Modeling and state estimation for the advanced control of a multimaterial shape memory based actuator

Shape Memory Alloys (SMAs) are a class of smart materials with interesting thermomechanical properties, such as the ability to recover very large deformations when heated. A peculiar application of SMA actuators is soft robotics, where a SMA wire can be embedded inside a soft material, such as a polymeric matrix. In this thesis, we expand the SMA model proposed in the literature by Brinson so as to develop a new thermomechanical multimaterial model of a SMA-based actuator made by a SMA wire coated by a silicone rubber layer. The system is highly nonlinear, time-varying and hysteretic, adding to the complexity of controlling actuation. A new switched controller concept is proposed in the form of a Variable PID, whose parameters are tuned based on current SMA operating zone, which is determined via a state estimator and a logical block. Key to the switched controller implementation is the development of an Extended Kalman Filter (EKF) for state estimation The EKF was tested and showed robustness in predicting the state. Preliminary simulations of the Variable PID show that the innovative strategy allows for faster heating and cooling in the reaching some reference position compared to a conventional PID. Future work should complete the controller implementation, test its ability to improve energy efficiency, and provide better evidence of its functioning.

Le leghe a memoria di forma (SMA) sono una classe di materiali intelligenti con interessanti proprietà termomeccaniche, come la capacità di recuperare deformazioni molto grandi quando riscaldate. Un'applicazione peculiare degli attuatori SMA è la robotica morbida, in cui un filo SMA può essere incorporato all'interno di un materiale morbido, come una matrice polimerica. In questo lavoro di tesi, abbiamo ampliato il modello SMA di Brinson proposto in letteratura per sviluppare un nuovo modello multimateriale termomeccanico di un attuatore basato su SMA realizzato da un filo SMA rivestito da uno strato di gomma siliconica. Il sistema è altamente non lineare, tempo variante e isteretico, aggiungendo complessità al controllo dell'attuazione. Un nuovo concetto di controllore a commutazione viene proposto sotto forma di un controllore PID variabile, i cui parametri vengono modificati in relazione alla zona di lavoro dello SMA, che viene determinata utilizzando uno stimatore dello stato ed un blocco logico. Determinante è quindi l’introduzione di un filtro di Kalman esteso per la stima dello stato. Il filtro introdotto è stato testato e ha mostrato di essere robusto nel prevedere lo stato del sistema e nel rigettare gli errori. Simulazioni preliminari delle prestazioni del PID variabile hanno mostrato che la strategia innovativa proposta consente un riscaldamento e un raffreddamento più rapidi nel raggiungere la posizione di riferimento rispetto ad un PID convenzionale. Sviluppi futuri riguardano la messa a punto del controllore proposto, testandone la capacità di migliorare l'efficienza energetica e fornendo una più evidente dimostrazione delle sue prestazioni.