Robust PID Controller

download Robust PID Controller

of 12

Transcript of Robust PID Controller

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    1/28

    Robust PID Controller Designfor Nonlinear Systems  

    Part II 

    Amin Salar 

    8700884 

    Final Project 

    Nonlinear Control Course  – Dr H.D. Taghirad 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    2/28

    About the Project In  part  one  we  discussed  about  auto‐tuning  techniques  for  PID  controllers,  and  a  number  of  

    frequency response methods have been introduced, such as: 

    •  Prototype Frequency Response Approach (Nonparametric) 

    •  Parametric Approach 

    • 

    Using Finite Number of  Frequency Response Data In  the  first two topics which have been mentioned above we explained two ways  for  finding PID 

    parameters to control nonlinear systems, after searching through the  internet we found that  like 

    authors in [1] said, most of  the tuning methods mentioned in papers and articles are only suitable 

    to linear systems. They introduced a fuzzy modeling approach for nonlinear ones. 

    So  in part 2 of   the project we will  explain  this  technique  that  is one of   the  few main ways  for 

    designing PID  controllers  for nonlinear  systems, and we will  show  the  results of  our  simulations 

    with simulink software. 

    Abstract The  design  problem  of   proportional  and  proportional‐plus‐integral  (PI)  controllers  design  for 

    nonlinear systems via fuzzy modeling approach is studied in this chapter. First, the Takagi–Sugeno (T–S) fuzzy model with parameter uncertainties is used to approximate the nonlinear systems. Then 

    a numerically tractable algorithm based on  the  technique of   iterative  linear matrix  inequalities  is 

    developed to design a proportional (static output feedback) controller for the robust stabilization 

    of  the system in T–S fuzzy model. Third, we transform the problem of  PI controller design to that of  

    proportional controller design for an augmented system and thus bring the solution of  the former 

    problem into the configuration of  the developed algorithm. Finally, the proposed method is applied 

    to  the  design  of   robust  stabilizing  controllers  for  the  excitation  control  of   power  systems. 

    Simulation results show that the transient stability can be improved by using a fuzzy PI controller, 

    compared  to  the  conventional  PI  controller  designed  by  using  linearization method  around  the 

    steady state. 

    I. INTRODUCTION 

    Despite the developments of  various kinds of  modern or postmodern control theories, such as LQG 

    or LQR optimal control, control, and analysis and synthesis, classical proportional‐plus‐integral (PI) 

    or proportional‐plus‐integral‐ derivative  (PID) controllers are widely used  in  industry due to their 

    relatively simple structure,  ready‐in‐hand  implementation, and perhaps, being easily understood. 

    Therefore, it is often the case that in practical applications one first considers PID controllers unless 

    evidence shows that they are  insufficient to meet specifications. Because of  the popularity of  PID 

    controllers in the real world, many approaches have been developed to determine the parameters 

    of  PID controllers. The first systematic tuning method for PID parameters was proposed by Ziegler 

    and Nichols  in  the  early  1940s.  Then  came  the well‐known  formulae  such  as  the  Cohen–Coon 

    method,  integral  absolute  error  (IAE)  optimum method,  integral  time‐weighted  absolute  error (ITAE)  optimum method,  internal model  control  (IMC) method,  and  relay  auto‐tuning method. 

    Recently,  many  modified  tuning  methods  have  also  been  proposed  associated  with  different 

    performance specifications or different methods used accordingly. 

    Feng Zheng, Qing‐Guo Wang, Tong Heng Lee, and Xiaogang Huang  in  [1], declared that all of  the 

    aforementioned  tuning  methods  are  only  suitable  to  linear  systems  and  introduced  a  fuzzy 

    modeling  approach  for  nonlinear  ones  (which  we  are  going  to  explain)  but  in  some  articles 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    3/28

    including [2] authors introduced a way for “Robust self ‐tuning PID controller for nonlinear systems” 

    which I have explained completely in the first part of  my project. 

    But  it  is  true  that compared with  the voluminous  references on  tuning PID controllers  for  linear 

    systems,  few  results have been  reported  in  the  literature on PID  controller  tuning  for nonlinear 

    systems.  Indeed, many  industrial  processes  can  be  approximated  sufficiently well  in  concerned 

    operating  region  of   state  space  by  linear  systems.  However,  many  other  plants  exist  whose 

    dynamics must  be  described  by  nonlinear  systems.  Therefore,  it  is  highly  desirable  to  develop 

    effective methods to determine the parameters of  PID controllers for nonlinear systems. As I said 

    so apart  from  the above works,  the only  reference discussing  this problem  is  the monograph by 

    Freeman and Kokotovic [3], where backstepping and control Lyapunov function methods are used 

    to design PI control, but it is supposed that all state variables are available. In this chapter as told 

    before, we will try to take a different approach to design PI controllers for nonlinear systems. As 

    shown later, our controllers will use output variables only or partial state variables. 

    As in the design methodologies of  many other types of  controllers, a crucial step for the design of  

    PID controllers is the modeling of  the nonlinear plants. Since the 1980s, fuzzy technique has been 

    widely adopted to model complex nonlinear plants. The so‐called T–S or T–S–K  fuzzy model,  first 

    proposed by Takagi and Sugeno [4] and further developed by Sugeno and Kang [5], is one of  most 

    successful models in this direction. The basic idea in this approach is first to decompose the model 

    of  a nonlinear system or other kinds of  complex systems into linear systems in accordance with the 

    cases  for which  linear models are  suitable  to describe and  then  to aggregate  (fuzzy blend) each 

    individual  model  (linear  model)  into  a  single  nonlinear  model  in  terms  of   their  membership 

    function. Thus,  the  relatively  complex  consequence part  allows  the number of   fuzzy  rules  (local 

    models) to be quite small in many applications. Consequently, the T–S fuzzy model is less prone to 

    the  curse of  dimensionality  than other  fuzzy models. As  is well  known,  the  key problem  in  this 

    approach is to what degree the nonlinear system can be approximated by a convex (fuzzy) blending 

    of  several  linear systems. Theoretical  justification of  T–S fuzzy model as a universal approximator 

    has been given by Wang and Mendel [6]. Now T–S model has found wide applications in the control 

    of   complex  systems,  e.g.,  in  the  control  of   robot manipulators  and  time  delay  systems.  In  this chapter, we will  apply  T–S  fuzzy modeling  approach  to  the  design  of   robust  PI  controllers  for 

    nonlinear systems. This chapter  is organized as follows. The problem formulation  is  introduced  in 

    Section  II.  In  Section  III,  proportional  (static  output  feedback)  controller  design  for  nonlinear 

    systems using T–S fuzzy models is presented. PI controller design for nonlinear systems is given in 

    Section  IV. A numerical example  is provided  in Section V  to show  the design procedure and  the 

    effectiveness of  the proposed method. Finally, concluding remarks are drawn in Section VI. 

    II. PROBLEM FORMULATION Consider the following uncertain nonlinear system: 

    , Δ, , ,   (1) Where    vector of  state variables    vector of  control inputs    vector of  outputs   vector of  uncertain parameters which is restricted to a prescribed bounding set     nonlinear functions of  (x,t), representing the nominal model of  the system under consideration, are continuously differentiable with respect to (x,t) 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    4/28

    Δ  represents the model uncertainties    constant matrix Ignoring the uncertainty term, we obtain the nominal model of  the system (1) as follows:  , ,

     (2),(3) 

    To deal with  the problem  for  the  system  (2)  to  run  at different operating points or  in different 

    conditions, Takagi and Sugeno [4] proposed an effective method to represent the system (2). The 

    main feature of  a T–S fuzzy model is to express the  join dynamics of  each fuzzy implication (rule) by 

    a linear system. The i th rule of  the T–S fuzzy model is of  the following form. 

    Plant  

    Rule 

    i  

    (i=1,…,p):  IF θ1 is μi1 and … and θp is μip THEN   Where θ j(x) (j=1,…,p) are the premise variables, which are functions of  state variables x;  μij (i=1,…r 

    ,j=1,…,p  ) are  fuzzy  sets;  r  is  the number of   the  IF–THEN  rules; p  is  the number of   the premise 

    variables;  and Ai  and Bi are  constant matrices of   compatible dimensions.  It  is  assumed  that  the 

    premise variables are  independent of  the input variables u(t). The overall fuzzy model  is achieved 

    by fuzzy blending (aggregation) of  each individual rule (model) as follows: 

    ∑ ∑   (4) Where  θ =  [θ1  ,…,  θp],  and  ωi: Rp  ‐‐>  [0,1],  i=1,…,r,  are  the membership  function of   the  system belonging to plant rule i. 

    Define  ∑  The system (4) admits the following form: 

      (5) 

    with the constraints 

    0, ∑ 1  (6) Stripping off  the fuzzy cover of  system (5), one can see that the model (5) is nothing but the convex combination of  several  linear systems.  It has been shown  [6],  [7]  that a nonlinear system can be 

    approximated by means of  the above fuzzy basis functions to desired accuracy inside an arbitrarily 

    large compact subspace of  Rn. 

    Correspondingly, we  can model  uncertain nonlinear  system  (1)  as  the  following  uncertain  fuzzy 

    system: 

    Plant  

    Rule 

    i  

    (i=1,…,r):  IF θ1 is μi1 and … and θp is μip THEN  Δ,,  (7) where ΔAi represents the uncertainties in system matrix. We assume that ΔAi  admits the following 

    form:  Δ, , Τ, ,  1 , 2 , … ,  (8) where Di and Ei are known real constant matrices of  dimensions nxnDi and nEixn, respectively, and 

    the  uncertainty  Ti(x,t,ξ),  an  unknown matrix‐valued  function  of   (x,t,ξ),  belongs  to  the  following 

    bounded set: Γ , , : |, ,| 1     1 , 2 , … ,   (9) Fuzzy blending of  each individual model yields the overall fuzzy model as follows: 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    5/28

    ∑ Δ, ,   (10) Here, the output equation is also added into the overall model for the convenience of  later citation. 

    We assume that all the triples (Ai, Bi, C), ‐=1,2,…,r , are controllable and observable. 

    It  should  be  noted  that  the  parameter  uncertainty  structure  in  (8)  and  (9)  describes  how  the 

    uncertainties enter  the  system model and has been widely used  in  the  study of   the problem of  

    robust  stability  and  stabilization  of   uncertain  linear  systems  and  it  can  represent  parameter 

    uncertainty  in many  physical  cases.  Actually,  any  norm‐bounded  parameter  uncertainty  can  be 

    expressed in the form of  (8) and (9). Our objective in this chapter is to design a PI controller of  the 

    following form:    (11) such that the closed loop system (10) and (11) is asymptotically stable, where FP and FI are constant 

    matrices. 

    Controller (11) is an  ideal PI controller. Readers are referred to [8] for how to change the  ideal PI 

    controllers  into practical ones and  the relationships between  the parameters of  the two kinds of  

    controllers. 

    III. 

    PROPORTIONAL 

    CONTROL 

    In this section, we first study the stabilization of  system (10) by a proportional controller,  i.e., by 

    the following controller:    (12) where F is a constant matrix. To do this, we need the following proposition. 

    Proposition 

    1: System (10) is asymptotically stabilized via controller (12) if  there exists a matrix such 

    that the following matrix inequalities hold:  Δ   Δ 0 , , Γ   , 1,2, … ,   (13) Proof: First notice  that system  (10)  is asymptotically stabilized via controller  (12)  if  there exists a 

    matrix P>0 such that  Δ   Δ 0 , , Γ   , 1,2, … ,   (14) To  show  this  claim, we  choose V(x):=x

    TP‐1x(t)  as a  Lyapunov  function  candidate  for  system  (10). 

    Since Гi is a closed set and r is finite, there exists a positive definite matrix Q 0 such that  Δ   Δ  , , Γ  , 1,2, … ,  if  matrix inequality (14) holds. Then, noticing the fact that αi(x)≥0 , i=1,2,..,r , and ∑ 1 , we have 

     

     

        Δ   Δ     Thus follows the claim. 

    Now,  following  the  same  procedure  as  the  proof   of   [9,  Theorem  1], we  can  prove  that matrix 

    inequality (14) holds if  and only if  matrix inequality (13) holds. This completes the proof. 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    6/28

    Theorem 

    1:  Consider  the  uncertain  nonlinear  system  (10).  Suppose  there  exist positive  definite 

    matrices  P,  a  matrix  F,  and  positive  numbers  εi  ,  i=1,2,…,r  ,  such  that  the  following  matrix 

    inequalities hold:  0  1 , 2 , … ,

      (15) 

    Then, system (10) can be robustly stabilized by controller u(t)=Fy(t). 

    To prove this theorem, we need the following lemma. 

    Lemma 

    1: 

    Let D, E, and T be  real matrices of  appropriate dimensions with T  satisfying ||T||≤1. 

    Then for any real number ε>0, we have    (16) Proof: The assumption ||T||≤1 leads to I-TT

    T≥0, which again yields the following inequality: 0 

    by applying Schur complements [10]. Then, for any two real numbers ε1 and ε2 we will have  0  (17) If  ε1ε2=1, the inequality (17) will be of  the following form: 

    0 which is equivalent to the inequality (16). 

    From (8) and (9) and applying Lemma 1, we have Δ Δ , , , ,  where  εi, i=1,2,…,r , are real positive numbers. Thus, it follows that matrix  inequalities (13) hold  if  

    so do matrix inequalities (15). Applying Proposition 1, we arrive at this theorem. 

    One cannot directly use matrix  inequalities  (15) to calculate  the  required  feedback matrix due to 

    the  existence  of   the  term  ‐PBBTP  in  (15),  which makes  the  solution  of   (15)  very  complicated. 

    Neither  is  it  convex, nor  can  it be  transformed  into a  convex problem  in  the  space of  unknown 

    parameters  (P,F,  εi,  i=1,2,…,r).  In  [9],  an  iterative  linear matrix  inequality  (ILMI)  algorithm was developed to solve the similar problem. Following the same idea as in [9], we can also develop an 

    ILMI algorithm to solve matrix inequalities (15), which is summarized in the sequel. 

     Algorithm 1 (ILMI  Algorithm  for  Proportional  Nonlinear  Controllers): 

    • Initial  data: systems state space parameters (Ai, Bi, Ci, Di, Ei, i=1,2,…,r) 

    • Step 1. Choose P0>0. Set  j=1 and X1=P0. 

    • Step 2. Solve the following optimization problem for P j, F, and α j . 

    OP1: Minimize subject to the following LMI constraints 

    Σ 0 0

    0  (18)  0 1 , 2 , … ,   (19) Where  Σ    

    Denote by α* j the minimized value of  α j. 

    • Step 3.If  α* j≤0, the obtained matrices (Pj, F, εi, i=1,2,…,r) solve the problem. Stop. Otherwise go to 

    Step 4. 

    • Step 4.Solve the following optimization problem for Pj, F and εi, i=1,2,…,r . 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    7/28

    OP2: Minimize tr(P j) subject to LMI constraints (18) and (19) with  α j =α

    * j, where tr stands for the 

    trace of  a square matrix. Denote by P* j the optimal P j. 

    • 

    Step 

    5.  If  ||Xj‐ P* j ||

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    8/28

    Δ, ,  i.e. 

       Δ  , ,  Where        0 0, 0  Δ  , , , , 

    0 0 Define 

    0 1  And denote   : 0,   : 0 ,   :      , :  Then  the  problem  of   PI  controller  design  for  system  (10)  is  reduced  to  that  of   proportional 

    controller design for the following system: 

       Δ  , ,

       Thus, the feedback matrices FP and FI can be calculated by applying Algorithm 1 to system (22). 

    In the case where all Bi , i=1,2,…,r  , are equal, the following kind of  controller can be also designed 

    by applying Algorithm 1 and Theorem 2: 

       V. NUMERICAL EXAMPLE: EXCITATION CONTROL OF POWER SYSTEMS Most existing excitation controllers of  power systems are designed by application of  linear control 

    theory to the approximate linearized models of  power systems. Thus, they work well only when the 

    disturbance caused by faults in the systems is relatively small. Under large disturbance, the systems 

    might be out of  synchronization. In this section, we will apply the results obtained in the previous 

    sections  to the design of  excitation controllers  for a  thermal  turbine synchronous generator. The 

    simplified  dynamical  model  of   the  single‐machine  infinite‐bus  power  system  with  a  silicon‐

    controlled rectifier direct excitor is as follows:   2  

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    9/28

       1 Where 

    c os .   sin   where  δ is  the  angular  position  of   the  rotor  of   generator  (G) with  respect  to  a  synchronously 

    rotating  reference, which  is selected here  to be  the  infinite bus;  ω is  the angular velocity of   the 

    rotor;  Pe  and  Pm  are  the  active  power  and  mechanical  power  of   G,  respectively,  Eq  is  the 

    electromotive  force  (EMF)  in  the  q‐axis  of   G;  E’q  is  transient  EMF  in  the  q‐axis  of   G;  Ef   is  the 

    equivalent  EMF  in  the  excitation winding  of  G;  xd  is  the  d‐axis  reactance  of  G;  x’d  is  the  d‐axis 

    transient reactance of  G; xT and xL are the reactances of  the transformer and the transmission line, 

    respectively xd∑ = xd + xT + xL, x’d∑ = x’d + xT + xL , xad is the mutual reactance between the excitation 

    winding and the stator winding; Rf  is the resistance of  the excitation winding; kA  is the gain of  the 

    amplifier, Vs is the bus voltage; u is the control input; and h(t) denotes the external disturbance. 

    Suppose δ0 is the value of  δ under steady operating condition. For this δ0 , let  sin  1 cos 

     

    Define new state variables and control input as       Δ  The dynamical model of  the power system (23) can be rewritten as  2 :   sin sin cos :

    cos

    Δ : (24) The parameters of  the system are as follows: f 0 = 50 Hz  ω0 = 1 p.u.  δ0 = 60

    o  H = 8 s  D = 0.8  Pm = 0.79 p.u. 

    Vs = 1 p.u.  xd =1.5 p.u.  x’d = 0.3 p.u.  xad = 1.3 p.u.  xL = (0.8+ΔxL) p.u.  ΔxL = 0.0008 p.u. 

    xT = 0.01 p.u.  kA = 10  Td0 = 3 s  Rf  = 0.0045 p.u. 

    These parameters yield 

    E’q0 = 1.2723 p.u.  u0 = 7.2942*10^‐4 p.u. 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    10/28

    10 

    Notice that all parameters except xL are supposed to be known here. The parameter xL is supposed 

    to  have  some  perturbation.  The  reason why we  choose  the  perturbation  in  xL  to  illustrate  the 

    robustness of  our controller  is that xL  is one of  the system parameters which are most uncertain 

    and difficult to measure. 

    Generally,  the  state  variable  δ is  difficult  to measure. Hence,  the  system output  equation  is  as 

    follows: 

    0 1 00 0 1 The  physical  limit  of   the  excitation  voltage  leads  to  the  constraint  on  the  control  input  Δu  as follows:  | Δ| 3.0 . . Or equivalently  0.0018 . . Δ 0.00031 . . The  local  fuzzy models of   the  system  are obtained  through  the  linearization of   the  system  (24) 

    around the points x1 = [‐30, 0, 0]T , x2 = [0, 0, 0]

    T and x3 = [+30, 0, 0]

    T, respectively. In terms of  IF–

    THEN rules, the fuzzy models admit the following form: 

    Rule 1. IF x1 (or δ ) is small (i.e., x1 is about ‐30o , or equivalently, δ is about 30

    o ) THEN    Δ Δ 

    Rule 2. IF x1 (or δ ) is middle (i.e., x1 is about 0o , or equivalently, δ is about 60

    o ) THEN    Δ Δ 

    Rule 3. IF x1 (or δ ) is large (i.e., x1 is about +30o , or equivalently, δ is about 90

    o ) THEN    Δ Δ 

    where ΔAi (i=1,2,3 ) account for the parameter perturbation in xL . By using Teixeira–Zak’s formula 

    [12] 

       

      ||||   0 0 

      1,2,3, 1,2,3 matrices Ai and Bi are obtained as follows (noticing that we set ΔxL=0 while solving Ai and Bi ):   0 314.16 00.1002 0.1 0.05630.2519 0 0.6937 

      0 314.16 00.1009 0.1 0.09750.3121 0 0.6937   0 314.16 00.085 0.1 0.11260.3441 0 0.6937 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    11/28

    11 

    00962.963 There  are  many  options  to  assign  membership  functions.  For  the  sake  of   convenience  in 

    computation, we select triangular function as our membership functions, which are 

    1 63 3 6   6 3 0 3  

    0 3 3

    2

    3

      3 2 

    1 2

     

    1  

    Figure 

    Membership 

    functions 

    of  

    the 

    fuzzy 

    models 

    for 

    power 

    system 

    (24). 

    Since the right hand side of  the first equation of  the power system (24)  includes no uncertainties 

    and it is also linear function of  the state variables, we let the first row of  ΔAi be zero. To account for 

    the parameter perturbation  and  approximation error  caused by  linearization, we  let  the  second 

    and third rows be 0.1% times the corresponding elements of  ΔAi i.e. Δ 0 0 00.1002 0.1 0.05630.2519 0 0.6937 1 0 

    Δ 0 0 00.1009 0.1 0.09750.3121 0 0.6937 1 0 

    Δ 0 0 00.085 0.1 0.11260.3441 0 0.6937 1 0 Since  B1=B2=B3,  we  can  use  Theorem  2  combined  with  Algorithm  1  to  calculate  the  feedback 

    matrices of  proportional and PI controllers, which are as follows. For proportional controller  0.0398 0.0071 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    12/28

    12 

    0.0353 0.0065  0.0212 0.0027 

     

    For PI controller  0.0163 0.0021  0.0037 0.0125  0.0171 0.0028  0.0028 0.0125  0.0241 0.0033  0.005 0.0125 

     

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    13/28

    13 

    Simulations 

    with 

    Simulink 

    1) With Proportional control and switching A1, A2 and A3, according to x1 we have: 

    x2 & x3 scope

    x scope

    u scope

    u

    MATLAB

    Function

    Switch3

    Switch 2

    Switch 1

     A3x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A3x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A3x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2x1 scope

     A2x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    14/28

    14 

    X1: Yellow  X2: Pink  X3: Blue 

    Figure 2)  X1: Yellow  X2: Pink  X3: Blue  for P controller with switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    15/28

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    16/28

    16 

    The input u: 

    Figure 

    4) 

    input 

    for 

    controller 

    with 

    switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    17/28

    17 

    2) With Proportional plus Integral control and switching A1, A2 and A3, according to x1 we have: 

    y

    MATLAB

    Function

    x2 & x3 scope

    x scope

    u scope

    alfaiFij *(y/s)Matrix

    Multiply

    alfa 3Fi3

    alfa 2Fi2

    alfa 1Fi1

    alfa

    MATLAB

    Function

    Switch3

    Switch 2

    Switch1

    Pu

    MATLAB

    Function

    Integrator 2

    1s

    Integrator 1

    1

    s

    Fi3

    [.005 -.0125 ]

    Fi2

    [-.0028 -.0125 ]

    Fi1

    [-.0037 -.0125 ]

     A3 x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A3 x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A3 x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2 x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2 x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A2 x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    18/28

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    19/28

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    20/28

    20 

    The input u: 

    Figure 7) input u for P controller with switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    21/28

    21 

    3) With Proportional control and without switching A1, A2 and A3 we have: 

    x

    u

    MATLAB

    Function

    Pu

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x1

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    22/28

    22 

    X1: Yellow  X2: Pink  X3: Blue 

    Figure 

    8) 

    X1: 

    Yellow 

    X2: 

    Pink 

    X3: 

    Blue 

    for 

    controller 

    without 

    switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    23/28

    23 

    The input u: 

    Figure 9) input u for P controller without switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    24/28

    24 

    4) With Proportional plus Integral control and without switching A1, A2 and A3 we have: 

    MATLAB

    Function

    y

    x scopeu scope

    Matrix

    MultiplyalfaiFij*(y/s)

    alfa3Fi3

    alfa2Fi2

    alfa1Fi1

    MATLAB

    Function

    alfa

    MATLABFunction

    Pu

    1

    s

    Integrator2

    1

    s

    Integrator1

    [.005 -.0125]

    Fi3

    [-.0028 -.0125]

    Fi2

    [-.0037 -.0125]

    Fi1

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x3

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x2

    x' = Ax+Bu

     y = Cx+Du

     A1x1

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    25/28

    25 

    X1: Yellow  X2: Pink  X3: Blue 

    Figure 10) X1: Yellow  X2: Pink  X3: Blue  for PI controller without switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    26/28

    26 

    The input u: 

    Figure 11) input u for PI controller without switching 

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    27/28

    27 

    VI. CONCLUDING REMARKS As you saw the responses  in switching mode have some  jumps and nonsmoothnesses because of  

    switching  phenomenon  but  they  finally  became  stable,  the  results without  switching  obviously 

    shows more smoothness  in  responses. The design problem of  proportional and PI controllers  for 

    nonlinear  systems has been  studied  in  this chapter. First, Takagi–Sugeno  (T–S)  fuzzy model with 

    parameter uncertainties  is used  to model  the nonlinear  systems. The  introduction of  parameter 

    uncertainties in the T–S fuzzy model can account for both approximation error of  fuzzy model and 

    the actual parameter uncertainties in the practical process. Second, an algorithm based on ILMI is 

    developed  to  design  a  proportional  controller  to  robustly  stabilize  the  system  which  can  be 

    expressed by a T–S fuzzy model. Third, we transform the problem of  PI controller design to that of  

    proportional controller design for an augmented system and thus bring the solution of  the former 

    problem  into  the configuration of   the developed algorithm. The characteristics of   the developed 

    method  is  that  it  is numerically  tractable and  can be applied  to general multi‐variable nonlinear 

    systems. Finally, the proposed method is applied to the robust stabilizing controller design for the 

    excitation  control  of  power  systems.  Simulation  results  show  that  the  transient  stability  can be 

    improved by using a  fuzzy PI controller when  large  faults appear  in the system, compared to  the 

    conventional PI controller designed by using linearization method around the steady state. Notice 

    that  the  controllers  proposed  in  this  paper  use  only  output  variables  (in  the  case  of   common 

    feedback matrix  corresponding  to  all  the  fuzzy  rules) or output  variables plus  some other  state 

    variables needed  in  the  fuzzy premise  (in  the case of  different  feedback matrix corresponding  to 

    each  fuzzy  rule  accordingly).  In  the  latter  case,  the  state  variables needed  in  the  fuzzy premise 

    should be available normally. 

    VII. References [1] Feng Zheng, Qing-Guo Wang, Tong Heng Lee and Xiaogang Huang “Robust PI Controller Design for Nonlinear

    Systems via Fuzzy Modeling Approach” IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS— 

    PART A: SYSTEMS AND HUMANS, VOL. 31, NO. 6, NOVEMBER 2001

    [2] K.K. Tan*, S. Huang, R. Ferdous “Robust self-tuning PID controller for nonlinear systems” Journal of Process

    Control 12 (2002) 753–761

    [3] R. A. Freeman and P. K. Kokotovic, “Robust Nonlinear Control Design”. Cambridge, MA: Birkhaüser, 1996

    [4] T. Takagi and M. Sugeno, “Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control,” IEEE

    Trans. Syst., Man, Cybern., vol. SMC-15, pp. 116–132, 1985.

    [5] M. Sugeno and G. T. Kang, “Structure identification of fuzzy model,” Fuzzy Sets Syst., vol. 28, pp. 15–33, 1988.

    [6] L. X.Wang and J. M. Mendel, “Fuzzy basis functions, universal approximatiors and orthogonal least-squarelearning,” IEEE Trans. Neural Networks, vol. 3, pp. 807–814, Sept. 1992.

    [7] T. A. Johansen and B. A. Foss, “Constructing NARMAX models using ARMAX models,” Int. J. Control, vol. 58, pp. 1125–1153, 1993.

    [8] “PID Controllers: Theory, Design, and Tuning”. Research Triangle Park, NC: Instrument Society of America, 1995.

    [9] Y.-Y. Cao, J. Lam, and Y.-X. Sun, “Static output feedback stabilization: An ILMI approach,” Automatica, vol. 34,

     pp. 1641–1645, 1998.

    [10] S. Boyd, L. El Ghaoui, E. Feron, and V. Balakrishnan, Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory.

    Philadelphia, PA: SIAM, 1994.

    [11] P. Gahinet, A. Nemirovski, A. J. Laub, and M. Chilali, “LMI Control Toolbox: The Math Works Inc.”, 1995.

  • 8/20/2019 Robust PID Controller

    28/28

    [12] M. C. M. Teixeira and S. H. Zak, “Stabilizing controller design for uncertain nonlinear systems using fuzzymodels,” IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 7, pp. 133–142, Apr. 1999.