Research Article
BibTex RIS Cite

PID Controller Design Using Optimization Method for Fractional Order Control Systems with Time Delay

Year 2017, Volume: 6 Issue: Özel Sayı (ISMSIT2017), 30 - 39, 29.12.2017

Abstract

In
this paper, PID controller design was performed to control fractional order
systems with time delay.
Time delay is often the case in real systems. Therefore, modeling of
time delayed systems is also an extremely important issue.
PID controllers have a high
usage area due to many advantages. Its structure is simple, durable and the
parameters can be adjusted easily. A model was created in Matlab / Simulink
environment to obtain PID controller parameters. Optimization is the process of
selecting the best among the available alternatives. As a result of the
developments in computer technology, difficult mathematical calculations can be
done easily in today’s world. The PID controller parameters can be obtained
when the error occurring in the control system reaches the minimum value.
Integral performance criteria are used to minimize the error. In Matlab
Optimization Toolbox, there are commands that can be used for minimization or
maximization. By using these commands, the design is performed based on the
controller parameters that provide the smallest error value. From the graphs
obtained, it is seen that the optimization method can be successfully applied
to fractional order control systems with time delay.

References

  • Atherton, D. (2009). Control engineering: Bookboon.
  • Barbosa, R. S., Machado, J. T., & Jesus, I. S. (2008). On the fractional PID control of a laboratory servo system. IFAC Proceedings Volumes, 41(2), 15273-15278.
  • Gutiérrez, R. E., Rosário, J. M., & Tenreiro Machado, J. (2010). Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications. Mathematical Problems in Engineering, 2010.
  • Krishna, B. T. (2011). Studies on fractional order differentiators and integrators: A survey. Signal Processing, 91(3), 386-426.
  • Manabe, S. (1961). The noninteger integral and its application to control systems. English Translation Journal Japan, 6, 83-87.
  • Manabe, S. (1963). The system design by the use of a model consisting of a saturation and noninteger integral. English Translation Journal Japan, 47-150.
  • Matušů, R. (2011). Application of fractional order calculus to control theory (Vol. 5).
  • Monje, C. A., Chen, Y., Vinagre, B. M., Xue, D., & Feliu-Batlle, V. (2010). Fractional-order systems and controls: fundamentals and applications: Springer Science & Business Media.
  • Oustaloup, A., Levron, F., Mathieu, B., & Nanot, F. M. (2000). Frequency-band complex noninteger differentiator: characterization and synthesis. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47(1), 25-39.
  • Shah, P., & Agashe, S. (2016). Review of fractional PID controller. Mechatronics, 38(Supplement C), 29-41.
  • Tavazoei, M. S. (2010). Notes on integral performance indices in fractional-order control systems. Journal of Process Control, 20(3), 285-291.
  • Tustin, A., Allanson, J., Layton, J., & Jakeways, R. (1958). The design of systems for automatic control of the position of massive objects. Proceedings of the IEE-Part C: Monographs, 105(1S), 1-57.
  • Vinagre, B. M., Monje, C. A., Calderón, A. J., & Suárez, J. I. (2007). Fractional PID controllers for industry application. A brief introduction. Journal of Vibration and Control, 13(9-10), 1419-1429.
  • Zhuang, M., & Atherton, D. P. (1993). Automatic tuning of optimum PID controllers (Vol. 140).
  • Ziegler, J. G., & Nichols, N. B. (1942). Optimum settings for automatic controllers. trans. ASME, 64(11).

Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı

Year 2017, Volume: 6 Issue: Özel Sayı (ISMSIT2017), 30 - 39, 29.12.2017

Abstract

Bu çalışmada, zaman gecikmesine sahip kesir dereceli sistemlerin kontrolü için, PID kontrolör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Zaman gecikmesi gerçek sistemlerde çoğunlukla karşılaşılan bir durumdur. Dolayısı ile zaman gecikmesi içeren sistemlerin modellenmesi de son derece önemli bir konudur. PID kontrolörler birçok avantajından dolayı yüksek bir kullanım alanına sahiptir. Yapısı basit, dayanıklı ve parametreleri kolay ayarlanabilir. PID kontrolör parametrelerinin elde edilmesi için Matlab/Simulink ortamında bir model oluşturulmuştur. Optimizasyon işlemi mevcut alternatifler arasından en iyisini seçme işlemidir. Günümüz dünyasında, bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler neticesinde, zor olarak değerlendirilen matematiksel hesaplamalar kolaylıkla yapılabilmektedir. Modeldeki kontrol sisteminde oluşan hata en küçük değerine ulaştığında, PID kontrolör parametreleri elde edilebilir. Kontrol sisteminde oluşan hatayı minimize etmek için integral performans kriterleri kullanılır. Matlab araç kutusunda minimizasyon ya da maksimizasyon için kullanılabilecek komutlar bulunmaktadır. Bu komutlar kullanılarak, en küçük hata değerini sağlayan kontrolör parametreleri esas alınarak tasarım gerçekleştirilir. Elde edilen grafiklerden optimizasyon yönteminin, zaman gecikmeli kesir dereceli kontrol sistemlerine başarılı bir şekilde uygulanabildiği görülmektedir.

References

  • Atherton, D. (2009). Control engineering: Bookboon.
  • Barbosa, R. S., Machado, J. T., & Jesus, I. S. (2008). On the fractional PID control of a laboratory servo system. IFAC Proceedings Volumes, 41(2), 15273-15278.
  • Gutiérrez, R. E., Rosário, J. M., & Tenreiro Machado, J. (2010). Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications. Mathematical Problems in Engineering, 2010.
  • Krishna, B. T. (2011). Studies on fractional order differentiators and integrators: A survey. Signal Processing, 91(3), 386-426.
  • Manabe, S. (1961). The noninteger integral and its application to control systems. English Translation Journal Japan, 6, 83-87.
  • Manabe, S. (1963). The system design by the use of a model consisting of a saturation and noninteger integral. English Translation Journal Japan, 47-150.
  • Matušů, R. (2011). Application of fractional order calculus to control theory (Vol. 5).
  • Monje, C. A., Chen, Y., Vinagre, B. M., Xue, D., & Feliu-Batlle, V. (2010). Fractional-order systems and controls: fundamentals and applications: Springer Science & Business Media.
  • Oustaloup, A., Levron, F., Mathieu, B., & Nanot, F. M. (2000). Frequency-band complex noninteger differentiator: characterization and synthesis. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47(1), 25-39.
  • Shah, P., & Agashe, S. (2016). Review of fractional PID controller. Mechatronics, 38(Supplement C), 29-41.
  • Tavazoei, M. S. (2010). Notes on integral performance indices in fractional-order control systems. Journal of Process Control, 20(3), 285-291.
  • Tustin, A., Allanson, J., Layton, J., & Jakeways, R. (1958). The design of systems for automatic control of the position of massive objects. Proceedings of the IEE-Part C: Monographs, 105(1S), 1-57.
  • Vinagre, B. M., Monje, C. A., Calderón, A. J., & Suárez, J. I. (2007). Fractional PID controllers for industry application. A brief introduction. Journal of Vibration and Control, 13(9-10), 1419-1429.
  • Zhuang, M., & Atherton, D. P. (1993). Automatic tuning of optimum PID controllers (Vol. 140).
  • Ziegler, J. G., & Nichols, N. B. (1942). Optimum settings for automatic controllers. trans. ASME, 64(11).
There are 15 citations in total.

Details

Subjects Engineering
Journal Section Araştırma Makaleleri
Authors

Tufan Doğruer 0000-0002-0415-3042

Ali Yüce This is me

Nusret Tan

Publication Date December 29, 2017
Published in Issue Year 2017 Volume: 6 Issue: Özel Sayı (ISMSIT2017)

Cite

APA Doğruer, T., Yüce, A., & Tan, N. (2017). Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 6(Özel Sayı (ISMSIT2017), 30-39.
AMA Doğruer T, Yüce A, Tan N. Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı. GBAD. December 2017;6(Özel Sayı (ISMSIT2017):30-39.
Chicago Doğruer, Tufan, Ali Yüce, and Nusret Tan. “Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 6, no. Özel Sayı (ISMSIT2017) (December 2017): 30-39.
EndNote Doğruer T, Yüce A, Tan N (December 1, 2017) Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 6 Özel Sayı (ISMSIT2017) 30–39.
IEEE T. Doğruer, A. Yüce, and N. Tan, “Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı”, GBAD, vol. 6, no. Özel Sayı (ISMSIT2017), pp. 30–39, 2017.
ISNAD Doğruer, Tufan et al. “Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 6/Özel Sayı (ISMSIT2017) (December 2017), 30-39.
JAMA Doğruer T, Yüce A, Tan N. Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı. GBAD. 2017;6:30–39.
MLA Doğruer, Tufan et al. “Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, vol. 6, no. Özel Sayı (ISMSIT2017), 2017, pp. 30-39.
Vancouver Doğruer T, Yüce A, Tan N. Zaman Gecikmesine Sahip Kesir Dereceli Bir Kontrol Sisteminde Optimizasyon Metodu Kullanılarak PID Kontrolör Tasarımı. GBAD. 2017;6(Özel Sayı (ISMSIT2017):30-9.