회전형 역 진자 시스템에 대한 계층적 공정 경쟁 기반 유전자 알고리즘을 이용한 최적 Fuzzy 제어기 설계

Abstract

본 논문은 회전형 역 진자 시스템(Rotary Inverted Pendulum System : RIPS)에 대한 계층적 공정 경쟁 기반 유전자 알고리즘(Hierarchical Fair Competition-based Genetic Algorithms : HFCGA) 기반 최적 퍼지 제어기 설계를 제안한다. 회전형 역 진자 시스템의 제어를 위해 퍼지제어기를 사용하였으며, 이때 퍼지제어기의 규칙은 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어기를 기반으로 하여 설계하였다. 유전자 알고리즘은 전역해를 구할 수 있는 장점이 있어 많은 분야에 성공적으로 적용되고 있지만 조기수렴 문제로 인하여 지역해에 빠질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 병렬유전자 알고리즘이 개발되었으며, HFCGA는 병렬유전자 알고리즘을 개선한 방법 중의 하나이다. 본 논문에서는 퍼지 제어기의 파라미터의 최적화를 위해 계층적 공정 경쟁 기반 유전자 알고리즘을 사용하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통하여 LQR 제어기, 기존 단순유전자 알고리즘(SGA)을 이용한 퍼지제어기와 제안된 HFCGA 기반 퍼지제어기의 성능 비교를 통하여 제안된 방법의 우수성을 보인다. In this paper, we propose an optimized fuzzy controller based on Hierarchical Fair Competition-based Genetic Algorithms (HFCGA) for rotary inverted pendulum system. We adopt fuzzy controller to control the rotary inverted pendulum and the fuzzy rules of the fuzzy controller are designed based on the design methodology of Linear Quadratic Regulator (LQR) controller. Simple Genetic Algorithms (SGAs) is well known as optimization algorithms supporting search of a global character. There is a long list of successful usages of GAs reported in different application domains. It should be stressed, however, that GAs could still get trapped in a sub-optimal regions of the search space due to premature convergence. Accordingly the parallel genetic algorithm was developed to eliminate an effect of premature convergence. In particular, as one of diverse types of the PGA, HFCGA has emerged as an effective optimization mechanism for dealing with very large search space. We use HFCGA to optimize the parameter of the fuzzy controller. A comparative analysis between the simulation and the practical experiment demonstrates that the proposed HFCGA based fuzzy controller leads to superb performance in comparison with the conventional LQR controller as well as SGAs based fuzzy controller.