（航空宇航科学与技术专业论文）连续式捣固车作业小车智能控制系统设计与实现.pdfVIP

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着以0 9 - 3 2 为代表的连续式捣固车的广泛应用，铁路养护效率有很大地提高，作业 质量也有了很明显地改善。但是由于装载作业部分的小车相对大车的位置总是在不停的变 化，因此带来了作业小车驱动控制和参数补偿等问题。现有的电气系统采用的是由大量运 放组成的模拟控制电路，运放的零漂和电阻偏差较大等原因造成控制系统精度难以满足线 路要求。为了解决这个问题，原有的0 9 3 2 型捣固车电气控制系统在各个环节中加入了电 位器。在调试过程中，设定特定的条件，通过电位器的设置来满足系统较高的精度要求。 但是捣固车的参数并不恒定，而且作业线路的状况也在不停的变化，传统的p i d 控制 方法很难实现作业小车的最优控制。怎样使作业小车工作在最佳状态成为其使用中的瓶 颈。因此作业小车的智能控制以及由其移动而产生的精确参数补偿算法成为连续式捣固车 电气控制系统研究的内容之一。 随着现代控制理论的发展，模糊控制以及由此衍生的模糊p i d 控制在工业控制中的应 用日益成熟，很容易满足象作业小车这种无法建立准确数学模型的复杂系统的要求。而且 数字电路的不断发展，为实现这种比较复杂的算法奠定了基础。 本文就是研究通过数字电路去实现作业小车的智能控制和参数补偿，以提高连续式捣 固车的作业效率和精度，取得的研究成果如下： 1 提出一种作业小车智能控制算法，使作业小车能自动适应作业环境的变化，并使小车 的运动自动保持最优状态。 2 推导由于作业小车的移动而产生作业参数的补偿计算方法，能对捣固车的作业参数包 括正矢、前端偏移、基本起道量和超高进行实时补偿。 3 设计出一套新型比例控制电路，以t m s 2 8 f 1 2 为核心，能完成以上两个算法和比例阀 的驱动的数字电路。 4 设计出一块作业小车的数字控制板。 关键词：连续式捣固车，作业小车，比例阀，模糊p i d 控制，作业参数补偿 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a l o n g 嘶盘e o n t i n u a 】l a m p e rs u c ha s0 9 - 3 2w i d ea p p l i c a t i o n , t h ew o r ke f f i c i e n c yh a d e n h a n c e dv e r yg r e a t l y , a n dt h ew o r kq u a l i t ya l s oh a di m p r o v e dv e r yo b v i o u s l y b e c a u s et h e p o s i t i o ni sa l w a y sv a r i a b l eb e t w e e ns a t e l l i t ea n dl a r g ec a r t t h i sb r o u g h tt h ep r o b l e mo fc o n t r o l o fs a t e l l i t ea n dp a r a m e t e rc o m p e n s a t i o n t h ee x i s t i n ge l e c t r i c a ls y s t e mc o m p o s eo fa n a l o g c o n t r o lc i r c u i tw i t hm a s s i v ea m p l i f i e r s b e c a u s eo fz o r od r i f to fa m p l i f i e r sa n db i gd e v i a t i o no f r e s i s t a n c e s 。t h ep r e c i s i o no f c o n t r o ls y s t e mi sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h er e x l u e s i ko r d e rt os o l v et k s p r o b l e m ，t h ce l e c t r i c i t yc o n l m ls y s t e mo f0 9 3 2t a m pm a c h i n eh a d a d d e dp o t e n t i o m e t e r si ne a c h l i n k d u r i n gt h ed e b u g ，h i g hp r e c i s i o nw a sa c h i e v e db ys e t t i n gs p e c i f i cc o n d i t i o n sa n da d j u s t i n g p o t e n t i o m e t e r s b u tt h ep a r a m e t e r so ft a m pm a c h i n ew a si n c o n s t a n ta n dt h ec o n d i t i o no ft r a c kc h a n g e d e n d l e s s l y , t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o dw a sd i f f c u l tt o r e a l i z eo p t i m u mc o n t r o lo ft h e s a t e l l i t e t h eb o t t l e n e c kh o wt oi n a k et h es a t e l l i l ew o r ki nt h eo p t i m u ms t a t eh a dc o m eo u t t h e r e f o r ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h es a t e l l i t ea n dt h ep r e c i s ep a r a m e t e rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m b e c a m eo n eo f r e s e a r c hc o n t e n t si ne l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e mo f c o n t i n u o u s - t y p et a m pm a c h i n e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r nc o n t r o lt h e o r y , t h ef u z z yc o n t r o la n dt h ef u z z yp i d c o n t r o lg r o wd a yb yd a ym a o , l l - ei nt h ei n d u s t r yc o n t r o la p p l i c a t i o n a n di ti se a s yt os a t i s f yt h e c o m p l e xs y s t c mo f r o m pm a c h i n e ，w h i c hi sd i f f i c u i lt oe s t a h i i s h t h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ed i g i t a lc i r c u i td e v e l o pu n c e a s i n g l yn o w a d a y s ，a n di tl a yt h ef o u n d a t i o nt or e a l i z et h i sq u i t e c o m p l e xa l g o r i t h m t h i s p a p e r i st h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n i x o lo ft h es a t e l l i t ea n dt h ep a r a m e t e r c o m p e n s a t i o nt h r o u g ht h ed i g i t a lc i r c u i t ，s ot h a tt h ew o r ke f f i c i e n c ya n dt h ep r e c i s i o no ft h e c o n t i n u o u s - t y p et a m pm a c h i n ew o u l db ei m p r o v e d ，t h er e s e a r c hr e s u r sw e r el i s t e db d 0 1 v ： 1 an e wi m e l l i g e n tc o n t r o la r i t h m e t i cw o u l db ep r e s e n t e d w h i c hc 叩m a l 【es a t e l l i t ea d a p t t oc i r c u m s t a n c ea n dw o r ki nt h eb e s ts t a t ea u t o m a t i c a l l y 2 c a l c u l a t i o nm e t h o do fp a r a m e t e rc o m p e n s a t i o nw o u l db er e a l i z e d ，s oa st oh e l pf i n i s h t h ew o r ko f t a m pm a c h i n eb yt h ec h a n g eo f t h ep a r a m e t e r ss u c ha sv c r s i n e f r o n to f f s e t , b a s i cl i f t 。c a n t 3 an e wp r o p o r t i o nc o n t r o lc i r c u i tw o u l db ed e s i g n e db a s e do i lt m s 2 8 f 1 2 w h i c h 啪 c 缸1 yo u tt h et w ok i n do f a r i t h m e t i ca n dd r i v em e t h o df o rt h cp r o p o r t i o nv a l v e 4 ad i g i t a lc o n t r o lb o a r df o rt h es a t e l l i t ei sd e s i g n e d 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 k e y w o r d s ：c o n t i n u o u s - t y p et a m pm a c h i n e ，s a t e l l i t e , p r o p o r t i o nv a l v e , f u z z yp i d c o n t r o l ，p a r a m e t e rc o m p e n s a t i o n 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 - 10 9 3 2 捣固车整车结构图。6 图2 - 2 比例阀的结构8 图2 - 3 比例阅的特性 图2 - 4 死区电流的调节图和开通角和电流的关系图9 图3 1 作业小车驱动示意图l l 图3 - 2 小车控制系统结构图 图3 - 3 模拟控制环节1 2 图3 - 4 p i d 控制系统原理图 图3 5 模糊控制器组成框图1 4 图3 - 6 简化三维f u z z y p i d 控制原理图1 6 图3 7 采用模糊p i d 控制环节 图3 8 模糊p i d 控制器阶跃响应曲线 图4 1 拨道几何示意图。 图4 2 四点法作业原理图 图年3三点法作业原理图 图4 - 4 四点法作业补偿原理图 图4 5 三点法作业补偿原理图 图4 - 6 起道系统示意图 图4 7 起道作业原理示意图。 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 7 2 8 图4 8 起道补偿原理示意图3 0 图4 9 超高示意图3 0 图5 1 硬件系统框图3 2 图5 2 信号调整电路3 4 图5 3 比例阀驱动电路3 6 图5 4 主程序流程图3 7 图5 5 参数输入流程。3 8 图5 6 小车控制流程图3 9 图5 7 参数计算流程：4 0 图5 8 小车位置一比例电流对应关系4 2 图5 - 9 作业小车启动时电压变化4 2 图5 1 0 拨道系统各测量小车几何位置图。4 3 图5 1 1 四点法、正矢为1 0 0 m m 时的正矢补偿小车位置关系图“ 图5 1 2 四点法、正矢为2 0 0 m m 时的正矢补偿- ，j 、车位置关系图4 4 图5 - 1 3 三点法、正矢为1 0 0 m m 时的正矢补偿小车位置关系图4 5 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 - 1 4 三点法、正矢为l o o m m 时的正矢补偿小车位置关系图4 6 图5 - 1 5 四点法、前端偏移为l o o m m 时的前端偏移补偿小车位置关系图4 7 图5 1 6 三点法、前端偏移为l o o m m 时的前端偏移补偿小车位置关系图4 7 图5 1 7 基本起道量为2 0 0 m m 时，起道偏移补偿小车位置关系图4 8 图5 1 8 超高给定误差的关系图4 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1 模糊参数表1 8 表3 - 2 a k p 模糊控制表1 9 表3 - 3 a i d 模糊控制表。1 9 表3 - 4 k d 模糊控制表2 0 表5 f 输入信号列表3 3 表5 2 输出信号列表3 5 表5 3 小车位置比例电流关系表4 l 表5 4 正矢补偿表( 四点法) 。4 3 表5 5 正矢补偿表( 三点法) 4 4 表5 - 6 前端偏移补偿表4 6 表5 7 起道补偿表4 8 表5 8 抄平补偿表4 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加n , z 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题日：羹缝式垫固主堡些尘主自型揎剑歪缝鲤遮j 土星达坠 学位论文作者签名 学 魄伽月母 用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：连堡盛捣亘主堡些尘主自麴整劐丞红盟遮j 当这坠 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：州年f ( 月珈 日期劣彩年月却日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第1 章绪论 1 1 大型养路机械的发展现状 在列车不问断运行和自然条件等因素的作用下，线路的钢轨、轨枕、道碴和路基必然 会发生各种各样的变形或损坏，使线路轨道产生不平顺，导致承载力下降。为了确保列车 安全、平稳，快速运行，延长线路各组成部分的使用寿命，必须加强线路的养护和维修工 作，使线路设备经常保持良好状态。 进行线路维修的主要内容包括： 矫正并改善线路的平面和纵断面： 全面更换或抽换、修理钢轨、更换或补充轨枕： 清筛和更换道床，补充道碴，全面起道并捣固、改善道床断面； 整治路基和安装防爬设备等。 百余年来，铁路养护手段随着铁路事业的整体进步，亦得到了飞速发展，从纯粹的人 力到小型机械化，再到大型机械化，铁路养护手段发展的历史，就是铁路百年史的缩影： 人力养护( 上世纪6 0 年代以前) ：洋镐、锄头、手 小型机械化( 上世纪6 0 至8 0 年代) ：捣固机、扒碴机、边坡回填机、液压起道机 发展大型养路机械( 上世纪8 0 年代末至今) ：清筛车、捣固车、稳定车、配碴车、 磨轨车、换轨车、焊轨车 铁路养路的工作相当繁重，例如，更换一公里钢轨，重量就有1 0 0 多吨；更换一公里 钢筋混凝土轨枕，需要1 0 辆5 0 吨的车皮来运输；清筛1 公里道床需要8 0 0 至1 0 0 0 个工 时。有人计算过，捣固枕木时用的八斤半“洋镐”，一个工人每天大概要举起2 5 0 0 次之多， 累计举重1 1 吨，做功达到2 4 2 吨米! 人工养护线路劳动强度大、工作效率低、作业质量 差。以前人工养护一般都是采用在列车间隔时间内进行作业的办法，在列车到来前通知人 员和机械迅速撤离轨道，但有时会因撤离不及时而发生事故。所以“甩掉洋镐把，实现机械 化”是线路养护的根本出路。 同时，随着铁路的提速，列车运行的密度也越来越大。在大密度行车的间隙中维修保 养线路，时间相当宝贵，人工和小型机械化的作业方式效率低下，无法满足要求。在我国 的现有的繁忙干线上，列车运行的间隔时间只有1 0 分钟左右，人工和小型养路机械都无 法上道正常作业。行车的安全和效率与线路养护的矛盾日益突出，铁路养护不得不考虑解 决办法和新的出路。 上个世纪八十年代初，我国逐步从奥地利p l a s s e r 公司开始引进成套的大型养路机 械化设备，极大地提高铁路线路养护的效率和质量，也使原有的铁路养护作业体制发生了 变革，并使我国铁路养护作业正式进入了大型机械化时代。经过长达几年的论证和慎重考 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 虑，铁道部最终决定通过大型的养路机械采用开“天窗”进行线路作业。铁路运输中的“天 窗”特指在列车运行途中某一线路区间留作专门用途的一段间隔时间，在这段时间内，工 务部门把大小型机械成套地集中使用，又称封闭作业，以提高线路养护作业的效率和质量。 这既是解决我国运输繁忙线路维修作业的有效手段，也是现代化铁路线路维修发展的方 向。 因此我国从上个世纪八十年代末开始采用成套的大型养路机械进行铁路养护，经过几 十年的发展，我国大型养路机械的制造和使用都取得了长足的进展，到2 0 0 5 年底，共装 备了6 0 套维修机组和2 0 多套大修机组，形成了维修3 6 0 0 0 公里年，大修4 0 0 0 公里年的 能力。 经过全路近2 0 年的不懈努力，我国大型养路机械从无到有、从小到大并形成一定规 模，主型机械齐全，附属设备配套，在装备有捣固、清筛、动力稳定、配砟整形等机型的 基础上，还陆续装备了钢轨打磨车、道岔打磨车、道岔捣固车、大修列车、道岔铺换设备 等新型机械。尤其是“十五”期间，铁道部批准并实施了大型养路机械及工务专用设备“十五” 装备计划，总投资约4 4 6 亿元，装备各类大型养路机械2 9 3 台，工务专用设备1 2 5 台，组 成线路大修机组1 7 个，线路维修机组3 2 个。如果这个计划完全实施，“十五”结束时全路 将累计拥有3 4 个线路大修机组，7 0 个线路维修机组，配备各类大型养路机械5 7 8 台，各 类工务专用设备2 1 4 台。 为适应大型养路装备的组织需要，全路范围内陆续成立了1 9 个大型养路机械段，全 部采用大型养路机械进行线路的大型维修作业。装备规模的扩大，极大地提高了大型养路 机械的作业能力，并发挥了其特有的作用：保证了线路大修、维修工作的正常需要，在灾 害抢险中尽快开通线路发挥重要作用，使新建线路提高开通速度成为可能，在全路五次大 提速工程中，顺利完成了线路改线、调整超高等大量工程任务，线路达到目标速度得以实 现等等【3 7 】 3 8 1 【4 8 】【4 9 l 。 我国大型养路机械电气系统技术源于世界先进的奥地利p l a s s e r 公司，我们通过技 术引进、消化吸收实现了系列产品的国产化，国产化的产品拥有部分自主知识产权。由中 铁建昆明机械厂、株洲电力机车研究所和戚墅堰机车工艺研究所组成的“联合体”自1 9 8 9 年起，经过十多年的不懈努力，先后完成了d 0 8 3 2 正线步进式捣固车、s r m 8 0 全断面清 筛机、d 0 9 3 2 正线连续式捣固车、d 0 8 - 4 7 5 道岔捣固车等产品的国产化研制，自主开发了 w d 3 2 0 动力稳定车、d g - 3 2 h 中型捣固车等产品，这些产品均已大批量应用于全国各铁路 局，基本占领了全部国内市场，为我国铁路养护现代化和铁路多次大提速做出了不可替代 的贡献。 1 2 课题研究的科学意义和应用前景 由于铁路不断提速、加速建设客运专线、发展重载运输等因素，导致现有大型养路机 械无论在品种、数量，还是在部分机械的作业性能等方面，都将面临新的压力。怎样提高 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 机械化养护的效率和质量，成为各国铁路养护设备的生产和使用单位的新课题。 捣固车是铁路线路维修、大修和新线建设中必备的主型机械，在我国铁路干线提速重 大战略实施过程中发挥了至关重要的作用，已成为促进我国铁路技术进步不可缺少的技术 装备，是实现铁路跨越式发展的重要支柱。 0 9 系列是p l a s s e r 上个世纪九十年代开始研制的新型捣固车，包括0 9 。3 2 、0 9 3 x 等 型号，综合采用了现代科技成果，包括电液伺服控制、自动检测、微机控制和激光准直等 先进技术，是集机、电、液、气及计算机控制于一体的高新技术产品，代表着当今世界上 连续走行式捣固车的先进水平。由于采用了连续式的作业方式、后摆补偿和线路测量与优 化等新技术，0 9 系列捣固车的作业效率和精度都比0 8 系列要高，操作手的舒适度有明显 的改善。作业效率高，能充分利用封锁“天窗”完成更多的维修里程，提高维修机组的综 合作业能力，因此0 9 系列捣固车特别适用于快速线路作业。以0 9 3 2 为例，其作效率是 0 8 3 2 等步进式捣固车的1 5 倍以上，每小时可捣固1 2 1 5 公里，而且其作业精度也比 0 8 3 2 要高。 根据铁路”十五”计划和2 0 1 0 年规划，我国铁路路网建设要大发展，将构筑快速网 络，扩大西部路网，提高线路质量。因此，随着列车速度的提高，行车密度的加大，快速 铁路延长里程的增加，对大型养路机械的数量和品种的需求更加突出。0 9 3 2 型捣固车的 成功研制，为充分利用有限的列车间隔时间，实现对繁忙干线高质量和高安全性作业的目 标起到积极的作用，满足了铁路”十五”计划的需求，提高了我国铁路养路机械装备水平， 在维护和改善主要干线线路质量、提速扩能、保证行车安全等方面发挥了重要作用，并在 铁路第四、第五次提速中得到充分验证。从2 0 0 0 年样车试制至今，0 9 3 2 型捣固车已生产 了7 0 多台，并应用于各铁路局。在维护、改善主要干线线路质量、提速扩能、保证行车 安全等方面发挥了重要作用【4 9 】。 为了实现连续式作业，0 9 3 2 型捣固车采用作业部分和整车车体分离的设计方法。大 部分作业装置是放在可相对大车移动的作业小车上，通过大臂和车体相连。作业过程中， 大车一直往前走，只有作业小车通过步进式的运动完成起道、抄平、拨道和捣固作业。当 作业小车运动到两根枕木之间时，操作员通过脚踏开关输入开始作业控制的信号，控制系 统检测一系列的连锁信号后，就会通过控制制动阀使闸瓦制动，作业小车停下来，然后作 业装置分别动作完成对钢轨的拨道、起道、抄平、捣固作业。作业完成后作业小车加速追 上大车，然后重复以上作业过程。由于作业小车相对大车的位置是在不停的变化过程中， 带来了作业小车驱动控制和参数补偿等问题。 而现有的电气控制系统都是通过模拟电路去解决这些问题，采用大量运放，由于运放 本身存在零漂，组成运算电路的电阻本身的偏差较大，构成了控制系统误差大与作业要求 精度高的矛盾。为了解决这个问题，0 9 3 2 电气控制系统在各个环节中加入电位器，设定 特定的条件，通过调试来满足系统较高的精度的要求。而且模拟电路只能实现较为简单的 控制算法，对于现代智能控制算法无能为力。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在作业小车驱动环节中，控制算法比较复杂，参与控制的参数繁杂，在其模拟控制系 统中，用于设定参数的电位器很多。因此虽然0 9 的作业效率比0 8 高，但其调试过程复杂， 难度大，很多方面全凭经验，在使用环节中带来了很多问题。以现有的0 9 - 3 2 型捣固车为 例，作业小车的控制环节共要调节1 8 个电位器，由于作业小车运动而引起的补偿电路也 需要调节1 8 个位器，而且这些电位器之间存在许多关联，这样造成出厂调试时作业小车 的调试工作量过大，出厂后用户没条件调试，直接影响作业精度。因此怎样调节作业小车 成为0 9 3 2 生产和使用过程的一大难以解决的问题。 1 3 本文的主要内容 针对目前作业小车使用过程中存在的问题，本文设计了一种作业小车的模糊自适应 p i d 控制算法来提高小车的运动性能，并对小车作业参数补偿和优化问题进行深入研究， 以期实现小车达到最优的工作状态，提高小车的作业效率和精度。整个论文结构如下： 第二章首先通过分析连续式捣固车的系统平台和驱动环节，分析作业参数补偿的必要 性，并在此基础上提出作业小车的控制目标，补充其控制环节中要考虑的比例阀相关参数， 为小车控制系统提供设计依据。 第三章针对第二章提出的控制目标，对现有的控制算法进行分析和比较，提出了基于 模糊自适应p i d 控制的控制算法。针对作业小车的实际控制需求，设计了模糊p i d 控制系 统，针对小车实体对控制器参数进行整定，并对控制系统的性能进行仿真验证。 第四章首先对现有捣固车的起道、抄平和拨道的基本作业原理进行分析，在此基础上 提出了三点法、四点法的拨道算法，并对起道、拨平等作业的补偿算法进行研究。 第五章结合小车现有的传感器和驱动系统。设计作业小车的硬件控制系统。针对前面 研究的运动控制和参数补偿算法，设计并实现控制系统的软件程序。最后通过实验对整个 控制系统的稳定性和可靠性性进行了验证。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第2 章连续式捣固车系统平台与驱动分析 随着铁路的不断提速，对线路的养护效率和质量要求也越来越高，只有通过大规模的 机械化施工才能满足要求。作为其中的关键机械，捣固车在国内铁路养护中的应用越来越 广泛。以0 9 3 2 型为代表的连续式捣固车由于其系统结构复杂、作业参数繁琐成为了各机 械化养路单位使用过程中的一大难点。本章先从系统结构上分析采用连续式作业的优点， 并结合作业小车的液压驱动系统和运动特性分析模拟控制系统的不足。针对目前作业小车 使用过程中存在的缺点和不便，提出了作业小车智能控制系统设计方案。 2 1 连续式捣固车系统平台分析 捣固车是一种对铁路线路进行自动化养护作业的专用机车，其作用包括起道、抄平、 拨道和捣固作业。 2 1 1 连续式捣固车的性能特点 按作业方式不同捣固车可分为步进式和连续式，步进式捣固车在作业过程中相对铁路 是静止的，完成后前进到下一个作业位置，不停重复以上过程：连续式捣固车将主要的作 业装置集成安装在一个可以相对大车移动的小车( 以下称作业小车) 上，在作业过程中， 大车一直向前走，作业小车重复步进式作业过程并完成全部作业功能。 步进式捣固车以0 8 3 2 型为代表，由于其价格低廉，使用范围最广。0 9 3 2 型是奥地利 p l a s s e r 公司上个世纪九十年代开始研制出的比较先进的机型，由于采用连续式作业方 式和后摆补偿等先进的线路养护技术，其作业效率和精度与0 8 3 2 型相比具有明显提高。 和步进式相比，连续式具有作业效率高、冲击小、元器件使用寿命长等特点，一般来说， 0 9 - 3 2 型的作业效率是0 8 3 2 型的1 5 倍。因此p l a s s e r 公司最新研制出的0 9 3 x 、0 9 - 4 x 、 0 9 - 4 7 5 等型捣固车全部采用连续式作业方式。 连续式捣固车可分成作业小车和大车两部分，作业小车一头装有一个轮对，另一头通 过大臂和大车相连，可以在大车的框架内移动，主要的作业装置安装在作业小车上，包括 起道装置、拨道装置、捣固装置，以及作业点的各种传感器。大车上装有控制系统和测量 系统，具体结构如图2 l 所示。作业时，大车以恒定的速度向前运动，而小车以步进式的 形式实现对线路的起道、抄平、拨道和捣固作业。而操作手坐在大车中操控整个作业过程， 这样避免了步进式捣固车在制动时所产生的冲击。同时连续式捣固车只有作业小车有频繁 加速、减速的过程。但它的质量比步进式捣固车的整车质量小得多，所需要的时间较短， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 作业周期也短。因此连续式捣固车具有冲击小、效率高、操作舒适等优点。 驴1 2 捣固车作业过程分析 一部分为作业小车 图2 10 9 3 2 捣固车整车结构图 铁路运行一段时间后，其几何形状会有所改变，包括钢轨下沉，左、右轨高度差变化 和轨平面的几何参数改变等，这些都会给列车运行带来影响，甚至会危及到行车安全。而 且随着列车的提速，对线路的几何形状的要求也会更加严格。捣固车的主要作用是通过一 系列的作业动作纠正铁路线路的几何形状，使线路尽量接近理想状态。 作业动作包括起道、抄平、拨道和捣固。起道就是捣固车通过一套作业装置把钢轨抬 高一定高度，以解决钢轨平面下沉的问题；抄平是使左右钢轨恢复原有的高度差；拨道是 纠正其轨平面的几何形状；捣固就是将道碴垫到枕木底下，使作业完的钢轨保持其形状。 作业过程中，理想线路的几何参数存储在捣固车的“a l c ”工业控制计算机，捣固车 根据其本身走行的距离和作业的算法计算出当前的作业参数，并和传感器的测量值进行比 较，由其误差驱动液压系统完成起道、抄平、拨道等作业。对于起道、抄平、拨道这几个 精度要求高的环节采用闭环控制。 在步进式捣固车的几个控制环节中，其作业算法都是基于测量和作业比例固定的方 式，也就是作业和测量的位置相对参考点的距离是不变的。但是在连续式捣固车中，测量 和作业的位置都装在作业小车上，而参考点装在大车上，作业小车和大车之间存在频繁的 相对运动，很明显，原有的作业算法不能适应连续式作业方式，必须加以改变。考虑到设 计、使用的难度和成本以及控制系统的兼容性，连续式捣固车采用在原有的控制系统的基 础上加一套补偿装置【4 l 】。 2 2 作业小车液压驱动系统分析 0 9 - 3 2 型捣固车的液压传动方式可分为液压传动和液力传动。高速走彳亍时采用液力传 动方式，通过液力变扭器传送能量。作业时采用液压传动方式，柴油机带动三个液压泵， 通过高压液压油将能量通过各种阀和管道送到各个执行部件。作业小车在高速走行时通过 锁定装置和大车连成一体，随大车运动；作业的时候，作业小车的运动通过液压马达和三 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 个加速油缸共同驱动，并通过比例阀和控制器连接。 2 2 1 作业小车驱动系统分析 作业小车液压驱动回路按功能可分为动力部分、驱动部分和保护部分三部分，具体液 压系统如附图1 。 动力部分由油泵、溢流阀、卸荷阀和蓄能器组成，主要作用是为回路提供稳定的压力 油。首先通过一台双联泵将机械能转化成液压能，为整个回路提供动力源。液压油通过谢 荷阀可进行远程控制，即作业小车不工作时，在操作室即可将远程阀打开，谢荷阀开启， 使整个回路处于谢荷状态；反之，谢荷阀关闭，系统压力则可建立。回路中并联了一个蓄 能器，以减少系统压力冲击，为执行元件提供保持动作的能量，并提高系统响应速度。而 溢流阀起到保护的作用，防止系统压力过高。 驱动部分包括比例阀、液压马达、换向阀和油缸组成，主要作用是将液压能转化为可 控的机械能。由动力部分送出的稳定高压油通过一个三位四通的比例阀送到液压马达，而 三个加速油缸是通过一个两位四通的换向阀和液压马达的油路串联在一起。液压马达的转 动速度和方向是比例阀通过调节液压油的流量和流向来控制。即比例阀的电流大，则液压 油流量变大，马达的转速就会变快，反之则速度变慢。比例阀上有两个驱动线圈，不同的 线圈得电时，液压油的流向也会变化，马达的转动方向就会发生变化。作业小车向前行驶 时，流过液压马达的高压油也会到达加速油缸，推动油缸向前运动：作业小车后退时，换 向阀动作，高压油会通过谢荷阀回流到油缸，加速油缸不起作用。 保护部分包括一个减压阀、溢流阀和四个节流阀，主要作用是防止回路压力过高，以 避免系统受损。 由以上分析可知，系统是通过比例阀的开通角和开通位置来控制驱动液压油的流量和 方向，以此达到作业小车改变速度和运动方向的目的。因此比例阀直接关系到作业小车的 控制，下面详细分析其特性。 2 2 2 比例阀性能特性分析h 1 1 比例阀( 电液比例控制阀) 是上世纪6 0 年代发展的一种新型液压元件，由于其有结 构简单。通用性强的特点，广泛应用于各种工业控制领域。电液比例阀具有形式种类多样、 容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染 能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。 0 9 3 2 型捣固车的作业小车控制环节中采用的是r e x r o t h 公司的比例阀4 w r z l 6 m ，由 阀体、阀芯、比例电磁铁组成，具体结构如图2 2 所示。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 啦舅奄蠢镶 图2 - 2 比例阀的结构 比例阀的工作原理简单，首先设定的控制电压输入放大器，放大器则通过恒流源输出 一个相对应的电流信号至比例式电磁线圈，比例式电磁线圈产生一个相对应的电磁力，电 磁力再驱动电枢。电流流过比例电磁铁时，工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变，输 出相对应的流量及压力，以达到控制比例阀流量及压力之目的。然后设定压力和流量的高 压油推动油缸和液压马达，将液压能转化成可控的机械能。 因此衡量比例阀的控制特性主要是电流和输出流量的关系，r e x r o t h 公司的比例阀 4 w r z l 6 m 特性如图2 - 3 所示。 i 苫 鬟 f 每褴蒯边鹰楚盎p 5b a r ) l l ，缁鬟i ：陵肖。 长* 。， 遮，17 | 、 迤多 l l 毡彩 - 一 o o o糟0 拍 o曲 柏 1 0 0 控制电流i 阳 图2 - 3 比例阀的特性 由图可知比例阀的控制参数包括死区电流、电流增益和斜坡信号。 ( 1 ) 死区电流 比例阀的开通角和所流过线圈的电流不是成正比的，而且存死区电流，即要流过一定 的电流比例阀才会开通。不同的阀死区电流是不一样的，关系如图2 - 4 所示。 ( 2 ) 电流增益 另外比例阀的开通角和控制信号存在一定关系，当驱动电流大于死区电流时，电流越 大，比例阀的开通角越大不同的阀对应不同的上升曲线的速度，具体如图2 - 4 所示。 第s 页 苎堕翌兰苎查查兰! 塑竺堕兰竺丝兰 i ，厂 ol | 馘一 f 耄蓑 ；誓 伊 厶。 争 ，厂 o电藏cx 图2 - 4 死区电流的调节图和开通角和电流的关系图 ( 3 ) 斜坡信号 斜坡信号主要是解决状态突变过程中系统所产生的冲击，控制环节中应该减少电流的 突变，加入柔性启动环节，可使响应平顺。 因此，一般的比例控制环节中包含死区电流、电流增益和斜坡信号三个方面的调节， 同时还会有产生“颤振”的电路。 2 3 本章小结 本章首先分析了连续式捣固车的优点，然后通过分析其作业原理和作业小车的运动特 点，及其对作业参数进行补偿的必要性。在此基础上提出了作业小车的最佳运动状态，即 系统的控制目标，最后分析其驱动原理，补充其控制环节中要考虑的比例阀的几个参数。 通过以上分析可知，作业小车的控制环节中的参数繁多，传统p i d 的控制方法很难实现作 业小车的最优控制，因此小车的控制系统中必须引入现代控制方法，实现控制系统的自适 应性和最优性。在下面的章节中，将围绕系统的控制目标对控制系统的控制算法和实现过 程进行研究。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第3 章作业小车智畿控制方法研究 由以上分析可知，0 9 3 2 型捣固车采用连续式作业方式，提高了作业效率，而且极大 的提高了操作人员的舒适感，但同时也带来了作业小车的运动控制和参数补偿难以调节的 困难。特别是作业小车的运动没有定量的参数可描述，而且驱动复杂，很难建立准确的数 学模型，调试尤为困难。鉴于液压驱动的诸多优点和铁路养护的严酷环境，0 9 3 2 型捣固 车的作业小车驱动采用液压驱动方式。同时由于作业小车的位置精度要求不是很高，液压 回路压力高、冲击大，其控制可以采用相对便宜的比例阀，因此可以大幅度降低成本。 本章首先对作业小车的运动特性进行分析，结合其特有的运动特性，对目前比较常用 的控制方法进行比较和分析，提出了作业小车的模糊p i d 控制算法，并结合小车特性，对 控制器参数进行整定，并通过仿真实验对控制器的性能进行验证。 3 1 作业小车的运动分析 作业的过程时，作业小车相对大车的运动状态是在不停的改变的。相对轨道而言，捣 固时，作业小车静止，大车匀速前进；捣固结束时，作业小车离大车最远，所以必须尽可 能的加速前行，追上大车；作业小车的速度达到最大时，其动力只要用来克服系统阻力， 相对以前可以变小；当作业小车接近大车时，必须减速，确保其不和大车碰撞，此时动力 逐步减少。速度减到零时，作业小车开始捣固，重新开始新的作业循环。 结合以上连续式捣固车的结构特点，作业小车的最佳运动状态应该包括如下几个方 面： 能在最短的时间达到最大速度，而又不造成冲击； 最大速度要合适，能保证在有限的距离追上大车； 减速要适当，不能冲撞大车； 不作业时，作业小车能和大车保持一致的速度； 作业时大车不能挤压作业小车； 系统是根据作业小车的零位给定理想轨道参数，而作业时作业小车不在零位，必 须根据相对距离进行补偿。 要满足上述条件，其驱动系统必须响应要求快、过载保护要求高，同时还要能适应恶 劣的外部条件和复杂的控制环节等。而液压传动相对其他传动形式，具有结构简单、布局 紧凑、输出能量大、体积小、反应灵敏，可迸行无级调速、容易实现自动控制及过载保护、 传动平稳、安全可靠、重量轻、寿命长、容易更换等优点。因此作业小车采用液压系统进 行动力传递。 第l o 页 罾防科学技术大学研究生院学位论文 作业小车的推力由液压马达和加速油缸共同完成。捣固完成时，作业小车位于最远端， 并由静止开始加速到最大速度，由于小车的质量大( 约2 2 吨) ，加速度大，因此所需要驱 动力相当大。在离大车距离最远的一端装有三个长短不同的加速油缸，作业小车通过这三 个加速油缸和一个液压马达一起作用，可以得到较大的加速度，随着作业小车速度的加大， 需要的驱动力逐步减少，三个油缸依次退出作用。作业小车的速度达到最大时，由液压马 达所提供的驱动力也逐步减少到零。具体的结构如图3 1 所示，缓冲油缸是防止作业小车 冲撞大车而设的。 l 3 个长度加速油缸2 作业小车 3 缓冲油缸4 大车 图3 - 1 作业小车驱动示意图 3 2 作业小车控制器总体设计 通过对小车运动特点的分析可知，在作业小车的控制环节中，小车总是有回到零点的 趋势，零位为特定值，安装在大车和小车之间的位置传感器检测两车之间的相对位置。控 制器的输入为控制量和相应传感器的反馈量之差，输出为相应比例阀的控制电流，比例阀 通过控制油缸和液压马达中的高压油驱动小车运动。整个控制系统结构如图3 - 2 所示。 固3 - 2 小车控制系统结构图 控制器同时必须对运动小车的速度进行有效控制。因为作业小车相对大车的运动必须 满足一定要求，即在有限的距离内能追上大车，而且不能发生碰撞。作业小车速度越快， 第1 l 页 国防科学技术大