طراحي الگوريتم‌هاي كنترلي انتگرال-مشتق گير- تناسبي مرتبه كسري و معمولي همراه با بررسي تجربي عملكرد آن براي كنترل موقعيت زاويه‌اي كوادروتور

Design of a Fractional-order PID controller and a Commen PID controller with Experimental Evaluation of them on Performance of Attitude Control of a quadrotor

در اين مقاله به طراحي و پياده سازي الگوريتم كنترلي PID و PID مرتبه كسري با استفاده از الگوريتم‌هاي فراابتكاري براي كنترل موقعيت زاويه‌اي كوادروتور پرداخته شده و عملكرد اين دو كنترل مورد ارزيابي و مقايسه قرار گرفته شده است. استفاده محاسبات كسري در الگوريتم كنترلي PID منجر به پاسخ مطلوب‌تري نسبت مشتق و انتگرال مرتبه‌ي اول مي‌شود. به منظور طراحي بهينه‌ي كنترلر از الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي ژنتيك و الگوريتم ازدحام ذرات براي تنظيم بهره‌هاي كنترلي و تعيين مرتبه‌هاي مشتق و انتگرال استفاده شده است و عملكرد اين دو روش بهينه‌سازي در كاهش تابع هزينه كه منجر به كنترل بهتر ربات مي‌شود، مقايسه شده‌اند. به منظور بررسي تجربي عملكرد الگوريتم كنترلي PID، بستر آزمايشگاهي شامل كوادروتور و حسگرهاي ژيروسكوپ و شتاب‌سنج با قابليت حركت سه درجه آزادي و يك درجه آزادي توسعه داده شده است. فيلتر كالمن با ادغام اطلاعات خروجي حسگرهاي ژيروسكوپ و شتاب‌سنج، نويز حسگرها را حذف نموده و تخمين مناسبي از موقعيت زاويه‌اي سازه ارايه مي‌دهد. عملكرد الگوريتم كنترلي PID با ورودي‌هاي پله و هنگام اعمال اغتشاشات خارجي ضربه‌اي مورد ارزيابي قرار گرفته شده است.

The purpose of this paper is to design a fractional order PID (FOPID) controller base on stochastic algorithms for attitude control of quadrotor. The model is based on usage of Fractional calculus in the PID Controllers which can provide novel and higher performance extension for FOPID controllers. Here, the main goal is to design an optimal PID and FOPID controller using stochastic algorithms. Therefor two stochastic algorithms are used for optimal tuning of FOPID parameters. Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization are compared in minimizing the performance criteria formula which leads to a better performance in controlling of the plant. A quadrotor is installed on an experimental test stand includes of accelerometers, gyroscopes and microcontroller with one and three degrees of freedom to test the performance of PID controller. Kalman filter is used to reduce the noises by combination of accelerometer and gyroscope output. The result of the experiments in the paper shows that the quadrotor can perform desired motions successfully with the controller in the response of step input and while it is subjected to external disturbances