[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种基于模型参考方法的混合模糊自适应控制系统，用于非线性倒立摆系统，通过将模糊逻辑与自适应控制相结合，实现位置与角度的同步调节。仿真结果表明，与PID和LQR控制器相比，该方法在参考信号跟踪、扰动抑制以及参数变化下的鲁棒性方面表现更优。

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

研究动机与目标

• 解决高动态敏感性的非线性、复杂倒立摆系统的控制挑战。
• 设计一种统一的控制框架，能够同时调节位置与摆杆角度。
• 提升系统对参数变化、外部扰动及参考信号变化的鲁棒性。
• 在参考信号跟踪与扰动抑制方面，实现超越传统控制方法的动态性能提升。

提出的方法

• 采用模型参考自适应控制（MRAC）框架，定义期望的系统行为。
• 集成Takagi-Sugeno（T-S）模糊逻辑系统，以逼近非线性动态并在线自适应调整控制增益。
• 基于李雅普诺夫稳定性理论推导自适应律，确保闭环系统稳定。
• 设计一种混合控制结构，结合模糊逻辑与反馈误差补偿，以增强瞬态响应性能。
• 设计参考模型，定义理想系统响应，用于基于误差的自适应调整。
• 在单闭环结构中应用控制律，同时管理位置与角度偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合模糊自适应控制策略是否能在单个控制回路中有效调节倒立摆的位置与角度？
• RQ2 在系统参数变化条件下，该方法在参考信号跟踪方面表现如何？
• RQ3 与PID和LQR相比，该控制器在外部扰动抑制方面表现如何？
• RQ4 该控制系统对参数不确定性与模型不准确性具有多大程度的鲁棒性？
• RQ5 与传统控制器相比，该系统在调节时间与超调量方面的动态性能改善程度如何？

主要发现

• 所提出的混合模糊控制方案在位置与角度调节方面实现了比PID和LQR控制器更短的调节时间与更低的超调量。
• 系统在±20%参数变化下表现出鲁棒性能，无需重新调参即可保持稳定控制。
• 扰动抑制能力显著提升，扰动后系统偏离期望轨迹的程度极小。
• 参考信号跟踪性能更优，稳态误差更小，且更快收敛至目标值。
• 基于李雅普诺夫的自适应机制确保了所有仿真场景下闭环系统的稳定性。
• 定量对比显示，与LQR相比，位置控制的IAE（绝对误差积分）降低35%，角度控制降低40%。