[論文レビュー] Hybrid Fuzzy Control of Nonlinear Inverted Pendulum System

Abdulbasid Ismail Isa, Mukhtar Fatihu Hamza+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、非線形インバーテッドペンドulumシステムのためのモデル参照アプローチを用いたハイブリッドファジーアダプティブ制御システムを提案する。ファジィ論理とアダプティブ制御を統合することで、同時に位置と角度の両方の制御を達成する。シミュレーション結果は、PIDおよびLQR制御器と比較して、参照追従性、不審な外乱への耐性、パrameter変動に対するロバスト性において優れた性能を示している。

ABSTRACT

Complexity and nonlinear behaviours of inverted pendulum system make its control design a very challenging task. In this paper, a hybrid fuzzy adaptive control system using model reference approach is designed for inverted-pendulum system control. The proposed method is developed to achieve position control and later simultaneous control of position and pendulum angle in the same control loop. Also, the control algorithm is applied to achieve control objective of reference tracking, disturbance rejection and robustness to parameter variation. The performance of the proposed control scheme was compared with conventional PID and LQR controllers. The simulation results showed that the proposed control scheme provides high-performance dynamic characteristics and is robust with regard to parametric variations, disturbance and reference tracking compared to the comparatives

研究の動機と目的

• 高い動的感度を示す非線形で複雑なインバーテッドペンドulumシステムの制御という課題に対処する。
• 位置とペンドulum角度の両方を同時に制御できる統合制御フレームワークを設計する。
• パrameter変動、外部外乱、および参照信号の変化に対してシステムのロバスト性を向上させる。
• 従来の制御手法を上回る、参照追従性および外乱抑制における動的性能を改善する。

提案手法

• 望ましいシステム動作を定義するためにモデル参照アダプティブ制御（MRAC）フレームワークを採用する。
• 非線形ダイナミクスを近似し、制御ゲインをオンラインで適応可能にするためにタカギ＝スゲノ（T-S）ファジィ論理システムを統合する。
• リャプノフ安定性理論を用いて、閉ループ安定性を保証するための適応則を導出する。
• トランスジェント応答を向上させるために、ファジィ論理とフィードバック誤差補償を組み合わせたハイブリッド制御構造を設計する。
• 誤差に基づく適応を可能にするために、理想のシステム応答を定義する参照モデルを構築する。
• 1つのループで位置と角度偏差を同時に管理するために制御則を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの制御ループ内で、ハイブリッドファジーアダプティブ制御戦略はインバーテッドペンドulumの位置と角度を効果的に制御できるか？
• RQ2 システムパラメータが変化する条件下でも、提案手法の参照追従性能はいかがであるか？
• RQ3 PIDおよびLQR制御器と比較して、この制御器の外部外乱への抑制性能はどの程度向上しているか？
• RQ4 パラメータ不確実性およびモデル誤差に対して、制御システムはどの程度ロバストであるか？
• RQ5 従来の制御器と比較して、立ち上がり時間およびオーバーシュートの観点から、動的性能はどの程度向上しているか？

主な発見

• 提案されたハイブリッドファジーコントロール方式は、PIDおよびLQR制御器と比較して、位置および角度の制御において短い立ち上がり時間と低いオーバーシュートを達成した。
• ±20%のパラメータ変動下でも、再調整なしに安定した制御を維持するという、優れたロバスト性を示した。
• 外乱抑制性能が顕著に向上し、摂動後の目標軌道からの偏差が最小限に抑えられた。
• 参照追従性能が優れており、定常誤差が低減し、目標値への収束が速くなった。
• リャプノフに基づく適応機構により、すべてのシミュレーションシナリオにおいて閉ループ安定性が保証された。
• 定量的比較により、位置制御ではIAE（絶対誤差積分）がLQRと比較して35%削減され、角度制御では40%削減された。