Publikace detail

Fractional-order PID control for elevation and azimuth in a twin rotor system

Autoři: Wendimu Abebe Alemu | Matusu Radek | Shaikh Ibrahim | Kebede Zeru Kifle

Rok: 2025

Druh publikace: článek v odborném periodiku

Název zdroje: Scientific Reports

Název nakladatele: Nature Publishing Group

Místo vydání: London

Strana od-do: '33590'

Tituly:

Jazyk	Název	Abstrakt	Klíčová slova
cze	Frakční PID regulace pro elevaci a azimut v systému se dvěma rotory	Tento článek představuje aplikaci frakcionálního PID regulátoru (fractional-order PID, FOPID neboli PIλDμ) v reálném čase pro systém se dvěma rotory, která dosahuje lepší výkonnosti než konvenční přístupy PID regulace. Nejprve je provedena identifikace lineárního modelu pomocí přístupu „black-box“, doplněná o detailní analýzu statických vlastností systému. Hlavním cílem je implementace regulátoru PI^λD^μ, kde frakcionální řády λ a μ odpovídají integrační a derivační složce, čímž je dosaženo vyšší flexibility při ladění dynamiky systému. Navržená regulační strategie je ověřena prostřednictvím experimentů na laboratorním benchmarku systému se dvěma rotory. Parametry regulátoru jsou optimalizovány pomocí pokročilých algoritmů, včetně částicové optimalizace rojem (Particle Swarm Optimization, PSO), genetického algoritmu (Genetic Algorithm, GA) a metody Nelder–Mead (NM). Tyto algoritmy minimalizují časové kriteriální funkce, jako jsou integrál absolutní chyby (IAE), integrál časově vážené kvadratické chyby (ITSE), integrál kvadratické chyby (ISE) a integrál časově vážené absolutní chyby (ITAE). Zvláště pozoruhodné je, že optimalizovaný FOPID regulátor založený na genetickém algoritmu dosahuje hodnoty indexu IAE 180,33 pro regulaci elevace. Ladění FOPID regulátoru pomocí genetického algoritmu je rovněž mimořádně efektivní z hlediska IAE v azimutálním směru, kde dosahuje hodnoty 109,2, ve srovnání s GA-laděným integrálně-optimálním PID (IOPID), který vykazuje hodnotu 247,05. Navíc nejnižších hodnot výkonnostních indexů je dosaženo při porovnání ladění FOPID regulátoru pomocí PSO a NM napříč všemi sledovanými kritérii. Tyto výsledky potvrzují, že FOPID regulátor významně zvyšuje přesnost a stabilitu řízení systému se dvěma rotory a zdůrazňují potenciál frakcionální regulace (Fractional-Order Control, FOC) v aplikacích řízení v reálném čase.	FOPID; Frakční řád; IOPID; Identifikace; Optimalizační techniky
eng	Fractional-order PID control for elevation and azimuth in a twin rotor system	This paper presents a real-time application of fractional-order PID (FOPID or PID) control for a twin rotor system, optimizing performance beyond conventional PID approaches. A linear model identification is first performed using a black-box approach, with a detailed examination of the system’s static properties. The primary aim is to implement PID control, where the fractional orders and correspond to the integral and derivative components, respectively, offering enhanced flexibility in system dynamics tuning. The proposed control strategy is validated through experiments on a laboratory-scale twin rotor benchmark. Controller parameters are optimized using advanced algorithms, including Particle Swarm Optimization (PSO), Genetic Algorithm (GA), and the Nelder-Mead (NM) method. These algorithms minimize time-domain performance metrics such as Integral of Absolute Error (IAE), Integral of Time-weighted Squared Error (ITSE), Integral of Squared Error (ISE), and Integral of Time-weighted Absolute Error (ITAE). Notably, the optimized GA-based FOPID controller achieves an IAE performance index of 180.33 for the FOPID in elevation. The GA-based FOPID tuning is particularly effective for IAE performance in the azimuth, yielding a value of 109.2, compared to the GA-based IOPID, which results in a value of 247.05. Additionally, the least performance index is observed when comparing the PSO and NM-based FOPID tuning across all performance indexes. These results demonstrate that the FOPID controller significantly enhances control precision and stability in the twin rotor system, highlighting the potential of fractional-order control (FOC) in real-time applications.	FOPID; Fractional order; IOPID; Identification; Optimization techniques

Vyhledávání

Přihlášení pro studenty

Přihlášení pro zaměstnance

Publikace detail

Ústavy

Pracoviště

Jak nás najdete?

Služby

Často hledáte