[发明专利]一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，该方法通过分析直流有刷电机扭矩输出特性，结合牛顿第二定律和电机扭矩平衡方程建立数学模型，随后采用模糊PID控制器作为转速外环调节器，内环采用PID算法的电流控制环，使用电流传感器和霍尔转速传感器采集电机转动过程中的电流和转速，通过数学模型可精确计算出扭矩并控制输出。本发明采用模糊控制算法来调整PID控制参数，一方面可有效降低系统运行中各参数的波动并提高参数采集精度；另一方面能准确控制输出扭矩值，防止出现的“欠拧紧”与“超拧紧”问题。

技术领域

本发明属于自动化控制中模糊控制技术领域，具体涉及一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法。

背景技术

在电力系统输电铁塔的架设中，通常需要进行机械固件间的紧固。在装配螺栓的过程中，出现的“欠拧紧”与“超拧紧”都会对机械固件造成损坏甚至报废，因此需要对螺栓进行必要的扭矩控制以确保联结的可靠性。然而，机械扳手因无法提供较大扭矩以及控制精度低等原因，无法满足输电铁塔施工中的要求，而且传统的扭矩控制方法多采用扭矩传感器进行扭矩监控，虽然能精确控制扭矩输出，但由于螺栓扳手工作环境恶劣，外部环境中存在大量的电磁干扰，扭矩传感器很可能因为采集的数据出错而出现显示错误甚至失控等问题，具有极大的安全隐患。为此，使用模糊PID方法来直接控制电机的动态性能，并通过检测电机运行中的电流和转速信号来控制扭矩输出，可有效解决扭矩传感器采集错误的问题，且该方法能有效控制转速并降低电流和扭矩波动，同时能准确传递输出扭矩，以满足输电铁塔施工中的要求，提高电力系统建设效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，能够准确地输出扭矩值，以满足输电铁塔施工中的要求，提高电力系统建设效率。

本发明的技术方案：一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，通过分析直流有刷电机扭矩输出特性，结合牛顿第二定律和电机扭矩平衡方程建立数学模型，随后采用模糊PID 控制器作为转速外环调节器，内环采用PID算法的电流控制环，使用电流传感器和霍尔转速传感器采集电机转动过程中的电流和转速，通过数学模型可精确计算出扭矩并控制输出。

进一步地，包括以下步骤：

步骤A，通过分析直流有刷电机扭矩输出特性，结合牛顿第二定律和电机扭矩平衡方程建立数学模型，可将输出扭矩与负载扭矩的关系转换成负载扭矩对应的负载电流与电机电枢电流和电机转速的关系，其关系方程如下：

式中：I_L为与负载扭矩对应的负载电流；I_a为与输出扭矩对应的电机电枢电流；T_m为机电时间常数；C_e为额定磁通下的电动势系数；R为电枢电阻；n为电机转速；t为时间。

直流电机的负载扭矩和输出扭矩的关系可转换为负载扭矩对应的负载电流与电机电枢电流及转速的关系，其关系方程I_L＝f(I_a，n)，当dn/dt＝0时，电机转速恒定，此时I_L＝f(I_a)，电机的负载扭矩对应的负载电流I_L和电机电枢电流I_a呈线性关系，所以，电机的负载扭矩由电机运行时的电流和转速决定，当电机转速不变时可通过检测电流运转过程中的电流进而计算得到负载扭矩；

步骤B，根据步骤A设计扭矩输出控制系统，采用模糊PID控制器作为转速外环调节器，内环采用PID算法的电流控制环，使用电流传感器和霍尔转速传感器采集电机转动过程中的电流和转速；

步骤C，根据步骤B设计模糊PID控制器，根据模糊推理规则对PID控制器的3个参数K_p、K_i、K_d进行实时修正，满足不同输入状态下控制系统对控制参数的不同要求，其中K_p为比例控制、K_i为积分控制、K_d为微分控制；