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原文传递基于变参数气动结构的钢轨打磨恒功率控制技术研究

论文题名：	基于变参数气动结构的钢轨打磨恒功率控制技术研究
关键词：	列车工程;钢轨打磨;变参数气动结构;恒功率控制技术
摘要：	钢轨打磨是一种利用高速旋转磨具对钢轨表面进行在线修复的有效手段，采用钢轨打磨能够显著延长钢轨服役寿命、降低铁路维护成本、降低列车通过噪声、提高列车运行平稳性。随着气动技术的快速发展，采用气动加载方式的钢轨打磨列车在实际中得到了广泛应用。然而，钢轨打磨环境的复杂性和气动系统固有的强非线性导致了打磨功率控制困难，严重影响了钢轨打磨列车的实际作业能力。为此，以气动加载方式的钢轨打磨列车为研究对象，本文研究并提出了一种基于变参数气动结构的钢轨打磨恒功率控制技术，主要涉及系统结构、反馈信号处理和控制策略三个方面。具体包括: 　　对现有钢轨打磨功率控制系统进行了研究和分析，基于打磨功率的控制原理，建立了钢轨打磨功率波动模型;通过分析扰动传递规律，获取了系统中打磨功率波动的控制因素，并据此提出了改善钢轨打磨功率控制系统的有效方案:在系统结构方面，通过等效调节加压气缸无杆腔的容腔大小来改善系统抗扰动能力;在系统控制策略方面，通过设计控制器实现对气缸压力的双端控制来提高气缸加载力输出抗扰动能力。设计的扰动仿真实验验证了所提出改进方案的有效性。　　基于系统结构改进方案提出了一种带有容腔调节器的变参数气动回路结构，基本思想是设计一种由储气罐与比例流量阀组成的容腔调节器，使其与比例减压阀并联在气缸无杆腔气流入口环节，以实现对气缸无杆腔的等效扩容控制。针对容腔调节器控制量与等效容腔之间的强非线性关系，提出了一种基于扰动补偿反馈线性化的控制策略，不仅能够实现储气罐压力与等效容腔控制量之间的解耦，而且可以实现对等效容腔值的定量控制。同时，针对比例阀控制量限值问题，研究了储气罐压力控制策略，通过配合控制目标调节储气罐压力以获得最大限度的等效容腔调节能力。仿真结果表明，所设计的控制策略能够有效实现容腔调节器的等效定量扩容，并具有较好抗扰动能力。　　建立了所提出变参数气动结构控制特性的数学模型，通过设计的对比仿真实验验证了模型的正确性。在此基础上，深入研究了系统反馈信号处理方法，根据打磨电流特性与滤波需求，提出了一种新息序列修正滤波方法，以卡尔曼滤波为基础，利用滤波新息序列的均方差值作为修正因子对滤波过程进行实时修正。仿真结果表明该方法能够在保障滤波器收敛速度的前提下，有效滤除干扰噪声;同时，提出了一种带有扩张扰动量的状态观测器，首先通过将具有不可预测性的扰动量扩张为状态项，来消除系统中的不确定环节，然后针对新建立系统设计了状态观测器，以获取加压气缸两腔的实时压力，并通过仿真实验得到了验证。　　针对变参数气动结构具有的强非线性、多控制对象、扰动随机性等特征，基于上述提出的系统控制策略改进方案，研究并提出了变参数气动系统整体控制策略，一方面结合状态观测器获取气缸容腔压力，设计系统多级闭环控制策略来提高系统抗扰动能力，另一方面以滑模变结构控制为基础，结合自抗扰控制技术、自适应控制等先进控制理论，实现对控制策略中每个环节被控目标的精确控制。设计了多种扰动环境下的三组仿真实验对比项，结果表明所提出的面向变参数气动结构的整体控制策略在控制抗扰动能力和精确性方面均具有明显优势。　　借助钢轨打磨试验台，依据所提出的变参数气动结构设计试验台加载机构的气路。利用参数修正实验对建立模型过程中的理想参量进行数据修正，实验结果表明修正后的系统模型响应与实际响应的结果一致。随后，设计对比打磨实验，利用不同打磨功率控制系统对相近表面状况的钢轨进行打磨作业。实验结果表明，本文所研究的基于变参数气动结构的钢轨打磨功率控制系统在控制精度与抗扰动能力方面均表现出显著的优势。同时所设计的滤波器与状态观测器也表现出较好的效果。
作者：	聂蒙
专业：	机械制造及其自动化
导师：	李建勇;沈海阔
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文