مدل سازي و صحت سنجي تجربي رفتار عملگر آلياژ حافظه دار مغناطيسي با مدل اصلاح شده پرنتل-ايشلينسكي تعميم يافته وابسته به نرخ

Modeling and experimental verification of a magnetic shape memory alloy actuator behavior using modified generalized rate-dependent Prandtl-Ishlinskii model

وجود پديده غيرخطي هيسترزيس يك چالش در رفتار آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي مي‌باشد. براي رفع اين مشكل، رفتار هيسترزيس موجود در اين مواد را مدلسازي مي-كنند. مدل پرنتل-ايشلينسكي بدليل سادگي و دارابودن معكوس تحليلي، يكي از مدل‌هاي پركاربرد در اين حوزه مي‌باشد. اين مدل در دو نوع مستقل از نرخ و وابسته به نرخ ارائه شده است. نتايج آزمايشگاهي نشان مي‌دهد كه با افزايش فركانس تحريك، هيسترزيس موجود در رفتار آلياژهاي مغناطيسي افزايش مي‌يابد. بنابراين مدل مستقل از نرخ پرنتل-ايشلينسكي نمي تواند اين تغييرات را در نظر بگيرد. در اين پژوهش، با استفاده از ستاپ تست تجربي، ولتاژ ورودي در فركانس‌هاي تحريك 0.05 تا 0.4 هرتز به عملگر آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي اعمال شده و خروجي موقعيت عملگر نيز بوسيله سنسور القايي اندازه گيري مي شود. مدلسازي آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي با مدل تعميم يافته پرنتل-ايشلينسكي وابسته به نرخ ارائه شده و مدل اصلاح شده آن نيز پيشنهاد شده است. براي افزايش توانايي مدل در توصيف رفتار هيسترزيس اشباع و نامتقارنِ آلياژهاي مغناطيسي مدل اصلاح شده جديدي، توسط نويسندگان مقاله با به كاربردن تابع تانژانت هيپربوليك در خروجي مدل ارائه شده است. براي آموزش مدل هاي مذكور دو فركانس تحريك 0.05 و 0.2 هرتز انتخاب شده و پارامترهاي مدل با استفاده از الگوريتم بهينه‌سازي ژنتيك بااين مجموعه داده بدست آمده است. اعتبارسنجي مدل‌ها نيز در فركانس 0.1، 0.3 و 0.4 هرتز انجام گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه مدل اصلاح شده بدليل استفاده از تابع تانژانت هيپربوليك بهتر توانسته هيسترزيس‌هاي نامتقارن و بسيار اشباع شده در رفتار آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي را توصيف كند.

The hysteresis nonlinearity of the Magnetic Shape Memory Alloy (MSMA) actuator limits its control applications. To tackle the problems, usually the hysteresis behavior of these materials is modeled. Prandtl-Ishlinskii (PI) model is more practical in this area because of its simplicity and having analytical inverse. Two versions of this model, entitled: rate-independent model and rate-dependent model, have been developed. Experimental results show that with increasing input frequency, the shape of hysteresis loops is amplified. In this study, by using experimental test setup, the input voltage is applied to the MSMA actuator at frequencies 0.05- 0.4 Hz and the displacement output is captured by a proximity position sensor, Also the MSMA behavior is modeled by generalized rate-dependent Prandtl-Ishlinskii (GRDPI) model and modified generalized rate-dependent Prandtl-Ishlinskii (MGRDPI) model. The modified version of the model is presented by the authors to enhance the ability of the GRDPI model for describing the asymmetric and saturated hysteresis behavior in MSMAs by hyperbolic tangent function in the model output. For training of the mentioned models, the actuation frequencies 0.05 and 0.2 Hz are selected and the model parameters of each model are also obtained by using Genetic Algorithm (GA). For validation of the models the hysteresis loops at frequencies 0.1, 0.3 and 0.4 Hz are selected. The result shows that, due to using hyperbolic tangent function in the model output, the modified version of the GRDPI model can describe the hysteresis behavior in MSMAs more accurately.