2차 시스템의 Lyapunov 재설계 기반 비선형 PID 제어: 쿼드로터 호버링 제어 응용
Lyapunov redesign-based nonlinear PID control for secondorder systems: application to quadrotor hovering control
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초록
본 논문은 불확실성을 포함한 2차 적분기 시스템의 강인제어를 위해 Lapunov 재설계 기반 비선형 PID 제어기(LRB-NPID) 설계를 하고 폐루프에서의 Lyapunov 안정성을 증명한다. 이를 바탕으로 불확실한 시변 무게 외란을 가지는 쿼드로터 시스템의 고도제어에서 LRB-NPID 제어기의 강인함을 보인다. 쿼드로터 시스템을 시뮬레이션에서 나타내고 기존 PID 제어기와 제안하는 LRBNPID제어기의 오버슈트, 정착시간, 평균 제곱 오차를 비교한다. 또한 제안된 제어기의 설계 파라미터에 따른 오버슈트와 강인성의관계도 나타낸다. 실제 AR.Drone 실험을 통해 시뮬레이션과의 유사성을 비교하여 성능개선 및 강인성을 입증한다.
Abstract
This paper proposes a Lyapunov redesign-based nonlinear PID (LRB-NPID) controller for robust control of asecond-order integrator system with uncertainty and proves Lyapunov stability of the closed-loop system. Based onthis, the robustness of the LRB-NPID controller is verified for altitude control of a quadrotor system subject touncertain time-varying external disturbances. The quadrotor system model is implemented in simulation, and theovershoot, settling time, and mean square error of the proposed LRB-NPID controller are compared with those ofa conventional PID controller. Furthermore, the relationship between the design parameters of the proposedcontroller and overshoot/robustness is analyzed. Finally, real-world experiments using an AR.Drone confirm thesimilarity with simulation results, demonstrating improved performance and robustness.