基于模糊PID算法的扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)研究

郭云峰

(北京市計量檢測科學研究院，北京 100029)

0　引言

扭矩扳子是一種帶有扭矩測量機構的擰緊計量器具，隨著裝配技術的發(fā)展，扭矩扳子已廣泛應用于航天、汽車、電子等領域，主要用于緊固螺栓和螺母，并測量出擰緊時的扭矩值。因此，扭矩扳子量值傳遞的準確可靠對緊固件螺紋副連接的質(zhì)量和保證各類安裝工作的準確性、安全性、可靠性起到了至關重要的作用。

北京市計量檢測科學研究院每年承擔了近兩千件扭矩扳子的檢測任務，但因檢定裝置為手動加荷，存在持續(xù)時間長、工作強度大，檢測精度低等問題。因此，急需設計一種自動化程度較高、準確度較高的扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)控制要求

1.1　扭矩扳子概述

扭矩扳子按測量用途可分為預置式和示值式兩種。預置式扭矩扳子一般采用棘輪頭式結構，當扭矩扳子加載到預置扭矩值時，棘輪頭瞬間打滑，扭矩自動解除載荷，得到的扭矩峰值即該扭矩扳子的預置值，如圖1所示。

圖1　預置式扭矩扳子原理示意圖

示值式扭矩扳子分為數(shù)顯式和指針式(表盤式)，使扭矩可視化，現(xiàn)階段都是在預置式扭矩扳子的原理上工作的。

1.2　扭矩扳子的檢定

1) 預置式扭矩扳子的檢定。正確選擇標準裝置量程，將扭矩扳子調(diào)整至預置點，正確安裝在標準裝置上，平穩(wěn)施加標準裝置至扭矩扳子預置值，此時扭矩扳子自動解除載荷，記錄扭矩值。

2)示值式扭矩扳子的檢定。正確選擇標準裝置的量程，扭矩扳子正確安裝在標準裝置上，按選定的檢定點逐級平穩(wěn)地施加扭矩至額定扭矩值。每次施加額定扭矩值后，卸除負載，檢查扭矩扳子指示器回零的情況，并重新調(diào)整零位，指針式有從動指針的必須帶動從動指針進行檢定。

1.3　系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)能夠按照規(guī)程要求的步驟，長時間平穩(wěn)運行。擁有較高的自動化水平，減輕檢測人員的勞動強度，提高控制精度。在出現(xiàn)意外情況時，有緊急制動的保障措施，且易于改造升級。

2　總體方案設計

2.1　方案設計

如圖2所示，扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)由標準扭矩傳感器、二次儀表、絲杠加載機構、工控機、PLC、伺服電機等硬件及上位機自動檢測軟件、下位機PLC程序等組成。其工作原理是：自動檢測軟件發(fā)出開始指令，循環(huán)采集扭矩傳感器經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)換的扭矩測量信號，經(jīng)自動控制算法計算相應的動作命令，傳輸給PLC。PLC向伺服電機發(fā)送對應的脈沖信號，控制伺服電機帶動絲杠及扭矩扳子加載機構進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及速度變化等動作，實現(xiàn)模擬人工過程的自動檢測。

圖2　系統(tǒng)總體設計框圖

2.2　控制算法設計

2.2.1控制算法要求

大量實驗證明，由于加載絲杠存在間隙及固定扭矩扳子的檔板存在的機械變形，加載過程中突然停止或降速，會造成示值波動而產(chǎn)生誤差。其次，不同量程的扭矩扳子需要的力度和加載速度也不同，故檢定過程采用一般常用的控制規(guī)則不能有效實現(xiàn)控制效果，不能采用傳統(tǒng)閉環(huán)速度或PID控制。根據(jù)檢測扭矩扳子的經(jīng)驗可知，在測量值逼近額定值時，加載速度平穩(wěn)可有效避免扭矩示值的波動。經(jīng)過多次試驗，系統(tǒng)采用模糊PID算法進行控制。

2.2.2模糊PID算法實現(xiàn)

如圖3所示，模糊PID算法是利用模糊控制將檢定人員的經(jīng)驗作為知識庫存入軟件，軟件將實時采集的扭矩測量值M與待檢值MC計算得到偏差e及偏差的變化量eC，經(jīng)過模糊推理得到PID參數(shù)變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，自動調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實現(xiàn)自動控制。

圖3　扭矩扳子模糊PID算法示意圖

1)輸入量、輸出量的模糊化

模糊PID控制器的模糊部分由二維輸入，三維輸出，輸入量為扭矩測量值M與待檢值MC相減的偏差值e及偏差值變化量eC，輸出量為PID參數(shù)的自整定變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD。

當輸入偏差小于15％MC時進行模糊PID控制，設定偏差e的基本論域為[-15％MC，15％MC]Nm，其量化論域為E=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，則得到偏差量化論域E的量化因子Ke=4/(15％MC)，選擇7個語言值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB為偏差量化論域E的模糊子集，偏差變化量eC的基本論域為[-10,10]Nm，其量化論域為EC=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，則可得到偏差變化量量化論域EC的量化因子KeC=4/10=1/2.5。

三個輸出變量，比例調(diào)節(jié)變化量ΔKP的基本論域為[-3,3]，積分調(diào)節(jié)變化量ΔKI的基本論域為[-1,1]，微分調(diào)節(jié)變化量ΔKD的基本論域為[-3,3]，量化論域范圍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，選取7個語言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB。

如圖4所示，輸入偏差的量化論域E、輸入偏差量的量化論域EC以及輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD在整數(shù)論域均采用三角形隸屬度函數(shù)。

圖4　語言變量的隸屬度函數(shù)

可得，E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)表，見表1。

2)確定模糊控制器的控制規(guī)則

總結PID參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗，獲取ΔKP、ΔKI、ΔKD三個參數(shù)的控制規(guī)則表，見表2、表3、表4。

表1　E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD隸屬度函數(shù)表

表2　表2　ΔKP模糊控制規(guī)則表

表3　ΔKI模糊控制表

上述三個模糊控制規(guī)則表可構成49條模糊控制語句：

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模糊控制規(guī)則表

這49條語句構成了模糊控制模型。利用MATLAB中對模糊控制模型進行輸入經(jīng)軟件計算后，即可得到模糊決策表。

3)模糊PID參數(shù)自整定計算

依據(jù)偏差e和偏差變化量eC利用查詢法得到，根據(jù)下列調(diào)整公式，每次得出不同的最佳PID參數(shù)值：

(1)

2.3　硬件選型及設計

扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)硬件設計如圖5所示。按功能可將整個系統(tǒng)的硬件劃分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個部分。

圖5　扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)硬件結構示意圖

2.3.1數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由標準扭矩傳感器、標準扭矩測量儀、串口通信器件、工控機及外設等部分組成。標準扭矩傳感器采集扭矩扳子的扭矩值，由二次儀表將扭矩信號放大并進行A/D轉(zhuǎn)換，通過串口通訊模塊傳輸?shù)焦た貦C中，完成扭矩數(shù)據(jù)采集。

由于量值溯源的需要，傳感器選用0.05級的LC-11型標準扭矩傳感器，二次儀表選用2000型標準扭矩負荷測量儀，其準確度<0.006％，附加高速峰值測量模塊，經(jīng)中國計量院檢定合格，可以滿足常見扭矩扳子的檢定。

2.3.2控制部分

控制部分主要由工控機向PLC發(fā)送控制信號，PLC接到信號后伺服放大器發(fā)送轉(zhuǎn)動啟動、停止、方向、速度等命令，使用伺服放大器的脈沖位置控制方式，通過編碼器控制伺服電機使其完成正向快速轉(zhuǎn)動、正向慢速轉(zhuǎn)動、停止、反向快速轉(zhuǎn)動、恢復零點等動作。

通過對現(xiàn)有絲杠加載機構的分析，選取額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率范圍適宜的伺服電機作為驅(qū)動元件，通過減速器與絲杠加載機構連接，使電機能夠在額定功率和扭矩范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，并達到轉(zhuǎn)速/功率比合理的目的，實現(xiàn)加載速度連續(xù)可調(diào)、正反向加載、過載保護等功能。

2.4　軟件設計

系統(tǒng)軟件總體結構如圖6所示。扭矩扳子自動檢測應用軟件包括上位機測量模塊和控制模塊以及下位機控制軟件。

圖6　系統(tǒng)軟件總體結構

上位機軟件利用VB6.0進行設計，總體結構包括檢測人員登陸、被檢儀器信息錄入、信號及控制端口設置及數(shù)據(jù)采集和控制程序等模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采集自標準負荷測量儀實時傳輸?shù)呐ぞ販y量信號?？刂颇K將實時計算的控制指令傳輸?shù)絇LC中。檢測界面如圖7所示，具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，能顯示當前測量值及峰值，繪制成圖。檢測完畢后計算出示值重復性和相對誤差，保存數(shù)據(jù)，生成證書。

圖7　檢測界面示意圖

下位機軟件用梯形語言在PLC中編程。功能是將PC端傳輸?shù)闹噶钣嬎愠鱿鄳}沖信號傳輸?shù)剿欧刂破鞫丝冢刂扑欧姍C運行。

3　驗證實驗

利用同一扭矩扳子作為被測物在扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)與其他國內(nèi)外4種檢測裝置進行比對試驗，驗證本系統(tǒng)的準確度和重復性。比對規(guī)定以下操作：1)選用同一把數(shù)顯扭矩扳子作為標準參照物;2)按照JJG 707—2003《扭矩扳子》檢定規(guī)程對標準參照物進行檢測;3)計算示值相對誤差、重復性。

按照以上操作規(guī)范，對數(shù)顯扭矩扳子分別進行10次試驗，試驗數(shù)據(jù)見圖8。

圖8　采用設備比對的結果示意圖

通過數(shù)據(jù)圖的分析，可得出結論：使用本檢測系統(tǒng)的結果波動性最小，系統(tǒng)誤差最小，重復性好，所以本裝置可以消除人手動檢測所帶來的分散性及大部分的系統(tǒng)誤差。

4　結束語

本文概述了扭矩扳子自動檢測系統(tǒng)，通過控制算法設計、硬件選型、機構設計、軟件編程，達到了提高檢測效率，降低工作強度，減少系統(tǒng)誤差的預期目的。該檢測系統(tǒng)于2012年完成樣機設計及研制工作，經(jīng)過各方面的鑒定試驗，已達到了實際應用的水平。

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