[論文レビュー] Adaptive Fractional PID Controller for Robot Manipulator

Hadi Delavari, Reza Ghaderi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2012

Advanced Control Systems Design参考文献 13被引用数 46

ひとこと要約

本稿では、ロボットアームのための適応型分数階PID（FPID）コントローラーを提案し、遺伝的アルゴリズムを用いてコントローラーのパラメータを最適化することで、追従性能を向上させている。2リンクのロボットアームを用いたシミュレーション結果から、誤差が有界な条件下でも、整数階の適応型PIDに比べて優れたロバスト性とより速い収束性能を示している。

ABSTRACT

A Fractional adaptive PID (FPID) controller for a robot manipulator will be proposed. The PID parameters have been optimized by Genetic algorithm. The proposed controller is found robust by means of simulation in a tracking job. The validity of the proposed controller is shown by simulation of two-link robot manipulator. The result then is compared with integer type adaptive PID controller. It is found that when error signals in the learning stage are bounded, the trajectory of the robot converges to the desired one asymptotically.

研究の動機と目的

• ロボットアームの正確な軌道追従を達成するための従来の整数階PIDコントローラーの限界を解消すること。
• ロボットシステムに内在する不確実性や非線形性の存在下でも、制御のロバスト性と収束速度を向上させること。
• システムの誤差信号に基づいてパラメータを動的に調整する適応型FPIDコントローラーを設計すること。
• シミュレーションを用いて、分数階制御が整数階制御を上回ることを検証すること。
• 誤差信号が有界な条件下で、ロボットの軌道が所望の経路に漸近的に収束することを示すこと。

提案手法

• 非整数階微積分を用いて、比例、積分、微分ゲインを調整可能な分数階PIDコントローラーの設計。
• 性能とロバスト性の向上を目的として、FPIDパラメータの最適化に遺伝的アルゴリズム（GA）を採用。
• 誤差信号に基づいてリアルタイムでコントローラーのゲインを調整する適応メカニズムの実装。
• 非線形ダイナミクスを用いて2リンクのロボットアームをモデル化し、FPIDコントローラーを用いて軌道追従を実行。
• さまざまな運転条件下での制御システムのシミュレーションを実施し、性能と安定性を評価。
• 同一のテストシナリオを用いて、FPIDコントローラーと従来の整数階適応型PIDコントローラーを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分数階PIDコントローラーは、ロボットアームの追従精度において、整数階PIDコントローラーを上回ることができるか？
• RQ2 遺伝的アルゴリズムの統合が、適応型FPIDコントローラーの性能をどのように向上させるか？
• RQ3 FPIDコントローラーが、ロボットの軌道が所望の経路に漸近的に収束することを保証する条件は何か？
• RQ4 有界な誤差信号が、適応型FPIDコントローラーの安定性と収束速度に与える影響は何か？
• RQ5 FPIDコントローラーは、ロボットアームのダイナミクスに内在する非線形性と不確実性をどのように処理するか？

主な発見

• 適応型FPIDコントローラーは、整数階適応型PIDコントローラーに比べて、より速く、より正確な軌道追従を達成した。
• 誤差信号が有界な場合、ロボットアームの軌道が所望の経路に漸近的に収束した。
• 遺伝的アルゴリズムは、FPIDパラメータの最適化に効果的であり、ロバスト性を向上させるとともに、定常状態誤差を低減した。
• シミュレーション結果から、FPIDコントローラーは、不審な干渉への耐性と優れた過渡応答を示した。
• FPIDコントローラーは、2リンクのロボットアームシステムにおける非線形ダイナミクスと不確実性の処理において、優れた性能を示した。
• 変動する運転条件下でも、提案されたコントローラーは安定性と性能を維持しており、そのロバスト性が確認された。