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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (3): 455-462    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.03.006
机械工程     
面向复合材料自动铺放设备的输带速度与张力协同解耦控制
解五一(),高霄,何思宇,肖晓晖*()
武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072
Synergetic decoupling control of transport speed and tension for automated composite tape placement
Wu-yi XIE(),Xiao GAO,Si-yu HE,Xiao-hui XIAO*()
School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
 全文: PDF(1293 KB)   HTML
摘要：

根据复合材料自动铺带成型的工艺参数要求，研究自动铺带机的输带速度与张力的协同解耦控制. 依据自主研发的铺带头建立预浸带输送系统的非线性时变双输入双输出模型，采用PI控制与对角矩阵解耦控制相结合的控制算法实现输带速度与张力的协同解耦控制. 在动力学仿真环境下进行输带速度与张力的跟踪实验，初步验证控制算法的可行性；在复合材料自动铺带机上进行的控制实验结果表明，提出的控制算法可以实现输带速度与张力的协同解耦控制，且具有较强的抗干扰能力，输带速度跟踪和张力跟踪的均方根误差(RMSE)分别为0.008 5 m/s和0.593 1 N·m，相比于PI控制分别降低了47.9%和36.2%. 实验结果充分验证了所提控制策略的有效性，该控制策略可用于复合材料铺放过程中的输带速度与张力的协同控制.
关键词： 复合材料;  自动铺放机;  非线性时变系统;  解耦控制    
Abstract:

Synergistic decoupling control between transport speed and tension for automated composite tape placement was studied based on the requirements of automated composite tape-laying. A nonlinear time-varying two-input and two-output model of the composite prepreg transport system was established based on the self-developed automated tape head. The synergetic decoupling control of transport speed and tension was performed combining with PI (proportional-integral) and diagonal matrix decoupling control algorithm. The tracking experiments of transport speed and tension were carried out in the dynamic simulation environment, and the feasibility of the control algorithm was preliminarily verified. The experiments were carried out on the automated composite tape placement. Results show that the proposed control algorithm can realize the synergistic decoupling control of transport speed and tension, and has strong anti-interference ability. The RMSE of transport speed and tension are 0.008 5 m/s and 0.593 1 N·m, which are 47.9% and 36.2% lower than PI control, respectively. The experimental results validate the effectiveness of the proposed control strategy sufficiently, which can be applied in the real prototype to control the transport speed and tension of tape placement.
Key words: composites    automated tape placement    nonlinear time-varying system    decoupling control
收稿日期: 2018-03-08 出版日期: 2019-03-04
CLC:  TP 23  
通讯作者: 肖晓晖     E-mail: 2012301390065@whu.edu.cn;xhxiao@whu.edu.cn
作者简介: 解五一（1994—），男，硕士生，从事复合材料自动铺放机器人研究. orcid.org/0000-0002-0790-9941. E-mail： 2012301390065@whu.edu.cn
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解五一
高霄
何思宇
肖晓晖

引用本文:

解五一,高霄,何思宇,肖晓晖. 面向复合材料自动铺放设备的输带速度与张力协同解耦控制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(3): 455-462.

Wu-yi XIE,Xiao GAO,Si-yu HE,Xiao-hui XIAO. Synergetic decoupling control of transport speed and tension for automated composite tape placement. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(3): 455-462.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.03.006    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I3/455

图 1  复合材料自动铺带机
图 2  自动铺带头结构
图 3  预浸带输送系统动力学分析
图 4  采用面积等效法计算收卷轮实时半径示意图
图 5  PI+解耦控制系统框图
序号 参数 符号 单位 取值
1 铺带头移动速度 v0 m/s 0.1
2 空收卷轮半径 R20 m 2×10?2
3 空收卷轮转动惯量 J20 kg·m2 6.5×10?4
4 衬纸密度 ρ2 kg/m3 8×102
5 预浸带宽度 D m 7.5×10?2
6 衬纸厚度 d2 m 5×10?5
7 空放卷轮半径 R10 m 2×10?2
8 满放卷轮半径 R11 m 6×10?2
9 空放卷轮转动惯量 J10 kg·m2 6.5×10?4
10 预浸带密度 ρ1 kg/m3 1.18×103
11 预浸带厚度 d1 m 1×10?4
12 压辊半径 R3 m 3.5×10?2
13 压辊转动惯量 J3 kg·m2 2.42×10?4
14 外力 Fc N 60
15 最大静摩擦力 Fs N 120
16 Stribeck速度 vs m/s 0.1
17 衰减指数 δs ? 2
18 黏性摩擦系数 b N·s/m 20
19 random (t) 的均值 mean N·m 2
表 1  输带速度与张力跟踪仿真参数
图 6  PI控制和PI+解耦控制下的输带速度跟踪对比
图 7  解耦控制和非解耦控制下的输带张力跟踪对比
图 8  解耦控制和非解耦控制下输入转矩对比
控制器 υ/（m·s-1） F/N
RMSE RRMSE RMSE RRMSE
PI控制 0.016 8 47.0% 1.243 0 84.0%
PI+解耦控制 0.008 9 0.198 3
表 2  PI控制与PI+解耦控制的均方根误差（RMSE）及相对均方根误差（RRMSE）
图 9  铺带机控制系统结构
图 10  PI控制和PI+解耦控制下的输带速度跟踪对比
图 11  PI控制和PI+解耦控制下的输带张力跟踪对比
控制器 υ/（m·s-1） F/N
RMSE RRMSE RMSE RRMSE
PI控制 0.016 3 47.9% 0.930 2 36.2%
PI+解耦控制 0.008 5 0.593 1
表 3  PI控制与PI+解耦控制下的RMSE和RRMSE对比
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