طراحی الگوریتم‌های کنترلی انتگرال-مشتق گیر- تناسبی مرتبه کسری و معمولی همراه با بررسی تجربی عملکرد آن برای کنترل موقعیت زاویه‌ای کوادروتور

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

چکیده

در این مقاله به طراحی و پیاده سازی الگوریتم کنترلی PID و PID مرتبه کسری با استفاده از الگوریتم‌های فراابتکاری برای کنترل موقعیت زاویه‌ای کوادروتور پرداخته شده و عملکرد این دو کنترل مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته شده است. استفاده محاسبات کسری در الگوریتم کنترلی PID منجر به پاسخ مطلوب‌تری نسبت مشتق و انتگرال مرتبه‌ی اول می‌شود. به منظور طراحی بهینه‌ی کنترلر از الگوریتم‌های بهینه‌سازی ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات برای تنظیم بهره‌های کنترلی و تعیین مرتبه‌های مشتق و انتگرال استفاده شده است و عملکرد این دو روش بهینه‌سازی در کاهش تابع هزینه که منجر به کنترل بهتر ربات می‌شود، مقایسه شده‌اند. به منظور بررسی تجربی عملکرد الگوریتم کنترلی PID، بستر آزمایشگاهی شامل کوادروتور و حسگرهای ژیروسکوپ و شتاب‌سنج با قابلیت حرکت سه درجه آزادی و یک درجه آزادی توسعه داده شده است. فیلتر کالمن با ادغام اطلاعات خروجی حسگرهای ژیروسکوپ و شتاب‌سنج، نویز حسگرها را حذف نموده و تخمین مناسبی از موقعیت زاویه‌ای سازه ارایه می‌دهد. عملکرد الگوریتم کنترلی PID با ورودی‌های پله و هنگام اعمال اغتشاشات خارجی ضربه‌ای مورد ارزیابی قرار گرفته شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Bouabdallah S (2007) Design and control of quadrotors with application to autonomous flying. Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.

[2] Erginer B, Altuğ E (2007) Modeling and PD control of a quadrotor VTOL vehicle.  Intelligent Vehicles Symposium, 2007 IEEE 894-899.

[3] Bouabdallah S, Murrieri P, Siegwart R (2004) Design and control of an indoor micro quadrotor. Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04. 2004 IEEE International Conference on. Vol 5.

[4] Salih AL, Moghavvemi M, Mohamed HA, Gaeid KS (2010) Flight PID controller design for a UAV quadrotor. Scientific Research and Essays 5(23): 3660-3667.

[5] Gonzalez-Vazquez S, Moreno-Valenzuela J (2010) A new nonlinear PI/PID controller for quadrotor posture regulation. In Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference (CERMA), 2010.

[6] Rezazadeh S, Alinaghizadeh Ardestani M, Shahidi Sadeghi P (2013) Optimal attitude control of a quadrotor UAV using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS). ICCIA 219-223.

[7] Gao YJ, Chen DX, Li RM (2011) Research on control algorithm of microquadrotor aircraft [J]. Computer and Modernization 10:003.

[8] Zerikat M, Chekroun S (2007) Design and implementation of a hybrid fuzzy controller for a high performance induction motor. World Academy of Science, Engineering and Technology 26: 263-269.

[9] Mahfouz M, Ashry M, Elnashar G (2013) Design and control of quad-rotor helicopters based on adaptive neuro-fuzzy inference system. International Journal of Engineering Research and Technology 2(12). ESRSA Publications.

[10] Oldhum KB, Spanier J (1974) The fractional calculus: Theory and applications of differentiation and integration to arbitrary order. Academic Press.

[11] Safaei M, Hosseinia S, Osseini-Toodeshki MH  (2013) A general method for designing fractional order PID controller. 3(12): 25-34. (in Persian)

[12] Miller KS, Ross B (1993) An introduction to the fractional calculus and fractional differential equations. Wiley, New York.

[13] Podlubny I (1999) Fractional-order systems and PIλDμ controllers. IEEE Trans. on Automatic Control 44(1): 208-213.

[14] Tavazoei MS, Haeri M (2008) Choas control via a simple fractional order controller. Phys Lett A 372: 798-807.

[15] Chang LY, Chen HC (2009) Tuning of fractional PID controllers using adaptive genetic algorithm for active Magnetic bearing system. WSEAS Trans Sys 8: 226-236.

[16] Majid LYZ, Masoud KG, Nasser S, Mostafa P (2009) Design of a fractional order PID controller for an AVR using particle swarm optimization. Control Engineering Practice 17(12): 1380-1387.

[17] Aghababa MP (2016) Optimal design of fractional-order PID controller for five bar linkage robot using a new particle swarm optimization algorithm. Soft Computing 20(10): 4055-4067.

[18] Schmidt MD (2011) Simulation and control of a quadrotor unmanned aerial vehicle.