[论文解读] Adaptive Fractional PID Controller for Robot Manipulator

Hadi Delavari, Reza Ghaderi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2012

Advanced Control Systems Design参考文献 13被引用 46

一句话总结

本文提出一种用于机器人机械臂的自适应分数阶PID（FPID）控制器，通过遗传算法优化控制器参数，以提升轨迹跟踪性能。在双连杆机械臂上的仿真结果表明，与整数阶自适应PID相比，该方法在有界误差条件下表现出更优的鲁棒性及更快的收敛速度。

ABSTRACT

A Fractional adaptive PID (FPID) controller for a robot manipulator will be proposed. The PID parameters have been optimized by Genetic algorithm. The proposed controller is found robust by means of simulation in a tracking job. The validity of the proposed controller is shown by simulation of two-link robot manipulator. The result then is compared with integer type adaptive PID controller. It is found that when error signals in the learning stage are bounded, the trajectory of the robot converges to the desired one asymptotically.

研究动机与目标

• 为解决传统整数阶PID控制器在实现机器人机械臂精确轨迹跟踪方面的局限性。
• 在机器人系统存在不确定性与非线性的情况下，提升控制的鲁棒性与收敛速度。
• 设计一种自适应FPID控制器，能够根据系统误差信号动态调整参数。
• 通过仿真验证分数阶控制相较于整数阶控制的优越性。
• 在有界误差条件下，证明机器人轨迹可实现渐近收敛至期望路径。

提出的方法

• 采用非整数阶微积分设计具有可调比例、积分与微分增益的分数阶PID控制器。
• 采用遗传算法（GA）优化FPID参数，以提升性能与鲁棒性。
• 实现一种自适应机制，根据误差信号实时调整控制器增益。
• 利用非线性动力学建模双连杆机械臂，并应用FPID控制器实现轨迹跟踪。
• 在多种工况下仿真控制系统，以评估性能与稳定性。
• 在相同测试场景下，将FPID控制器与传统整数阶自适应PID控制器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 分数阶PID控制器是否在机器人机械臂的轨迹跟踪精度方面优于整数阶PID控制器？
• RQ2 遗传算法的引入如何提升自适应FPID控制器的性能？
• RQ3 在何种条件下，FPID控制器可确保机器人轨迹渐近收敛至期望路径？
• RQ4 有界误差信号对自适应FPID控制器的稳定性与收敛速率有何影响？
• RQ5 FPID控制器如何处理机器人机械臂动力学中固有的非线性与不确定性？

主要发现

• 自适应FPID控制器在轨迹跟踪方面较整数阶自适应PID控制器具有更快的响应速度与更高的精度。
• 当误差信号保持有界时，机器人机械臂的轨迹实现了渐近收敛至期望路径。
• 遗传算法有效优化了FPID参数，增强了鲁棒性并减小了稳态误差。
• 仿真结果表明，FPID控制器在扰动抑制与瞬态响应方面表现更优。
• FPID控制器在处理双连杆机械臂系统中的非线性动力学与不确定性方面表现出更优性能。
• 所提出的控制器在不同工况下均保持稳定与高性能，证实了其鲁棒性。