background image

  System Identification and Self-Tuning Pole Placement 

Control of the Two-Axes Pneumatic Artificial Muscle 

Manipulator Optimized by Genetic Algorithm

Kyoung Kwan Ahn

Ho Pham Huy Anh

School of Mechanical and Automotive Engineering

Graduate School of Mechanical and Automotive Engineering

University of Ulsan 

University of Ulsan 

San 29, Muger 2dong, Nam-gu, Ulsan, 680-764, Korea

San 29, Muger 2dong, Nam-gu, Ulsan, 680-764, Korea

kkahn@ulsan.ac.kr

hphanh@hcmut.edu.vn

Abstract - In this paper, self-tuning pole placement control of 

the 2-axes pneumatic artificial muscle (PAM) manipulator is 
proposed as an appropriate strategy which can automatically 
accommodate wide changes in operating conditions, such as 
payload and time varying parameters of the 2-axes PAM 
manipulator. This novel proposed control scheme is initially 
applied to the independent control of the PAM manipulator joint 
angle position. Proposed pole placement controller utilizes a low 
order linear approximation of the PAM manipulator ARX model, 
whose parameters are estimated online from past input and 
output values by RLS system identification algorithm. 
Furthermore, parametric values of ARX model are optimized by 
a modified genetic algorithm (MGA). This superb combination 
between MGA and self-tuning pole placement controller is 
developed for tracking the joint angle position of the prototype 2-
axes PAM manipulator. Simulation and experiment results 
demonstrate the excellent performance of the proposed control 
scheme. These results can be applied to model, identify and 
control other highly nonlinear systems as well. 

Index Terms - modified genetic algorithm (MGA), online ARX 

model identification, 2-axes pneumatic artificial muscle (PAM) 
manipulator,  modified self-tuning pole placement control
.

I. I

NTRODUCTION

Control of pneumatic artificial muscle (PAM) actuators is 

an ongoing area of research due to some challenging 
difficulties [1, 2]. Nowadays, research into the control and the 
physical and modeling properties of PAM has been 
undertaken at the INSA (Toulouse, France) [2], the Bio-
Robotics Lab at the University of Washington, Seattle, [3], 
Human Sensory Feedback (HSF) Laboratory at Wright 
Patterson Air Force Base [4](Reynolds, Repperger, Phillips 
and Bandry 2003), and Fluid Power Machine Intelligence 
Laboratory (FPMI Lab) at Ulsan University [5][6] among 
others.  

This paper addresses the modeling, identification and 

control of a two-joint planar PAM manipulator actuated by 
two groups of antagonistic PAM pair. Due to their highly 
nonlinear and time-varying parameter nature, PAM 
manipulator control presents a challenging nonlinear control 
problem that has been approached via many methodologies. 
Related literature has appeared some of ways for modeling 
and control the PAM actuator. In [7], a direct continuous-time 
adaptive control technique is applied to control joint angle in a 

single-joint arm. The simulation considers PAM individually 
in both bicep and tricep positions. In [8], a gain scheduling 
controller is designed for a single PAM hanging vertically in 
the lab actuating a mass. Both force as well as position control 
are considered. Chan and Lilly (2003)[9] suggested a fuzzy 
model reference learning controller designed for a single PAM 
hanging vertically actuating a mass in the lab. Tracking results 
are obtained, and these are shown to agree well with simulated 
results. In [10], a fuzzy P+ID controller is designed for the 
same previous system. The novel feature is a new method of 
identifying fuzzy systems from experimental data using 
evolutionary techniques. The experimental results are shown 
to be superior to those in [9], i.e., tracking error is less while 
using less control effort. All these results prove that up to 
now, it is still lack of a simple and quite efficient model for 
the PAM manipulator which will be utilized efficiently in 
adaptive & self-tuning control such highly nonlinear PAM 
manipulator. 

The contributions of this paper include ARX model-based 

modeling and identification of the 2-axes PAM manipulator 
composed two antagonistic groups of PAM actuators; 
optimizing PAM manipulator ARX model’s parameters using 
a novel proposed modified genetic algorithm (MGA); 
formulating a simple but highly efficient ARX model so that it 
is suitable for online parameter modified self-tuning pole 
placement control the highly nonlinear 2-axes PAM 
manipulator. This novel proposed control strategy is initially 
applied and obtains from simulation and experiment 
outperforming results in comparison with other control 
algorithms.  

This paper is arranged as follows. Section 2 introduces 

modified genetic algorithm (MGA) used in PAM manipulator 
modeling and identification. Section 3 presents the 
configuration of the 2-axes PAM manipulator with hardware 
used in process of modeling, identification and control. 
Section 4 presents and analyses the results of MGA-based 
PAM manipulator modeling and identification process. 
Section 5 introduces the modified pole placement control 
algorithm based on online ARX model to control the 2-axes 
PAM manipulator. Section 6 presents simulation and 
experiment results of the joint angle position control of the 
modified pole placement controller. Section 7 contains 
discussion and conclusion. 

1-4244-0828-8/07/$20.00 © 2007 IEEE.

2604

Proceedings of the 2007 IEEE

International Conference on Mechatronics and Automation

August 5 - 8, 2007, Harbin, China

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

II. M

ODIFIED 

G

ENETIC 

A

LGORITHM 

(MGA)

 FOR 

O

PTIMIZING   

T

HE 

2-A

XES 

PAM M

ANIPULATOR 

ARX M

ODEL 

P

ARAMETERS

.

The steps of MGA-based model identification procedure 

are summarized as in Fig. 1: 

          

Fig.1 Flow chart of MGA-based optimal Identification Process

III. C

ONFIGURATION OF 

T

HE 

2-A

XES 

PAM M

ANIPULATOR 

S

YSTEM

Fig. 2  Schematic diagram of the experimental apparatus

.

Fig. 2 presents the configuration of the hardware set-up 

installed from Fig.2 as to model and to identify the 2

nd

 order 

ARX model of the both of joints of the 2-axes PAM 
manipulator by obtaining PRBS training and validating data 
from the 2 joints of the 2-axes PAM manipulator. This set-up 
is also used to control the 2-axes PAM manipulator based on 
adaptive pole placement controller as well. 

The hardware includes an IBM compatible PC (Pentium 

1.7 GHz) which sends the voltage signals to control the two 
proportional valves (FESTO, MPYE-5-1/8HF-710B), through 
a D/A board (ADVANTECH, PCI 1720 card). The rotating 
torque is generated by the pneumatic pressure difference 
supplied from air-compressor between the antagonistic 
artificial muscles. Consequently, the both of joints of the 2-
axes PAM manipulator will be rotated to follow the desired 
joint angle reference. The joint angles, 

θ

1

[deg] and 

θ

2

[deg], 

are detected by two rotary encoders (METRONIX, H40-8-
3600ZO) and fed back to the computer through a 32-bit 
counter board (COMPUTING MEASUREMENT, PCI 
QUAD-4 card). The pneumatic line is conducted under the 
pressure of 5[bar] and the software control algorithm of the 
closed-loop system is coded in C-mex program language run 
in Real-Time Windows Target of MATLAB-SIMULINK 
environment. 

IV. R

ESULTS OF 

MGA-B

ASED 

I

DENTIFICATION OF 

T

HE 

2-

AXES 

PAM M

ANIPULATOR

.

Considering an ARX model with noisy input which can 

be described as 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

1

t

e

q

C

T

t

u

q

B

t

y

q

A

+

=

 

 

        (1) 

End 

Decod

e

no

yes 

m=L

t

Extinction strategy 

k = 0 

no

yes 

k=L

e

yes 

no

k=k+1, m=m+1 

k=0, m=0 

1

max

max

=

i

i

F

F

Take place the worst 

Reproduction 

Crossover 

Mutation 

Fitness Scaling 

Elitist strategy 

Decode and evaluate 

Fitness value 

i = i + 1 

Randomly generate N set 

of Initial population 

Set initial value 

(i=0, k=0, m=0)

Start

2605

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

with 

2

2

1

1

1

1

)

(

+

+

=

q

a

q

a

q

A

1

2

1

1

)

(

+

=

q

b

b

q

B

2

3

1

2

1

1

)

(

+

+

=

q

c

q

c

c

q

C

with e(t) is the white noise sequence with zero mean and unit 
variance. 

The purpose here is to apply MGA for optimally 

identifying a

1

, a

2

, b

1

 and b

2

 parameters in present of the noise. 

The excitation input u(t) to be used is chosen as pseudo 
random binary sequence (PRBS). Fig. 3 presents the PRBS 
input applied to each joint of the real 2-axes PAM manipulator 
and the corresponding output. 

The fitness function calculated in this case is given as 

¦

=

1

2

)]]

(

[

1

[

k

e

M

F

 

 

  

         (2) 

with  e(k) represents the error between the actual PAM 
manipulator joint angle output and PAM manipulator ARX 
model response. 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

4.5

5

5.5

PR

B

S

 i

n

put

 -

 [

v

]

2-AXES PAM MANIPULATOR

(OPEN-LOOP PRBS TEST1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

20

40

60

80

100

T

het

a2 -

 [

deg

ree]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-40

-20

0

20

t - [sec]

T

het

a1 -

 [

degr

ee]

Fig. 3 Input PRBS and output response of the 2-axes PAM manipulator

Both fitness values of each Link ARX model converge 

rapidly toward the global optimum, as shown in Fig.4a and 
Fig.6a. The convergence plot of the estimated parameters by 
the MGA is shown in Fig.4b and Fig.6b for 1

st

 Link ARX 

model’s  a

1

, a

2

, b

1

 and b

2

and 2

nd

 Link ARX model’s 

respectively. From these figures, it can note that, even with the 
present of noise, the identification parameter value converges 
rapidly from a random set of parameters with best obtained 
fitness value. The optimized identified parameters of both 
Two Link ARX model of the 2-axes PAM manipulator 
obtained from MGA at the end of 100

th 

generation are 

tabulated in Table 1. 

Fig.5 and Fig.7 present the output of the MGA-based 

identified ARX models against the actual PAM output 
response.  

ARX-model Link 2 - Max Fitness = 42 

[a

1

= -1.9023; a

2

= 0.90625; b

1

= -0.97435;  b

2

=1.0156]

.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

generat ion

fi

tn

e

s

s

 v

a

lu

e

Fig.4a Convergence trace of fitness value (MGA method) – Link2

.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1.903

-1.902

-1.901

-1.9

-1.899

-1.898

generat ion

e

s

ti

m

a

te

 a

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.9

0.91

0.92

generat ion

e

st

im

a

te

 a

2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1

-0.8

-0.6

generation

es

ti

m

at

e

 b1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1

1.05

1.1

1.15

generat ion

e

s

ti

m

a

te

 b

2

Fig.4b Convergence of the identified parameters (MGA method) – Link2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

yy a

nd y

h2 -

 [

degr

ee]

2 AXES  PAM MANIPULATOR

(COMPARISON OP ENLOOP P RBS TEST  - LINK2)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

-0. 5

0

0. 5

1

t - [ sec]

e

rr

2

 =

 y

y

-y

h2 [

degr

e

e]

2-axes PAM manipulator response 

ARX model (a1 a2 b1 b2) response

Fig.5 Output of MGA-based ARX model against actual PAM manipulator 

response - (Link2)

ARX-model Link 1 - Max Fitness = 35.97 

             [a

1

=-1.9374; a

2

=0.9386;  b

1

= 1.5; b

2

=-1.4873] 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

10

20

30

40

generation

fi

tn

e

s

s

 v

a

lu

e

Fig.6a Convergence trace of fitness value (MGA method) – Link1

.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-2

-1. 5

-1

-0. 5

0

generation

e

st

im

a

te

 a

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1

-0.5

0

0.5

1

generation

e

st

im

a

te

 a

2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1. 5

-1

-0. 5

0

0.5

1

1.5

2

generation

e

s

ti

m

a

te

 b

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1. 5

-1

-0. 5

0

0.5

1

generation

e

s

ti

m

a

te

 b

2

Fig.6b Convergence of the identified parameters (MGA method) – Link1

2606

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

yy

 a

n

d y

h

1 -

 [

d

e

gr

ee

]

2 AXES PAM MANIPULATOR

(COMPARISON OPENLOOP PRBS TEST - LINK1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2

-1

0

1

2

t - [sec]

e

rr1

 =

 yy

-yh

1

  [

d

eg

re

e

]

2-axes PAM manipulator response

ARX model (a1 a2 b1 b2) response

Fig.7 Output of MGA-based ARX model against actual PAM manipulator 

response (Link1)

V. A

DAPTIVE 

S

ELF

-T

UNING 

C

ONTROLLER 

B

ASED ON 

M

ODIFIED 

P

OLE 

P

LACEMENT 

M

ETHOD

A self-tuning pole placement controller design will ensure 

the desired control loop dynamic behavior by choosing the 
available characteristic polynomial. 

The block diagram of modified Pole placement controller 

used in this paper is shown in Fig.8, where 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

=

=

z

A

z

B

z

U

z

Y

z

G

P

 

 

 

         (3) 

is the discrete transfer function of the controlled 2-axes PAM 
manipulator with polynomials 

2

2

1

1

1

1

)

(

+

+

=

z

a

z

a

z

A

2

2

1

1

1

)

(

+

=

z

b

z

b

z

B

 

 

 

         (4) 

Pole placement controller equation takes the form 

)

(

1

)].

(

).

(

'

)

(

.

[

)

(

1

1

=

z

P

z

Y

z

Q

z

E

z

U

β

 

 

         (5) 

with polynomial P(z

-1

) has the form as  

)

.

1

)(

1

(

)

(

1

1

1

+

=

z

z

z

P

γ

 

 

 

         (6) 

and polynomial Q(z

-1

) takes the form 

)

.

'

'

)(

1

(

)

(

'

1

2

0

1

1

=

z

q

q

z

z

Q

 

 

 

         (7) 

Fig. 8 Block diagram of modified adaptive pole placement controller

.

Substitution (6) and (7) into (5) yields the following 

relation for the controller output: 

)

(

.

)

2

(

.

)

1

(

).

1

(

)]

2

(

'

)

1

(

).

'

'

(

)

(

).

'

[(

)

(

2

2

0

0

k

k

u

k

u

k

y

q

k

y

q

q

k

y

q

k

u

ω

β

γ

γ

β

+

+

+

+

+

=

           (8) 

For the transfer function of the closed loop in Fig.8, it is 

obtained the relation: 

]

)

(

'

).[

(

)

(

).

(

)

(

.

)

(

)

(

)

(

1

1

1

1

1

β

β

+

+

=

=

z

Q

z

B

z

P

z

A

z

B

z

W

z

Y

z

G

w

 

         (9) 

So the characteristic polynomial takes the form 

)

(

]

)

(

'

).[

(

)

(

).

(

1

1

1

1

1

=

+

+

z

D

z

Q

z

B

z

P

z

A

β

 

       (10) 

In the case of a controlled 2-axes PAM manipulator 

polynomial in the form of (3), equation (10) will define a 

system of 4 linear algebraic equations with 4 unknown 
controller parameters

γ

β

,

,

'

,

'

2

0

q

q

:

»

»

»

»

¼

º

«

«

«

«

¬

ª

=

»

»

»

»

¼

º

«

«

«

«

¬

ª

»

»

»

»

¼

º

«

«

«

«

¬

ª

4

3

2

1

2

0

2

2

2

1

1

2

2

1

2

1

1

2

1

1

'

'

0

0

0

1

1

0

x

x

x

x

q

q

a

b

a

a

b

b

b

a

b

b

b

b

b

b

γ

β

 

 

     (11) 

The 1

st

 matrix in the left side of (11) depends only on the 

parameters of the controlled PAM manipulator ARX model. 
The next vector contains the unknown parameters (q

0

, q

2

,

ȕ

and

Ȗ) of the controller, being the solution of the system (11), 

and the vector on the right side depends on the number of 
poles of D(z

-1

and their position in the z complex plane. 

Then parameters of adaptive pole placement controller 

now are obtained by inserting appropriately modified relation 
of D(z

-1

) as  

)]

(

)].[

(

.[

)

(

)

(

2

ω

α

ω

α

α

j

z

j

z

z

z

D

+

=

 

 

       (12) 

This characteristic polynomial has a pair of complex 

conjugated poles 

jw

z

±

=

α

2

,

1

 placed inside the unit circle at 

interval 

1

0

<

α

 and double real poles

α

=

4

,

3

z

.

The parameter 

Į can be used to change the speed of the 

control response and the size of the changes in the controller 
output. It is also possible to modify parameter 

Ȧ to select a 

desired overshoot. 

Put (12) into (10), where the vector components on the 

right side of (11) are determined by 
x

1

=c+1- a

1

; x

2

=d + a

1

- a

2

; x

3

 = - f -  a

2

; x

4

 = g 

       (13) 

with 

α

4

=

c

;

2

2

.

6

ω

α

+

=

d

;

)

2

(

2

2

2

ω

α

α

+

=

f

;

)

(

2

2

2

ω

α

α

+

=

g

       (14) 

By solving equation system (11), it is obtained the 

equations for calculating the pole placement controller 
parameters as follows: 

2

1

4

3

2

1

1

5

1

7

6

2

1

4

3

2

0

'

'

b

b

x

x

x

x

r

r

r

r

r

q

r

r

r

r

q

+

+

+

=

=

+

=

+

+

=

β

γ

   

                                  (15) 

with 

)]

(

)

(

[

)

(

)

(

)]

(

)[

(

)]

(

[

]

)

(

[

4

1

2

2

4

2

2

4

1

1

2

7

4

2

4

1

3

2

2

1

6

1

3

2

2

2

2

3

2

1

4

2

1

1

5

4

3

2

4

1

2

1

4

4

3

2

1

1

2

1

2

3

1

2

4

3

2

1

2

1

2

x

x

a

b

x

x

a

x

a

b

b

r

x

a

x

a

x

a

b

r

x

b

x

b

x

b

b

x

b

b

r

x

x

b

x

b

b

b

r

x

x

x

b

x

b

b

a

r

x

b

x

x

x

b

b

a

r

+

+

=

+

=

+

+

=

+

+

=

+

=

+

=

 

 

   (16) 

VI. S

IMULATION AND 

E

XPERIMENT 

R

ESULTS

.

Simulation and experimentation will be carried on the 2-

axes PAM manipulator shown in Fig.2. SIMULINK diagram 
run in MATLAB for simulating the proposed modified pole 
placement control algorithm is presented in Fig. 9 in which the 

2607

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

transfer function of each Link of the 2-axes PAM manipulator 
is converted from the corresponding ARX model respectively. 

u_in(k )

y (k )

w(k )

u(k )

ID  params

adapti ve pp2b_1

parameters

To Workspace1

Si ne Wave2

Saturati on1

Reference signal 2

Output1

0.2

5s   +10s+1

2

Noi se fi ltration1

ID parameters1

Band-Lim ited

White Noi se1

154.2s+131.1

s   +6.337s+12.39

2

2-axes PAM  mani pul ator

Link1

a) The first link

.

u_in(k)

y (k)

w(k)

u(k)

ID  params

adaptive pp2b_2

parameters

T o Workspace

Sine Wave2

Saturation

Reference signal2

Output

0.2

5s   +10s+1

2

Noi se filtration

ID parameters

Band-Lim ited

White Noise

-104.6s+433.2

s  +9.846s+41.49

2

2-axes PAM m ani pul ator

Link2

b) The second link

.

Fig.9 The SIMULINK diagram of the 2-axes PAM manipulator joint angle 

position control using modified pole placement controller:  

The modified pole placement control scheme is shown in 

Fig.10 which is in the category of indirect adaptive control. 
Referring to Fig.10, 

ș

i

 is the joint displacement of link iu

i

 is 

the corresponding control voltage. To implement modified 
pole placement controller strategy, it is required to determine 
ARX model the 2-axes PAM manipulator in the form of  

2

2

1

1

2

2

1

1

1

1

.

.

1

.

.

)

(

)

(

+

+

+

=

z

a

z

a

z

b

z

b

z

u

z

i

i

θ

 

 

 

      (17) 

with a

1

, a

2

, b

1

, b

2

 parameters of each link’s ARX model of the 

2-axes PAM manipulator will be determined from PRBS 
input-output testing and be optimized with offline Modified 
Genetic Algorithm (MGA). 

Fig. 10 Pole placement position control of the 2-axes PAM manipulator

Equation (17) represents a second order system with the 

output in discrete time form: 

)

2

(

)

1

(

)

2

(

)

1

(

)

(

2

1

2

1

+

+

=

k

u

b

k

u

b

k

a

k

a

k

i

i

i

i

i

i

i

θ

θ

θ

                      (18) 

In order to update the best values for the coefficients of 

A(z

-i

) and B(z

-i

), in the sense of minimum square errors, the 

RLS is used to perform the online estimation based on the 
input-output data pairs ([u

k

,

ș

k

] pairs). The experiment control 

voltage is within the range of [4.5v – 5.5v]. The sampling time 
T

0

 was chosen to be 0.01 [s]. 

The design parameters of pole placement controller 

include pole assignment values 

Į, Ȧ and forgetting factor Ȝ.

Figure 11 to Figure 13 show the joint displacement and 

the control input results. The response of 2-axes PAM 
manipulator position control using Modified Pole Placement 
controller was fast, overshoot free and offset free despite the 
different scales of set-points. Furthermore, these figurative 
results demonstrate the performance of the on-line RLS 
estimator. The online ARX model parameter values always 
converge and roughly remained constant. It is clear that the 
estimation was consistent with the initial values obtained from 
the offline MGA-based optimization. Before the online ARX 
mode1 was correctly established, the response was oscillatory, 
which also clearly proved how the on-line estimation helped 
the control performance. 

Tests were also carried out to study the effects that the 

design parameters might have on the pole placement controller 
performance. Using (19) as the standard parameter setting, the 
tests were carried out in such a way that only one parameter's 
value was changed at a time.  

In following results, the pole placement controller used in 

position control the 2-axes PAM manipulator has the standard 
characteristic parameters as follows: 

* Forgetting Factor 

Ȝ of RLS algorithm = 0.99. 

* T

sample

 of discrete pole placement control = 0.01 [s]. (19) 

* Pole assignment values 

Į + j*w = 0.5 +j*0.1.          

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Jo

in

t A

n

g

le

 -

 Y

/Y

d

 -[

d

e

gr

e

e

]

2-ax es  PAM Manipulator - Modified Pole Placement Cont roller

(Forgett ing Fac tor Lambda = 0.999  -  Link2)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5

0

5

10

15

E

rr

o

r - 

[d

eg

re

e

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

U

-c

o

n

tr

o

l -

 [

v

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2

-1. 9

-1. 8

a1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0. 8

0. 9

1

a

2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

b

1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0. 5

1

time - [ second]

b2

Joint  Angle Y - [ degree]

Desired Reference Yd - [ degree]

Fig. 11 The 2-axes PAM manipulator  Modified Pole Placement Controller 

(Online Parameter Self-Tuning– Forgetting Factor 

Ȝ = 0.99) 

Figure 11 and 12 represent the various results of the 2-

axes PAM manipulator joint angle ramp trajectory tracking 
using modified pole placement control algorithm with 
forgetting factor 

Ȝ chosen equal 0.99 (Fig. 11) and 0.75 (Fig. 

12) respectively. These results determine that the best chosen 
value of forgetting factor 

Ȝ is about 0.99. 

RLS 

Id

ifi

i

Pole 

placement

2-axes PAM 
Manipulator 

Process parameter 

ș

di 

u

i

ș

i

2608

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.

background image

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

10

20

30

40

Jo

in

t A

n

gl

e -

 Y

&

Y

d

 -

[degr

ee]

2-ax es  PAM Manipulator - Modified Pole Plac ement Controller

(Forgetting Factor  Lambda  = 0.75   -   Link2)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-10

0

10

E

rr

o

r -

 [

degr

e

e]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

U

-c

o

nt

ro

l -

 [

v

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2

-1.9

-1.8

a1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.8

0.9

1

a

2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

b1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.5

1

time - [s ec ond]

b2

Joint Angle Y - [degree]

Des ired Reference Yd - [degree]

Fig. 12 The 2-axes PAM Manipulator Modified Pole Placement Controller 

(Online Parameter Self-Tuning– Forgetting Factor 

Ȝ = 0.75) 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-20

-10

0

10

20

30

J

o

in

t A

n

gl

- Y

&

Y

d

 -

[d

egr

e

e

]

2-axes PAM Manipulator - Modified Pole Plac ement Controller

(pole ass ignment value: alpha + j*omega  = 1 +j*1  -  Link 1) - Unstable

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-20

0

20

E

rr

o

r - 

[d

e

g

re

e

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

U

-c

o

n

tr

o

l - 

[v

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2

-1.5

-1

a1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.5

1

1.5

a2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

0

1

2

3

b1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2

0

2

time - [second]

b2

Joint Angle Y - [degree]

Des ired Referenc e Yd - [degree]

Fig. 13 The 2-axes PAM Manipulator Modified Pole Placement Controller 

(Online Parameter Self-Tuning– Pole Assignment Value: 

Į + j*w = 1 + j*1 ). 

Figure 13 shows the attractive results of the 2-axes PAM 

manipulator joint angle saw-tooth trajectory tracking using 
modified pole placement control algorithm with different pole 
assignment values. This figure demonstrates the unstable and 
oscillatory result in case chosen pole assignment values

Į + 

j*w = 1 +j*1.

All these results prove the superb capacity of proposed 

pole placement control algorithm not only in satisfying robust 
control requirement but also in modifying specific control 
system features (overshoot value, settling time, steady state 
error, etc.). 

VII. C

ONCLUSIONS

This paper provides a novel and effective method, MGA-

based system identification method, for identifying and 
controlling a highly nonlinear 2-axes PAM manipulator. 

Through simulation and experimental investigation, the 
proposed MGA-based identification algorithm achieves 
excellent performance. Although the ARX model obtained is 
quite simple, it can be used to describe the dynamics of the 
system very well. The proposed control algorithm is applied to 
control joint angle position of the 2-axes PAM manipulator. 
Simulation and experiment results prove that the novel 
proposed Pole Placement controller possesses less settling 
time, zero overshoot, small rise time as well as quite accurate 
joint angle trajectory tracking

.

 These results can be applied to 

model, identify and control other highly nonlinear systems as 
well. 

TABLE 1: MGA-BASED PAM MANIPULATOR ARX MODEL PARAMETERS  

Parameter 

a

1

a

2

b

1

b

2

Fitness 

value 

1

st

 Link 

ARX  model 

-1.9374 

0.9386 

1.5 

-1.4873 

35.97

2

nd

  Link 

ARX  model 

-1.9023 

0.90625 

-0.97435 

1.0156 

42.98

A

CKNOWLEDGMENT

This research is supported by BK21, Korea. 

R

EFERENCES

[1] D. Repperger, and C. Phillips,“Developing intelligent control from a 

biological perspective to examine paradigms for activation utilizing 
pneumatic muscle actuators," in Proceedings of the 15th IEEE 
International Symposium on Intelligent Control
, Rio Patras, Greece, 2000, 
pp. 205-210. 

[2] B.Tondu, and P. Lopez, “Modeling and control of McKibben artificial 

muscle robot actuators," IEEE Control Systems Magazine, vol. 20, no. 2, 
2000, pp.15-38. 

[3] C. Chou, and B.Hannaford, “Dynamic characteristics of McKibben 

pneumatic artificial muscles,” in Proceedings IEEE Robotics Automation 
Conf.
, pp. 281–286, 1994. 

[4] D. Reynolds, D. Repperger, C. Phillips, and G. Bandry, “Dynamic 

characteristics of pneumatic muscle,” Journal of Ann. Biomed. Eng., pp. 
310–317, 2003. 

[5]  K.K. Ahn, and T.D.C. Thanh,

 “

Intelligent phase plane switching control 

of pneumatic artificial muscle (PAM) manipulators with magneto-
rheological brake”, March 2006, Mechatronics,  Vol. 16, Issue 2, pp.85-
95, 2006.

[6]  K.K.Ahn, and H.P.H. Anh, “System modeling and identification of the 

two-link pneumatic artificial muscle (PAM) manipulator optimized with 
genetic algorithm,” in Proceedings 2006 IEEE-ICASE Int. Conf., Busan, 
Korea, pp. 356–361, 2006. 

[7] J. Lilly, “Adaptive tracking for pneumatic muscle actuators in bicep and 

tricep configurations,” IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng., pp. 56-63, 
2005. 

[8] P. Carbonell, Z. Jiang, and D.Repperger, “A fuzzy back-stepping 

controller for a pneumatic muscle actuator system,” Proceedings IEEE 
Int. Symp. Intelligent Control
, Mexico City, Mexico, pp. 353–358, 2001. 

[9] S. Chan, J. Lilly, D. Repperger, and J. Berlin, “Fuzzy PD+I learning 

control for a pneumatic muscle,” Proceedings 2003 IEEE Int. Conf. Fuzzy 
Systems
, St. Louis, MO, pp. 278–283, 2003. 

[10] X. Chang, and J. Lilly, “Tracking control of a pneumatic muscle by an 

evolutionary fuzzy controller,” Journal of Intell. Automat. Soft Comput.,
vol. 9, no. 3, pp. 227–244, 2003. 

[11] V. Bobal,“Auto-tuning of digital PID controllers using Recursive 

Identification,” Report ESR9409, Ruhr University, Germany, 1994. 

[12] V. Bobal, and M. Kubalcik, “Auto-tuning of digital PID controllers using 

Recursive Identification”, in Proceedings of the 5

th

 IFAC Symposium on 

Adaptive Systems in Control and Signal Processing (Budapest), pp. 384-
389, 1995.

2609

Authorized licensed use limited to: Biblioteka Glowna i OINT. Downloaded on May 20, 2009 at 05:48 from IEEE Xplore.  Restrictions apply.