基于模糊PID控制算法的扭矩扳子自动检测系统研究（高工评审论文）.doc

基于模糊PID控制算法的扭矩扳子自动检测系统研究Study of the Torque Wrench Auto -Testing SystemBased on Fuzzy PID作者姓名：郭云峰工作单位：北京市计量检测科学研究院专业方向：计量标准扌商 要：扭矩扳子广泛应用于航天、汽车及电子等机械装配领域，须用扭矩扳子检定 装置对其定期检定保证其可靠性首先，文章在对扭矩扳子检定的关键技术研究基础上, 结合检定过程经验，制定了检定自动检测装置的总体设计方案其次，通过对模糊PID 算法的研究，设计出扭矩扳子自动检测系统的模糊PID控制算法，基于Visual Basic和 梯形语言编写了上下位机软件，设计扭矩扳子的自动检测软件，包含了数据曲线绘制、 查询，人机界面、数据库存储、证书打印等功能最后，通过对木系统的扭矩扳子实际 检测结果进行了设备比对试验，结果表明：与国内外4种主流检测设备相比较，该设计 加载平稳高效，大大提高扭矩扳子检定的准确度、重复性及可靠性，有效解决原有装置 劳动强度大、工作效率低等问题关键词：扭矩扳子、自动检测、模糊PID控制、计量Abstract: It is need to verificate the torque wrench by the torque wrench testing deviceregularly in order to ensure its accuracy・ The subject has established the math model of torque sensor and torque wrench calibrate^ then make a general design of torque wrench auto-testing system combine with the experience of torque wrench- calibration. Secondly, design the fuzzy PID controlling algorithm of torque wrench auto-testing system base on studying of fuzzy PID algorithm, Use Visual Basic to write program in computer , use trapezoid language to write program in PLC to make more advanced man-machine interface, easily operation, and can realize the dynamic data curve drawing.Finally，the comparison test among different torque wrench calibraters was done, the results showed that compared with 4 different torque wrench calibraters, the mearsuring part of the system is real and reliable, loading part is stable and high-cfficicnt.This system improves the accuracy rcpcatabilty and reliability of whole torque wrench verification, satisfies national standard, and can make the torque wrench calibration high efficiency and easy.Key words: Torque wrench, Auto-testing, Fuzzy PID, Metrology0绪论 11 工作原理 11」扭矩扳子的原理及分类 11.2 扭矩扳子的自动检测 21.2.1扭矩扳子的计量性能要求 21.2.2 扭矩扳子的检定方法 21.2.3 自动控制原理 32系统设计 32.1总体方案设计 32.2控制算法设计 32.2.1 PID控制算法的原理 32.2.2模糊控制理论 42.2.3 模糊PID算法设计 52.3硬件选型及设计 92.3.1 数据采集部分 102.3.2控制部分 102.4软件设计 102.4.1检测软件流程设计 112.4.2检测软件界面和模块设计 123 验证实验 124结束语 13参考文献 140绪论扭矩扳子（乂称为扭矩扳手）是一种带有扭矩测量机构的拧紧计量器具，是目前精 密控制螺栓和螺母锁紧力矩的专用工具⑴。

随着装配技术的不断发展，扭矩扳子已广泛 应用于航天飞船、卫星、火箭、汽车部件的组装中，每一个螺栓连接都要用扭矩扳子按 规定的扭矩进行固紧，以保障装配作业的可靠性、提高产品质量所以航空、航天、汽 车装配领域对扭矩扳子精确度要求越来越高，要对扭矩扳子进行周期检测以保证量值传 递的准确可靠⑵目前扭矩扳子的检测均为人工手动加载，使检测过程存在持续时间长、工作强度大、 准确度等问题因此，急需设计一种自动化程度高、准确度高的扭矩扳子自动检测系统经过对现有扭矩检测仪的分析和实验证明，由于检测仪的加载丝杠存在间隙以及固 定扭矩扳子的档板有机械变形，在加载过程中骤停或降速，会造成示值波动产牛误差⑶ 另外，不同量程的扭矩扳子需要的力度和加载速度也不同，故传统闭环速度控制或PID 控制不能实现理想效果而模糊PID控制算法的最大优点是不需要知道被控对象的精确 数学模型，利用专家的控制经验对PID参数进行实吋调整，既具有模糊控制算法的灵活 性强、适应性好的特点，乂具有PID控制算法的精度高的优点因此，本课题采用模糊 PID控制算法设计开发出扭矩扳子自动检测系统，以提升扭矩扳子检测准确度、减少人 为误差、提高工作效率。

1工作原理1.1扭矩扳子的原理及分类扭矩扳子按照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，弹簧套在顶杆上向扭距释放关节施压，当 扭矩扳子加载到预置扭矩值吋，棘轮头瞬间打滑，扭矩自动解除载荷，得到的扭矩峰值 即该扭矩扳子的峰值，此后扳子会成为一个死角，相当于呆扳子，如图1所示示值式扭矩扳子分为数显式和指针式(表盘式)，可把作用力矩可视化，一般利用测 扭应变片或者应力弹簧变形的角度测量扭矩值⑹1.2扭矩扳子的自动检测1.2.1扭矩扳子的计量性能要求2014年修订JJG707-2014《扭矩扳子国家计量检定规程》对扭矩扳子计量性能要求 指标的有：扭矩示值相对误差、重复性、相对分辨率、回零误差、超载性能等，具体的 指标如表1所刀：表1扭矩扳子准确度级别与技术指标准确度级别示值相对误差e (%)示侑軍复性R(%)水示值相对分辨 力 a (%)*回零误差Z(%FS)1= 1.01.01.02= 2.02.01.01.033.03.01.51.04= 4.04.02.01.05二 5.05.02.51.06二 6.06.03.01.010土 10.010.05.01.0注1：带的项目，预置式扭矩扳子无要求；注2：示值式扭矩扳子的测量范围为测量上限的20%-100%=1.2.2扭矩扳子的检定方法(1) 示值式扭矩扳子的检定按扭矩扳子额定扭矩正确选择标准装置的量程，将扭矩扳子安装在标准装置上，按 选定的检定点逐级平稳地施加扭矩至额定扭矩值，读出和记录各点扭矩值，至少进行3 次。

每次施加额定扭矩后，卸除负载，检查扭矩扳子指示器回零的情况，重新调整零位2) 预置式扭矩扳子的检定按扭矩扳子额定扭矩值正确选择标准装置的量程，然后将扭矩扳子正确的安装在标 准装置上，扭矩测量仪选用峰值保持功能并调整零位，平稳施加扭矩扳子至发出听觉或 其它讯号，此时扭矩扳子自动解除载荷，读取和记录扭矩值此过程至少进行3次⑸1.2.3自动控制原理扭矩扳子自动检测系统根据JJG707-2014《扭矩扳子国家计量检定规程》的检定步 骤设计自动检测软件在输入相关参数后，软件中的数据采集模块采集扭矩测量信号， 经模糊PID控制算法计算相应的输岀控制信号到执行硬件机构，对于示值式扭矩扳子施 加扭矩至指定的额定扭矩值后停止，读出和记录各点扭矩值对于预置式扭矩扳子，测 量软件选取峰值模式和实时模式两种模式，实吋模式监测扭矩测量值有较大幅度冋落即 停止加载，峰值模式记录扭矩最大值即为预置值2系统设计2.1总体方案设计扭矩扳子自动检测系统采用模糊PID控制算法，硬件由标准扭矩传感器、二次仪表、 扭矩扳子加载机构、工控机、PLC、伺服电机、数据传输线等组成，软件主要有上位机 自动检测软件和下位机PLC程序组成，如图2所示。

图2系统总体设计框图2.2控制算法设计模糊P1D控制算法将模糊控制算法与PID控制算法的优点相结合，实现对控制系统 的PID控制参数的自适应整定算法包括两部分，即模糊控制和经典PID控制算法，其 中的模糊控制部分是以偏差w和偏差变化量人作为输入，以PID参数的变化量△ Kp、AK“ AKd作为输出，通过预先设计的模糊控制规则根据输入量变化对Kp、K八心三个参数 进行实时整定，代入经典PID算法，并以偏差e作为输入，与整定后的参数Kp、K八心 线性计算控制量况作为输出量2.2.1 PID控制算法的原理PID控制算法是指比例、积分、微分控制算法如图3所示，PID控制算法通过将 给定值和实际测量值的偏差信号“丿按比例、积分和微分进行线性组合计算控制量n⑴,对被控对象进行控制⑹图3 PID控制系统原理框图 PID控制算法可表达为：= K卩 e(t) + + Td(1)式中：u(t)——t时刻的控制量；e(t)——t时刻的偏差信号;Kp——比例系数;Tj——积分时间系数;Td——微分时间系数一般工控机、单片机等数字控制系统是离散吋间控制系统，即以采样周期对输入和输出状态进行实时采样PID离散化形式算法⑺:u(k) = u(k -1) + Au(k)= Kp[e(k)一e(k 一 1)]+ K用(灯 + KD[e(k) 一 2e(k-1)4-e(k -2)] (2)其中K严Kp*, K厂式+ ： u(k)——控制量(肛0,1,2……)；e(k) 偏差信号(K0,l,2 )；Kp——比例系数；Ki——积分系数；Kd——微分系数；2.2.2模糊控制理论模糊控制算法是将人的推理和决策方法用模糊性语句进行描述，例如“偏差较大”、“控制量较小”等，即模糊控制规则冈。

模糊控制规则由控制状态变量如偏差纠偏差变化率△通过模糊控制规则推理判断控制变量U的值图4 模糊控制器的基本结构模糊控制算法由模糊化输入、模糊规则推理、去模糊化输出三部分组成〔8〕如图4 所示以二维模糊控制器为例：模糊化输入将被测量与给定量相比较得到偏差信号丘，并 求偏差变化量△幺，再将这两个变量模糊化后转换为模糊变量形式，经模糊推理机构根 据经验总结的模糊控制规则进行模糊推理、判断出模糊控制量最后将模糊输出控制 量去模糊化，转化为精确量后施于被控对象〔9］2.2.3模糊PID算法设计在检测扭矩扳子时，采用二维模糊PID控制。