基于變參數(shù)氣動結(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)磨具對鋼軌表面進行在線修復(fù)的有效手段，采用鋼軌打磨能夠顯著延長鋼軌服役壽命、降低鐵路維護成本、降低列車通過噪聲、提高列車運行平穩(wěn)性。隨著氣動技術(shù)的快速發(fā)展，采用氣動加載方式的鋼軌打磨列車在實際中得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋼軌打磨環(huán)境的復(fù)雜性和氣動系統(tǒng)固有的強非線性導(dǎo)致了打磨功率控制困難，嚴重影響了鋼軌打磨列車的實際作業(yè)能力。為此，以氣動加載方式的鋼軌打磨列車為研究對象，本文研究并提出了一種基于變參數(shù)氣動結(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)、反饋信號處理和控制策略三個方面。具體包括:
　　對現(xiàn)有鋼軌打磨功率控制系統(tǒng)進行了研究和分析，基于打磨功率的控制原理，建立了鋼軌打磨功率波動模型;通過分析擾動傳遞規(guī)律，獲取了系統(tǒng)中打磨功率波動的控制因素，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，通過等效調(diào)節(jié)加壓氣缸無桿腔的容腔大小來改善系統(tǒng)抗擾動能力;在系統(tǒng)控制策略方面，通過設(shè)計控制器實現(xiàn)對氣缸壓力的雙端控制來提高氣缸加載力

3、輸出抗擾動能力。設(shè)計的擾動仿真實驗驗證了所提出改進方案的有效性。
　　基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進方案提出了一種帶有容腔調(diào)節(jié)器的變參數(shù)氣動回路結(jié)構(gòu)，基本思想是設(shè)計一種由儲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)在氣缸無桿腔氣流入口環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)對氣缸無桿腔的等效擴容控制。針對容腔調(diào)節(jié)器控制量與等效容腔之間的強非線性關(guān)系，提出了一種基于擾動補償反饋線性化的控制策略，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)儲氣罐壓力與等效容腔控制量之間的解耦，而且可以實現(xiàn)對等效

4、容腔值的定量控制。同時，針對比例閥控制量限值問題，研究了儲氣罐壓力控制策略，通過配合控制目標調(diào)節(jié)儲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)計的控制策略能夠有效實現(xiàn)容腔調(diào)節(jié)器的等效定量擴容，并具有較好抗擾動能力。
　　建立了所提出變參數(shù)氣動結(jié)構(gòu)控制特性的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)計的對比仿真實驗驗證了模型的正確性。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濾波過程進行實時修正。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，提出了一種帶有擴張擾動量的狀態(tài)觀測器，首先通過將具有不可預(yù)測性的擾動量擴張為狀態(tài)項，來消除系統(tǒng)中的不確定環(huán)節(jié)，然后針對新建立系統(tǒng)設(shè)計了狀態(tài)觀測器，以獲取加壓氣缸兩腔的實時壓力，并通過仿真實驗得到了驗證。
　　針對變參數(shù)氣動結(jié)構(gòu)具有的強非線性、多控制對象、擾動隨機性等特征，基于上述提

6、出的系統(tǒng)控制策略改進方案，研究并提出了變參數(shù)氣動系統(tǒng)整體控制策略，一方面結(jié)合狀態(tài)觀測器獲取氣缸容腔壓力，設(shè)計系統(tǒng)多級閉環(huán)控制策略來提高系統(tǒng)抗擾動能力，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)控制等先進控制理論，實現(xiàn)對控制策略中每個環(huán)節(jié)被控目標的精確控制。設(shè)計了多種擾動環(huán)境下的三組仿真實驗對比項，結(jié)果表明所提出的面向變參數(shù)氣動結(jié)構(gòu)的整體控制策略在控制抗擾動能力和精確性方面均具有明顯優(yōu)勢。
　　借助鋼軌打磨試驗臺，依