A Cascade PID Controller Design with Cuckoo Optimization Algorithm (COA) and Input Shaping (IS)

Year 2024, EARLY VIEW, 1 - 1

Büşra Yalçıner Durukan , Halit Murat Durukan , İlyas Çankaya

https://doi.org/10.2339/politeknik.1455979

Abstract

From past to present, Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers stand out as the most widely used types of controllers. Due to the high-performance requirements, experimentally determined controller coefficients necessitate the application of modern optimization techniques. In this study, Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick, and Cohen-Coon methods, which allow parameter calculation through the open-loop system's step response method, were compared with the Cuckoo Optimization Algorithm for PID controllers designed for a brush-commutated DC motor with unknown parameters in the Matlab environment. The comparison was based on Integral of Absolute Error (IAE), Integral of Square Error (ISE), Integral of Time-weighted Absolute Error criterion. Similarly, the performance of the Cuckoo Algorithm was discussed in terms of stability margins and stability peaks. In this comparison, it was observed that the PID controller optimized with the Cuckoo Algorithm operated with high proportional and integral coefficients to minimize the cost function, resulting in overshoot in the system response. Input shaping, a commonly used method in open-loop control of both brushed and brushless DC motor systems, was integrated into the system to mitigate this overshoot. The hybrid controller achieved the best performance in terms of IAE, ISE and ITAE in the system response, with less overshoot compared to the other mentioned methods.

Keywords

Cuckoo optimization algorithm, PID controller, Input shaping, Classical controllers

Guguk Kuşu Optimizasyon Algoritması (COA) ve Giriş Şekillendirme (IS) ile Kaskat Bir PID Kontrolcü Tasarımı

Abstract

Geçmişten günümüze en çok kullanılan kontrolcü tiplerinin başında Oransal-Toplamsal-Türevsel (PID) gelmektedir. Katsayıları deneysel yöntemlerle hesaplanmış kontrolcüler, yüksek performans gereksinimleri sebebiyle modern optimizasyon tekniklerine ihtiyaç duymaktadır. Bu çalışma kapsamında, açık döngü sistemin adım cevabı yöntemiyle parametre hesabı yapılabilen Ziegler-Nichols (ZN), Chien-Hrones-Reswick (CHR) ve Cohen-Coon (CC) yöntemleri ile Guguk Kuşu Optimizasyon Algoritması (COA), parametreleri bilinmeyen fırçalı bir DA motor için tasarlanacak PID kontrolcüler üzerinden Toplam-Mutlak-Hata (IAE), Toplam-Karesel-Hata ve (ISE, Toplam- Zaman ağırlıklı-Mutlak Hata (ITAE) referans alınarak Matlab ortamında karşılaştırılmıştır. Benzer şekilde, kararlılık payları ve hassasiyet tepesi açısından Guguk Kuşu Algoritmasının performansı tartışılmıştır. Bu kıyaslamada, Guguk Kuşu yöntemiyle optimize edilen PID kontrolcünün, maliyet fonksiyonunu minimize etmek için yüksek oransal ve toplamsal katsayı ile çalıştığı ve sonucunda sistem cevabında aşıma sebebiyet verdiği gözlemlenmiştir. Açık döngü fırçalı ve fırçasız DA motor kontrolünde sıklıkla kullanılan bir yöntem olan giriş şekillendirme, oluşan bu aşımı azaltmak için sisteme entegre edilmiştir. Bu hibrit kontrolcü ile sistem cevabında IAE, ISE ve ITAE açısından en iyi performans elde edilmiş olup, bahsedilen diğer yöntemlere kıyasla daha az aşım olduğu gözlemlenmiştir.

Keywords

Guguk Kuşu Algoritması, PID kontrolör, Giriş şekillendirme, Klasik kontrolcüler

References

• [1] Sheel D. S. and Gupta O., “New Techniques of PID Controller Tuning of a DC Motor—Development of a Toolbox”, MIT International Journal of Electrical and Instrumentation Engineering, 2(2):65-69, (2012).
• [2] Gidemen G. and Furat M., “PID Parametrelerinin Ayarlama Yöntemleri: 2. Derece Sistem Modeline Uygulanması ve Karşılaştırmalı Olarak Değerlendirilmesi”, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 30(2): 355-362, (2015).
• [3] Barbosa R. S. and Jesus I. S., “Optimization of Control Systems by Cuckoo Search” ,CONTROLO’2014 – Proceedings of the 11th Portuguese Conference on Automatic Control, 321:21-23, (2014).
• [4] Verma P., Patel N., Nair N.-K. C., and Sikander A., “Design of PID controller using cuckoo search algorithm for buck-boost converter of LED driver circuit”, 2016 IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference (SPEC), Auckland, New Zealand: IEEE, 1–4,(2016).
• [5] Jagindar Singh K. S. M., Elamvazuthi I., Shaari K. Z. K., and Lima F. V., “PID tuning control strategy using Cuckoo search algorithm for pressure plant”, 6th International Conference on Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE, 1–6, (2016).
• [6] Bingul Z. and Karahan O., “A novel performance criterion approach to optimum design of PID controller using cuckoo search algorithm for AVR system”, Journal of the Franklin Institute, 355(13):5534–5559, (2018).
• [7] Koçaslan I., Üser Y., and Köse U., “Hybrid Particle Swarm Optimization and Grey Wolf Optimizer For Setting PID Parameters of BLDC Motors”, International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 7(2):295–302, (2023).
• [8] Gniadek M. and Brock S., “Basic Algorithms of Input Shaping Autotuning”, MM Science Journal, vol. 2015, no. 03, 627–630, (2015).
• [9] Brock S. and Gniadek M., “Analysis of input shaping and PID-controller interaction structures for two-mass systems”, Proceedings of the 16th International Conference on Mechatronics - Mechatronika 2014, Brno, Czech Republic: IEEE, 625–630, (2014).
• [10] Rajabioun R., “Cuckoo Optimization Algorithm”, Applied Soft Computing, 11(8): 5508–5518, (2011).