تخمين برخط دماي سيم آلياژ حافظه دار به كمك فيلتر كالمن توسعه يافته

Online Estimation of the Temperature of Shape Memory Alloy Wire Using Extended Kalman Filter

براي كنترل عملگرهاي هوشمند داراي آلياژ حافظه دار، لازم است متغيرهاي حالت اين عملگرها اندازه گيري يا تخمين زده شوند تا در حلقه كنترل به عنوان بازخورد استفاده شوند. دماي سيم يكي از اين متغيرهاي حالت است كه اندازه گيري آن بسيار سخت بوده و با تاخير و نويز زيادي همراه است. از اين رو، تلاشهاي بسياري براي تخمين اين متغير صورت گرفته است. مدل ترموالكتريك يكي از پركاربردترين مدل هايي است كه در آن با داشتن جريان سيم، دماي سيم محاسبه مي شود. در اين مقاله، ابتدا سه پارامتر مدل ترموالكتريك به صورت همزمان به كمك فيلتر كالمن توسعه يافته تخمين زده شده و دماي سيم به كمك مدل شناسايي شده، محاسبه مي شود. تخمين پارامترها و محاسبه دما روي يك عملگر واقعي آلياژ حافظه دار انجام مي شود. در ادامه براي حذف تاثير اغتشاشات محيطي و خطاهاي مدل ترموالكتريك، دماي سيم توسط فيلتر كالمن توسعه يافته تخمين زده شده است. در اين روش از دو مدل ترموالكتريك و برينسون براي پيش بيني متغيرها و از داده هاي قابل اندازه گيري مانند جريان، تنش و كرنش سيم آلياژ حافظه دار، براي به روزرساني تخمين ها استفاده مي شود. اين روش براي تخمين برخط دماي سيم آلياژ حافظه دار روي يك عملگر آلياژ حافظه دار ساخته شده مورد استفاده قرار مي گيرد. بررسي نتايج اين تخمين نشان دهنده انطباق بالاي دماي تخمين زده شده با دماي واقعي سيم است. همچنين نتايج اين تخمين دقيق تر از حالتي است كه از مدل ترموالكتريك به تنهايي براي محاسبه دما استفاده شود.

In order to use and control Shape Memory Alloy (SMA) actuators, it is essential to measure its state variables to be used as the feedback in the control loop. The wire temperature is one of critical state variables need to be fed back. However, measuring this variable is difficult and usually contains some noises and delay. Therefore, it is desirable to estimate this variable instead of measuring it. Thermoelectric model is one of the most common models used to estimate the SMA wire temperature. This model calculates the SMA wire temperature based on its input electric current. In this paper, first three unknown parameters of thermoelectric model are estimated using Extended Kalman filter (EKF) and the wire temperature is calculated based on the identified model. The parameter estimation and temperature calculation are performed on a practical SMA actuator. Then, in order to eliminate the effects of environmental disturbances and the thermoelectric model inaccuracies, the temperature is estimated using EKF. In this method, all measurable data such as the input current, the strain and stress of the SMA wire are used in the temperature estimation. The estimator combines the information obtained from both thermoelectric and Brinson models and the measurement data. This method is used for online temperature estimation of the SMA wire on a practical SMA actuator. The results show that the estimated temperature matches the actual wire temperature with high precision. Furthermore, the temperature estimation using EKF is more accurate than the estimates of the thermoelectric model.