复合材料布带缠绕成型压力控制技术

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar．252014VoI_35No．3868．877lSSN1000—6893CN11．1929／Vhtlp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn复合材料布带缠绕成型压力控制技术何晓东，史耀耀*，赵鹏兵西北工业大学机电学院，陕西西安710072摘要：复合材料布带缠绕成型过程中的压力波动会影响制品的致密度和均匀度，同时会造成缠绕制品的界面强度及纤维体积分数不一致。芯模的圆度误差和安装误差会导致压力波动，气体的可压缩性、比例阀的死区效应、阀的流

2、量非线性、气缸摩擦力及测量噪声会对缠绕压力控制造成非线性干扰。因此，设计了自适应灰色预测模糊PID控制器，通过对气缸输出缠绕压力的灰色预测，正确反映了压力信号的变化趋势，为模糊PID控制的推理提供了可靠依据。同时，采用两个独立的模糊推理系统来调节预测控制的步艮和步长自整定算法的比例因子。仿真分析和实验结果表明：相比于传统PID控制，采用自适应灰色预测模糊PID控制使缠绕压力的稳态误差减小了62％，超调量减小了80％，有效提高了复合材料缠绕成型压力控制系统的稳定性。关键词：复合材料；缠绕压力；气压传动；灰色预测；模糊控制中图分类号：V461；TG94

3、5文献标识码：A文章编号：lOoO一6893(2014)03一0868一lO复合材料良好的机械性能、化学性能和物理性能使其应用范围越来越广n。2]，布带缠绕成型是复合材料成型工艺中常用的方法之一，其主要工艺参数为：张力、压力、缠绕速度和温度，缠绕压力是指缠绕过程中施加在布带上的正压力，其主要作用为提高布层问的粘接强度和制品的致密度，保持粘接层布带的平顺[3q]。缠绕过程中压力控制不稳定，将导致制品的应力分布不均匀进而影响产品性能[5]，因此研制高性能的布带缠绕恒压控制系统极为重要。由于清洁无污染、输出压力范围大且连续可调等特点，气动系统在复合材料缠

4、绕和铺放成型压力调节中得到了广泛应用。Rudd等叩]设计了铺丝头气动施力及重送装置。Hassan等口3使用气缸驱动的钢制压辊完成了缠绕成型的热传递分析实验。张建宝等[83基于气动比例阀设计了带铺放成型压力控制系统。Shi等[9]采用气动比例阀实现了布带缠绕压力调节。气动系统中由于阀口流动、气体泄漏等因素存在非线性的扰动，因此，Edmond和Yildirim[1o]设计了滑模控制器，实现了基于气动伺服阀的力控制，Chen等口妇采用模糊控制器完成了基于高速气动开关阀的机械臂力控制，路波等[12]采用模糊滑模变结构控制器实现了基于伺服阀气动悬挂系统的恒压

5、控制，王楷等[13]采用多组双模态PID控制算法构建了基于气动比例阀的光学抛光闭环压力控制。综上，对气动系统中的非线性因素带来的负面影响，多采用模糊控制和滑模控制等智能控制算法消除。基于此，本文设计了自适应灰色预测模糊PID控制器实现气动缠绕压力控制。通过对气缸输出缠绕压力的灰色预测，消除气动系统中各种非线性因素引起的随机干扰和参数摄动等收稿日期：2013—09．10；退修日期：2013．09．22；录用日期：2013—10—13；网络出版时间：2013-10—2115：19网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11192

6、9V．20131021．1519002．html基金项日：国家自然科学基金(51375394)*通讯作者．Tel：029-88492851E—mail：shiyy@nwpueducn引甩榕武tHexD，sh

7、YY．ZhaoPB．comro

8、techno

9、ogyofcom∞s{fetaoew

10、ndingpressure￡JI．ActaAe∞nauticaetAs{ronauticasinI—ca．2014．35(3)：868—877侮晓东．吏耀耀．赵鹦兵．复合材料布带缠绕成型压力控钢技术[J]?航空学报，2014．35(3)：868—877．何晓东等

11、：复合材料布带缠绕成型压力控制技术869不确定因素，正确反映缠绕压力信号的变化趋势，为模糊PID控制的推理系统提供可靠的信息。1缠绕压力控制系统建模1．1缠绕压力气动控制系统该缠绕压力气动控制系统主要由空气压缩机、电磁换向阀、气动部件、比例减压阀、执行气缸、压力传感器、工控机、A／D与D／A转换装置、伺服驱动器及功率放大器等组成，如图l所示。工控机作为系统控制器，用于对缠绕压力反馈信号进行采集、处理并发出控制信号。比例减压阀将控制信号转换为压力信号并通过控制进入气缸的气体流量来对活塞运动进行实时控制。图l压力气动控制系统结构Fig．1Structu

12、rcofpressurepneumaticcontr。lsystem1．2气动压力控制系统建模气动系统的流量计算采用san