Trajectory Tracking Control of Two-link Robotic Manipulator Using PID and MPC Controllers

asma eswehli

المؤلفون

asma eswehli كلية الهندسة جامعة المرقب

الكلمات المفتاحية:

Model Predictive ، Proportional Integral، Two-link Robotic ، Feedback Linearization ، Feed Forward Control

الملخص

تناقش هذه الورقة الفرق بين إستراتيجيتي تحكم لغرض التحكم في تتبع مسار مناور آلي ثنائي الوصلة. حيث يعتمد تصميم ومحاكاة أساليب التحكم فيها على تطوير نموذج غير خطي للديناميكيات المعقدة لنظام المناوروتعتمد نمذجة النظام على معادلات أويلر-لاجرانج. الإستراتيجية الأولى هي استراتيجية التحكم بالمشتقات التكاملية التناسبية (PID) و يكون تصميم وضبط المتحكم فيها (online) على طريقة التجربة والخطأ، والتي يتم تطبيقها مباشرة للتحكم في مفاصل المناول الآلي. الاستراتيجية الثانية هي استراتيجية التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) الجديدة، والتي يعتمد تصميمها على تقنية تحليل بأستخدام التغذية العكسية(feedback linearization analysis) والتي تستخدم النموذج غير الخطي لديناميكيات المناور المعقدة لتصميم استراتيجية للتحكم في خطية النظام بأستخدام التغذية العكسية (feedback linearization control) للعمل كحلقة تحكم أولية.

ثم استنادا إلى النموذج الخطي الناتج عن التحكم في خطية النظام بأستخدام التغذية العكسية(feedback linearization control) ، تم تصميم وتنفيذ وحدة تحكم MPC الخطية كحلقة تحكم ثانوية. أظهرت نتائج المحاكاة التجريبية، وخاصة من خلال مقارنة الاستجابات الزمنية، أن استراتيجية التحكم التنبؤي MPC لديها أداء يتفوق على استراتيجية التحكم PID، حيث ظهرت التجاوزات عند استخدام إستراتيجية التحكم PID ولكنها اختفت تماما عند تطبيق إستراتيجية التحكم التنبؤي MPC .

المراجع

M.K. Gupta. (2023). “Common Challenges in Control of Industrial Manipulators: A Review”. Online Journal of Robotics & Automation Technology. Volume. 1, Issue: 5, ISSN: 2832-790X.

M. Baccouch, S. Dodds. (2020). “A Two-Link Robot Manipulator: Simulation and Control Design”. International Journal of Robotic Engineering, Volume: 5, Issue 2, ISSN: 2631-5106.

A. Denker, D.P. Atherton. (1994). “No-overshoot control of robotic manipulators in the presence of obstacles”. Journal of Robotic Systems, Volume:11, Issue:7, Pages: 665-678.

M. Shamsuzzoha. (2018). PID Control for Industrial Processes. Published in London, United Kingdom, Intech Open.

P. Chotikunnan, R. Chotikunnan. (2023). “Dual Design PID Controller for Robotic Manipulator Application”. Journal of Robotics and Control. Volume: 4, Issue: 1, January 2023, ISSN: 2715-5072.

A.T. Bankole, M. B. Mu’azu and E. E. C. Igbonoba. (2023). “Trajectory Tracking of a Data-Based Model of a Two - Link Robotic Manipulator Using Model Predictive Controller”.

The 2nd International Electronic Conference on Processes: Process Engineering—Current State and Future Trends (ECP 2023), Volume: 37, Issue: 1.

M. Elsisi, K. Mahmoud, M. Lehtonen, M. M. F. Darwish. (2021). “Effective Nonlinear Model Predictive Control Scheme Tuned by Improved NN for Robotic Manipulators”. IEEE ACCESS. May 4, 2021. Volume: 9, Pages: 64278-64290.

A. Derouich, and M. Said. (2023). “Robotic Arm Control Using Dynamic Model Linearization and Model Predictive Controller”. International Conference on Digital Technologies and Applications ICDTA 2023. Volume: 669, Pages: 881–892.

S. E. Kara, O. Yigid, M. Şen, M. Hüseyinoglu. (2023).” Model Predictive Trajectory Tracking Control of 2 DoFs SCARA Robot under External Force Acting to the Tip along the Trajectory”. Dicle University Journal of Engineering. Pages: 325-332.

M. Karahan. (2024). “Feedback Linearized Model Predictive Control of a Two Link Robot Arm”. International Journal of Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies. Volume: 8, Number: 1, Pages: 35-39.

E.H. Guechi, S. Bouzoualegh, L. Messikh, S. Blazic. (2018). “Model predictive control of a two-link robot arm”. International Conference on Advanced Systems and Electric Technologies (IC_ASET). IEEE, March 2018.

T. V. Zudilova, S. E. Ivanov. (2016). “Mathematical Modeling of the Robot Manipulator with Four Degrees of Freedom”. Global Journal of Pure and Applied Mathematics. Volume: 12, Number 5. Pages: 4419-4429 © Research India Publications.

A. A. Okubanjo, O. K. Oyetola, M O. Osifeko, O. O. Olaluwoye and P. O. Alao. (2017). “Modeling of 2-DOF Robot Arm and Control”. Futo Journal Series (FUTOJNLS), Volume: 3, Issue: 2, Pages: 80-92, December 2017.

M.A. Johnson, M. H. Moradi. (2005). PID Control New Identification and Design Methods. Springer-Verlag London 2005.

M. Chidambaram, N. Saxena. (2018). Relay Tuning of PID Controllers for Unstable MIMO Processes. Published by Springer Nature Singapore.

G. Klančar, A. Zdešar, S. Blažič, I. Škrjanc. (2017). Wheeled Mobile Robotics from Fundamentals Towards Autonomous Systems. 1st Edition - January 10, 2017, Published by Elsevier Inc.

M. Vesović1, R. Jovanović1, L. Laban, U. Bugarić. (2021). “Feedback Linearization Control of a Two – Link Gripping Mechanism”. X International Conference (Heavy Machinery-HM 2021), June 2021.

M. Bisgaard, A. La Cour-Harbo, K. A. Danapalasingam. (2010). “Nonlinear Feedforward Control for Wind Disturbance Rejection on Autonomous Helicopter”. Published in: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pages: 1078 – 1083, ISSN: 2153-0858. IEEE Press. October 2010.

I. Alsogkier, C. Bohn. (2017). “Rejection and Compensation of Periodic Disturbance in Control Systems”. The international journal of engineering and information technology (IJEIT), Volume:4, Decmber 2017, Pages:44-54. ISSN 2410-4256.

J.M. Maciejowski. (2003). “Predictive Control with Constraints”. 1st Edition, published by Prentice Hall, First Published: 31 March 2003, Volume: 17, Issue: 3, Pages: 261-262.

E.F. Camacho, ‎C. Bordons. (1999). Model Predictive Control. Springer Verlag London.

M. Schwenzer, M. Ay, T. Bergs, D. Abel. (2021). “Review on model predictive control: an engineering perspective”. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Published: 11 August 2021. Volume: 117, Issue: 5-6, Pages: 1327 - 1349.

D. Limón, I. Alvarado, T. Alamo, E.F. Camacho. (2008). “MPC for tracking piecewise constant references for constrained linear systems”. Automatica, Volume: 44, September 2008, Pages: 2382-2387.