I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A d v a n c e s   i n   A p p l i e d   S c i e n c e s   ( I J A A S )   V o l .   8 ,   N o .   3 ,   S e p t e m b e r   2 0 1 9 ,   p p .   2 0 4 ~ 2 0 7   I S S N :   2 2 5 2 - 8 8 1 4 ,   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j a a s . v 8 . i 3 . p p 2 0 4 - 2 0 7             2 0 4       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J A A S   I m p r o v e d   s p e e d   r e s p o n s e   o f   D C   m o t o r   v i a   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e s       H a s s a n   F a r h a n   R a s h a g   T e c h n i c a l   I n s t i t u t e   o f   B a b y l o n ,   A l - F u r a t   A l - A w s a t   T e c h n i c a l   U n i v e r s i t y ,   I r a q       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   A p r   2 9 ,   2 0 1 9   R e v i s e d   J u n   2 0 ,   2 0 1 9   A c c e p t e d   J u l   5 ,   2 0 1 9       T h e   c l a s s i c a l   P r o p o r t i o n a l   –   I n t e g r a l   ( P I )   c o n t r o l   f o r   D i r e c t   C u r r e n t   ( D C )   m o t o r   c a u s e s   s l o w   r e s p o n s e   o f   a c t u a l   s p e e d   w i t h   h i g h   o v e r s h o o t   a n d   u n d e r s h o o t   w h i c h   l e a d s   t o   s l u g g i s h n e s s   o f   t h e   s y s t e m .   T o   m i n i m i z e   t h e   p r o b l e m   o f   P I   c o n t r o l l e r ,   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e   b a s e d   o n   h y b r i d   n e u r a l   n e t w o r k   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l   N N - S M C   i s   s u g g e s t e d .   T h e   b e n e f i t s   o f   S M C   a r e   t h a t   i t   i s   s i m p l e ,   a n d   t o u g h   t o   p a r a m e t e r   d e v i a t i o n s   a s   c o m p a r e d   w i t h   o t h e r   c o n t r o l l e r s .   I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   n e u r a l   n e t w o r k   N N   i s   u s e d   t o   m i n i m i z e   t h e   e r r o r   b e t w e e n   r e f e r e n c e   s p e e d   a n d   a c t u a l   s p e e d .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   S M C   a i m   i s   t o   c o n t r o l   a n d   o p t i m i z e   t h e   v o l t a g e   t h a t   i s   s u p p l i e s   t h e   D C   m o t o r   w h i c h   g u a r a n t e e s   t h e   r o b u s t   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   s p e e d   c o n t r o l l e r   u n d e r   d i s t u r b a n c e s .   T h e   p r o p o s e d   m e t h o d   f o r   t h e   s p e e d   c o n t r o l   i s   f i r s t   c a l c u l a t e d   a n d   e x e c u t e d   t o   D C   m o t o r   b y   u s i n g   M A T L A B   S I M U L I N K .   T h e   r e s u l t s   o f   t h e   s u g g e s t e d   N N - S M C   a r e   c o m p a r e d   w i t h   t h e   t r a d i t i o n a l   P I   c o n t r o l l e r .   T h e   r e s u l t s   o b v i o u s l y   s h o w   t h e   s u p r e m a c y   o f   N N - S M C   o v e r   P I   c o n t r o l l e r .   K e y w o r d s :   D C   m o t o r   N e u r a l   n e t w o r k   ( N N )   S l i d i n g   m o d e   c o n t r o l   ( S M C )   P I   c o n t r o l l e r   C o p y r i g h t   ©   2 0 1 9   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   H a s s a n   F a r h a n   R a s h a g ,     T e c h n i c a l   I n s t i t u t e   o f   B a b y l o n ,   A l - F u r a t   A l - A w s a t   T e c h n i c a l   U n i v e r s i t y ,   K u f a ,   I r a k .   E m a i l :   H a s s a n _ r a s h a g @ y a h o o . c o m       1 .   I N T R O D U C T I O N     D C   m o t o r   i s   c o m m o n l y   u s e d   i n   m a n u f a c t u r i n g   u s e s   b e c a u s e   o f   i t s   d e p e n d a b i l i t y .   M a n y   r e s e a r c h e r s   s u g g e s t e d   m e t h o d s   t o   c o n t r o l   t h e   s p e e d   o f   D C   m o t o r s .   P I   c o n t r o l l e r   i s   u s e d   f o r   a d j u s t i n g   t h e   s p e e d   o f   D C   m o t o r   a n d   i m p l e m e n t e d   i n   F i e l d - P r o g r a m m a b l e - G a t e - A r r a y   ( F P G A )   [ 1 ] .   F u z z y   c o n t r o l l e r   w a s   p r o p o s e d   t o   c o n t r o l   t h e   s p e e d   o f   D C   m o t o r s   b a s e d   o n   f e e d b a c k   [ 2 ] .   T h e   r e a l   s y s t e m s   w e r e   c o n t r o l l e d   b y   S M C   b e c a u s e   o f   i t s   r o b u s t n e s s   a n d   s i m p l i c i t y   [ 3 ] .   T h u s ,   t h e s e   S M C   w i t h   f u z z y   l o g i c   c o n t r o l l e r   w a s   s u g g e s t e d   t o   c o n t r o l   t h e   D C   s e r v o   m o t o r s   d y n a m i c   o f   s e n s o r s   [ 4 ,   5 ] .   N e w   a p p r o a c h e s   o f   t w o   S M C   w e r e   e m p l o y e d   f o r   a n g u l a r   v e l o c i t y   o f   D C   m o t o r   [ 6 ] .   S p e e d   o f   s e r v o   m o t o r   w a s   e n h a n c e d   b a s e d   o n   d i s c r e t e   S M C   [ 7 ] .   F u r t h e r m o r e ,   h i g h   c o n t r i b u t i o n   f o r   c o n t r o l   o f   r e a l   s y s t e m s   w a s   r e c o r d e d   b a s e d   o n   f r a c t i o n a l   o r d e r   S M C   [ 8 ] .   I n   t h e   n o n l i n e a r   s y s t e m s ,   f o r   m u l t i   i n p u t s   a n d   m u l t i   o u t p u t s ,   t h e   S M C   p e r f o r m a n c e   w a s   m o d i f i e d   v i a   t h e   f r a c t i o n a l   o r d e r   S M C   [ 9 ] .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   f r a c t i o n a l - o r d e r   s l i d i n g   s u r f a c e   i s   u s e d   t o   d e c r e a s e   t h e   d i s t o r t i o n   o f   s p e e d   [ 1 0 ] .   T h e   e f f e c t i v e n e s s   o f   f r a c t i o n a l   o r d e r   S M C   f o r   s p e e d   o f   a   P M S M   [ 1 1 ]   a n d   p o s i t i o n   o f   a   D C   m o t o r   i s   a l s o   c o n f i r m e d   [ 1 2 ] .   T h e   m a i n   p u r p o s e   o f   P I   c o n t r o l l e r s   i s   t o   c o n t r o l   t h e   s p e e d .   H o w e v e r ,   d u e   t o   p a r a m e t e r   d e v i a t i o n s   o f   n o n l i n e a r   s y s t e m ,   P I   c o n t r o l l e r   i s   u n a b l e   t o   a d j u s t   t h e   s p e e d .   S M C   i s   d e s i g n e d   f o r   c o n t r o l   t h e   s p e e d   o f   p e r m a n e n t   m a g n e t   D C   m o t o r   b a s e d   o n   f r a c t i o n a l   o r d e r   t o   m i n i m i z e   t h e   l o a d   d i s t u r b a n c e   a n d   p a r a m e t e r s   v a r i a t i o n s   [ 1 3 ,   1 4 ] .     I n   t h e   c u r r e n t   p a p e r ,   n e w   a p p r o a c h   f o r   o p t i m i z e   t h e   s p e e d   o f   a   D C   m o t o r   i s   s u g g e s t e d   b a s e d   o n   h y b r i d   i n t e l l i g e n t   N N - S M C .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   a i m   o f   N N   i s   t o   d e c r e a s e   t h e   e r r o r   b e t w e e n   t h e   d e s i r e d   s p e e d   a n d   a c t u a l   s p e e d   t h r o u g h   b a c k   p r o p a g a t i o n s   B P .   A l s o ,   t h e   S M C   i s   u s e d   t o   a d j u s t a b l e   t h e   v o l t a g e   w h i c h   s u p p l i e s   t h e   D C   m o t o r .   f r o m   s i m u l a t i o n   r e s u l t s ,   i t   c a n   b e   n o t e d   t h a t   t h e   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e   b a s e d   o n   N N - S M C   i s   r o b u s t n e s s   f o r   n o n l i n e a r   s y s t e m .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t .   J .   o f   A d v .   i n   A p p l .   S c i .   I S S N :   2 2 5 2 - 8 8 1 4       I m p r o v e d   s p e e d   r e s p o n s e   o f   D C   m o t o r   v i a   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e s   ( H a s s a n   F a r h a n   R a s h a g )   2 0 5 2 .   M A T E R I A L   A N D   P R O P O S E D   M E T H O D   T h i s   p r o p o s e d   m e t h o d   i s   b u i l t   b y   u s i n g   M a t l a b   S i m u l i n k   w i t h   t o o l b o x .   T h e   c l a s s i c a l   c o n t r o l   o f   D C   m o t o r   b a s e d   o n   P I   c o n t r o l l e r   i s   s u f f e r e d   f r o m   o v e r s h o o t ,   u n d e r s h o o t ,   a n d   s l o w   r e s p o n s e   o f   s p e e d   w h i c h   d e g r a d e s   t h e   s y s t e m   p e r f o r m a n c e .   I n   o r d e r   t o   o v e r c o m e   t h i s   p r o b l e m ,   h y b r i d   t e c h n i q u e   b a s e d   o n   n e u r a l   n e t w o r k   w i t h   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l   i s   s u g g e s t e d .   H e r e ,   t h e   r e f e r e n c e   s p e e d   a n d   a c t u a l   s p e e d   a r e   t h e   i n p u t s   t o   N N   a n d   t h e   e r r o r   i s   t h e   o u t p u t .   T h i s   e r r o r   w i t h   c h a n g e   o f   e r r o r   w i l l   a p p l y   t o   S M C   t o   g e n e r a t e   t h e   v o l t a g e   t h a t   s u p p l y   t h e   D C   m o t o r .   T h e   s i m u l i n k   o f   N N   w i t h   S M C   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 .           F i g u r e   1 .   S i m u l i n k   o f   N N   w i t h   S M C       3 .   T H E   S I M U L A T I O N   R E S U L T S   A N D   D I S C U S S I O N   F r o m   F i g u r e   2   a n d   F i g u r e   3 ,   t h e   s p e e d   o f   D C   m o t o r   t h r o u g h   N N - S M C   i s   g o o d   t r a c k i n g   w i t h   r e f e r e n c e   s p e e d   a n d   f a s t   r e s p o n s e .   I n   c o n t r a s t ,   t h e   s p e e d   b a s e d   o n   c l a s s i c a l   P I   c o n t r o l l e r   h a s   o v e r s h o o t   a n d   u n d e r   s h o o t   w i t h   s l o w   r e s p o n s e .                 F i g u r e   2 .   C o m p a r i s o n   o f   s p e e d   F i g u r e   3 .   R e s p o n s e   o f   a c t u a l   s p e e d   w i t h     r e f e r e n c e   s p e e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 2 5 2 - 8 8 1 4   I n t .   J .   o f   A d v .   i n   A p p l .   S c i .   V o l .   8 ,   N o .   3 ,   S e p t e m b e r   2 0 1 9 :     2 0 4   –   2 0 7   2 0 6 F i g u r e   4   s h o w s   t h e   r o b u s t n e s s   o f   v o l t a g e   b a s e d   N N - S M C   w i t h   v a r i a t i o n   o f   r e f e r e n c e   s p e e d   b u t   t h e   v o l t a g e   o f   c l a s s i c a l   P I   c o n t r o l l e r   i s   u n s t a b l e .   F r o m   F i g u r e   5   w h e n   t h e   l o a d   t o r q u e   i s   a p p l i e d   o n   D C   m o t o r ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   P I   s p e e d   r e s p o n s e   i s   d e t e r i o r a t i n g   a n d   t h e   e f f e c t   i s   o b v i o u s   w h i l e   t h e   e f f e c t   o f   t o r q u e   o n   p r o p o s e d   N N - S M C   s p e e d   i s   t r i v i a l .           F i g u r e   4 .   V o l t a g e   c o m p a r i s o n   F i g u r e   5 .   S p e e d   r e s p o n s e   w i t h   v a r i a t i o n   o f     l o a d   t o r q u e       T h e   e r r o r   b e t w e e n   t h e   a c t u a l   s p e e d   a n d   r e f e r e n c e   s p e e d   o f   p r o p o s e d   N N - S M C   i s   a l m o s t   a p p r o a c h   t o   z e r o   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   e r r o r   o f   c l a s s i c a l   P I   c o n t r o l l e r   i s   f l u c t u a t i n g   b e t w e e n   4 0 r a d / s e c   t o   3 0 r a d / s e c   w h i c h   c a u s e d   i n s t a b i l i t y   o f   s y s t e m .             F i g u r e   6 .   C o m p a r i s o n   t h e   e r r o r   o f   s p e e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t .   J .   o f   A d v .   i n   A p p l .   S c i .   I S S N :   2 2 5 2 - 8 8 1 4       I m p r o v e d   s p e e d   r e s p o n s e   o f   D C   m o t o r   v i a   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e s   ( H a s s a n   F a r h a n   R a s h a g )   2 0 7 4 .   C O N C L U S I O N   T h i s   p r o p o s e d   m e t h o d   e x h i b i t s   a n   e n h a n c e d   c o n t r o l   f o r   s p e e d   o f   D C   m o t o r   u s i n g   i n t e l l i g e n t   t e c h n i q u e   N N - S M C .   T h e   P I   c o n t r o l l e r   c a n   b e   u s e d   f o r   r e g u l a t i n g   t h e   s p e e d   b u t   i t   n e e d s   l o n g   t i m e   t o   r e a c h   t h e   s t e a d y   s t a t e   d u e   t o   o v e r s h o o t   a n d   u n d e r s h o o t .   T h e r e f o r e ,   t h e   P I   c o n t r o l l e r   i s   r e p l a c e d   b y   t h e   i n t e l l i g e n t   N N - S M C   t o   m o d i f y   t h e   s y s t e m .   T h e   N N - S M C   g a v e   b e t t e r   p e r f o r m a n c e   u n d e r   l o a d   d i s t u r b a n c e s   a s   c o m p a r e d   w i t h   P I   c o n t r o l l e r .   F i n a l l y ,   t h e   s y s t e m   w i t h   N N - S M C   i s   m o r e   a c c u r a c y ,   f a s t   r e s p o n s e   o f   s p e e d ,   a n d   l o w   e f f e c t   u n d e r   p a r a m e t e r s   v a r i a t i o n   c o n d i t i o n .       R E F E R E N C E S     [ 1 ]   C .   F .   H s u   a n d   B .   K .   L e e ,   “ F P G A - b a s e d   a d a p t i v e   P I D   c o n t r o l   o f   a   D C   m o t o r   d r i v e r   v i a   s l i d i n g - m o d e   a p p r o a c h , ”   E x p e r t   S y s t .   A p p l . ,   v o l .   3 8 ,   p p .   1 1 8 6 6 - 1 1 8 7 2 ,   S e p t .   2 0 1 1 .   [ 2 ]   G .   G .   R i g a t o s ,   “ A d a p t i v e   f u z z y   c o n t r o l   o f   D C   m o t o r s   u s i n g   s t a t e   a n d   o u t p u t   f e e d b a c k , ”   E l e c t r .   P o w .   S y s t .   R e s . ,     v o l .   7 9 ,   p p .   1 5 7 9 - 1 5 9 2 ,   N o v .   2 0 0 9 .   [ 3 ]   A .   P i s a n o   a n d   E .   U s a i ,   “ S l i d i n g   m o d e   c o n t r o l :   A   s u r v e y   w i t h   a p p l i c a t i o n s   i n   m a t h , ”   M a t h .   C o m p u t .   S i m u l a t . ,     v o l .   8 1 ,   p p .   9 5 4 - 9 7 9 ,   J a n .   2 0 1 1 .   [ 4 ]   J .   X .   X u ,   T .   H .   L e e ,   a n d   Y .   J .   P a n ,   “ O n   t h e   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l   f o r   D C   s e r v o   m e c h a n i s m s   i n   t h e   p r e s e n c e   o f   u n m o d e l e d   d y n a m i c s , ”   M e c h a t r o n i c s ,   v o l .   1 3 ,   p p .   7 5 5 - 7 7 0 ,   S e p t .   2 0 0 3 .   [ 5 ]   J   M .   J .   K n i g h t   a n d   R .   S u t t o n ,   “ F u z z y   m o d e l   b a s e d   s l i d i n g - m o d e   c o n t r o l   o f   a   d . c .   s e r v o m e c h a n i s m , ”   P .   I .   M e c h .   E n g .   I - J .   S y s . ,   v o l .   2 1 8 ,   p p .   2 1 1 -   2 2 5 ,   M a y   2 0 0 4 .   [ 6 ]   A .   S u s p e r r e g u i ,   G .   T a p i a ,   a n d   A .   T a p i a ,   “ A p p l i c a t i o n   o f   t w o   a l t e r n a t i v e   s l i d i n g - m o d e   c o n t r o l   a p p r o a c h e s   t o   D C   s e r v o m o t o r   p o s i t i o n   t r a c k i n g , ”   I E T   E l e c t r .   P o w e r   A p p l . ,   v o l .   1 ,   p p .   6 1 1 - 6 2 1 ,   J u l y   2 0 0 7 .   [ 7 ]   C .   M i l o s a v l j e v i c ,   B .   P e r u n i c i c - D e r a z e n o v i c ,   a n d   B .   V e s e l i c ,   “ D i s c r e t e t i m e   v e l o c i t y   s e r v o   s y s t e m   d e s i g n   u s i n g   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l   a p p r o a c h   w i t h   d i s t u r b a n c e   c o m p e n s a t i o n , ”   I E T   T r a n s .   I n d u s t r .   I n f o r m . ,   v o l .   9 ,   p p .   9 2 0 - 9 2 7 ,   M a y   2 0 1 3 .   [ 8 ]   I .   P o d l u b n y ,   F r a c t i o n a l   D i f f e r e n t i a l   E q u a t i o n s .   S a n   D i e g o ,   C A ,   U S A :   A c a d e m i c   P r e s s ,   1 9 9 9 .   [ 9 ]   M .   O .   E f e   a n d   C .   K a s n a k o g l u ,   “ A   f r a c t i o n a l   a d a p t a t i o n   l a w   f o r   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l , ”   I n t .   J .   A d a p t .   C o n t r o l   S i g n a l   P r o c e s s . ,   v o l .   2 2 ,   p p .   9 6 8 -   9 8 6 ,   D e c .   2 0 0 8 .   [ 1 0 ]   M .   L .   C o r r a d i n i ,   R .   G i a m b o ,   a n d   S .   P e t t i n a r i ,   “ O n   t h e   a d o p t i o n   o f   a   f r a c t i o n a l - o r d e r   s l i d i n g   s u r f a c e   f o r   t h e   r o b u s t   c o n t r o l   o f   i n t e g e r - o r d e r   L T I   p l a n t s , ”   A u t o m a t i c a ,   v o l .   5 1 ,   p p .   3 6 4 - 3 7 1 ,   J a n .   2 0 1 5 .   [ 1 1 ]   B .   Z h a n g ,   Y .   P i ,   a n d   Y .   L u o ,   “ F r a c t i o n a l   o r d e r   s l i d i n g - m o d e   c o n t r o l   b a s e d   o n   p a r a m e t e r s   a u t o - t u n i n g   f o r   v e l o c i t y   c o n t r o l   o f   p e r m a n e n t   m a g n e t   s y n c h r o n o u s   m o t o r , ”   I S A   T r a n s . ,   v o l .   5 1 ,   p p .   6 4 9 - 6 5 6 ,   S e p t .   2 0 1 2 .   [ 1 2 ]   W .   K h a n ,   “ A   c o m p a r i s o n   b e t w e e n   i n t e g e r   a n d   f r a c t i o n a l   o r d e r   a l g e b r a i c   a p p r o a c h e s   f o r   o n - l i n e   p a r a m e t e r   e s t i m a t i o n   a n d   p o s i t i o n   c o n t r o l   o f   D C   m o t o r , ”   1 1   t h   I n t e r n a t i o n a l   B h u r b a n   C o n f e r e n c e   o n   A p p l i e d   S c i e n c e s   a n d   T e c h n o l o g y ,   I s l a m a b a d ,   p p .   1 0 3 - 1 0 7 ,   2 0 1 4 .   [ 1 3 ]   V a d i m   U t k i n ,   J ü r g e n   G u l d n e r ,   a n d   J i n g x i n   S h i ,   S l i d i n g   M o d e   C o n t r o l   i n   E l e c t r o - M e c h a n i c a l   S y s t e m s .   C R C   P r e s s   B o c a   R a t o n ,   2 0 0 9 .   [ 1 4 ]   S a e e d   H e i d a r p o o r ,   H a m e d   K h o d a d a d i ,   a n d   M o h a m m a d   T a b a t a b a e i ,   “ S p e e d   c o n t r o l   o f   a   D C   m o t o r   u s i n g   a   f r a c t i o n a l   o r d e r   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l l e r ”   I E E E   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   E n v i r o n m e n t   a n d   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   2 0 1 7   I E E E   I n d u s t r i a l   a n d   C o m m e r c i a l   P o w e r   S y s t e m s   E u r o p e   ( E E E I C   /   I & C P S   E u r o p e ) ,   2 0 1 7 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.