[논문 리뷰] Hybrid Fuzzy Control of Nonlinear Inverted Pendulum System

Abdulbasid Ismail Isa, Mukhtar Fatihu Hamza외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비선형 역퍼레드럼 시스템에 대해 모델 기반 접근 방식을 사용하는 하이브리드 퍼지 적응 제어 시스템을 제안한다. 퍼지 논리와 적응 제어를 융합하여 위치 및 각도를 동시에 조절한다. 시뮬레이션 결과, PID 및 LQR 제어기와 비교해 기준 추적, 외란 제거 및 매개변수 변화에 대한 강건성 면에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Complexity and nonlinear behaviours of inverted pendulum system make its control design a very challenging task. In this paper, a hybrid fuzzy adaptive control system using model reference approach is designed for inverted-pendulum system control. The proposed method is developed to achieve position control and later simultaneous control of position and pendulum angle in the same control loop. Also, the control algorithm is applied to achieve control objective of reference tracking, disturbance rejection and robustness to parameter variation. The performance of the proposed control scheme was compared with conventional PID and LQR controllers. The simulation results showed that the proposed control scheme provides high-performance dynamic characteristics and is robust with regard to parametric variations, disturbance and reference tracking compared to the comparatives

연구 동기 및 목표

• 고도로 동적인 민감도를 가지는 비선형 복잡한 역퍼레드럼 시스템을 제어하는 데 도전하는 것.
• 위치와 펜듈럼 각도를 동시에 조절할 수 있는 통합 제어 프레임워크를 설계하는 것.
• 매개변수 변화, 외부 외란 및 기준 신호 변화에 대한 시스템의 강건성을 향상시키는 것.
• 전통적인 제어 방법을 초월해 기준 추적 및 외란 제거 성능을 향상시키는 것.

제안 방법

• 목표 시스템 행동을 정의하기 위해 모델 기반 적응 제어(MRAC) 프레임워크를 활용한다.
• 비선형 역학을 근사하고 제어 이득을 온라인에서 적응시키기 위해 타카기-스우에지(Takagi-Sugeno, T-S) 퍼지 논리 시스템을 통합한다.
• 리아푸노프 안정성 이론을 사용하여 닫힘 루프 안정성을 보장하는 적응 법칙을 유도한다.
• 임시 응답을 향상시키기 위해 퍼지 논리와 피드백 오차 보상 구조를 융합한 하이브리드 제어 구조를 설계한다.
• 오차 기반 적응을 위한 이상적 시스템 반응을 정의하는 기준 모델을 구현한다.
• 단일 루프에서 위치 및 각도 편차를 동시에 관리하기 위해 제어 법칙을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 퍼지 적응 제어 전략은 단일 제어 루프에서 역퍼레드럼의 위치와 각도를 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 제어 성능은 시스템 매개변수가 변화하는 조건에서 기준 추적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 PID 및 LQR 대비 외부 외란에 대해 얼마나 잘 제거하는가?
• RQ4 매개변수 불확실성과 모델 정확도 부족에 대해 제어 시스템은 얼마나 강건한가?
• RQ5 기존 제어기 대비 정착 시간과 오버슈트 면에서 동적 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 퍼지 제어 전략은 PID 및 LQR 제어기 대비 위치 및 각도 조절에서 더 짧은 정착 시간과 낮은 오버슈트를 달성했다.
• ±20% 매개변수 변화 조건에서도 안정적인 제어를 유지하며 재조정 없이 우수한 성능을 보였다.
• 외란 제거 성능이 크게 향상되어 교란 발생 후 목표 경로에서의 편차가 최소화되었다.
• 기준 추적 성능이 뛰어나 정적 오차가 감소하고 목표 값으로의 수렴 속도가 빨라졌다.
• 리아푸노프 기반 적응 메커니즘이 모든 시뮬레이션 시나리오에서 닫힘 루프 안정성을 보장했다.
• 정량적 비교 결과, LQR 대비 위치 제어에서 IAE(절대 오차의 적분)가 35% 감소했고, 각도 제어에서는 40% 감소했다.