基于變參數(shù)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的鋼軌打磨恒功率控制技術(shù)研究.pdf

1、鋼軌打磨是一種利用高速旋轉(zhuǎn)磨具對(duì)鋼軌表面進(jìn)行在線修復(fù)的有效手段，采用鋼軌打磨能夠顯著延長(zhǎng)鋼軌服役壽命、降低鐵路維護(hù)成本、降低列車通過(guò)噪聲、提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。隨著氣動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，采用氣動(dòng)加載方式的鋼軌打磨列車在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋼軌打磨環(huán)境的復(fù)雜性和氣動(dòng)系統(tǒng)固有的強(qiáng)非線性導(dǎo)致了打磨功率控制困難，嚴(yán)重影響了鋼軌打磨列車的實(shí)際作業(yè)能力。為此，以氣動(dòng)加載方式的鋼軌打磨列車為研究對(duì)象，本文研究并提出了一種基于變參數(shù)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的鋼軌打

2、磨恒功率控制技術(shù)，主要涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、反饋信號(hào)處理和控制策略三個(gè)方面。具體包括:
　　對(duì)現(xiàn)有鋼軌打磨功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，基于打磨功率的控制原理，建立了鋼軌打磨功率波動(dòng)模型;通過(guò)分析擾動(dòng)傳遞規(guī)律，獲取了系統(tǒng)中打磨功率波動(dòng)的控制因素，并據(jù)此提出了改善鋼軌打磨功率控制系統(tǒng)的有效方案:在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)等效調(diào)節(jié)加壓氣缸無(wú)桿腔的容腔大小來(lái)改善系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力;在系統(tǒng)控制策略方面，通過(guò)設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸壓力的雙端控制來(lái)提高氣缸加載力

3、輸出抗擾動(dòng)能力。設(shè)計(jì)的擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出改進(jìn)方案的有效性。
　　基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案提出了一種帶有容腔調(diào)節(jié)器的變參數(shù)氣動(dòng)回路結(jié)構(gòu)，基本思想是設(shè)計(jì)一種由儲(chǔ)氣罐與比例流量閥組成的容腔調(diào)節(jié)器，使其與比例減壓閥并聯(lián)在氣缸無(wú)桿腔氣流入口環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸無(wú)桿腔的等效擴(kuò)容控制。針對(duì)容腔調(diào)節(jié)器控制量與等效容腔之間的強(qiáng)非線性關(guān)系，提出了一種基于擾動(dòng)補(bǔ)償反饋線性化的控制策略，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)氣罐壓力與等效容腔控制量之間的解耦，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)等效

4、容腔值的定量控制。同時(shí)，針對(duì)比例閥控制量限值問(wèn)題，研究了儲(chǔ)氣罐壓力控制策略，通過(guò)配合控制目標(biāo)調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣罐壓力以獲得最大限度的等效容腔調(diào)節(jié)能力。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制策略能夠有效實(shí)現(xiàn)容腔調(diào)節(jié)器的等效定量擴(kuò)容，并具有較好抗擾動(dòng)能力。
　　建立了所提出變參數(shù)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)控制特性的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，深入研究了系統(tǒng)反饋信號(hào)處理方法，根據(jù)打磨電流特性與濾波需求，提出了一種新息序列修正濾波方法，以卡爾

5、曼濾波為基礎(chǔ)，利用濾波新息序列的均方差值作為修正因子對(duì)濾波過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。仿真結(jié)果表明該方法能夠在保障濾波器收斂速度的前提下，有效濾除干擾噪聲;同時(shí)，提出了一種帶有擴(kuò)張擾動(dòng)量的狀態(tài)觀測(cè)器，首先通過(guò)將具有不可預(yù)測(cè)性的擾動(dòng)量擴(kuò)張為狀態(tài)項(xiàng)，來(lái)消除系統(tǒng)中的不確定環(huán)節(jié)，然后針對(duì)新建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)了狀態(tài)觀測(cè)器，以獲取加壓氣缸兩腔的實(shí)時(shí)壓力，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
　　針對(duì)變參數(shù)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)具有的強(qiáng)非線性、多控制對(duì)象、擾動(dòng)隨機(jī)性等特征，基于上述提

6、出的系統(tǒng)控制策略改進(jìn)方案，研究并提出了變參數(shù)氣動(dòng)系統(tǒng)整體控制策略，一方面結(jié)合狀態(tài)觀測(cè)器獲取氣缸容腔壓力，設(shè)計(jì)系統(tǒng)多級(jí)閉環(huán)控制策略來(lái)提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力，另一方面以滑模變結(jié)構(gòu)控制為基礎(chǔ)，結(jié)合自抗擾控制技術(shù)、自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制策略中每個(gè)環(huán)節(jié)被控目標(biāo)的精確控制。設(shè)計(jì)了多種擾動(dòng)環(huán)境下的三組仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比項(xiàng)，結(jié)果表明所提出的面向變參數(shù)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的整體控制策略在控制抗擾動(dòng)能力和精確性方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　借助鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)，依