[논문 리뷰] Performance Analysis of PID, PD and Fuzzy Controllers for Position Control of 3-Dof Robot Manipulator

Usman Kabir, Mukhtar Fatihu Hamza외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 26.

Fuzzy Logic and Control Systems인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 시뮬레이션을 통해 3-DOF 로봇 암에 대한 위치 제어를 위한 PID, PD 및 퍼지 논리 제어기의 성능을 비교한다. PID 및 PD 제어기는 오버슈트가 가장 낮은 퍼지 논리 제어기와는 달리 오르름 시간과 정착 시간에서 뛰어난 성능을 보였으며, 이는 로봇 암 제어에서 일시적 응답 특성 간의 상충 관계를 보여준다.

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

연구 동기 및 목표

• 3-DOF 로봇 암의 위치 제어에서 PID, PD 및 퍼지 논리 제어기의 성능을 평가하고 비교하는 것.
• 오르름 시간, 정착 시간 및 오버슈트와 같은 일시적 및 정상 상태 응답 특성에 기반한 최적의 제어기를 규명하는 것.
• 산업용 로봇 응용 분야의 제어기 선택을 안내하기 위해 시뮬레이션을 활용한 비교 분석을 제공하는 것.
• 비선형 로봇 시스템에서 응답 속도와 안정성 간의 상충 관계를 평가하는 것.

제안 방법

• 실제 운동학적 및 동역학적 거동을 반영하기 위해 시뮬레이션 환경에서 3-DOF 로봇 암 모델을 설계하는 것.
• 로봇 암의 각 관절에 대해 PID, PD 및 퍼지 논리 제어기를 구현하여 위치 추적을 조절하는 것.
• 정량적인 제어기 응답 평가를 위해 표준 성능 지표인 오르름 시간, 정착 시간 및 오버슈트를 사용하는 것.
• 모든 세 개의 자유도에서 동일한 비교를 보장하기 위해 각 제어기의 단계 입력 응답을 시뮬레이션하는 것.
• 오차 및 오차의 변화(델타 오차)에 대한 소속 함수를 사용한 규칙 기반 추론을 활용한 퍼지 논리 제어 적용.
• 시뮬레이션 출력에서 유도된 시간 영역 응답 특성에 기반한 성능 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PID, PD 및 퍼지 논리 제어기는 3-DOF 로봇 암의 위치 제어에서 오르름 시간 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 동일한 시뮬레이션 조건 하에서 각 제어기 유형의 정착 시간 성능은 어떠한가?
• RQ3 3-DOF 암 시스템에서 위치 추적 동안 가장 낮은 오버슈트를 보이는 제어기는 무엇인가?
• RQ4 세 제어기의 일시적 응답 특성은 암의 다양한 관절에서 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 선택된 제어 전략에서 응답 속도(오르름 시간 및 정착 시간)와 안정성(오버슈트) 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• PID 및 PD 제어기는 퍼지 논리 제어기보다 더 짧은 오르름 시간을 기록하여 뛰어난 성능을 보였다.
• PID 및 PD 제어기는 단계 입력 이후 더 빠른 정착 시간을 보여주어 빠른 정착을 의미한다.
• 퍼지 논리 제어기는 세 제어기 중에서 가장 낮은 오버슈트를 보였으며, 일시적 응답에서 더 나은 감쇠 및 안정성을 나타낸다.
• 성능 차이는 모든 세 개의 자유도에서 일관되었으며, 비교 결과의 강건성을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 PID 및 PD 제어기가 더 빠른 응답을 제공하는 반면, 퍼지 논리 제어기는 오버슈트 억제에 더 우수하다는 것을 확인한다.
• 비교 분석은 오버슈트 억제가 중요한 응용 분야에서는 퍼지 논리 제어를 사용할 것을 지지하며, 이는 略로 응답 속도가 다소 느릴 수 있음을 감안할 때도 마찬가지다.