Optimal Design and Implementation of 2DOF-PID controller using Cuckoo Search for DC Motor Speed Control
Article Sidebar
Main Article Content
Abstract
A one-degree-of-freedom (1DOF) PID control system uses a single controller to achieve both command-following (input tracking) and load-regulation (disturbance regulation) objectives. Consequently, the system is performance can only excel in one aspect at a time. This paper presents an optimal design and implementation of a two-degree-of-freedom (2DOF) PID controller tuned by the cuckoo search (CS) algorithm, which is one of the most efficient meta-heuristic optimization techniques. The CS is applied to search for the optimal parameters of the 2DOF-PID controller for DC motor speed control. The model of the DC motor is considered as a third-order system. Based on the CS algorithm, performances of the system controlled by the 2DOF-PID controller are compared with those of the 1DOF-PID controller. The results show that the CS algorithm successfully finds optimal parameters for the 2DOF-PID controller. The command-following performance achieved a lower maximum overshoot (Mp(sim) = 4.62%, Mp(act) = 5.10%) than that of the 1DOF-PID controller, while the system is load-regulation performance remains unchanged. Furthermore, the control signal magnitude is smaller than that of the 1DOF-PID controller. Finally, the simulation results were confirmed by the experiments in a laboratory.
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
References
I. M. Horowitz, Synthesis of Feedback Systems. Academic Press, 1963.
M. Araki and H. Taguchi, “Two-degree-of-freedom PID controllers,” Systems, Control and Information, Vol. 42, pp. 18–25, 1998.
M. Araki and H. Taguchi, “Two-degree-of-freedom PID controllers,” International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol. 1, No. 4, pp. 401–411, 2003.
N. Minorsky, “Directional Stability of Automatically Steered Bodies,” American Society of Naval Engineering, Vol. 34, pp. 284, 1922.
M. Araki, “Two-Degree-of-Freedom Control System, Part I,” Systems and Control, Vol. 29, pp. 649–656, 1985.
K. Hiroi, “Two-degree-of-freedom PID control system and its application,” Instrumentation, Vol. 29, pp. 39–43, 1986.
H. Taguchi and M. Araki, “On Tuning of Two-Degree-of-Freedom PID Controllers with Consideration on Location of Disturbance Input,” Trans. SICE, Vol. 38, pp. 441–446, 2002.
K. Hiroi and K. Nagakawa, “Improvement of A Digital PID Algorithm with Rate Limitation on MV Change,” The 28th SICE Annual Conference, pp. 243–244, 1989.
M. Kanda and K. Hiroi, “Super Two-Degree-of-Freedom PID Algorithm,” The 30th SICE Annual Conference, pp. 465–466, 1991.
V. Zakian, Control Systems Design: A New Framework, Springer-Verlag, 2005.
X. S. Yang, Engineering Optimization: An Introduction with Metaheuristic Applications, John Wiley & Sons, 2010.
K. Lurang and D. Puangdownreong, “Two-degree-of-freedom PIDA controllers design optimization for liquid-level system by using modified bat algorithm,” Int. J. Innov. Comput. Inf. Control, Vol. 16, No. 2, pp. 715–732, 2020.
กิตติศักดิ์ ฤาแรง, ทิวา จิตหวัง และ เดชา พวงดาวเรือง, “การออกแบบตัวควบคุม 2DOF-PID อย่างเหมาะสมด้วยขั้นตอนวิธีการหาค่าเหมาะที่สุดแบบวาฬ,” วารสารวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยีดิจิทัล, ปีที่ 13, ฉบับที่ 2, หน้า 63–74, 2568.
X. S. Yang and S. Deb, “Cuckoo search via Lévy flights,” World Congress on Nature & Biologically Inspired Computing, pp. 210–214, 2009.
X. S. Yang, “Cuckoo search and firefly algorithm: overview and analysis,” Cuckoo Search and Firefly Algorithm Theory and Applications, Springer, pp. 1–26, 2014.
P. Dash, L. C. Saikia and N. Sinha, “Comparison of performances of several cuckoo search algorithm based 2DOF controllers in AGC of multi-area thermal system,” Electrical Power and Energy Systems, Vol. 55, pp. 429–436, 2014.
ชนิดา แก้วเพชร, วรนุช จันทร์โอ, สุกัญญา เจริญกิจธนลาภ, สัตถาภูมิ ไทยพานิช, ชาญณรงค์ อ่างทอง และ ดนุพล คำปัญญา, “การประยุกต์การค้นหาแบบค้างคาวเพื่อระบุเอกลักษณ์แบบจำลองอันดับเศษส่วนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง,” การประชุมวิชาการ งานวิจัยและพัฒนาเชิงประยุกต์ครั้งที่ 17, หน้า 213–216, 2568.
นคร เสาวรส, สัตถาภูมิ ไทยพานิช และ ดนุพล คำปัญญา, “การเปรียบเทียบการปรับแต่งตัวควบคุมพีไอดีอย่างเหมาะสมโดยใช้เทคนิคการค้นหาแบบนกดุเหว่า,” การประชุมวิชาการทางวิศวกรรมไฟฟ้า ครั้งที่ 44, หน้า 489–492, 2564.
