一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法


[0001]本专利技术属于自动化控制中模糊控制
，具体涉及一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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。
[0004]本专利技术的技术方案：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。
[0005]进一步地，包括以下步骤：
[0006]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：
[0007][0008]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。
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]步骤D，采集系统运行时的转速、电流和负载转矩的动态响应曲线如图4，从图4中曲线可以看出，电流和负载扭矩能够在较短时间内过渡到新的稳定状态，电机的电磁扭矩(电流)可随着负载扭矩的变化而变化，电机的转速产生的微小变动也能够在短时间恢复，其稳态误差微小，可忽略.从图5可以看出，对比传统PID控制方法，模糊PID控制方法的电流和负载转矩波动更小，其最终的扭矩输出更准确。
[0013]进一步的，所述步骤B具体包括以下步骤：
[0014]步骤B
‑
1，直流电机扭矩控制系统中，其转速调节环节ASR为外环控制，并使用模糊 PID控制器控制转速；电流调节环节ACR为内环控制，采用传统的PID控制器控制；
[0015]步骤B
‑
2，直流电机扭矩控制系统中，给定电机转速n
*
通过使用模糊PID控制器的外环转速调节环ASR把转速调节器的输出电流I
a
作为电流调节器ACR的输入，再通过电流调节的输出去控制PWM波生成模块UPW，UPW模块生成的PWM波通过驱动电路模块GD控制H桥主电路UPEM，达到控制电机转速、调节电机电流，进而精确控制电机扭矩输出的目的；
[0016]步骤B
‑
3，直流电机扭矩控制系统中，使用霍尔转速传感器采集电机转速n并反馈给转速调节环ASR；使用电流互感器TA采集电机负载电流I
L
并反馈给电流调节ACR。其中给定电机转速n
*
，电机电枢电流I
a
，反馈转速n以及电机负载电流I
L
都是数字量，电流传感器和霍尔转速传感器实时采集电机运行中的电流和转速并进行反馈，确保转速稳定；
[0017]步骤B
‑
4，除了电机驱动模块外，负载转矩计算、PWM波生成以及双闭环控制的控制功能都采用软件的方式在PIC单片机中实现。
[0018]进一步的，所述步骤C具体包括以下步骤：
[0019]步骤C
‑
1，直流电机扭矩控制系统不断检测输入量偏差e和偏差变化率ec，根据模糊推理规则输出模糊控制器的三个输出ΔK
p
、ΔK
i
、ΔK
d
对通过如下公式的计算得到最终模糊PID 的参数输出K
p
、K
i
、K
d
；
[0020]模糊PID参数调整计算如下：
[0021]K
p
＝K
p1
+ΔK
p
[0022]K
i
＝K
i1
+ΔK
i
[0023]K
d
＝K
d1
+ΔK
d
[0024]式中：K
p1
、K
i1
、K
d1
分别为PID控制器参数K
p
、K
i
、K
d
的初始值，ΔK
p
、ΔK
i
、ΔK
d
分别为与模糊控制器3个参数对应的输出，能根据被控系统的不同状态自动取不同值；
[0025]步骤C
‑
2，根据实际情况以及实验要求，e和ec的模糊论域U取[
‑
3，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，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；步骤D，采集系统运行时的转速、电流和负载转矩的动态响应曲线，从曲线可以看出，电流和负载扭矩能够在较短时间内过渡到新的稳定状态，电机的电磁扭矩或电流可随着负载扭矩的变化而变化，电机的转速产生的微小变动也能够在短时间恢复，其稳态误差微小，可忽略，对比传统PID控制方法，模糊PID控制方法的电流和负载转矩波动更小，其最终的扭矩输出更准确。3.根据权利要求1或2所述的一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤B具体包括以下步骤：步骤B
‑
1，直流电机扭矩控制系统中，其转速调节环节ASR为外环控制，并使用模糊PID控制器控制转速；电流调节环节ACR为内环控制，采用传统的PID控制器控制；步骤B
‑
2，直流电机扭矩控制系统中，给定电机转速n
*
通过使用模糊PID控制器的外环转速调节环ASR把转速调节器的输出电流I
a
作为电流调节器ACR的输入，再通过电流调节的输出去控制PWM波生成模块UPW，UPW模块生成的PWM波通过驱动电路模块GD控制H桥主电路UPEM，达到控制电机转速、调节电机电流，进而精确控制电机扭矩输出的目的；步骤B
‑
3，直流电机扭矩控制系统中，使用霍尔转速传感器采集电机转速n并反馈给转速调节环ASR；使用电流互感器TA采集电机负载电流I
L
并反馈给电流调节ACR；其中给定电

【专利技术属性】
技术研发人员：谢峰，李红杨，陈建军，汪小武，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：