[논문 리뷰] Simulation work on Fractional Order PIλ Control Strategy for speed control of DC motor based on stability boundary locus method

N. N. Praboo, P. K. Bhaba|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 06.

Advanced Control Systems Design참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 안정성 경계 선도 방법을 사용하여 희망하는 이득 및 위상 여유를 확보하기 위해 분수계수 비례-적분(FO-PIλ) 제어기를 DC 모터 속도 제어에 제안한다. 시뮬레이션 결과는 정수계수 릴레이 피드백 PI 제어기보다 향상된 동적 응답과 더 높은 안정성으로 초래하는 뛰어난 성능을 보여준다. 이는 서보 및 정규 제어 시나리오에서의 강인성 향상과 함께 성능 향상을 보여준다.

ABSTRACT

This paper deals with the design of Fractional Order Proportional Integral (FO-PIλ) controller for the speed control of DC motor. A mathematical model of DC motor control system is derived and based on this model fractional order PIλ controller is designed using stability boundary locus method to satisfy required gain margin (GM) and phase margin (PM) of the system. Servo and Regulatory tracking simulation runs are carried out for the speed control of DC motor. The performance of the fractional order PIλ (FO-PIλ) controller is compared with Integer Order Relay Feedback Proportional Integral (IO-RFPI) controller. Finally the stability of both control system is considered.

연구 동기 및 목표

• DC 모터의 정밀한 속도 제어를 위한 분수계수 비례-적분(FO-PIλ) 제어기를 설계하기.
• 지정된 이득 및 위상 여유를 확보하기 위해 안정성 경계 선도 방법을 적용하여 FO-PIλ 제어기의 파arameter를 조정하기.
• 정수계수 릴레이 피드백 PI(IO-RFPI) 제어기와의 성능을 평가하기.
• 모든 제어 전략에 대해 시뮬레이션을 통해 시스템 안정성 분석하기.
• 서보 및 정규 제어 응용 분야에서 FO-PIλ 제어기의 효과성을 검증하기.

제안 방법

• 제어기 설계를 위한 DC 모터 제어 시스템의 수학적 모델을 수립하였다.
• 필요한 이득 및 위상 여유를 충족시키는 제어기 파arameter(Kp, Ki, λ)를 결정하기 위해 안정성 경계 선도 방법을 적용하였다.
• 분수계산을 사용하여 λ가 비정수 적분 차수인 FO-PIλ 제어기를 설계하였다.
• 동적 성능 평가를 위해 서보 및 정규 제어 추적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 상승 시간, 정착 시간, 오버슈트 및 안정성 여유를 평가하기 위해 비교적 시뮬레이션을 실시하였다.
• 두 제어기의 보드 플롯 및 위상/이득 여유를 분석하여 시스템 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정성 경계 선도 방법은 DC 모터에 대해 분수계수 PIλ 제어기를 효과적으로 조정하기 위해 어떻게 적용될 수 있는가?
• RQ2 FO-PIλ 제어기는 정수계수 릴레이 피드백 PI 제어기 대비 속도 제어에서 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ3 FO-PIλ 제어기와 IO-RFPI 제어기 간의 일시적 응답 특성(상승 시간, 정착 시간, 오버슈트)은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 FO-PIλ 제어기는 시스템의 강인성과 안정성 여유를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 FO-PIλ 제어기는 서보 및 정규 제어 추적 제어 시나리오에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• FO-PIλ 제어기는 IO-RFPI 제어기 대비 상승 시간과 정착 시간이 감소한 더 나은 일시적 응답을 달성하였다.
• FO-PIλ 제어기는 서보 및 정규 제어 추적 시뮬레이션 모두에서 더 낮은 오버슈트를 보였다.
• FO-PIλ 제어기를 탑재한 시스템은 더 높은 이득 및 위상 여유를 유지하여 향상된 안정성을 나타내었다.
• 안정성 경계 선도 방법은 FO-PIλ 제어기 파arameter의 체계적인 조정을 성공적으로 가능케 하였다.
• 시뮬레이션 결과는 FO-PIλ 제어기가 속도 제어 응용 분야에서 향상된 강인성과 성능을 제공한다는 것을 확인하였다.
• 성능 비교 결과는 여러 동적 응답 지표에서 FO-PIλ 제어기가 일관되게 열등한 성능을 보였다.