Experimental Application of Cascade Proportional-Integral Controllers for Time Delayed Liquid Level System

Year 2023, Volume: 15 Issue: 2, 535 - 546, 14.07.2023

Emre Tuşik , Ahmet Dumlu , Sadrettin Gölcügezli

https://doi.org/10.29137/umagd.1180860

Abstract

In this study, a new cascade control structure and controller design based on standard forms is proposed to improve the performance of cascade control. By adding a time delay to the cascade controller structure, a new control design, which can be called a cascade proportional integral delay controller, has been made. Firstly, the general properties of delay based systems are given and the dynamic behavior of the delayed liquid level system is presented in detail when experimental studies are carried out on it. Then, the mathematical model and analysis of the cascade proportional integral delay controller is carried out. The accuracy of the controller design has been reinforced by the experiments on the real-time liquid level tank of the cascade proportional integral delay controller. Thus, the use of the proposed control design method and its superiority over some existing design methods have been revealed. In addition, with this study, it has been revealed that the performance of cascade proportional integral delay controller design is advantageous compared to other classical methods.

Keywords

Cascade Control, Time Delayed Systems, Time Delayed Control, CPIR Control, CNPIR Control

Zaman Gecikmeli Sıvı Seviye Sistemi için Kaskad Oransal-İntegral Denetleyicilerin Deneysel Uygulaması

Abstract

Bu çalışmada kaskad kontrolün performansını artırmak için standart formlara dayalı yeni bir kaskad kontrol yapısı ve kontrolör tasarımı önerilmektedir. Kaskad kontrolör yapısına ayrıca zaman gecikmesi eklenerek kaskad oransal integral gecikmeli kontrolör şeklinde adlandırılabilecek yeni bir kontrol tasarımı yapılmıştır. İlk olarak gecikme tabanlı sistemlerin genel özellikleri hakkında bilgi verilmiş ve üzerinde deneysel çalışmaların yapıldığı zaman gecikmeli sıvı seviye sisteminin dinamik davranışı detaylı bir şekilde sunulmuştur. Daha sonra kaskad oransal integral gecikmeli kontrolörün matematiksel modeli ve analizi gerçekleştirilmiştir. Kaskad oransal integral gecikmeli kontrolörün gerçek zamanlı sıvı seviye tankı üzerine yapılan deneylerle de kontrolcü tasarımın doğruluğu pekiştirilmiştir. Böylelikle önerilen kontrol tasarımı yönteminin kullanımını ve bazı mevcut tasarım yöntemlerine göre üstünlüğü ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca bu çalışma ile kaskad oransal integral gecikmeli kontrolcü tasarımı performansı diğer klasik yöntemlere göre avantajlı olduğu ortaya çıkarılmıştır.

Keywords

Kaskad kontrol, Zaman Gecikmeli Sistemler, Zaman Gecikmeli Kontrol, CPIR Kontrol, CNPIR Kontrol

References

• Abdallah, C., Dorato, P., Benites-Read, J., & Byrne, R. (1993, June). Delayed positive feedback can stabilize oscillatory systems. In 1993 American Control Conference (pp. 3106-3107). IEEE.
• Dan, C. and Dale E. S., (2002). Robust Nyquist array analysis based on uncertainty descriptions from system identification, Automatica, 38(3), 467-475.
• Galip Ulsoy, A. (2015). Time-delayed control of SISO systems for improved stability margins. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 137(4).
• N. Munro, "The systematic design of PID controllers using Nyquist stabiliy," 2001 European Control Conference (ECC), 2001, pp. 528-533.
• Nalbantoğlu, M., & Güler, Y. (2017). SSSC tabanlı kaskad kontrolör ile güç sistem kararlılığının iyileştirilmesi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 8(1), 89-100.
• Nesimioğlu, B. S. (2016). Düşük Mertebeden Zaman Gecikmeli Sistemlerin Oransal Kontrolörler İle Kararlı Kılınması (Doctoral dissertation, Fen Bilimleri Enstitüsü).
• Niculescu, S. I., & Michiels, W. (2004). Stabilizing a chain of integrators using multiple delays. IEEE Transactions on Automatic Control, 49(5), 802-807.
• Roy, A. and Iqbal, K., (2005). PID controller tuning for the first-order-plus-dead-time process model via Hermite-Biehler theorem. ISA Transactions, 44(3), 363-378.
• Suh, I., & Bien, Z. (1979). Proportional minus delay controller. IEEE Transactions on Automatic Control, 24(2), 370-372 Tallman G and Smith J. Analog study of dead-beat posicast control. IRE T Autom Control 1958; 4(1): 14–21.