Регулювання швидкості двигуна постійного струму на основі ПІД-регулятора підвійної логіки з нечіткою логікою з оптимізацією за допомогою алгоритму Harmony Search

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.282830

Ключові слова:

ПІД-контролер, двигун постійного струму, подвійний регулятор нечіткої логіки, керування ковзним режимом, оптимізація

Анотація

У цьому документі обговорюється реалізація пропорційно-інтегрально-похідного (ПІД) контролера для регулювання швидкості двигуна постійного струму з чотириквадрантним переривником замкнутого циклу. ПІД-контролер поєднується з подвійним контролером нечіткої логіки, щоб утворити контролер ППІД для підвищення ефективності керування швидкістю двигуна постійного струму. DFLC оптимізовано за допомогою метаевристичного алгоритму, відомого як алгоритм гармонійного пошуку (АГП). Основною метою цього дослідження є отримання ефективного контролю над швидкістю двигуна в середовищі замкнутого циклу. Щоб досягти цього, параметри для ППІД вибираються за допомогою аналізу в часовій області, який має на меті задовольнити такі вимоги, як час встановлення та пікове перевищення. Спочатку контролер нечіткої логіки в ППІД контролює коефіцієнти досягнення ПІД, ефективний контроль над системною помилкою та швидкістю зміни помилки. Крім того, ППІД вдосконалюється за допомогою АГП для отримання точної корекції. Рішення, отримані шляхом налаштування контролера ППІД, оцінюються за допомогою аналізу моделювання, проведеного на платформі MATLAB/SIMULINK. Продуктивність замкнутого циклу аналізується як у часовій, так і в частотній області, а продуктивність ППІД оптимізується за допомогою алгоритму АГП для отримання точного значення процесу керування. Як видно з аналізу моделювання, ППІД-АГП генерує оптимізовані керуючі сигнали для двигуна постійного струму для керування швидкістю. Ефективність передбачуваного підходу регулювання швидкості аналізується з точки зору різних оціночних показників, таких як швидкість двигуна, крутний момент і струм якоря. Експериментальні результати показують, що запропонований підхід забезпечує кращу продуктивність керування та більшу швидкість двигуна постійного струму порівняно зі звичайними ПІД-контролерами та контролерами SMC

Біографії авторів

Salam Ibrahim Khather, Ninevah University

Master of Electrical Engineering, Lecturer

Department of Systems and Control Engineering

College of Electronics Engineering

Muhammed Abduljaleel Ibrahim, Ninevah University

Master of Electrical Engineering, Lecturer

Department of System and Control Engineering

Mustafa Hussein Ibrahim, University of Mosul

Master of  Electrical Engineering, Lecturer

Department of New and Renewable Energies

Посилання

  1. Barinov, I. A., Melnichenko, O. V. (2019). Power IGBTs Application in AC-Wire DC-Motor Locomotive Thyristor-Based Power Circuit for Regenerative Brake Energy Efficiency Increase. 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). doi: https://doi.org/10.1109/icieam.2019.8742933
  2. Malafeev, S. I., Zakharov, A. V., Safronenkov, Yu. A. (2019). A New Series of Asynchronous Frequency-Controlled Motors for Mining Excavators. Russian Electrical Engineering, 90 (4), 299–303. doi: https://doi.org/10.3103/s1068371219040060
  3. Das, D., Kumaresan, N., Nayanar, V., Navin Sam, K., Ammasai Gounden, N. (2016). Development of BLDC Motor-Based Elevator System Suitable for DC Microgrid. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 21 (3), 1552–1560. doi: https://doi.org/10.1109/tmech.2015.2506818
  4. Tamir, T. S., Xiong, G., Shen, Z., Gong, X., Liu, S., Lodhi, E. et al. (2020). Comparative Study of Four Speed Controllers of Brushless DC Motors for Industrial Applications. IFAC-PapersOnLine, 53 (5), 59–64. doi: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2021.04.124
  5. Lee, S., Baek, S.-W. (2019). A study on the improvement of the cam phase control performance of an electric continuous variable valve timing system using a cycloid reducer and BLDC motor. Microsystem Technologies, 26 (1), 59–70. doi: https://doi.org/10.1007/s00542-019-04411-5
  6. Guerra, R. H., Quiza, R., Villalonga, A., Arenas, J., Castano, F. (2019). Digital Twin-Based Optimization for Ultraprecision Motion Systems With Backlash and Friction. IEEE Access, 7, 93462–93472. doi: https://doi.org/10.1109/access.2019.2928141
  7. Barkas, D. A., Ioannidis, G. C., Psomopoulos, C. S., Kaminaris, S. D., Vokas, G. A. (2020). Brushed DC Motor Drives for Industrial and Automobile Applications with Emphasis on Control Techniques: A Comprehensive Review. Electronics, 9 (6), 887. doi: https://doi.org/10.3390/electronics9060887
  8. Khanam, I., Parmar, G. (2017). Application of SFS algorithm in control of DC motor and comparative analysis. 2017 4th IEEE Uttar Pradesh Section International Conference on Electrical, Computer and Electronics (UPCON). doi: https://doi.org/10.1109/upcon.2017.8251057
  9. Joseph Godfrey, A., Sankaranarayanan, V. (2018). A new electric braking system with energy regeneration for a BLDC motor driven electric vehicle. Engineering Science and Technology, an International Journal, 21 (4), 704–713. doi: https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.05.003
  10. Feng, J., Liu, K., Wang, Q. (2018). Scheme based on buck‐converter with three‐phase H‐bridge combinations for high‐speed BLDC motors in aerospace applications. IET Electric Power Applications, 12 (3), 405–414. doi: https://doi.org/10.1049/iet-epa.2017.0615
  11. Rakhonde, S., Kulkarni, V. (2018). Sliding Mode Controller (SMC) Governed Speed Control of DC Motor. 2018 3rd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT). doi: https://doi.org/10.1109/rteict42901.2018.9012572
  12. Singh, S., Kosti, A. (2015). Comparative study of integer order PI-PD controller and fractional order PI-PD controller of a DC motor for speed and position control. International Journal of Electrical and Electronic Engineering & Telecommunications, 4 (2), 22–26. Available at: http://www.ijeetc.com/uploadfile/2017/0731/20170731062931686.pdf
  13. Yadav, V., Tayal, V. K. (2018). Optimal Controller Design for a DC Motor using PID Tuner. 2018 International Conference on Power Energy, Environment and Intelligent Control (PEEIC). doi: https://doi.org/10.1109/peeic.2018.8665658
  14. Tang, W.-J., Liu, Z.-T., Wang, Q. (2017). DC motor speed control based on system identification and PID auto tuning. 2017 36th Chinese Control Conference (CCC). doi: https://doi.org/10.23919/chicc.2017.8028376
  15. Nishat, M. M., Faisal, F., Rahman, M., Hoque, M. A. (2019). Modeling and Design of a Fuzzy Logic Based PID Controller for DC Motor Speed Control in Different Loading Condition for Enhanced Performance. 2019 1st International Conference on Advances in Science, Engineering and Robotics Technology (ICASERT). doi: https://doi.org/10.1109/icasert.2019.8934559
  16. Mohamadwasel, N. B., Bayat, O. (2019). Improve DC motor system using fuzzy logic control by particle swarm optimization in use scale factors. Int. J. Comput. Sci. Mob. Comput, 8 (3), 152–160. Available at: https://ijcsmc.com/docs/papers/March2019/V8I3201926.pdf
  17. Islam, M. T., Karim, S. R., Sutradhar, A., Miah, S. (2020). Fuzzy Logic and PID Controllers for DC Motor Using Genetic Algorithm. International Journal of Control, 10 (2), 37–41. Available at: http://article.sapub.org/10.5923.j.control.20201002.03.html
  18. Singh, R., Kumar, A., Sharma, R. (2016). Fractional Order PID Control using Ant Colony Optimization. 2016 IEEE 1st International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES). doi: https://doi.org/10.1109/icpeices.2016.7853387
  19. A Mohammed Eltoum, M., Hussein, A., Abido, M. A. (2021). Hybrid Fuzzy Fractional-Order PID-Based Speed Control for Brushless DC Motor. Arabian Journal for Science and Engineering, 46 (10), 9423–9435. doi: https://doi.org/10.1007/s13369-020-05262-3
  20. Gobinath, S., Madheswaran, M. (2019). Deep perceptron neural network with fuzzy PID controller for speed control and stability analysis of BLDC motor. Soft Computing, 24 (13), 10161–10180. doi: https://doi.org/10.1007/s00500-019-04532-z
  21. Mu, S., Shibata, S., Yamamoto, T., Nakashima, S., Tanaka, K. (2019). Speed Control of Ultrasonic Motor using a Variable Gain Type PID Control Based on Neural Networks. Proceedings of The 7th International Conference on Intelligent Systems and Image Processing 2019. doi: https://doi.org/10.12792/icisip2019.020
  22. Dat, N. T., Kien, C. V., Anh, H. P. H. (2021). Optimal FOC-PID Parameters of BLDC Motor System Control Using Parallel PM-PSO Optimization Technique. International Journal of Computational Intelligence Systems, 14 (1), 1142. doi: https://doi.org/10.2991/ijcis.d.210319.001
  23. Xie, W., Wang, J.-S., Wang, H.-B. (2019). PI Controller of Speed Regulation of Brushless DC Motor Based on Particle Swarm Optimization Algorithm with Improved Inertia Weights. Mathematical Problems in Engineering, 2019, 1–12. doi: https://doi.org/10.1155/2019/2671792
  24. Kumarasamy, V., Ramasamy, V. K., Chinnaraj, G. (2021). Systematic design of multi-objective enhanced genetic algorithm optimized fractional order PID controller for sensorless brushless DC motor drive. Circuit World, 48 (4), 479–492. doi: https://doi.org/10.1108/cw-07-2020-0137
  25. Shill, P. C., Akhand, M. A. H., Asaduzzaman, MD., Murase, K. (2015). Optimization of Fuzzy Logic Controllers with Rule Base Size Reduction using Genetic Algorithms. International Journal of Information Technology & Decision Making, 14 (05), 1063–1092. doi: https://doi.org/10.1142/s0219622015500273
  26. He, M., Zhang, T., Huang, J., Luo, C. (2020). Speed Control Study of Brushless DC motor Based on Fuzzy Optimization PID. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 768 (4), 042013. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/768/4/042013
  27. Yin, H., Yi, W., Wang, K., Guan, J., Wu, J. (2020). Research on brushless DC motor control system based on fuzzy parameter adaptive PI algorithm. AIP Advances, 10 (10). doi: https://doi.org/10.1063/5.0025000
  28. Premkumar, K., Manikandan, B. V. (2015). Fuzzy PID supervised online ANFIS based speed controller for brushless dc motor. Neurocomputing, 157, 76–90. doi: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2015.01.032
  29. Lotfy, A., Kaveh, M., Mosavi, M. R., Rahmati, A. R. (2020). An enhanced fuzzy controller based on improved genetic algorithm for speed control of DC motors. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 105 (2), 141–155. doi: https://doi.org/10.1007/s10470-020-01599-9
  30. Qi, Z., Shi, Q., Zhang, H. (2020). Tuning of Digital PID Controllers Using Particle Swarm Optimization Algorithm for a CAN-Based DC Motor Subject to Stochastic Delays. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67 (7), 5637–5646. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2019.2934030
  31. Premkumar, K., Manikandan, B. V. (2016). Bat algorithm optimized fuzzy PD based speed controller for brushless direct current motor. Engineering Science and Technology, an International Journal, 19 (2), 818–840. doi: https://doi.org/10.1016/j.jestch.2015.11.004
  32. Hu, H., Wang, T., Zhao, S., Wang, C. (2019). Speed control of brushless direct current motor using a genetic algorithm–optimized fuzzy proportional integral differential controller. Advances in Mechanical Engineering, 11 (11), 168781401989019. doi: https://doi.org/10.1177/1687814019890199
  33. Li, H.-C., Zhou, K.-Q., Mo, L.-P., Zain, A. M., Qin, F. (2020). Weighted Fuzzy Production Rule Extraction Using Modified Harmony Search Algorithm and BP Neural Network Framework. IEEE Access, 8, 186620–186637. doi: https://doi.org/10.1109/access.2020.3029966
  34. Fu, L., Zhu, H., Zhang, C., Ouyang, H., Li, S. (2021). Hybrid Harmony Search Differential Evolution Algorithm. IEEE Access, 9, 21532–21555. doi: https://doi.org/10.1109/access.2021.3055530
  35. Goel, N., Chacko, S., Patel, R. N. (2020). PI Controller Tuning Based on Stochastic Optimization Technique for Performance Enhancement of DTC Induction Motor Drives. Journal of The Institution of Engineers (India): Series B, 101 (6), 699–706. doi: https://doi.org/10.1007/s40031-020-00496-z
Регулювання швидкості двигуна постійного струму на основі ПІД-регулятора підвійної логіки з нечіткою логікою з оптимізацією за допомогою алгоритму Harmony Search

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-08-31

Як цитувати

Khather, S. I., Ibrahim, M. A., & Ibrahim, M. H. (2023). Регулювання швидкості двигуна постійного струму на основі ПІД-регулятора підвійної логіки з нечіткою логікою з оптимізацією за допомогою алгоритму Harmony Search. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (124), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.282830

Номер

Том 4 № 8 (124) (2023): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Salam Ibrahim Khather, Muhammed Abduljaleel Ibrahim, Mustafa Hussein Ibrahim

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.