شناسایی یک مدل تعمیم یافته پرنتل-ایشلینسکی برای یک سکوی موقعیت دهی میکرونی با عملگرهای آلیاژ حافظ شکل

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، مازندران، ایران

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، خراسان رضوی، ایران

3 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، مازندران، ایران

چکیده

استفاده از مواد آلیاژ حافظ شکل که یکی از زیرشاخه‌های اصلی مواد هوشمند هستند، به عنوان عامل حرکت در عملگرها در سال‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است. با این وجود، به دلیل پاسخ آهسته و پیچیدگی رفتاری ناشی از خواص غیرخطی این مواد نظیر هیسترزیس نامتقارن و اشباع، استفاده از عملگرهای آلیاژ حافظ شکل محدود باقی مانده است. تاکنون روش‌های مختلفی برای مدل‌سازی رفتار این عملگرها معرفی شده است. مدل "پرنتل ایشلینسکی تعمیم یافته" که یکی از ساختارهای قدرتمند برای شناسایی سیستم‌های دارای رفتار هیسترزیس است، یکی از معروف‌ترین این مدل‌ها است، که به دلیل دارا بودن معکوس مدل تحلیلی، بسیار در کنترل این عملگرها مورد استفاده قرار گرفته است. در تحقیق حاضر، بهبود سرعت عملکردی یک سکوی موقعیت دهی میکرونی با استفاده از دو عملگر متقابل مورد مطالعه قرار گرفته و بر اساس داده‌های تجربی بدست آمده، یک مدل تجربی مبتنی بر ساختار پرنتل ایشلینسکی تعمیم یافته ارایه خواهد شد. با استخراج معکوس این مدل شناسایی شده و اعمال آن روی ورودی سیستم، مساله حذف رفتار غیر‌خطی و خطی سازی دقیق سیستم جهت طراحی کنترلر بررسی شده است. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که مدل پرنتل ایشلیسنکی تعمیم یافته، با وجود پیچیدگی‌های ناشی از برهم کنش دو عملگر متقابل، به‌خوبی می‌تواند رفتار غیرخطی سیستم را توصیف نماید. البته شناسایی مدل جامعی که بتواند رفتار عملگر آلیاژ حافظ شکل را در هر حالتی توصیف کند، با چالش‌های فراوانی روبرو خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  W. Wang et al. (2020) A new hysteresis modeling and optimization for piezoelectric actuators based on asymmetric Prandtl-Ishlinskii model. Sen. Act., A Phys. 316: 112431
[2]  Q. Xu and Y. Li (2008) Structure Improvement of an XY Flexure Micromanipulator for Micro/Nano Scale Manipulation. IFAC 41(2): 12733-12738.
[3]  Y. Li and Q. Xu (2009) Design and analysis of a totally decoupled flexure-based XY parallel micromanipulator. IEEE Trans. Robot 25(3): 645–657.
[4]  B. Ding and Y. Li (2014) Design and analysis of a decoupled XY micro compliant parallel manipulator. IEEE Int. Conf. Robot. Bio, IEEE ROBIO 2014: 1898–1903.
[5]  A. AbuZaiter, O. F. Hikmat, M. Nafea, and M. S. M. Ali (2016) Design and fabrication of a novel XYθZ monolithic micro-positioning stage driven by NiTi shape-memory-alloy actuators. Smart Mat. Struct. 25(10): 105004.
[6]  M. Sasaki, W. Kamada, and K. Hane (1999) Two-dimensional control of shape-memory-alloy actuators for aligning a si micromachined pinhole of spatial filter. Jap. J. Appl. Phys., Part 1 Regul. Pap. Short Notes Rev. Pap. 38(12): 7190–7193.
[7]  Y. M. Han, C. J. Park, and S. B. Choi (2003) End-point position control of a single-link arm using shape memory alloy actuators. Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci. 217(8): 871–882.
[8]  E. Asua, A. García-Arribas, and V. Etxebarria (2008) Micropositioning using shape memory alloy actuators. Eur. Phys. J. Spec. Top. 158(1): 231–236.
[9]  H. Ashrafiuon and V. R. Jala (2009) Sliding mode control of mechanical systems actuated by shape memory alloy. J. Dyn. Syst. Meas. Cont. Trans. ASME 131(1): 1–6.
[10] M. Al Janaideh, S. Rakheja, and C. Y. Su (2011) An analytical generalized Prandtl-Ishlinskii model inversion for hysteresis compensation in micropositioning control.  IEEE/ASME Trans. Mech. 16(4): 734–744.
[11] S. Park and D. Hwang (2020) An experimental study on precision positioning characteristics of shape memory alloy actuator. Microsyst. Tech. 26(9): 2801–2807.
[12] شکی س، ذاکرزاده م (1395) مدلسازی و کنترل عملگر آلیاژ حافظه­دار با روش مد لغزشی فازی. م م مدرس. ۱۶ (۷) :۳۵۳-۳۶۰.
[13] سلطانی گردفرامرزی م, بزرگ س م, ذاکرزاده م. (1394) تخمین مقاوم ضریب سختی فنر در عملگر آلیاژ حافظه­دار توسط فیلتر کالمن توسعه یافته. م سازه­ها و شاره­ها5(4): 69-81.
 
[14] رضویلر ر، فتحی ع، دردل م، ارغوانی هادی ج (1396) تحلیل دینامیکی رفتار شبه الاستیک یک تیر از جنس آلیاژ حافظ شکل. م م مدرس ۱۷ (۱۲) :۲۳۳-۲۲۳.
[15] چهاردولی ح، شفیعی ا، اقتصاد م (1401) کنترل فازی-PID  مکانیزم هایی با عملگرهای متضاد از جنس آلیاژ حافظه دار. ف م هوافضا 18(2): 19-7.
[16] S. Saito, S. Oka, and R. Onodera (2022) Modelling of a shape memory alloy actuator for feedforward hysteresis compensator considering load fluctuation, CAAI Trans. Intell. Tech., vol. 7, no. 4, pp. 549–560
[17] M. R. Zakerzadeh and H. Sayyaadi (2013) Precise position control of shape memory alloy actuator using inverse hysteresis model and model reference adaptive control system. Mech. 23(8): 1150–1162.
[18] L. Liu, K. K. Tan, C. S. Teo, S. L. Chen, and T. H. Lee (2013) Development of an approach toward comprehensive identification of hysteretic dynamics in piezoelectric actuators. IEEE Trans. Cont Sys. Tech. 21(5): 1834–1845.
[19] P. Krejci and K. Kuhnen (2001) Inverse control of systems with hysteresis and creep. IEE Proc. Cont. Theory Appl. 148(3): 185–192.
[20] A. Pai, M. Riepold, and A. Trächtler (2018) Model-based precision position and force control of SMA actuators with a clamping application. Mechat, 50: 303–320.
[21] K. Kuhnen (2003) Modeling, identification and compensation of complex hysteretic nonlinearities: A modified prandtl-ishlinskii approach. Eur. J. Cont. 9(4): 407–418.
[22] M. Al Janaideh, J. Mao, S. Rakheja, W. Xie, and C. Y. Su (2008) Generalized Prandtl-Ishlinskii hysteresis model: Hysteresis modeling and its inverse for compensation in smart actuators. Proc. IEEE Conf. Decis. Cont. 5182–5187.
[23] M. Al Janaideh (2009) Generalized Prandtl-Ishlinskii Hysteresis Model and its Analytical Inverse for Compensation of Hysteresis in Smart Actuators. Concordia University, Montral.