本發(fā)明涉及電機估計與控制，尤其是一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法。

背景技術：

1、在工程應用中，螺栓緊固是確保結構安全性和穩(wěn)定性的關鍵步驟，廣泛應用于多個領域，特別是高空輸電塔、建筑工地、風力發(fā)電設施、橋梁施工以及大型機械設備的安裝和維護等高空或特殊環(huán)境的作業(yè)場景。這些場景通常涉及到高空或復雜環(huán)境下的操作，對作業(yè)的安全性、效率和精準度提出了極高的要求。因此，螺栓緊固過程中的力矩控制成為確保結構連接強度和穩(wěn)定性的核心環(huán)節(jié)。

2、傳統(tǒng)的螺栓緊固力矩控制方法通常依賴于力矩傳感器進行實時測量和反饋，以確保緊固力矩達到預定值。雖然這種方法能夠提供較高的測量精度，但在實際應用中存在以下幾個主要問題：1)系統(tǒng)復雜性增加：力矩傳感器的安裝和維護在高空和惡劣環(huán)境下非常復雜。特別是在輸電塔或風力發(fā)電設施的高空作業(yè)中，傳感器的布置和維護都十分困難。這不僅增加了系統(tǒng)的復雜性，還可能帶來額外的工作負擔和安全風險。2)硬件成本高：力矩傳感器作為一種精密儀器，成本較高。如果在大型結構或復雜環(huán)境中使用大量傳感器，不僅會增加系統(tǒng)的硬件成本，還會降低整體的經(jīng)濟效益，不適合大規(guī)模推廣應用。3)穩(wěn)定性和可靠性問題：力矩傳感器在高空和惡劣環(huán)境(如強風、高溫、潮濕或振動頻繁的環(huán)境)中容易受到外界干擾，導致測量數(shù)據(jù)的不準確。例如，振動、溫度波動以及電磁干擾等。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法，以減少硬件依賴并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在保持測量精度的同時，顯著降低系統(tǒng)的復雜性和硬件成本，適應高空或惡劣環(huán)境中的應用需求。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案，包括：

3、一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法，基于有限時間控制算法和非光滑擴展狀態(tài)觀測器，估計并控制螺栓緊固力矩，具體包括以下步驟：

4、s1，在考慮外部擾動和內(nèi)部參數(shù)不確定性的條件下，對螺栓緊固系統(tǒng)進行建模，得到包含時變參數(shù)的動力學模型；所述螺栓緊固系統(tǒng)包括用于緊固螺栓的末端執(zhí)行器和用于驅(qū)動末端執(zhí)行器的電機；

5、s2，基于動力學模型，設計非光滑擴展狀態(tài)觀測器；所述非光滑擴展狀態(tài)觀測器用于根據(jù)實時測量電機的轉速和電流，動態(tài)估計螺栓緊固過程中的緊固力矩；

6、s3，基于加冪積分技術設計有限時間控制算法，針對系統(tǒng)的外部擾動和內(nèi)部參數(shù)不確定性，通過引入非線性反饋項，對估計的緊固力矩進行實時調(diào)整，從而在有限時間內(nèi)使實際力矩跟蹤預設的目標力矩；

7、所述目標力矩是指根據(jù)螺栓緊固要求預先設定的期望力矩值；

8、s4，采用李雅普諾夫理論對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行驗證，通過構造李雅普諾夫函數(shù)并分析其導數(shù)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

9、s5，通過調(diào)節(jié)有限時間控制算法的增益參數(shù)，逼近最優(yōu)控制效果。

10、優(yōu)選的，步驟s1的具體方式如下所示：

11、s11，螺栓緊固力矩tb與緊固角度θb之間的函數(shù)關系為tb＝b(t)θb；其中，b(t)為一個時變參數(shù)；

12、對式tb＝b(t)θb兩邊求時間導數(shù)，得到：

13、

14、其中，為一個連續(xù)可微的非負函數(shù)，表示b(t)的相對變化率；ωb為緊固速度；

15、s12，電機與螺栓緊固力矩之間的動力學關系為：

16、

17、其中，ωb為緊固速度；n為減速比，表示電機轉速與螺栓轉速的比值；j為電機轉動慣量；kt為扭矩常數(shù)；iq為電機的電樞電流；b為電機粘性阻尼系數(shù)；

18、s31，得到包含時變參數(shù)的動力學模型如下所示：

19、

20、優(yōu)選的，步驟s2中，非光滑擴展狀態(tài)觀測器如下所示：

21、

22、其中，表示通過觀測器計算得到的緊固速度ωb的估計值；表示的導數(shù)；表示通過觀測器計算得到的緊固力矩tb的估計值；t0為等效負載力矩，表示通過觀測器計算得到的等效負載力矩t0的估計值；l1、l2為非光滑擴展狀態(tài)觀測器的兩個增益系數(shù)；sgn(·)為符號函數(shù)。

23、優(yōu)選的，步驟s3中，有限時間控制算法如下所示：

24、

25、其中，為有限時間控制算法的第一個增益，用于調(diào)節(jié)扭矩跟蹤誤差e1的非線性反饋強度；為有限時間控制算法的第二個增益，用于控制非線性反饋項的幅度；a2、a3、a4、a5、a6、c1均為正數(shù)常數(shù)；為線性反饋項，bmin為時變參數(shù)的最小值；τ是有限時間控制的冪次調(diào)節(jié)參數(shù)；

26、通過調(diào)節(jié)iq，使扭矩跟蹤誤差e1在有限時間內(nèi)收斂。

27、優(yōu)選的，步驟s5中，采用試錯法對增益參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

28、優(yōu)選的，步驟s3中，還對螺栓緊固力矩的估計值進行校正和濾波。

29、本技術還提供了一種可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被執(zhí)行時實現(xiàn)所述的一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法。

30、本技術還提供了一種電子設備，其包括處理器、存儲器及存儲于所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)所述的一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法。

31、本技術還提供了一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機程序/指令，該計算機程序/指令被處理器執(zhí)行時所述的一種無力矩傳感器的螺栓緊固力矩估計與控制方法。

32、本發(fā)明的優(yōu)點在于：

33、(1)本發(fā)明硬件成本顯著降低。通過設計非光滑擴展狀態(tài)觀測器(eso)，系統(tǒng)能夠利用已有的電機電流和轉速信號來進行力矩估計，從而不再依賴于昂貴的力矩傳感器。這種設計大幅降低了硬件投入，使系統(tǒng)的整體成本減少，并提高了經(jīng)濟效益，適合大規(guī)模應用。相比之下，傳統(tǒng)方法需要依賴于精密的力矩傳感器，這種傳感器不僅價格昂貴，而且需要大量的布置和維護，從而增加了系統(tǒng)的總體成本。

34、(2)本發(fā)明在響應速度和控制精度方面具有顯著優(yōu)勢。結合了齊次理論和加冪積分技術設計有限時間控制器，能夠在有限時間內(nèi)實現(xiàn)對緊固力矩的快速響應和精確跟蹤。這種算法在外部干擾和不確定條件下依然能夠保持高精度的控制效果，確保緊固過程的可靠性和效率。相比之下，傳統(tǒng)力矩傳感器雖然精度高，但其在應對突發(fā)擾動時的響應速度有限，且通常需要額外的校準以保持精度。

35、(3)本發(fā)明環(huán)境適應性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。通過非光滑擴展狀態(tài)觀測器(eso)和有限時間控制算法的結合，本發(fā)明能夠在不確定性和外部擾動下保持較高的魯棒性。即使在高溫、潮濕或振動條件下，本發(fā)明依然能夠通過系統(tǒng)內(nèi)部信號進行力矩估計，確保緊固操作的精度和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。相對而言，力矩傳感器在這些復雜環(huán)境下容易受到干擾，導致測量不準確，降低了系統(tǒng)的可靠性。

36、(4)本發(fā)明具備強大的抗干擾能力。非光滑擴展狀態(tài)觀測器結合了濾波和實時校正機制，有效消除了高頻噪聲和環(huán)境干擾的影響。同時，控制算法采用了李雅普諾夫穩(wěn)定性理論進行驗證，確保系統(tǒng)在復雜的外部條件和不確定性下仍能保持穩(wěn)定工作。這種設計提高了系統(tǒng)的魯棒性和控制效果，從而保證了螺栓緊固過程的安全性和精確性。