基于模糊PID算法的扭矩扳子自动检测系统研究

2014-03-22郭云峰

计量技术 2014年6期

郭云峰

(北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

0　引言

扭矩扳子是一种带有扭矩测量机构的拧紧计量器具，随着装配技术的发展，扭矩扳子已广泛应用于航天、汽车、电子等领域，主要用于紧固螺栓和螺母，并测量出拧紧时的扭矩值。因此，扭矩扳子量值传递的准确可靠对紧固件螺纹副连接的质量和保证各类安装工作的准确性、安全性、可靠性起到了至关重要的作用。

北京市计量检测科学研究院每年承担了近两千件扭矩扳子的检测任务，但因检定装置为手动加荷，存在持续时间长、工作强度大，检测精度低等问题。因此，急需设计一种自动化程度较高、准确度较高的扭矩扳子自动检测系统。

1　系统控制要求

1.1　扭矩扳子概述

扭矩扳子按测量用途可分为预置式和示值式两种。预置式扭矩扳子一般采用棘轮头式结构，当扭矩扳子加载到预置扭矩值时，棘轮头瞬间打滑，扭矩自动解除载荷，得到的扭矩峰值即该扭矩扳子的预置值，如图1所示。

图1　预置式扭矩扳子原理示意图

示值式扭矩扳子分为数显式和指针式(表盘式)，使扭矩可视化，现阶段都是在预置式扭矩扳子的原理上工作的。

1.2　扭矩扳子的检定

1) 预置式扭矩扳子的检定。正确选择标准装置量程，将扭矩扳子调整至预置点，正确安装在标准装置上，平稳施加标准装置至扭矩扳子预置值，此时扭矩扳子自动解除载荷，记录扭矩值。

2)示值式扭矩扳子的检定。正确选择标准装置的量程，扭矩扳子正确安装在标准装置上，按选定的检定点逐级平稳地施加扭矩至额定扭矩值。每次施加额定扭矩值后，卸除负载，检查扭矩扳子指示器回零的情况，并重新调整零位，指针式有从动指针的必须带动从动指针进行检定。

1.3　系统控制要求

系统能够按照规程要求的步骤，长时间平稳运行。拥有较高的自动化水平，减轻检测人员的劳动强度，提高控制精度。在出现意外情况时，有紧急制动的保障措施，且易于改造升级。

2　总体方案设计

2.1　方案设计

如图2所示，扭矩扳子自动检测系统由标准扭矩传感器、二次仪表、丝杠加载机构、工控机、PLC、伺服电机等硬件及上位机自动检测软件、下位机PLC程序等组成。其工作原理是：自动检测软件发出开始指令，循环采集扭矩传感器经二次仪表转换的扭矩测量信号，经自动控制算法计算相应的动作命令，传输给PLC。PLC向伺服电机发送对应的脉冲信号，控制伺服电机带动丝杠及扭矩扳子加载机构进行正转、反转、停止及速度变化等动作，实现模拟人工过程的自动检测。

图2　系统总体设计框图

2.2　控制算法设计

2.2.1控制算法要求

大量实验证明，由于加载丝杠存在间隙及固定扭矩扳子的档板存在的机械变形，加载过程中突然停止或降速，会造成示值波动而产生误差。其次，不同量程的扭矩扳子需要的力度和加载速度也不同，故检定过程采用一般常用的控制规则不能有效实现控制效果，不能采用传统闭环速度或PID控制。根据检测扭矩扳子的经验可知，在测量值逼近额定值时，加载速度平稳可有效避免扭矩示值的波动。经过多次试验，系统采用模糊PID算法进行控制。

2.2.2模糊PID算法实现

如图3所示，模糊PID算法是利用模糊控制将检定人员的经验作为知识库存入软件，软件将实时采集的扭矩测量值M与待检值MC计算得到偏差e及偏差的变化量eC，经过模糊推理得到PID参数变化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，自动调节PID参数，实现自动控制。

图3　扭矩扳子模糊PID算法示意图

1)输入量、输出量的模糊化

模糊PID控制器的模糊部分由二维输入，三维输出，输入量为扭矩测量值M与待检值MC相减的偏差值e及偏差值变化量eC，输出量为PID参数的自整定变化量ΔKP、ΔKI、ΔKD。

当输入偏差小于15％MC时进行模糊PID控制，设定偏差e的基本论域为[-15％MC，15％MC]Nm，其量化论域为E=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，则得到偏差量化论域E的量化因子Ke=4/(15％MC)，选择7个语言值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB为偏差量化论域E的模糊子集，偏差变化量eC的基本论域为[-10,10]Nm，其量化论域为EC=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，则可得到偏差变化量量化论域EC的量化因子KeC=4/10=1/2.5。

三个输出变量，比例调节变化量ΔKP的基本论域为[-3,3]，积分调节变化量ΔKI的基本论域为[-1,1]，微分调节变化量ΔKD的基本论域为[-3,3]，量化论域范围ΔKP、ΔKI、ΔKD=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]，量化因子KΔKP=3/4，KΔKI=1/4，KΔKD=3/4，选取7个语言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB。

如图4所示，输入偏差的量化论域E、输入偏差量的量化论域EC以及输出变量ΔKP、ΔKI、ΔKD在整数论域均采用三角形隶属度函数。

图4　语言变量的隶属度函数

可得，E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隶属度函数表，见表1。

2)确定模糊控制器的控制规则

总结PID参数调整经验，获取ΔKP、ΔKI、ΔKD三个参数的控制规则表，见表2、表3、表4。

表1　E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD隶属度函数表

表2　表2　ΔKP模糊控制规则表

表3　ΔKI模糊控制表

上述三个模糊控制规则表可构成49条模糊控制语句：

1ife=NB andec=NSthenΔKP=PMΔKI=NMΔKD=Z

2ife=NB and ec= NMthenΔKP=PBΔKI=NBΔKD=PS

…………

49ife=PB andec= PMthenΔKP=NBΔKI=PBΔKD=PB

表4　ΔKD模糊控制规则表

这49条语句构成了模糊控制模型。利用MATLAB中对模糊控制模型进行输入经软件计算后，即可得到模糊决策表。

3)模糊PID参数自整定计算

依据偏差e和偏差变化量eC利用查询法得到，根据下列调整公式，每次得出不同的最佳PID参数值：

(1)

2.3　硬件选型及设计

扭矩扳子自动检测系统硬件设计如图5所示。按功能可将整个系统的硬件划分为数据采集和控制两个部分。

图5　扭矩扳子自动检测系统硬件结构示意图

2.3.1数据采集部分

数据采集部分由标准扭矩传感器、标准扭矩测量仪、串口通信器件、工控机及外设等部分组成。标准扭矩传感器采集扭矩扳子的扭矩值，由二次仪表将扭矩信号放大并进行A/D转换，通过串口通讯模块传输到工控机中，完成扭矩数据采集。

由于量值溯源的需要，传感器选用0.05级的LC-11型标准扭矩传感器，二次仪表选用2000型标准扭矩负荷测量仪，其准确度<0.006％，附加高速峰值测量模块，经中国计量院检定合格，可以满足常见扭矩扳子的检定。

2.3.2控制部分

控制部分主要由工控机向PLC发送控制信号，PLC接到信号后伺服放大器发送转动启动、停止、方向、速度等命令，使用伺服放大器的脉冲位置控制方式，通过编码器控制伺服电机使其完成正向快速转动、正向慢速转动、停止、反向快速转动、恢复零点等动作。

通过对现有丝杠加载机构的分析，选取额定转速、转矩、功率范围适宜的伺服电机作为驱动元件，通过减速器与丝杠加载机构连接，使电机能够在额定功率和扭矩范围内稳定运行，并达到转速/功率比合理的目的，实现加载速度连续可调、正反向加载、过载保护等功能。

2.4　软件设计

系统软件总体结构如图6所示。扭矩扳子自动检测应用软件包括上位机测量模块和控制模块以及下位机控制软件。

图6　系统软件总体结构

上位机软件利用VB6.0进行设计，总体结构包括检测人员登陆、被检仪器信息录入、信号及控制端口设置及数据采集和控制程序等模块。数据采集模块采集自标准负荷测量仪实时传输的扭矩测量信号。控制模块将实时计算的控制指令传输到PLC中。检测界面如图7所示，具有数据采集和处理功能，能显示当前测量值及峰值，绘制成图。检测完毕后计算出示值重复性和相对误差，保存数据，生成证书。