[論文レビュー] Active Disturbance Rejection Control (ADRC) Toolbox for MATLAB/Simulink

Krzysztof Łakomy, Wojciech Giernacki+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Advanced DC-DC Converters被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、モーション制御、プロセス制御、パワーエレクトロニクス制御の応用分野において、迅速で使いやすいADRCベースの制御システムの設計を可能にする、MATLAB/Simulink向けのオープンソースでドラッグアンドドロップ式のアクティブジャマインパルス制御（ADRC）ツールボックスを紹介する。このツールボックスは、1つの汎用関数ブロックにより実装を簡素化しており、シミュレーションおよびハードウェア実験による検証がなされ、統合のしやすさと高い性能を示している。

ABSTRACT

In this study, an active disturbance rejection control (ADRC) toolbox for MATLAB/Simulink is introduced. Although ADRC has already been established as a powerful robust control framework with successful industrial implementations and strong theoretical foundations, a comprehensive tool for computer-aided design of ADRC has not been developed until now. The proposed open-source ADRC Toolbox is a response to the growing need in the scientific community and the control industry for a straightforward software application of the ADRC methodology. Its main purpose is to fill the gap between the current theories and applications of ADRC and to provide an easy-to-use solution for users in various control fields who want to employ the ADRC scheme in their applications. The ADRC Toolbox contains a single, general-purpose, drag-and-drop function block that allows the synthesis of a predefined ADRC-based strategy with minimal design effort. Additionally, its open structure allows creation of custom control solutions. The efficacy of the ADRC Toolbox is validated through both simulations and hardware experiments, which were conducted using a variety of problems known in the motion, process, and power control areas.

研究の動機と目的

• MATLAB/SimulinkにおいてADRCベースの制御システムを設計するための包括的で使いやすいソフトウェアツールの不足に対処すること。
• 理論的なADRCの進展と実際の産業界および学術分野での実装との間のギャップを埋めること。
• 標準およびカスタムADRC設定を最小限のユーザー作業でサポートする、オープンソースで拡張可能なツールボックスを提供すること。
• 多様な制御応用分野に適した、既存のSimulinkモデルへのADRCのシームレスな統合を可能にすること。
• 複数の制御分野において、数値的シミュレーションおよびリアルタイムのハードウェア実験を通じて、ツールボックスの有効性を検証すること。

提案手法

• ツールボックスは、Simulinkモデルへのドラッグアンドドロップ統合を可能にする、1つの汎用ADRC関数ブロックを実装している。
• トラッキングディファレンシエータ、拡張状態観測器（ESO）、および状態フィードバック制御を含む、ADRCのコアコンponentsを統合している。
• 標準ADRCおよびカスタマイズ可能なバージョンの両方をサポートしており、非線形推定誤差関数や相対的ジャマインパルス次数の選択オプションを含む。
• MATLAB内でのインストールとパス管理を簡素化するため、.mltbxファイル形式でパckagedされている。
• ツールボックスはオープンソースであり、MathWorks File Exchange経由で公開されており、本研究ではバージョン1.1.3が使用された。
• 検証には、TCLab温度制御システムを含む、さまざまなプラットフォームを用いたシミュレーションおよびリアルタイムのハードウェア実験が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATLAB/Simulinkにおいて、ADRCの設計と実装を簡素化する統合的で使いやすいADRCツールボックスをどのように開発できるか？
• RQ2 提案されたツールボックスは、シミュレーションおよびリアルタイムのハードウェア応用において、どの程度の性能とロバスト性を達成できるか？
• RQ3 ADRCコンponentsのブロックレベルでの手動実装と比較して、ツールボックスは設計作業をどの程度軽減できるか？
• RQ4 非線形誤差関数や部分的なモデル統合を含む高度なADRC設定に対し、ツールボックスはどの程度のカスタマイズをサポートできるか？
• RQ5 モーション、プロセス、パワーシステムを含む多様な制御分野において、ツールボックスは効果的に使用できるか？

主な発見

• ADRCツールボックスは、最小限のユーザー設定で、Simulinkモデルへの迅速かつドラッグアンドドロップ統合を可能にしている。
• ツールボックスは、TCLab温度制御システムを用いたシミュレーションおよびリアルタイムのハードウェア実験を通じて、効果的なジャマインパルス抑制と追従性能を示すことで、成功裏に検証された。
• ツールボックスは、誘導遅れのオフセットや自動チューニングを含む、標準およびカスタマイズ可能なADRC戦略を両方サポートしている。
• 2自由度の熱的システム（強い結合性を有する）を含む複数のケーススタディにおいて、実装がロバストな性能を達成した。
• オープンソースであることに加え、MathWorks File Exchange経由での公開により、広範なアクセス性とコミュニティ主導の拡張可能性が保証されている。
• ツールボックスは理論から応用への移行を簡素化し、制御システム設計における開発時間と作業負荷を削減している。