[论文解读] Performance Analysis of PID, PD and Fuzzy Controllers for Position Control of 3-Dof Robot Manipulator

Usman Kabir, Mukhtar Fatihu Hamza+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2019

Fuzzy Logic and Control Systems被引用 8

一句话总结

本文通过仿真比较了三自由度机器人机械臂位置控制的PID、PD和模糊逻辑控制器。PID和PD控制器在上升时间和调节时间方面优于模糊逻辑控制器，而模糊逻辑控制器表现出更低的超调量，凸显了在机器人机械臂控制中瞬态响应特性之间的权衡。

ABSTRACT

Robot manipulators are extensively used in industrial applications because of their immense importance such as in constructions automation. Therefore, designing controllers to suit the intensive purpose of the application is one of the major challenges for control researchers. This paper presents comparative analysis of three controllers on a 3-DOF robot manipulator. The proportional integral derivative (PID), proportional derivative (PD) and fuzzy logic (FL) controllers were designed and applied to each of the link of the robot by simulation. The performance of each control method was assessed using the transient and steady state response characteristics. Comparisons of the results obtained, PID and PD performed better in terms of Rise Time and Settling Time while the FLC exhibited reduced overshoot

研究动机与目标

• 评估并比较PID、PD和模糊逻辑控制器在三自由度机器人机械臂位置控制中的性能。
• 基于上升时间、调节时间和超调量等瞬态和稳态响应特性，识别最优控制器。
• 通过仿真提供比较分析，以指导工业机器人应用中的控制器选择。
• 评估非线性机器人系统中响应速度与稳定性之间的权衡。

提出的方法

• 在仿真环境中设计三自由度机器人机械臂模型，以模拟实际的运动学和动力学行为。
• 为机器人机械臂的每个关节实现PID、PD和模糊逻辑控制器，以调节位置跟踪。
• 使用标准性能指标——上升时间、调节时间和超调量——对控制器响应进行定量评估。
• 对所有三个自由度的控制器进行阶跃输入响应仿真，以确保一致比较。
• 采用基于规则的推理和隶属度函数实现模糊逻辑控制，输入变量为误差和误差变化率（delta误差）。
• 基于仿真输出得出的时间域响应特性进行性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三自由度机器人机械臂位置控制中，PID、PD和模糊逻辑控制器的上升时间表现如何比较？
• RQ2 在相同仿真条件下，各类控制器的调节时间性能如何？
• RQ3 在三自由度机械臂系统中，哪种控制器在位置跟踪过程中表现出最低的超调量？
• RQ4 三种控制器在机械臂不同关节上的瞬态响应特性有何差异？
• RQ5 在所选控制策略中，响应速度（上升时间和调节时间）与稳定性（超调量）之间存在何种权衡？

主要发现

• PID和PD控制器在上升时间方面优于模糊逻辑控制器，表现出更短的上升时间。
• PID和PD控制器表现出更短的调节时间，表明在阶跃输入后能更快实现稳定。
• 模糊逻辑控制器在三者中表现出最低的超调量，表明其在瞬态响应中具有更好的阻尼和稳定性。
• 性能差异在所有三个自由度中保持一致，证实了比较结果的稳健性。
• 仿真结果表明，尽管PID和PD控制器响应更快，但模糊逻辑控制器能更有效地抑制超调。
• 比较分析支持在需要最小化超调量的应用中采用模糊逻辑控制，即使响应速度稍慢。