[論文レビュー] Performance Analysis of PID, PD and Fuzzy Controllers for Position Control of 3-Dof Robot Manipulator

Usman Kabir, Mukhtar Fatihu Hamza+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2019

Fuzzy Logic and Control Systems被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、3-DOFロボットアームの位置制御におけるPID、PD、およびファジィ論理制御の性能をシミュレーションを用いて比較している。PIDおよびPD制御は立ち上がり時間と安定化時間においてファジィ論理制御を上回ったが、ファジィ論理制御は最小のオーバーシュートを示し、ロボットアーム制御における過渡応答特性のトレードオフを浮き彫りにした。

ABSTRACT

Robot manipulators are extensively used in industrial applications because of their immense importance such as in constructions automation. Therefore, designing controllers to suit the intensive purpose of the application is one of the major challenges for control researchers. This paper presents comparative analysis of three controllers on a 3-DOF robot manipulator. The proportional integral derivative (PID), proportional derivative (PD) and fuzzy logic (FL) controllers were designed and applied to each of the link of the robot by simulation. The performance of each control method was assessed using the transient and steady state response characteristics. Comparisons of the results obtained, PID and PD performed better in terms of Rise Time and Settling Time while the FLC exhibited reduced overshoot

研究の動機と目的

• 3-DOFロボットアームの位置制御におけるPID、PD、およびファジィ論理制御の性能を評価・比較すること。
• 立ち上がり時間、安定化時間、オーバーシュートなどの過渡応答および定常応答特性に基づき、最適な制御器を特定すること。
• 工業的ロボット応用における制御器選定を支援するため、シミュレーションを用いた比較分析を提供すること。
• 非線形ロボットシステムにおける応答速度と安定性の間のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 実際の運動学的・動力学的挙動を再現するため、シミュレーション環境に3-DOFロボットアームモデルを設計すること。
• ロボットアームの各関節にPID、PD、およびファジィ論理制御を実装し、位置追従制御を実現すること。
• 立ち上がり時間、安定化時間、オーバーシュートといった標準的な性能指標を用いて、制御器の応答を定量的に評価すること。
• 全3自由度において同一条件でのステップ入力応答をシミュレートし、一貫性のある比較を実施すること。
• 誤差および誤差の変化（デルタ誤差）のための所属関数を用いたルールベース推論を用いてファジィ論理制御を適用すること。
• シミュレーション出力から得られる時間領域応答特性に基づき、制御器の性能を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3-DOFロボットアームの位置制御において、PID、PD、およびファジィ論理制御は立ち上がり時間の観点でどのように比較できるか？
• RQ2 同一のシミュレーション条件下で、各制御器タイプの安定化時間はどの程度か？
• RQ3 3-DOFアームシステムにおける位置追従制御で、どの制御器が最も低いオーバーシュートを示すか？
• RQ4 3つの制御器の過渡応答特性は、アームの異なる関節においてどのように変化するか？
• RQ5 選択された制御戦略において、応答速度（立ち上がり時間および安定化時間）と安定性（オーバーシュート）の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• PIDおよびPD制御は、ファジィ論理制御よりも短い立ち上がり時間を達成した。
• PIDおよびPD制御は、ステップ入力後の迅速な安定化を示し、短い安定化時間を達成した。
• ファジィ論理制御は、3つの制御器の中で最も低いオーバーシュートを示し、過渡応答における良好な減衰性と安定性を示した。
• 性能の差は全3自由度にわたり一貫しており、比較結果の妥当性が裏付けられた。
• シミュレーション結果は、PIDおよびPD制御が高速応答を提供する一方で、ファジィ論理制御がオーバーシュートをより効果的に抑制できることを確認した。
• 比較分析は、オーバーシュートの低減が重要な応用分野において、わずかに遅い応答時間の代わりにファジィ論理制御の使用を支持するものである。