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Computationally efficient modelling and precision position and force control of SMA actuators : = Recheneffiziente Modellierung und präsize Positions- und Kraftregelung von FGL-Aktoren
ger: Formgedächtnislegierungen (FGL) sind metallische Werkstoffe, deren Formdeformationen sich durch eine Temperaturerhöhung erholen können. Diese Erholung kann gezielt genutzt werden, um einen kraft- oder positionsgeregelten FGL-Aktor zu realisieren. Allerdings ist aufgrund des stark nichtlinearen Verhaltens die Entwicklung einer Regelung nicht trivial. Die Herausforderung einen Regler zu entwickeln wird durch Modelle erleichtert, die die Nichtlinearitäten mathematisch präzise beschreiben. In dieser Arbeit wird dazu ein phänomenologisches Modell entwickelt, welches das FGL-Verhalten abhängig von Temperatur und mechanischer Spannung beschreiben kann. Das Modell weist eine außerordentliche Korrelation zu den in den Experimenten festgestellten Daten auf. Um dieses Modell in einem geschlossenen Regelkreis effizient verwenden zu können, wurde zudem ein inverses Modell entwickelt. Anschließend wurde eine Regelstrategie entwickelt, die aus einer Kombination von Kleinsignal- und Großsignalregelung besteht. Der Großsignalregler, welcher für die grobe Postionsregelung dient, ist ein Temperaturregler, der seine Solltemperatur aus dem inversen FGL Modell erhält. Der Kleinsignalregler dient zur Feinpositionsregelung. Die Ergebnisse weisen eine außerordentlich gute Regeleigenschaft nach. Die Reglerstrategie wurde dann zur Kraftregelung einer industriellen Spanneinrichtung genutzt, um ein dünnwandiges Reagenzglas einzuspannen. Hier dient allerdings der Kleinsignalregler als einen Feinkraftregler. Die Regler laufen dabei in Echtzeit auf einem eingebetteten Prozessor. Die Klemmvorrichtung, hat neben der ausgesprochen guten Kraftregelung, auch eine sehr gute Störgrößenausregelung bewiesen.
eng: Shape Memory Alloys (SMAs) are metallic alloys that display shape recovery after deformation through an increase of temperature. These shape recovery mechanisms can be exploited to create SMA-based position or force actuators. However, due to their inherent nonlinear and hysteretic behaviour, the control of such actuators is non-trivial. The development of control strategies for SMA actuators is alleviated by the use of models incorporating these nonlinearities. In this thesis a novel phenomenological model to predict the behaviour of SMAs for varying temperature and stress is presented. The model shows outstanding correlation with experimental data. In order to use the models within a control loop, computationally efficient inverse models are also developed. A novel control strategy for precision control of SMA actuators is then developed by using a combination of large and small signal controllers. The large signal controller, responsible for course positioning, is a temperature controller that gets its desired temperature value online from the inverse SMA model. The small signal controller is responsible for fine positioning. The control results show robust and precise tracking control with exceptional disturbance rejection for various loads. The control strategy is then used for force control in an industrial SMA-based clamping vice to clamp a thin-walled test tube. While the large signal controller remains unchanged, the small signal controller is used for force control rather than for position control. The control unit of the vice is an embedded processor, on which the control algorithms run in real-time. The vice shows accurate force tracking and good disturbance rejection.