)  s y ste m s  u n d e r  u n c e rtain ty   a n d   e x tern a l  d istu r b a n c e .   T h e   m o d e l  re f e re n c e   c o n tro ll e r  is  d e sig n e d   f irstl y   w it h o u t  f u z z y   sc h e m e   b a se d   o n   a n   o p ti m a l  d e s ired   m o d e l  a n d   Ly a p u n o v   sta b il i ty   th e o ry .   T h e n   a   (t y p e - 1   a n d   In terv a l  t y p e - 2 )  f u z z y   c o n tro ll e r  T a k a g i - S u g e n o   ty p e   is   c o m b in e   w it h   th e   su g g e ste d   M R C  in   o r d e r  to   e n h a n c e   th e   p e rf o rm e r  o f   it ,   th e   c o m m o n   p a rts  b e tw e e n   th e   tw o   f u z z y   s y ste m s  su c h   a s:  f u z z ifi e r,   in f e re n c e   e n g in e ,   f u z z y   ru le - b a se   a n d   d e f u z z i fi e r  a re   il lu stra ted .   In   th is   p a p e r  th e   p ro p o se d   c o n tr o ll e r  is  a p p li e d   t o   c o n tro la  (S IS O)  i n v e rted   p e n d u l u m   su ste m   a n d   th e   M a tl a b   R2 0 1 5   so f t w a re   i s  u se d   to   c a rr y   o u t  t w o   si m u latio n   c a se s  f o r   th e   o v e r a ll   c o n tr o ll e d   sc h e m e .   Th e   o b tain e d   re su lt s  f o r  th e   tw o   c a se s  sh o w  th a t  th e   p ro p o se d   M RC  w it h   b o th   f u z z y   c o n tro l  sc h e m e s  h a v e   a c c e p tab le   p e rf o r m a n c e ,   b u t  it   h a v e   b e tt e r  p e rf o r m a n c e   w it h   th e   in terv a l  t y p e - 2   f u z z y   sc h e m e .   K ey w o r d s :   Mo d el  r ef er en ce   c o n tr o lle r   I n v er ted   p en d u l u m   t y p e - 2    Fu zz y   c o n tr o ller   T ak ag i - S u g en o   t y p e   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  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 l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   No o r   S.  A b d u l - J alee l,    Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Fac u lt y   o f   E n g i n e er in g ,   Al - M u sta n siriy a h   Un i v er s it y ,   I r aq .   E m ail:  m ail2 2 n s @ u o m u s tan s i r i y ah . ed u . iq       1.   I NT RO D UCT I O N   C o n tr o l  o f   n o n lin ea r   p r o ce s s   is   m ai n   cr iter ia  in   th e  p r o ce s s   co n tr o l  in d u s tr ie s .   T h is   k i n d   o f   n o n lin ea r   p r o ce s s   g i v es   m an y   co n tr o l  p r o b lem s   ( u n ce r tai n   a n d   ti m e   v ar y in g   p ar a m eter s )   d u e  to   th eir   n o n -   lin ea r itie s   [ 1 ,   2 ] .   Fo r   n o n li n ea r   s y s te m s   d esi g n ,   n u m er o u s   m eth o d s   w er e  i n tr o d u ce d .   T h ese  ca n   b e  s u b d iv id ed   in to   tech n iq u e s   w h ich   at te m p t   to   tr ea t  th e  s y s te m   a s   a   lin ea r   s y s te m   i n   a  li m ited   r an g e  o f   o p er atio n   an d   u s e   ( w ell - k n o w n )   li n ea r   d esig n   te ch n iq u es  f o r   ea ch   r e g io n ,   o r   t h o s e  t h at  atte m p t  to   in tr o d u ce   au x iliar y   n o n l in ea r   f ee d b ac k   i n   s u c h   a  w a y   th at   th e  s y s te m   tr ea ted   as   lin ea r   f o r   p u r p o s es  o f   co n tr o l  d es ig n ,   s u c h   a s   Feed b ac k   lin ea r izatio n ,   L y ap u n o v   b ase d   m et h o d s ,   L y ap u n o v   R ed es ig n ,   B ac k - s tep p in g ,   s l id in g   m o d e  co n tr o l  [ 3 ] .   No n li n ea r   co n tr o ller s   ca n   b e  p r o p o s ed   u s in g   m et h o d s   v er y   well - k n o w n   f r o m   th e  t h eo r y   o f   l in ea r   s y s te m s   [ 4 ] .     I t  is   k n o w n   th at,   cla s s ical  m eth o d s   f o r   d esi g n   co n tr o ller   to   n o n li n ea r   s y s te m s ,   n ee d s   r e - t u n e  t h e   co n tr o ller   an d       th is   tu n i n g   is   co m p lica ted ,     s o   an   ad a p tiv e  p r o ce d u r es  ar e  n ec ess ar y   [ 5 ] .   F u r th er m o r e,   co n tr o l   o f   n o n li n ea r   s y s te m s   b y   f ee d b ac k   li n ea r izatio n   is   w ell  k n o w n   a n d   h a s   b ee n   ap p lie d   to   co n tr o l  o f   a  w id e   v ar iet y   o f   n o n lin ea r   d y n a m ic  s y s te m s ,   b u t n ee d s   m o r e  tu n in g   [ 6 ] .   Fu zz y   lo g ic  co n tr o ller s   ( F L C ’ s )   ar e  o n e  o f   u s e f u l  co n tr o l  s ch e m e s   f o r   n o n li n ea r   s y s te m s   o r   s y s te m s   h av i n g   d i f f icu lties   in   d er iv i n g   m at h e m atica l  m o d els   o r   h a v in g   p er f o r m a n ce   li m ita tio n s   w it h   co n v e n tio n al   lin ea r   co n tr o l  s c h e m es  [ 7 ] .   Mo s t  w o r k s   i n   f u zz y   co n tr o l  f iel d   f o r   u s e  t h e  T y p e - 1   f u zz y   lo g ic  s y s te m s   ( F L Ss )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 4 9 1   -   2502   2492   s u c h   i n   [ 8 - 1 0 ] ,    t h e s e  s y s te m s   ar e  k n o w n   f o r   t h eir   ab ilit y   to   co m p e n s ate  f o r   s tr u ct u r ed   an d   u n s tr u ct u r ed   u n ce r tai n tie s ,   to   a  ce r tain   d eg r ee .   Ho w ev er ,   t y p e - 2   f u zz y   e n g i n e s   h a v e  b ee n   cr ed ited   to   b e  m o r e  p o w er f u l  i n   co m p e n s at in g   f o r   ev en   h i g h er   d eg r ee s   o f   u n ce r tai n ties   [ 11 ] .   T h ey   ar e  p ar ticu lar l y   s u itab le  f o r   ti m e - v ar ian t   s y s te m s   w it h   u n k n o w n   ti m e -   v ar y i n g   d y n a m ics.   T h e y   a ls o   a llo w   f o r   m o r e  f le x ib ilit y   to   a ll ev iate  th e   p r o b lem s   ass o ciate d   to   th e  u n ce r tai n tie s   p er tain in g   to   th e  c h o ice  o f   th e  s y s te m ’ s   f u zz y   r u les  a n d   f u zz y   m e m b er s h ip   f u n ctio n s   [ 12 ] .   R ec en tl y ,   m an y   r e s ea r ch es  h av e  b ee n   d o n e  o n   s y s te m   co n tr o l  an d   s tab ilit y   a n al y s i s   b ased   o n   t y p e - 2   f u zz y   s y s te m s   s u c h   i n   [ 1 3 - 1 5 ]     b ec au s e  t h ese  r e s ea r ch er s   s h o w n   t h at   t y p e - 1   f u zz y   lo g ic  co n tr o l  h av e   d if f ic u lt y   i n   m o d eli n g   a n d   m i n i m izi n g   th e  e f f ec t o f   u n ce r tai n ties   [ 1 6 ,   1 7 ] .           I n   o th er   w o r d ,   o n e  o f   ad ap tiv e  an d   r o b u s t   s c h e m es  t h at   ar e  u s ed   to   co n tr o l  t h e  n o n li n ea r   s y s te m   i s   th e  m o d el  r ef er e n ce   co n tr o l  ( MRC )   w h ic h   p o p u lar   in   th e  a r ea   o f   s elf - t u n in g   co n tr o l,  I n   t h e  MR C ,   th e  er r o r   b et w ee n   t h e  r e f er en ce   m o d el   o u tp u t   a n d   t h e  r ea l  p la n t   o u tp u t  i s   u s ed   to   ad j u s t  i ts   p ar a m eter s   in   o r d er   to   co n tr o l th e  p lan t to   f o llo w   t h e  d esire d   o u tp u t f r o m   t h e  r ef er e n ce   m o d el  [ 1 8 ].   T h e  p er f o r m a n ce   o f   MR C   ca n   b e  i m p r o v ed   b y   ad d itio n al  co n tr o ller s   li k e  i n   [ 1 9 ]   w h ic h   s u g g est  a   f u zz y   m o d el  r ef er e n ce   lear n i n g   co n tr o l  ( FMR L C )   to   i m p r o v e  th e  ex i s ti n g   lear n in g   c o n tr o l  ap p r o ac h es  o r   in tr o d u ci n g   n e w   o n es  b ec a u s e  t h e  f u zz y   co n tr o ller   co n s tr u cted   f o r   t h e  n o m i n al  p lan t  m a y   p er f o r m   in ad eq u atel y   i f   s i g n i f ica n t  a n d   u n p r ed ictab le  p lan t  p ar a m eter   v ar iatio n s .   W h ile   i n   [ 2 0 ] ,   th e  f ee d b ac k   lin ea r izatio n ,   t h e  co n v en t io n al   m o d el   r ef er en ce   co n tr o l,  in te r v al  t y p e - 2   f u zz y   s c h e m e  ( I T 2 FL S)  an d   t h e  id ea   o f   th e  s lid i n g   m o d e  co n tr o l  m eth o d   ar e  co m b in ed   to   p r o p o s e  a  h y b r id   co n tr o l  s y s te m   to   ad d r ess   th e  p r o b lem   o f   th e  co n v e n tio n al  m o d el  r ef e r en ce   co n tr o l a n d   r eso lv e  t h e  u n ce r tai n   h y p er ch ao tic  s y s te m   tr ac k in g   p r o b lem .   I n   t h is   p ap er ,   a  m o d el  r e f er e n ce   co n tr o ller   co m b i n ed   w it h   ad ap tiv e   ( t y p e - 1   a n d   i n ter v al  t y p e - 2 )   f u zz y   co n tr o l  s ch e m e,   is   d esi g n ed   f o r   s tab ilizatio n   o f   SISO  n o n li n ea r   s ec o n d   o r d er   s y s t e m s ,   w o r k i n g   i n   th e   p r esen ce   o f   u n ce r tain tie s   a n d   ex ter n al  d is tu r b an ce s .   T h e  u p d ates  f o r   th e  MR C   ar e  p er f o r m ed   u s i n g   ad ap tatio n   la w s   d er iv ed   f r o m   t h e  s tab ilit y   s tu d y   i n   th e   L y ap u n o v   s e n s e.     T h e  ad ap tiv e  ( t y p e - 1 ,   i n te r v al  t y p e - 2 )   f u zz y   co n tr o l  s ch e m e  is   u s ed   to   i m p r o v e  th e  p er f o r m a n ce   o f   th e  MRC   b y   r ed u ce   er r o r   s tead y   s tate  f r o m   p en d u l u m   r esp o n s e.   T h e  o r g an izatio n   o f   th is   p ap er   is   as  f o llo w s .   I n   s ec tio n   2 ,   th e  p r o b lem   f o r m u la tio n   an d   th e  d etails   f o r   th e  ad ap tiv e  m o d el  r ef er en ce   co n tr o ller   d esig n   ar e  ex p lain ed .     A   b r ief l y   i n tr o d u cti o n   f o r   t y p e - 1   an d   in ter v a l  t y p e - 2   f u zz y   is   g i v e n   in   s ec tio n   3 .   T h e  co m b i n atio n   o f   M R C   w it h   f u zz y   co n tr o l  s ch e m e  d esi g n   is   ad d r ess ed   in   s ec tio n   4 .     Sectio n   5   d e m o n s tr ate  t h e  ef f icie n tl y   o f   th e  p r o p o s ed   co n tr o ller   b y   s i m u lat io n   r es u lts .   Fin all y ,   t h e  s u m m ar y   a n d   co n clu s io n s   ar e  g i v e n   in   s ec tio n   6 .       2.   P RO B L E M   F O R M UL AT I O N  AND   M O DE L - RE F E R E NC E   CO NT RO L L E R   D E SI G N   T h e  g en er al   clas s   o f   s in g le - i n p u t  a n d   s i n g le - o u tp u t  ( SIS O)   u n ce r tai n   d y n a m ic  n o n li n ea r   s y s te m s   ca n   b e  d escr ib ed   b y   t h e  f o llo w i n g   m at h e m a tical  eq u atio n   [ 2 1 ,   2 2 ] :     ( ) = ( ) + ( ) ( ) + ( )     =                                                                                                                                                                                                                                              ( 1 )     w h er e  R x x x x T n ) , , , ( ) 1 (   is   t h e  s tate  v ec to r   o f   t h e  s y s te m ,   f ( x )   is   u n k n o wn   co n t in u o u s   n o n li n ea r   u n ce r tai n   f u n ct io n ,   g ( x )   is   t h e  co n tr o l  g ai n   f u n ctio n ,   R t u ) (   is   t h e  i n p u t  o f   t h e  s y s te m   a n d   R t y ) (   is   s y s te m   o u tp u t,  u n k n o w n   n o n li n ea r   u n ce r tai n   f u n ctio n   o f   th e  s y s te m ,   an d   d ( t )   is   th e  ex ter n al  u n k n o w n   d is tu r b an ce .   T h e  p r o b lem   o f   co n tr o ller   d esi g n   i s   s ta te  as  f o llo w s .   I f   t h e  d e s ir ed   tr aj ec to r ies  d d d x x x , ,   ( n d R x is   b o u n d ed )   ar e  g iv en   w it h   all  ( o r   s o m e)   s y s te m   s ta tes  b ein g   u n k n o w n ,   t h en   d er iv e  a  lo w   o f   co n tr o ller     f o r   th e    f o r ce   ( o r   to r q u e)   in p u t   to   m a k e  th e   s tate s   o f   t h e  s y s te m   to   f l o w   a   d esire d   s tate s   T n d d d x x x x ) , , , ( ) 1 ( in   th e   p r esen ce   o f   ex ter n al  d is t u r b an ce s     an d   m o d el  u n ce r tain ties ,   c lo s el y   i f   n o t  v er y   e x ac tl y .     A  r o b u s t  a n d   ad ap tiv e   co n tr o l   la w   i s   n ee d ed   to   d ea l  w i th   s y s te m   u n ce r t ai n tie s ,   e x ter n al   d is tu r b an ce s   an d   th e  r o u n d in g   er r o r s .   T o   a ch iv e  th i s   o b j ec tiv e,   w e  s u g g est  to   u s e  m o d el  r ef er e n ce   co n tr o ller   ( MRC )   f o r   n o n li n ea r   s ec o n d   o r d er   s y s te m s   ( n =2 ) .   T h e  m o d el - r ef er e n c e  co n tr o ller   ca n   b e  co n s id er ed   as  o n e  o f   th e  m o s t  u s e f u l  m e th o d s   to   s p ec i f ic  p er f o r m a n ce   s y s te m   w h er e  th e  d esire d   o u tp u t  is   p r o d u ce d   f o r   a  g iv e n   i n p u t.   T h is   co n tr o ller   ca n   b e  s im u lated   as   m at h e m atica l  m o d el  o n   a  co m p u ter   w it h o u t  n ee d i n g   o f   p r ac tical  h ar d w ar e  an d   th e  co n tr o ller   u s ed   t h e  d if f er en ce   b et w ee n   th e  o u tp u t s   o f   th e  p lan t  an d   t h e  m o d el  b y   co m p ar i n g   th e m   to   p r o d u ce   th e  s i g n a ls   o f   th e  co n tr o l  [ 23 ].   T h e  m o d el  o f   t h e  n o n li n ea r   s y s te m   i n   ( 1 )   w ith   ( n = 2 )   ca n   b e  w r i tte n   a s   th e  s tate  eq u atio n :     ̇ = ( , , )   ( 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   n o n lin ea r   mo d el  r eferen ce   w ith   fu z z y  co n tr o ller   fo r   n o n lin ea r   S I S O  s ec o n d   ...  ( E k h la s   H.   K a r a m)   2493   o r   ca n   b e  w r it ten   a s :      [ ̇ 1 ̇ 2 ] = [ 0 1 0 0 ] [ 1 2 ] + [ 0 1 ] ( +  + ) , = [ 1 0 ] [ 1 2 ]   ( 3 )     w h er e  x =state  v ec to r   ( 2 - s tate) ,     u  is   s in g le  co n tr o l  s i g n a l,    f   is   n o n li n ea r   f u n ctio n ,   d  is   th e  s y s t e m   p er tu r b atio n .   T h e  p r o ce d u r e  f o r   d esig n i n g   MRC   i s   g i v e n   b y   t h e  f o llo w i n g   s tep s :   Step   1 :   d ef in e  t h e  d esire d   m o d el  eq u atio n   b y :     ̇ =  +    ( 4 )     w h er e   x d   i s   t h e  s tate  v ec to r   o f   th e  d esire d   m o d el,     v    is   t h e  d e s ir ed   in p u t  s ig n al,   A  is     2 ×2   co n s ta n t  m atr i x ,   an d   B  is     2 ×1   co n s ta n t  m a tr ix .   T h e  s y s te m   o f   m o d el - r ef er e n c e  h as  a n   as y m p to ticall y   s tab l e  eq u ilib r iu m   s ta te,   w h e n   th e  ei g e n v a lu e s   o f   ( A )   h av e  n e g ati v e  r ea l  p ar ts . " I n   th is   p ap er   th e  eq u a tio n   o f   th e   d esire d   r ef er en ce   m o d el  c h o s e n   as:     [ ̇ 1 ̇ 2 ] = [ 0 1 − 2 − 2 ] [ 1 2 ] + [ 0 2 ]   ( 5 )           w h er e  is   d esire d   n at u r al  f r eq u en c y ,   a n d   is   d a m p i n g   r atio .           Step   2 :   d ef in e   t h e  er r o r   v ec to r   ( e )   b y :     = −   ( 6 )     I f   th e  er r o r   v ec to r   w as r ed u ce d   to   ze r o   w it h   a  s u i tab le  v al u e  o f   ( u ): "     ̇ = ̇ − ̇ =  +  − ( , , )           =  +  − ( , , ) +    ( 7 )     T h e  ab o v e  eq u atio n   r ep r esen ts   th e  d if f er en t ial  eq u atio n   f o r   th e  er r o r   v ec to r .   Step   3 :   ass u m e  t h at  th e  f u n c ti o n   o f   L y ap u n o v   ca n   b e  w r it te n   as:     ( ) =    ( 8 )     w h er e  P   =  a  p o s itiv e - d e f i n ite  r ea l,  s y m m etr ic  m atr i x .   B y   ta k en   th e  d er iv a tiv e  o f   V ( e )   w it h   t i m e  r esp ec t:     ̇ ( ) = ̇  + ̇                         = [ + − ( , , ) + ]  + [  +  − ( , , ) +  ]                         = ( +  ) + 2   ( 9 )     w h er e     = [  − ( , , ) +  ]                                                                                                ( 1 0 )     Sin ce ,   s o   E q u atio n   ( 9 )   ca n   b e  w r itte n   as:     ̇ ( ) = −  + 2   ( 1 1 )     T h e  V   ( e )   is   a s s u m ed   L y ap u n o v   f u n ctio n   i f   ( - Q )   i s   a   n e g ati v e  d ef in i te  m atr i x   a n d   t h e  co n tr o l  s ig n a l   u ( t )   s h o u ld   b e  ch o s en   s u ch   th at  t h e  s ca lar   M   is   n e g ati v e  [ 2 0 ] .   W h en   as  ,   th en   t h e   eq u ilib r iu m   s t ate  ( e 1 ,  e 2 )   =( 0 , 0 )   is   a  s y m p ticall y   s tab le  i n   lar g e.   I n   o r d er   to   s atis f y   E q u at io n   ( 1 1 ) ,   T h e  Q   m atr i x   is   c h o s e n   as  d iag o n al  m atr ix :     = [ 11 0 0 22 ]   =  p o s itiv e  d ef i n ite     T h e  r ate  o f   co n v er g e n ce   o f   tr an s ie n t  r esp o n s e  d ep en d s   o n   m atr ix   P ,   w h ich   i n   tu r n   d ep en d s   o n   m atr i x   Q ,   s o   V b ec o m e s ;     ̇ ( ) = − ( 11 1 2 + 22 2 2 ) + 2   ( 1 2 )   n Q PA P A T ) ( e V e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 4 9 1   -   2502   2494   A cc o r d in g   to   s ec o n d   o r d er   m o d el  ( E q u atio n   ( 3 ) )   an d   th e  d esire d   m o d el  ( E q u atio n   ( 5 ) ) ,   th e  s ca lar   M   is :                                                               (                = [ 1 2 ] [ 11 12 21 22 ] ( [ 0 1 − 2 − 2 ] [ 1 2 ] − [ 0 1 0 0 ] − [ 0  ] + [ 0 2 ] − [ 0 ] )                = ( 1 12 + 2 22 )   [ − 2 1 − 2 2 + 2 −  − ]                                                                                         ( 1 3 )                                                                                                                             Her e,   if   w e  ch o s e  u   f o r   o u r   d esig n   as:     = [ − 2 1 − 2  2 + (   ℎ   ( 12 + 2 22 ) ) + 2 − ] /                                                                ( 1 4 )     w h er e  tan h   ( . )   ( h y b er b o lic  tan g en t)   a n d   k   is   s u itab le  co n s ta n t.  W ith   E q u atio n   ( 1 4 )   th e  s ca la r   M   is   b ec o m e s :     = ( 12 + 2 22 ) [ − ta n h ( 12 + 2 22 ) ]               =      ( 1 5 )       3.   TY PE - 1   AND   T YP E - 2   F U Z Z Y   SYS T E M S   T y p e - 1   f u zz y   lo g ic  s y s te m s   ( FLSs )   ar e  k n o w n "   as  t h e  u n i v er s al  ap p r o x i m a tes  a n d   w id e l y   u s ed   to   s o lv e  th e  r ea l  p r o b lem s   b ec a u s e  it  is   ca p ab le  o f   co m p en s ate  th e  s tr u ct u r e  an d   " u n s tr u c tu r ed   u n ce r tai n tie s ,   b u t  o n l y   " to   a  ce r tain   d e g r ee , "   b ec au s e  s o m e  o f   th e  d esi g n ed   ap p r o ac h es  f ac e  h i g h   lev el  o f   u n ce r tain t ies   w h ic h   ef f ec t  o n   s y s te m s   p er f o r m an ce s   an d   s i n ce   t y p e - 1   f u zz y   s y s te m   u s e  cr is p   t y p e - 1   f u zz y   s et s   i n   r ep r esen tatio n   o f   f u zz y   r u le s ,   s o   its   ca n n o t  p r o ce s s   t h e  h i g h   lev el  o f   u n ce r ta i n tie s   w h i ch   as s o ciate d   w ith   k n o w led g e  b ases   d ata    o r   in f o r m atio n . "   T h e  s y s te m   o f   t y p e - 2   f u zz y   th at   s u g g e s ted   b y   Z ad e h   a n d   d ev elo p ed   f r o m   Me n d el   w it h   h is   co au th o r s   [ 24 - 26 ]   co u ld   m ak e  ad d itio n al  p r o f icien t  o v er   c o m p e n s at in g   t h at  h ig h er   lev e l  f o r   u n ce r tain t i e s   b ec au s e  th e  m e m b er s h ip   f u n ct io n s   o f   th is   s y s te m   ar e  th e m s e lv es  f u zz y .   T h is   t y p e  o f   f u zz y   co n s id er ed   as  o n e  o f   m o r e  s u itab le  s y s te m s   t h at  h as  u n k n o w n   ti m e - v ar y i n g   d y n a m ics  [ 27 ].   I n ter v al  t y p e - 2   f u zz y   s y s te m s   ( I T 2 FS s )   is   co n s id er   as  o n e  a  s p ec ial  s tate  o f   T 2 FS s .   b ec a u s e  o f   t h e  r ed u ctio n   lo ad   o f   co m p u tatio n al  [ 28 ] ,   I T 2 FS s   ar e  u s ed   ac tu al l y   at  d i f f er en t e n g in ee r i n g   ar ea s   [ 2 9 ] , [ 3 0 ].   T h e  I T 2 FS s   s tr u ct u r e  is   c o n s i s ts   o f   a s   s h o w n   in   Fi g u r e  1   ( f u zz if ier ,   r u le  b ase,   in f er en ce   e n g in e,   t y p e   r ed u ce r ,   an d   d ef u zz i f ier ) .   I t  is   s i m i lar it y   o f   T 1 FL S,  o n l y   t h e   m ain   d i f f er en ce   b et w ee n   t h e m   w as  h ap p en ed   in   th e  o u tp u t   p r o ce s s in g   w h ic h   c o n tain s   a  r ed u ce r   f o r m   a n d   a  d ef u zz i f ier   to   p r o d u ce   t h e  o u t p u t  s i g n al  f r o m   t h e   t y p e  r ed u ce r   o r   a  cr is p   v alu e   f r o m   th e   d ef u zz i f ier   [ 28 ] .   So ,   th e  r ed u ctio n   t y p e   ca n   tak e   in f o r m at io n   o n   t h e  r u l e   o f   u n ce r tai n tie s   m o r e  t h an   t h e  v al u e  o f   d e f u zz i f ied .   T h er e  ar e  t w o   m a in   s tr u ct u r es  f o r   a n   I T 2   FLC  a s   f o r   a  ( T 1 FL C ) ,   Ma m d a n i a n d   T ak a g i - S u g e n o - Kan g   ( T SK) .   T SK is co v er ed   in   th is   Sect io n .           Fig u r e  1 .   T y p e  2   f u zz y   s y s te m   [ 31 ]       T h e  o u tp u ts   d e f i n itio n   w it h   t h e  co n s eq u e n t  p ar t  o f   r u les   is   th e  m ai n   d i f f er e n ce   b et w ee n   th e  t y p e - 1  T SK  f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   [ 32 ]   an d   a  Ma m d a n i  t y p e - 1   f u z z y   lo g ic  co n tr o ller .   I f   w e  co n s id er   th e  f ir s t  o r d er   t y p e - 1   T SK f u zz y   lo g ic  h a s   p  in p u t s   x 1   ϵ   X 1 , …,   xp   ϵ   Xp   an d   y   o n e  o u tp u t  ϵ   Y ,   an d   ar e  th e  M   r u les.  T h e  r u le  o f   i   th   ca n   b e  ex p r es s ed   as:        R l   = I F   x 1   is      a n d   …  a n d   x p  is     THEN y l   =    +    + …   +                                                                                                                                                             ( 1 6 )   l F 1 ˆ l p F ˆ l c 0 1 0 x c l p l p x c Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   n o n lin ea r   mo d el  r eferen ce   w ith   fu z z y  co n tr o ller   fo r   n o n lin ea r   S I S O  s ec o n d   ...  ( E k h la s   H.   K a r a m)   2495   A   t y p e - 2   T SK  f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   o r   s y s te m   ( T 2 T SK  f u zz y   lo g ic)   w as  f ir s t l y   s u g g ested   b y   L ian g   an d   Me n d el  [ 33 ] .   I n   s p ite  o f   th e  f ac t  th at  T 1 T SK  f u zz y   s y s te m s   g a in ed   a  co n s id er ab le  m ea s u r e  atten tio n ,   th e  s ea r c h es  ar o u n d   T SK  t y p e - 2   f u zz y   s y s te m s   s till   li tt le.   T 2 T SK  s y s te m s   w er e  ap p lied   b y   L ia n g   an d   Me n d el   in   c h a n n el   eq u aliza tio n   o f   c h a n n el s   [ 34 ] .   W h er e,   ac co r d in g   to   th e m ,   t h er e  ar e  t h r ee   m o d els  o f   T 2 T SK  f u zz y   lo g ics  w h ich   d ep en d i n g   o n   t h e   ty p e  o f   t h e  an tece d en t  an d   co n s eq u e n t  p ar t  o f   r u les,  to   h av e :  T 2 T SK -   Mo d el  I ,   T 2 T SK - Mo d el  I I   an d   T 2 T SK - Mo d el  I I I .     T ab les 1   an d   2   s h o w   t h e  d if f er en ce   b et w ee n   T 2 T SK - Mo d el  I I   an d   T 2 T SK - Mo d el  I I I ,   w h er e: "   =  th e  co n s eq u en t p ar a m e ter s ,        =  th e  o u tp u t s   o f   i   t h   r u le     ( j=1 …p )   =  t y p e - 2   f u zz y   s et s     (   j=1 …p )   =  ty p e - 1   f u zz y   s et s         T ab le  1 .   Mo d els o f   T 2   T s k   F L S   M o d e l   A n t e c e d e n t s   C o n se q u e n t s   M o d e l   I   Ty p e - 2   f u z z y   se t s   Ty p e - 1   f u z z y   se t s   M o d e l   I I   Ty p e - 2   f u z z y   se t s   C r i s p   n u m b e r s   M o d e l   I I I   Ty p e - 1   f u z z y   se t s   Ty p e - 1   f u z z y   se t s       T ab le  2 .   R u les o f   T 2   T SK FL S   T S K   F L S   R u l e s  R l   Ty p e - 1   I F  x 1   is      a n d   …   a n d   x p  is                                                                 T H EN   y l   =    +    +   L +     T 2   M o d e l   I   I F  x 1   is      a n d   …   a n d   x p  is     T H EN   Y l   =    +    +   …   +     T 2   M o d e l   I I   I F  x 1   is      a n d   …   a n d   x p  is     T H EN   y l   =    +    +   …   +     T 2   M o d e l   I I I   I F  x 1   is      a n d   …   a n d   x p  is     T H EN   Y l   =    +    +   …   +         T h e  f ir in g   s tr en g t h   o f   i   th   r u l e  W i  ( x )   w it h   t h e  o p er atio n   m ee t  u n d er   p r o d u ct  o r   lo w er   t - n o r m   i s   a n   in ter v a l t y p e - 1   s et  ex p r ess ed   a s   f o llo w s :                                                                                                                                             ( 1 7 - a)                                                                                                           ( 1 7 - b)                                                                                                                                       ( 1 7 - c)     A l s o   th e  f i n al  o u tp u t i s   a  s et  o f   t y p e - 1   in ter v al,   an d   is   ca lc u l ated   as f o llo w s :   Fo r   ea ch   r u le  w e  w ill ac q u ir e  y l   an d   y r .   Sin ce   all  s et s   ar e  cr is p   ( 1 8 )   r esu lts   to :                                                                                                                          ( 1 8 )     w h er e ,     ( i=1 …  M ) ,   th e  d ef u zz if ied   o u tp u t is :                                                                                                                                               ( 1 9 )         l i l i C c , l i l i Y y , l j F ˆ l j F ˆ l F 1 l p F l c 0 1 1 x c l p l p x c l F 1 ~ l p F ~ l c 0 1 1 x c l p l p x c l F 1 ~ l p F ~ l c 0 1 1 x c l p l p x c l F 1 l p F l c 0 1 1 x c l p l p x c )] ( ), ( [ ) ( x W x W x W i i i ) ( * . . . * ) ( ) ( 1 1 p i p i i x F x F x W ) ( * . . . * ) ( ) ( 1 1 p i p i i x F x F x W , 1 1 1 M i i l M i i l i l w y w y , 1 1 M i i r M i i l i l r w y w y i i Y y ] , [ i r i l i y y Y 2 / ) ( r l y y y Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 4 9 1   -   2502   2496   4.   M O DE L   RE F E R E NC E   CO NT RO L L E R  CO M B I NE D  WI T H   F U Z Z Y   SYS T E M   T h e  u s e  o f   li n ea r   d esire d   m o d el  i n   d esi g n i n g   th e  m o d el  r ef e r en ce   co n tr o ller   m a k e  th e  o u t p u t  o f   th e   in v er ted   p en d u lu m   f o llo w   t h e   d esire d   in p u t  w i th   g o o d   p er f o r m a n ce   b u t  t h er e  is   s till   a n   er r o r   s tead y   s tate.   I n   o r d er   to   en h an ce   t h e  ef f icie n c y   o f   t h e  m o d el  r ef er e n ce   co n tr o ller ,   a  f u zz y   co n tr o l  s ch e m e  is   co m b i n ed   w it h   MRC ,   w h er e  t h is   s ch e m e  r ed u ce s   t h e  er r o r   s tead y   s tate  a n d   th e  e f f ec t  o f   m o d el  u n ce r tain t y   a n d   ex ter n a l  d is tu r b an ce .   T h er e  ar e  m a n y   e f f icien t f u zz y   co n tr o ller s   d esi g n   w it h   d if f er en t  n * n   r u les.    I n   th i s   p ap er   w e  s u g g est  to   u s e  s i m p le  P I   T SK  f u zz y   co n t r o ller   w ith   t w o   i n p u t s   ( er r o r ,   in te g r al  o f   er r o r )   an d   o n e  o u tp u t  as  s h o w n   i n   Fig u r e  2 ,   w h er e  K i ,   K f     is   in te g r al  a n d   f u zz y   o u tp u t  g ai n s   i n   r esp ec tiv el y .           Fig u r e  2 .   Fu zz y   P I   co n tr o ller   s tr u ctu r e       T h e  n e w   co n tr o l  ac tio n   u n    is   r esu lt s   f r o m       co m b i n e  t h e  f u z z y   P I   co n tr o ller   u f ( t )   w it h   t h e  s u g g e s ted   co n tr o l a ctio n   u   as:         = + ( )   ( 2 0 )     o r     = [ − 2 1 − 2 2 + ( ta n h ( 12 + 2 22 ) ) + + 2 − ] /   ( 2 1 )     Hen ce   th e  s c alar   M   is   b ec o m e s :     = ( 12 + 2 22 ) [ − ta n h ( 12 + 2 22 ) − ]               =      ( 2 2 )     W e  h av e   f o llo w ed   t h e  s ta n d ar d   s y s te m   o f   f u zz y   co n tr o ller 's  o u tli n e,   w h ich   co m p r i s es   o f   f u zz i fi ca tio n ,   co n tr o l r u le  b as e   f o u n d atio n ,   an d   d ef u zz i fi ca t io n .     4 . 1 .   F uzzif ica t io n    T h e  f u zz y   P I   co n tr o ller   h a s   t w o   in p u t  ( er r o r   s i g n al,   in te g r al  o f   er r o r )   an d   o n e   o u tp u t  u f ,   th e  m e m b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th e  in p u t  an d   o u tp u t  v ar iab le s   o f   th is   s c h e m e  f o r   t y p e - 1   an d   t y p e - 2   ar e  ( P   is   p o s itiv e ,   Z   is   ze r o ,   an d   N   is   n eg at iv e)   f o r   t h e  in p u t   o f   t y p e - 1   as   s h o w n   i n   F ig u r e  3 ( a )   a n d   ( NU  is   n e g ati v e  u p p er ,   NL   is   n e g ati v e  lo w er ,   Z U  is   ze r o   u p p er ,   Z L   i s   ze r o   lo w er ,   P U  i s   p o s iti v e  u p p er   an d   P L   i s   p o s iti v e   lo w er )   f o r   th e   i n p u t  o f   t y p e - 2   as  Fi g u r e  3 ( b )   an d   f iv e   m e m b er s h ip s   ( P B   is   p o s iti v e  b ig ,   P M  is   p o s iti v e   m ed iu m ,   Z   is   ze r o ,   NM   is   n e g ativ e  m ed iu m s ,   a n d   NB   is   n eg ativ e  b ig )   i n   o u tp u t  f o r   b o th   f u zz y   t y p e s   as s h o w n   in   Fi g u r e  3 ( c ) .         ( a)     ( b )     Fig u r e  3 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   f o r ,   ( a)   in p u t  v ar iab le  f o r   t y p e - 1  f u zz y ,   ( b )   in p u t  v ar iab le  f o r   in ter v al  t y p e - 2  f u   P 1 2     F uzz y  C ontr oller   K i dt t e ) (       K f     e ( t )   u f ( t )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   n o n lin ea r   mo d el  r eferen ce   w ith   fu z z y  co n tr o ller   fo r   n o n lin ea r   S I S O  s ec o n d   ...  ( E k h la s   H.   K a r a m)   2497   f u zz y     ( c)     Fig u r e  3 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   f o r ,   ( c)   o u tp u t v ar iab le       4 . 2 .   T he  rule s   o f   f uzzy   co ntr o l   Utilizi n g   th e   p r ev io u s l y   m en ti o n ed   p ar ticip atio n   f u n ctio n s ,   t h e  ac co m p a n y in g   co n tr o l  r u le s   ar e  b u il t   u p   f o r   th e   f u zz y   P I   co n tr o ller .     (R i )   I F   ( i/p 1 )   is   ---   A N D  ( i/p 2 )   is   --- ,   THEN fu z z y  P I   o u tp u t is  --- .     w h er e  i/p 1   is   t h e  er r o r   s ig n al,     i/p 2   is   in te g r al  o f   er r o r   s ig n al.   T h e  lo g ical  “A N D”  tak e s   th e  m i n i m u m .   T ab le  3   [ 35 ] - [ 37 ] ,   s h o w s   th e  r u les tab u lar .   I f   th e  n u m b er   o f   o u tp u t  m e m b er s h ip   is   r ed u ce   to   t h r ee   o n l y   t h en   t h e  ab o v e  tab le  ca n   b e  m o d if ied   to   T ab le   4 .       T ab le  3 .   R u les o f   P I   f u zz y   co n tr o ller   Δ e   e   P   Z   N   P   PB   PM   Z   Z   PM   Z   NM   N   Z   NM   NB     T ab le  4 .   R ed u ctio n   r u les o f   P I   f u zz y   co n tr o ller   Δ   e   e   N   Z   P   N   N   N   Z   Z   N   N   P   P   Z   P   P         4 . 3 .   Reduct io n  a nd   def uzzf ica t io n       T o   co m p u te  t h e  o u tp u t  v al u e ,   it’ s   n ee d ed   to   ca lcu late  th e   m ain   f u zz y   t y p e - 2   b y   ( 1 8 )   an d   ( 1 9 ) .       5.   SI M UL AT I O N  R E S UL T S  ANALY SI S A ND  CO M P ARIS O N   I n   th is   s ec tio n ,   th e  s ec o n d   o r d er   in v er ted   p e n d u l u m   s y s te m   w h ic h   is   s h o w n   in   Fi g u r e  4   i s   co n s id er ed   to   s h o w   t h e  ef f icie n c y   o f   t h e  p r o p o s ed   c o n tr o ller   s ch e m .   I n v er ted   p en d u lu m   is   a  tr ad itio n al  p r o b lem   i n   d y n a m ics  s y s te m s   a n d   co n tr o l  th eo r y ,   it  is   u s ed   m ai n l y   to   test   co n tr o l  alg o r it h m s .  T h e  m ai n   f ea t u r e   o f   t h i s   s y s te m   is   ch ar ac ter ized   b y :  u n s tab le,   n o n l in ea r   a n d   t h e  p h ase  is   n o n - m i n i m u m ,   w h ich   i s   lead   to   m ak e   t h e   s y s te m   m o r e  r o b u s tl y   a n d   s ta b ilit y   ed g e,   m ad e  it  th e   f o c u s   o f   atte n tio n   o f   m a n y   r esear c h er s .   So ,   m o s t  o f   t h e   co m p le x   s y s te m s   ar e  u s ed   t h e  i n v er ted   p en d u l u m   as  a  b en ch m ar k   to   co n tr o l  th e   s y s te m   w it h   d if f er e n t   co n tr o ller   tech n iq u es [ 38 ].           Fig u r e  4 .   T h e  Sy s te m   o f   t h e  in v er ted   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 4 9 1   -   2502   2498   T h e  an g le  o f   th e  in v er ted   p en d u l u m   w a s   ch o s e n   as  ( 1 = )   r eg ar d in g   to   th e  v er tical  li n e.   So ,   th e   eq u atio n s   f o r   th is   in v er ted   p en d u lu m   s y s te m   ca n   b e  w r it ten   a s   [ 39 - 44 ]:     1 2 2 1 , x y d gu f x x x                                                                                                                                               ( 2 3 )     w he re     ) c o s 3 4 ( ) s i n c o s ( s i n 1 2 1 1 2 2 1 m m x m l m m x x m l x x g f c v c v     ,         0 . ) c o s 3 4 ( c o s 1 2 1 m m x m l m m x g c c                                                     ( 24 )     I n   th i s   p ap er ,   d   is   d e fi n e  b y   [ 43 ]:     d = 7 s in   ( 10 x 1 )  +  co s x 2                                                                                                                                                                                                        ( 25 )     T h e  p ar am eter s   o f   i n v er ted   p en d u l u m   ar e  g i v en   b y   T ab le  5   [ 43 ,   45 ].       T ab le  5 .     P ar am eter s   i n v er ted   p en d u lu m   S y mb o l   D e scri p t i o n   V a l u e s   g v     a c c e l e r a t i o n   d u e   t o   g r a v i t y   9 . 8   m / se c 2   m c     mass  o f   t h e   c a r t   1   K g   l   " t h e   h a l f - l e n g t h   o f   t h e   p o l e "   0 . 5   m   u     c o n t r o l   i n p u t   ……. .   m   " t h e   mass   o f   t h e   p o l e "   0 . 1   K g       B y   u s i n g   th e   f ac ilit y   a v ailab le   in   th e   Ma tlab   s o f t w ar e   v er s i o n   ( R 2 0 1 5 ) ,   d if f er en t  s i m u lat i o n s   o f   t h e  in v er ted   p e n d u l u m   m o d el   ar e  ca r r ied   o u t  f o r   li n ea r   a n d   n o n lin ea r   tr aj ec to r ies  ar e  co n s id er ed   to   illu s tr ate  t h e  ef f icien c y   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o l  s ch e m e.   Fig u r e  5   s h o w   th e  Ma tlab   Si m u li n k   co n n ec t i o n   f o r   th e  in v er ted   p en d u lu m   w i th   t h e  p r o p o s ed   c o n tr o ller s   ( MRC ,   M R C +T I F,  an d   MRC +T 2 F).           Fig u r e  5 .   C o m p lete  m a tlab   s i m u lin k   co n n ec tio n   f o r   th e  n o n lin ea r   in v er ted   p en d u l u m     w it h   t h e  s u g g e s ted   co n tr o ller       T h e  co n tr o ller ' s   p ar a m eter s   ar e  g iv e n   b y   T ab le  6 .   W h er e  d esig n ed   p ar a m ter s   K f =2   f o r   lin ea r   tr aj ec to r y   an d   K f =2 0   f o r   n o n li n ea r   tr aj ec to r y .       T ab le  6 .   T h e  C o n tr o ller ' s   P ar am eter s   P 12   P 22   K   K f   K i   n     14   2   100   2   o r   2 0   10   10   0.5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   n o n lin ea r   mo d el  r eferen ce   w ith   fu z z y  co n tr o ller   fo r   n o n lin ea r   S I S O  s ec o n d   ...  ( E k h la s   H.   K a r a m)   2499   T h e  d if f er en t  s i m u la tio n s   ar e  p r esen ted   as f o llo w s :       5 . 1 .   Si m ula t io n a nd   a na ly s i s   w it h linea r  t ra j ec t o ry   ( s t ep  s ig na l)   a nd   un ce rt a inty     I n   th e  f ir s t  s i m u latio n ,   a  li n ea r   u n it   s tep   i n p u t  s i g n al  is   u s e d   to   test   th e  o v er all  i n v er ted   co n tr o lled   s y s te m   w it h   th e   n o n li n ea r   d i s tu r b an ce   o f   ( 2 5 )   an d   r u le s   o f   T ab les  3   an d   5   f o r   t h e  f u zz y   co n tr o ller   p ar t.   T h e  r esu lts   f o r   th i s   s i m u latio n   w it h   r u le  o f   T ab le  4   ar e  s h o w n   i n   F ig u r e  6 ,   w h ic h   s h o w   t h at  t h e  a n g u lar   p o s itio n   t r ac k in g   f air l y   g o o d   th e  d es ir ed   in p u t  w i th   n o   o v e r s h o o t  an d   n ea r l y   ze r o   s tead y   s tate   er r o r   f o r   th e   m o d el  r e f er en ce   co n tr o ller s   e s p atiall y   w it h   t y p e - 1   f u zz y   s c h e m e.         ( a)       ( b )       ( c)     ( d )     Fig u r e  6 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   in v er ted   p en d u l u m   co n tr o lle d   b y   ( MR C ,   MR C +T 1 F,  MRC +T 2 F)  w it h   s tep   in p u t ( a)   an g ler   p o s itio n ; ( b )   zo o m   u p   th e  an g u lar   p o s itio n ; ( c)   er r o r   s ig n al ; ( d )   co n tr o l sig n al       Fo r   th is   s i m u latio n ,   t h e  p er f o r m an ce   o f   th e  i n v er ted   p en d u l u m   w i th   ( MR C ,   MR C +T 1 F,  MRC +T 2 F)   is   e v al u ate  b y   m ea s u r e  t h e  i n d ices  s tead y   s tate   er r o r   ( e s . s ) ,   s ettlin g   ti m e  ( t s ) ,   t h e  s ca lar   M ( t )   at  t h e  s tead y   s tate,       in   ad d itio n   to   in teg r al  o f     ti m e   m u lt ip lied   b y   s q u ar e  er r o r   ( I T SE)   as  illu s tr ated   b y   T ab le  7   w h ich   i s   s h o w   t h at  th e  n o n p o s i tiv e  co n d itio n   o f   M   ( E q u atio n   ( 2 2 ) )     is   s atis f y     f o r   ( MRC +T 1 F,   MRC +T 2 F)  an d   th e  p r o p o s ed   co n tr o ller   ( MRC +T 1 F)  is   m o r e  ef f icie n t  t h an   ( M R C )   a n d   ( MRC +T 2 F)  esp ec ially   w it h   r u le s   o f   T ab le  4   b ec au s e  it  m a k es   th e   p en d u l u m   s y s te m   f lo w   th e   d esire d   in p u t  s i g n al  v er y   f as t  ( t s   is   s m al l)     an d   w it h   a  s m all   IT S E   as   a  co m p ar is o n   w it h   ( MRC )   a n d     ( MRC +T 2 F).       T ab le  7 .   T h e  p en d u lu m   p er f o r m an ce   co m p ar i s o n   b et w ee n   t h e  ( M R C ,   M R C +T 1 F,  a n d   MRC +T 2 F)   C o n t r o l l e r   t s   e s . s   M   I TSE   M R C   0 . 2 4 0 3   0 . 0 0 0 2   0 . 0 1 8 1   0 . 0 0 2 4 8   M R C + T 1 F   w i t h   T a b l e   5   0 . 2 3 8 6   0 . 0 0 0 8   - 0 . 0 5 0 7   0 . 0 0 2 4 7   M R C + T 2 F   w i t h   T a b l e   5   0 . 2 3 8 0   0 . 0 0 0 9   - 0 . 0 3 9 7   0 . 0 0 2 4 9   M R C + T 1 F   w i t h   T a b l e   4   0 . 2 3 8 1   0 . 0 0 0 3   - 0 . 0 1 9 3   0 . 0 0 2 4 6 3   M R C + T 2 F   w i t h   T a b l e   4   0 . 2 3 8 8   0 . 0 0 0 4   - 0 . 0 1 5 2   0 . 0 0 2 4 7 8       5 . 2 .   Si m ula t io n a nd   a na ly s i s   w it h no nli nea r  t ra j ec t o ry   ( s inu s o ida l   s ig na l)   a nd   un ce rt a inty     I n   th e  s ec o n d   s i m u latio n   s ee   Fig u r e  7   th e  n o n li n ea r   s i n u s o i d al  s ig n al    is   u s ed   to   test   th e  co n tr o lled   in v er ted   s y s te m   w ith   n o n li n ea r   s i n u s o id al  d is t u r b an ce   ( 2 5 ) ,   r esu lt s   o f   th i s   c ase  ar e  ill u s tr ate   i n   Fig u r e  7 ,   th e s e  f i g u r es   s h o w   t h at  t h e  i n v er ted   p en d u l u m   is   r e m ai n   s tab le  w it h   s u itab le  co n tr o l  s ig n al  a n d   v er y   s m al l  er r o r   s ee   in   Fi g u r e  7 ( c )   an d   7 ( d )   an d   th e  d is tu r b a n ce   is   r e m o v e  f r o m   t h e  r esp o n s e  o f   th e  a n g u lar   p o s itio n   w it h   all  co n tr o ller s   s p atiall y   ( M R C +T 2 F).     ) 5 . 0 s i n ( t r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 4 9 1   -   2502   2500     ( a)       ( b )       ( c)     ( d )     Fig u r e  7 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   in v er ted   p en d u l u m   co n tr o lle d   b y   ( MR C ,   MR C +T 1 F,  MRC +T 2 F)  w it h   n o n li n ea r   in p u t si g n al,   ( a)   an g u l a r   p o s itio n ; ( b )   zo o m   u p   th e  an g u lar   p o s itio n ;   ( c)   er r o r   s ig n al;  ( d )   co n tr o l sig n al       T ab le  8   s h o w   th e   M ( t )   an d   I T SE  af ter   i m p le m en t  th is   s i m u l atio n ,   it  ca n   b e  n o ted   f r o m   t h i s   tab le  th a t     s ca lar   M    is   s atis f y   t h e  n e g a tiv e  co n d itio n   w it h     all  co n t r o ller s   ( MRC ,   MR C +T 1 F,  MRC +T 2 F)  an d   th e   ( MRC +T 2 F)  is   m o r e  e f f ic ien t  th a n   ( MR C )   an d     ( M R C +T 2 F)  esp ec iall y   w i th   r u les  o f   T ab le  5   b ec au s e  it   m ak e s   t h e  p en d u l u m   s y s te m   f lo w   t he   d esire d   in p u t  s i g n al  w it h   s m all  M ( t )   an d   IT S E   as    a  co m p ar is o n   w i th   ( MRC )   an d     ( MR C +T 1 F).       T ab le  8 .   T h e  P en d u lu m   p er f o r m an ce   co m p ar i s o n   w it h   ( MR C ,   MR C +T 1 F,  an d   MRC +T 2 F)   C o n t r o l l e r   M   I TSE   M R C   - 2 . 6 5   0 . 0 0 1 4 4   M R C + T 1 F   w i t h   T a b l e   5   - 1 . 9 4 3 8   0 . 0 0 0 8 6 1 9   M R C + T 2F   w i t h   T a b l e   5   - 1 . 8 7 8 6   0 . 0 0 0 8 1 2 8   M R C + T 1 F   w i t h   T a b l e   4   - 2 . 1 8 6 2   0 . 0 0 1 0 9 2   M R C + T 2 F   w i t h   T a b l e   4   - 2 . 1 5 4 1   0 . 0 0 1 0 6 3       5 . 3 .   Co m pa re   t he  re s ults o f   t he  p ro po s ed  co ntr o ller  w it h r esu lt s   o f   Ref .   [ 4 4 ]   T h e  r esu lts   o f   s ec o n d   s i m u lat io n   f o r   th e  p r o p o s ed   co n tr o ller s   as  s h o w n   i n   Fi g u r e  7   ar e  co m p ar ed   w it h   t h e  r esu lt s   o f   th e  ad ap tiv e  in te g r al  s ec o n d   o r d er   s li d in g   m o d e  co n tr o ller   [ 44 ]   w h ich   ar e  s h o w n   in   Fig u r e  8 .   I t  is   clea r   f r o m   t h ese  r esu lts   t h at,   r e g ar d less   o f   t h e  p er f o r m a n c e  o f   th e   r eq u ir ed   tr ac ea b ilit y ,   th e  co n tr o l  s i g n al   u ( t )   s u f f er s   f r o m   u n w a n ted   ch atter i n g   an d   its   r an g e  tr ac ea b ilit y ,   t h e  co n tr o l  s ig n al  u ( t )  s u f f er s   f r o m   u n w a n ted   ch a tter in g   an d   its   r an g e  is   b o u n d ed   f r o m   ( - 2 0     to   2 0 )   w h ile  w i th   p r o p o s ed   co n tr o ller s ,   th er e  is   n o   ch at ter in g   i n   co n t r o l  s ig n al  an d   t h e  r an g e  o f   it     is   s et  b et w ee n   ( - 5   to   5 )   an d   th is   i n d icate s   th e   ef f icien c y   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o ller s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.