In this research, the anti-windup techniques for the cascade control system are newly developed. Cascade control system has an additional internal feedback control loop to reject disturbances better than the conventional control system. Remarkable difference between the conventional single-loop control system and the cascade control system is the interaction that the controller output saturation of the secondary control loop strongly affects the integral action of the primary control loop. In industry, local back calculation anti-windup method has been mainly used for each controller without considering the interaction between the two controllers. But it cannot eliminate the integral-windup of the primary controller originated from the saturation of the secondary controller output. To solve the problem, the two anti-windup techniques of the cascade conditional integration and the cascade back calculation are proposed in this research by extending the local anti-windup techniques for the single-loop control system to the cascade control system. Simulation confirmed that the proposed methods can effectively remove the integral windup of the primary controller caused by the saturation of the secondary controller output and show good control performances for various types of processes and controllers. If the reliability of the proposed methods is proved through the applications to real processes in the future, they would highly contribute to improving the control performances of the cascade control system in industry.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.57
no.12
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pp.2322-2329
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2008
In this study, we introduce the design methodology of an optimized fuzzy cascade controller with the aid of particle swarm optimization(PSO) for ball & beam system. The ball & beam system consists of servo motor, beam and ball, and remains mutually connected in line in itself. The ball & beam system determines the position of ball through the control of a servo motor. We introduce the fuzzy cascade controller scheme which consists of the outer(1st) controller and the inner(2nd) controller as two cascaded fuzzy controllers, and auto-tune the control parameters(scaling facrors) of each fuzzy controller using PSO. For a detailed comparative analysis from the viewpoint of the performance results and the design methodology, the proposed method for the ball & beam system which is realized by the fuzzy cascade controller based on PSO, is presented in comparison with the conventional PD cascade controller based on serial genetic alogritms.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.19
no.3
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pp.329-336
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2009
In this paper, we propose the design of an optimized fuzzy cascade controller for rotary inverted pendulum system by means of Hierarchical Fair Competition-based Genetic Algorithms (HFCGA) which is a kind of parallel genetic algorithms. The rotary inverted pendulum system is the system for controlling the inclination of pendulum axis through the adjustment of rotating arm. The control objective of the system is to control the position of rotating arm and to make the pendulum maintain the unstable equilibrium point of vertical position. To control rotary inverted pendulum system, we designs the fuzzy cascade controller scheme consisted of two fuzzy controllers and optimizes the parameters of the designed controller by means of HFCGA. A comparative analysis between the simulation and the practical experiment demonstrates that the proposed HFCGA based fuzzy cascade controller leads to superb performance in comparison with the conventional LQR controller as well as HFCGA based PD cascade controller.
In this paper, a new identification method of the cascade control system is proposed which can overcome the weak points of Krishnaswamy and Rangaiah(1987)'s method. This new method consists of two steps. One is on-line process identification using the numerical integration to approximate the two process dynamics with a high order linear transfer function. The other is a model reduction technique to derive out low order transfer function(FOPTD or SOPTD) from the obtained high order linear transfer function to tune the controller using usual tuning rules. While the proposed method preserves the advantages of the Krishnaswamy and Rangaiah(1987)'s method, it has such a simplicity that it requires only measured input and output data and simple least-squares technique. Simulation results show that the proposed method can be a promising alternative in the identification of cascade control systems.
This paper deals with the robust speed regulation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) that is subject to parametric uncertainties and external disturbances. The proposed approach retains a conventional cascade control configuration composed of an outer-loop speed control module and inner-loop current control modules. Baseline proportional-integral (PI) controllers are designed for nominal modular systems without accounting for the uncertainties to set a desired control performance of the closed-loop system. After studied in both frequency and time domains, a reduced-order proportional-integral observer (PIO), as a modular disturbance observer, is incorporated with each control module to maintain the ideal performance of the modules. Theoretical analysis confirms the desired performance recovery of the augmented system with modular PIOs to the nominal system. Comparative computer simulations and experimental results validate the proposed cascade control method for SPMSM speed regulation.
This paper reports the single-input-single-output cascade control by using 1-axis attitude control test-bench for quad-rotor UAV. The test-bench was designed as a see-saw shape using 2 motors and propellers, and to enable changing the center of gravity with the center of gyration using ballast. The experiment was carried out by constructing a PID-PID controller having a cascade structure with the test-bench. The SIMC based PID gain tuning process, which makes PID gain tuning easy, was grafted to cascade control. To graft SIMC method, the system parameter estimation result was conducted with second order time delay model by using Matlab-Simulink. Gain tuning was conducted by simulating with estimated system parameter. In this paper, the conventional application of SIMC was conducted and improved application was proposed for improving stability at tuning process.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.59
no.5
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pp.972-980
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2010
In this study, we introduce the design methodology of an optimized type-2 fuzzy cascade controller with the aid of hierarchical fair competition-based genetic algorithm(HFCGA) for ball & beam system. The ball & beam system consists of servo motor, beam and ball, and remains mutually connected in line in itself. The ball & beam system determines the position of ball through the control of a servo motor. Consequently the displacement change of the position of the moving ball and its ensuing change of the angle of the beam results in the change of the position angle of a servo motor. The type-2 fuzzy cascade controller scheme consists of the outer controller and the inner controller as two cascaded fuzzy controllers. In type-2 fuzzy logic controller(FLC) as the expanded type of type-1 fuzzy logic controller(FLC), we can effectively improve the control characteristic by using the footprint of uncertainty(FOU) of membership function. The control parameters(scaling factors) of each fuzzy controller using HFCGA which is a kind of parallel genetic algorithms(PGAs). HFCGA helps alleviate the premature convergence being generated in conventional genetic algorithms(GAs). We estimated controller characteristic parameters of optimized type-2 fuzzy cascade controller applied ball & beam system such as maximum overshoot, delay time, rise time, settling time and steady-state error. For a detailed comparative analysis from the viewpoint of the performance results and the design methodology, the proposed method for the ball & beam system which is realized by the fuzzy cascade controller based on HFCGA, is presented in comparison with the conventional PD cascade controller based on serial genetic algorithms.
Tummaruckwattana, S.;Pannil, P.;Chaikla, A.;Tirasesth, K.
제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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2004.08a
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pp.268-271
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2004
This paper describes the development of a fuzzy logic control based on PID controller to improve the performances of the control system using conventional PID controller for the cascade process control systems. The structure of the proposed control system consists of two fuzzy-based PID controllers. One is used to eliminate the input disturbances of the inner loop and the other is used to regulate output response of the outer loop. The fuzzy PID design is derived from the linear-time continuous function of the conventional PID controller. The performance of the proposed controller is verified by MATLAB/SIMULINK simulation. Results of simulation studies demonstrates the outstanding of the control system using fuzzy-based PID controller in terms of reduced overshoot and fast response compared with the conventional PID controller.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.22
no.2
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pp.206-215
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2013
In this paper, a synchronization control technique of dual-servo motor driven press system is proposed. An independent cascade PID control technique has been applied to the conventional press system for advancement of control stability. However, it is not easy to reduce synchronous error using the independent cascade PID control technique when some different load disturbances are involved in each motor. The eccentric error of the slide caused by the problem degrade the control performance of the BDC(Bottom Dead Center). In order to achieve reduction of the synchronous error between two servo motors and accurate position control simultaneously, a new control scheme comprised with cascade PID control loop and cross-coupling loop is proposed. In simulation using Matlab SIMULINK, the AC servo system is designed. The control performance of proposed technique is compared with conventional control technique to the model of AC servo system. Also, the sub-scale model of dual-servo motor driven press system which can replicate the slide motion is constructed for experimental verification for the performance of the proposed control technique. The cross-coupling control technique reveals more precise and stable performances in the position and synchronization controls.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.58
no.2
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pp.391-398
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2009
In this study, we introduce the design methodology of an optimized fuzzy cascade controller with the aid of hierarchical fair competition-based genetic algorithm(HFCGA) for ball & beam system. The ball & beam system consists of servo motor, beam and ball, and remains mutually connected in line in itself. The ball & beam system determines the position of ball through the control of a servo motor. The displacement change the position of ball leads to the change of the angle of the beam which determines the position angle of a servo motor. Consequently the displacement change of the position of the moving ball and its ensuing change of the angle of the beam results in the change of the position angle of a servo motor. We introduce the fuzzy cascade controller scheme which consists of the outer(1st) controller and the inner(2nd) controller as two cascaded fuzzy controllers, and auto-tune the control parameters(scaling factors) of each fuzzy controller using HFCGA. The inner controller controls the position of lever arm which corresponds to the position angle of a servo motor and the outer controller decides the set-point value of the inner controller. HFCGA is a kind of parallel genetic algorithms(PGAs), and helps alleviate the premature convergence being generated in conventional genetic algorithms (GAs). For a detailed comparative analysis from the viewpoint of the performance results and the design methodology, the proposed method for the ball & beam system which is realized by the fuzzy cascade controller based on HFCGA, is presented in comparison with the conventional PD cascade controller based on serial genetic algorithms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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