[논문 리뷰] Active Disturbance Rejection Control (ADRC) Toolbox for MATLAB/Simulink

Krzysztof Łakomy, Wojciech Giernacki외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 02.

Advanced DC-DC Converters인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 MATLAB/Simulink용 오픈소스 드래그앤드롭 활동왜곡반응제어(ADRC) 툴박스를 소개한다. 이 툴박스를 통해 운동, 공정, 전력 제어 응용 분야에서 빠르고 사용자 우호적인 ADRC 기반 제어 시스템 설계가 가능하다. 툴박스는 단일 일반 목적 기능 블록을 통해 구현을 단순화하며, 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 통해 검증되었으며, 통합 용이성과 뛰어난 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

In this study, an active disturbance rejection control (ADRC) toolbox for MATLAB/Simulink is introduced. Although ADRC has already been established as a powerful robust control framework with successful industrial implementations and strong theoretical foundations, a comprehensive tool for computer-aided design of ADRC has not been developed until now. The proposed open-source ADRC Toolbox is a response to the growing need in the scientific community and the control industry for a straightforward software application of the ADRC methodology. Its main purpose is to fill the gap between the current theories and applications of ADRC and to provide an easy-to-use solution for users in various control fields who want to employ the ADRC scheme in their applications. The ADRC Toolbox contains a single, general-purpose, drag-and-drop function block that allows the synthesis of a predefined ADRC-based strategy with minimal design effort. Additionally, its open structure allows creation of custom control solutions. The efficacy of the ADRC Toolbox is validated through both simulations and hardware experiments, which were conducted using a variety of problems known in the motion, process, and power control areas.

연구 동기 및 목표

• MATLAB/Simulink에서 ADRC 기반 제어 시스템을 설계하기 위한 종합적이고 사용자 우호적인 소프트웨어 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 이론적 ADRC 발전과 실질적인 산업 또는 학술 응용 간 격차를 메우기 위해.
• 표준 및 사용자 정의 ADRC 구성 방식을 최소한의 사용자 노력으로 지원하는 오픈소스이자 확장 가능한 툴박스를 제공하기 위해.
• 다양한 제어 응용 분야에서 기존 Simulink 모델에 ADRC를 원활하게 통합할 수 있도록 하기 위해.
• 다양한 제어 영역에서 수치 시뮬레이션과 실시간 하드웨어 실험을 통해 툴박스의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 툴박스는 Simulink 모델에 드래그 앤 드롭 방식으로 통합 가능한 단일 일반 목적 ADRC 기능 블록을 구현한다.
• 핵심 ADRC 구성 요소인 추적 미분기, 확장 상태 관측기(ESO), 상태 피드백 제어를 포함한다.
• 표준 ADRC와 사용자 정의 변형 모두를 지원하며, 비선형 추정 오차 함수 및 상대 외란 차수 선택 옵션을 포함한다.
• MATLAB 내에서의 설치 및 경로 관리를 단순화하기 위해 .mltbx 파일 형식으로 패ckaging된다.
• 툴박스는 오픈소스이며 MathWorks File Exchange를 통해 제공되며, 연구에서 사용된 버전은 1.1.3이다.
• 검증은 TCLab 온도 제어 시스템과 같은 플랫폼을 사용한 시뮬레이션 및 실시간 하드웨어 실험을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MATLAB/Simulink에서 ADRC 설계 및 구현을 단순화하기 위해 통합적이고 사용자 우호적인 ADRC 툴박스를 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ2 제안된 툴박스를 사용할 경우 시뮬레이션 및 실시간 하드웨어 응용 분야에서 어떤 수준의 성능과 강건성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 ADRC 구성 요소를 블록 수준에서 수동으로 구현하는 것에 비해 툴박스는 설계 노력의 어느 정도를 줄일 수 있는가?
• RQ4 비선형 오차 함수나 부분 모델 통합과 같은 고급 ADRC 구성에 대해 툴박스는 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ5 운동, 공정, 전력 시스템을 포함한 다양한 제어 영역에서 툴박스를 효과적으로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• ADRC 툴박스는 최소한의 사용자 설정으로 Simulink 모델에 빠르고 드래그앤드롭 방식으로 ADRC를 통합할 수 있도록 한다.
• 툴박스는 시뮬레이션 및 실시간 하드웨어 실험을 통해 성공적으로 검증되었으며, 온도 제어 시스템(TCLab)에서 효과적인 외란 제거 및 추적 성능을 입증하였다.
• 툴박스는 표준 및 사용자 정의 ADRC 전략을 모두 지원하며, 유도 미분 보정 및 자동 튜닝 옵션을 포함한다.
• 다양한 사례 연구를 통해 뛰어난 강건성 성능을 달성했으며, 상당한 결합 효과가 있는 2자유도 열역학계에서도 유사한 성능을 보였다.
• 오픈소스 성격과 MathWorks File Exchange를 통한 공개로 인해 광범위한 접근성과 커뮤니티 기반 개선 잠재력이 보장된다.
• 툴박스는 이론에서 응용으로의 전환을 단순화하여 제어 시스템 설계의 개발 시간과 노력을 줄였다.