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.
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.
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.
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.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.4
no.1
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pp.97-103
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2011
With the aim to increase blade loadings and stable operating range in highly loaded compressors, this article has been conducted to explore, through a numerical parametric study, the potential of passive control using slotted bladings in cascade configurations. The objective of this numerical investigation is to analyze the influence of location, width and slope of the slots and therefore identify the optimal configuration. The approach is based on two dimensional cascade geometry, low speed regime, steady state and turbulent RANS model. The results show the efficiency of this passive technique to delay separation and enhance aerodynamic performances of the compressor cascade. A maximum of 28.3% reduction in loss coefficient have been reached, the flow turning is increased with approximately $5^0$ and high loading over a wide range of angle of attack have been obtained for the optimized control parameter.
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.
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 Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.23
no.5
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pp.101-109
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2009
In this paper, a new method, cascade 3 phase IHCML(Isolated H-bridge Cascade Multi-Level) inverter and a control method is proposed by using two 3-phase transformers that have respectively different transformation rates. Vector control technique in which the highest proximity vector has been used is also put into use. With this process, the switching frequency is almost identical with the output fundamental frequency, which makes less switching loss, and the switching frequency of the small volume of the H-bridge that is in charge of small power is highly controlled, which improves the quality of the output voltage.
In this paper, the cascade 3-phase IHMCL inverter using two low frequency transformers is proposed. The proposed inverter is constructed by connecting a 3-phase IHCML inverter. the cascade 3-phase IHCML inverter has several advantages. One advantage is that only one input power source is required because of using transformers to isolate. Another advantage is that the switching frequency of the high power switches is almost fundamental frequency of reference and the other the switching frequency of the low power switches is higher. It can be known that cascade 3 phase IHCML inverter has the excellent efficiency and the outstanding electric quality. lastly, we tested the 5kW cascade 3-phase IHCML inverter to clarify the proposed electric circuit and reasonableness of control signal for the proposed inverter.
The three-dimensional turbulent cascade flows with and without endwall fences are numerically investigated by solving the incompressible Navier-Stokes equations with a high-Reynolds number $k-{\varepsilon}$ turbulence closure model. A projection method based algorithm is used in the finite-volume formulation, with the second order upwind-differencing scheme for the convective terms. First, assessments on accuracy of the present method are made by comparing the static pressure distributions at the mid-span of the cascade with measured data, and also by confirming the experimental observations on the choice of an optimal fence height for the secondary flow control. In understanding the three-dimensional nature of the secondary flow in turbine cascade, the limiting streamline patterns and the static pressure contours at the suction surface of the blade as well as on the cascade endwall are employed to visualize the effectiveness of the endwall fence for the secondary flow control. Analysis on the streamwise vorticity contour maps along the cascade with the three-dimensional representation of their iso-surfaces reveals the strucuture of the complicated vortical flow in the turbine cascade with endwall fence, and also leads to an understanding on formation of the counter-rotating streamwise vortex over the endwall fence, in explaining the mechanisms of controlling the secondary flow and also for the proper selection of an optimal fence height.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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