مدلسازي و كنترل عملگر آلياژ حافظه دار با روش مد لغزشي فازي

Modeling and control of a shape memory alloy actuator using fuzzy sliding mode controller

آلياژهاي حافظه دار كانديداي بسيار مناسبي در زمينه‌هاي مختلف مهندسي هستند. يكي از مزيت‌هاي آلياژهاي حافظه‌دار كرنش بالاي اين مواد است. علاوه بر اين ويژگي، سبكي و رفتار سوپرالاستيك از ديگر ويژگي‌هاي اين مواد مي‌باشد. همه اين مشخصات، آلياژهاي حافظه‌دار را به عنوان يك گزينه مناسب در زمينه‌هاي مهندسي معرفي كرده است. اين آلياژها پديده غيرخطي هيسترزيس را در خود دارند. وجود هيسترزيس در اين مواد، مشكلات استفاده از آن‌ها به عنوان عملگر موقعيت را افزايش داده است. روشهاي مختلفي براي مدلسازي هيسترزيسِ اين مواد ارائه شده است. در اين مقاله، مدل تعميم يافته پرنتلايشلينسكي بدليل سادگي، كارآمدي و دارا بودن معكوس تحليلي، براي مدلسازي به كار گرفته شده است. مدلسازي هيسترزيس ماده، بر اساس داده‌هاي تجربي يكي از مقالات اعتبارسنجي شده است. در بخش كنترل، دو روش كنترلي تناسبي مشتق‌گير انتگرال‌گير و مد لغزشي فازي مقايسه شده‌اند. روش كنترل مد لغزشي فازي يك روش مناسب براي كنترل سيستم‌هايِ بدون مدل رياضي است كه مي تواند مقاوم بودن سيستم را افزايش دهد. در اين مقاله نشان داده شده است كه در صورت استفاده از روش فازي اين امكان فراهم مي‌شود كه به ازاي خطا بين ورودي مرجع و پاسخ سيستم، ورودي كنترلي مناسبي به سيستم جهت از بين بردن خطا اعمال گردد، در حالي‌كه در كنترلر تناسبي مشتق‌گير انتگرال‌گير بدليل ثابت بودن ضرايب كنترلر خطا قابل قبول نمي باشد . نتايج اين تحقيق، كارايي روش مد لغزشي فازي نسبت به كنترلر كلاسيك تناسبي مشتق گير انتگرالگير را نشان مي‌دهد.

Shape memory alloys (SMAs) are suitable candidates in various fields of engineering. One advantage of these alloys is their capabilities in developing high strain and force. In addition to these great features, lightweight and superelastic behavior are other traits of these materials. These specifications are of such an importance that make SMAs to be suitably used in further engineering applications. However, their intrinsic hysteresis nonlinear behavior make their usage as position actuators difficult. Despite this challenge, there are various methods proposed in the literatures to model the hysteresis behavior of such materials. In this paper, a generalized Prandtl Ishlinskii model, because of its simplicity, efficiency and inverse analytical capability, has been used for modeling the SMA behavior. In addition, the hysteresis modeling has been validated via experimental data of one of the articles. In the control section, however, two control systems consisting PID and fuzzy sliding mode controllers have been used. Fuzzy sliding mode control system is a method that can be used in systems without mathematical model and leads to increase in their robustness. It is shown in this paper that by using this method, it is possible to apply a suitable control input to the system in order to vanish the error signal. However, by using PID controllers, the error signal is not acceptable due to the constant controller coefficients. The results indicate the more efficient performance of fuzzy sliding mode controller with respect to the classical PID controller.