[논문 리뷰] Speed Control of DC Motor Using Fuzzy PID Controller

Messaadi Nassim, Amroun Abdelkader|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 11.

Advanced Control Systems Design참고 문헌 11인용 수 87

한 줄 요약

논문은 DC 모터 속도 제어를 위해 퍼지-로직으로 튜닝된 PID 컨트롤러를 설계하고, 기존 PID 및 제어 없음에 비해 동적 및 정적 응답이 개선되었음을 시뮬레이션 및 Arduino 기반 실험으로 보여준다.

ABSTRACT

In this project, we designed a DC motor whose speed can be controlled by a PID controller. The proportional, integral and derivative gains (KP, KI, KD) of the PID controller are adjusted according to Fuzzy logic. First of all, the fuzzy logic controller is designed according to rules so that the systems is basically robust. There are 25 rules for the auto-tuning of each parameter of the PID controller. The FLC (fuzzy logic controller) has two inputs. The first is the motor speed error between the reference (setpoint) and the actual speed. The second is the variation of the speed error (derivative of the speed error). Secondly the output of the FLC is the parameters of the PID controller which are used to control the speed of the DC motor. The study shows that both the precise characters of PID controllers and the flexible characters of fuzzy controllers are present in the fuzzy self-tuning PID controller. The fuzzy auto-tuning approach implemented on a conventional PID structure was able to control the speed of the DC motor. It also improved the dynamic and static response of the system. The comparison between the conventional response and the fuzzy self-tuning response was performed based on the simulation result obtained by MATLAB/SIMULINK. The simulation results show that the designed self-adaptive PID controller achieves good dynamic behavior of the DC motor, perfect speed tracking with short rise and settling times, zero overshoot and steady state error and thus gives better performance compared to the conventional PID controller. We then model the fuzzy PID using simple code on Arduino IDE and perform a practical experiment, to confirm our theorical results.

연구 동기 및 목표

• PID로 정확한 DC 모터 속도 제어의 동기 부여 및 튜닝 과제 해결.
• 속도 오차 및 그 도함수에 기반해 PID 매개변수(Kp, Ki, Kd)를 자동으로 튜닝하는 퍼지 로직 컨트롤러 개발.
• 시뮬레이션 및 실험에서 기존 PID 및 개방 루프/무 제어 대비 성능 향상 시연.
• MATLAB/Simulink 검증과 함께 저가 하드웨어(아두이노)에 퍼지-PID 튜닝 구현의 실현 가능성 제시

제안 방법

• DC 모터를 전기적 및 기계적 다이내믹스로 모델링하여 열린 루프 전달 함수 G(s) 확보.
• 벤치마크로 사용할 수 있도록 매뉴얼 튜닝을 통해 KP, KI, KD를 조정한 기존 PID 컨트롤러 설계.
• 속도 오차 e와 그 도함수 de를 두 입력으로 하는 퍼지 로직 컨트롤러를 개발하여 PID 이득(Kp, Ki, Kd)을 출력.
• 입력/출력에 대해 비대칭 멤버십 함수 정의 및 규칙 구성(표 2–4)으로 PID 파라미터 자동 조정.
• 시뮬레이션에서 무제어, PID, 퍼지-PID 구성을 비교하여 MATLAB/SIMULINK로 검증.
• 실용적 타당성 확인을 위해 Arduino(Arduino IDE)에서 퍼지-PID 구현 및 실험 데이터 수집

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼지 로직 컨트롤러가 DC 모터 속도 제어를 위한 PID 이득을 효과적으로 자동 튜닝할 수 있는가?
• RQ2 퍼지-PID의 성능은 상승 시간, 안정화 시간, 초과 진폭, 정상 상태 오차 측면에서 기존 PID 및 무제어와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 퍼지 자가 튜닝 접근법이 과도하게 댐핑되지 않는 모터 다이내믹스 및 실용 하드웨어 제약에 얼마나 견고한가?
• RQ4 퍼지-PID를 저가 하드웨어(아두이노)에 구현하고 시뮬레이션과 일관된 실험 결과를 얻을 수 있는가?

주요 결과

• 오픈 루프 DC 모터는 제어 없이 추적이 좋지 않으며(상승 시간 크게 소요, 정상 상태 오차 존재).
• 기존 PID는 퍼지-PID보다 상승 시간이 빠르지만 세트포인트로의 수렴이 느리고 정상 상태 오차가 비최적화 상태로 남는 경우가 있다.
• 퍼지-PID는 정상 상태 오차를 제로로 만들고 초과 진폭을 최소화하며 상승 시간과 안정화 시간 사이의 우호적인 절충을 달성한다(무제어보다 빠르고 기존 PID와 비교해 전체 반응에서 우수하거나 경쟁력 있음).
• 시뮬레이션 결과 모든 구성에서 초과 진폭이 0으로 나타났으며, 퍼지-PID가 상승 시간과 반응 시간 사이의 균형을 가장 잘 이룬 것으로 보이며 출력 제어가 정밀함.
• 실용적인 아두이노 구현은 이론을 확인시키며 초기 큰 전류로 인한 시작 시 초과가 발생하나, 빠른 목표치 도달을 달성; 향후 FPGA/MCU 고려 필요