钢轨探伤车自平衡控制系统的研究与设计

作     者：徐洪 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：马宏伟;张国平

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0814[工学-土木工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：探伤车 滑模自抗扰控制 控制系统 超声导波 

摘      要：铁路是国家战略性、先导性、关键性重大基础设施,在服务和支撑中国式现代化建设中肩负着重要使命。伴随着铁路的快速发展,实施铁路运行状态监测,及早发现问题并采取相应措施是保障铁路运输安全、提升铁路运营品质的重要手段。亟需加强当前在役钢轨探伤设备的提升研究,设计研发探伤精度高、集成度高的钢轨探伤设备。为此,研究设计了在单轨上行驶并基于超声导波无损检测的自平衡钢轨探伤车,主要研究内容如下: 首先,从理论上分析控制力矩陀螺对探伤车平稳性的影响,并分析控制力矩陀螺的进动角与横滚角之间的关系。对搭载在钢轨探伤车上的控制力矩陀螺仪建立非线性动力学模型,并对其动力学模型进行线性化处理。针对传统自抗扰控制中非线性误差反馈无法有效抑制高频扰动并可能带来噪声的问题,设计基于滑模控制的状态反馈控制律的滑模自抗扰控制算法。针对滑模自抗扰控制器中存在参数较多难以整定的问题,使用灰狼算法对其中的六个参数进行优化得到最优值。为了验证探伤车的平稳性,从车体起摆自平衡和抗干扰两方面利用Simulink进行仿真。仿真结果表明,所设计的滑模自抗扰控制算法能够使得探伤车在起摆自平衡与抗干扰两种工况下,相较于传统自抗扰控制和PD控制能更快速地恢复自平衡,且超调更小,确保其运行的平稳性。 其次,分析自平衡钢轨探伤车控制系统的运动控制和上位机通信的功能需求,研究设计控制系统总体方案。利用Solid Works对探伤车进行结构设计,设计控制系统硬件电路,以STM32F103RCT6为车载控制核心。进一步编写运动控制、通信处理等模块的软件程序,完成控制系统整体的软硬件设计。利用Visual Studio开发探伤车上位机控制系统,实现操作人员与车载控制系统之间的信息交互。 最后,研究钢轨探伤车和超声导波无损检测新技术的结合方法,搭建探伤车物理样机实验平台,利用搭载超声导波设备的钢轨探伤车分别对无损和有损的钢轨进行实验检测,使用PZT传感器激励、接收待测钢轨中的超声导波并进行实验分析。实验结果表明,利用所设计的钢轨探伤车搭载搭载超声导波探伤设备,可以识别出有损钢轨中的缺陷并确定缺陷位置。 本文研究设计了基于自平衡控制系统的钢轨探伤车,结合超声导波无损检测技术,可自动化检测钢轨的全截面缺陷,有效降低操作难度,提高钢轨检测效率。该成果对铁轨检测与维护具有一定的工程参考价值。