CN106599440A

CN106599440A - 一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法

Info

Publication number: CN106599440A
Application number: CN201611126432.2A
Authority: CN
Inventors: 朱文立; 高飞; 钱园园
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明公开了一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法，包括如下步骤：S1、建立伺服电机数学模型，对伺服电机数学模型进行Laplace变换，并结合电流环，得到伺服电机的传递函数；S2、根据工作平台位移与伺服电机输出位移之间的关系建立传动系统数学模型，对传动系统数学模型进行Laplace变换，得到工作平台的传递函数；S3、输入指令经过S1和S2的输入整形，以及伺服电机控制环节的PID调节后控制传动系统运动。本发明不仅可明显减少检测数据中的噪声信号，降低数据处理的难度，而且提高了检测效率以及检测结果的精度，适用范围广且设计简单，有较强的工业应用价值。

Description

一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法

技术领域

本发明是涉及一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法，属于轨道检测技术领域。

背景技术

近年来，高速铁路在中国得到了迅猛的发展，高速铁路运营里程已超过1.9万公里，极大的提高了中国铁路的运载能力，推动了中国经济的快速发展。长轨是由100米的短轨焊接而成，焊头平直度关系着列车运行的安全与平稳性，在长轨生产与日常检查维护中，钢轨焊头平直度检测具有重要意义。

目前钢轨检测的方法主要有磁粉检测、涡流检测、红外线检测、机器视觉检测。与其他检测方法相比，机器视觉检测能够采集钢轨整个平面的信息，信息量丰富，可以很好的定位缺陷的位置，能够识别缺陷的类别，同时具有较高的检测精度和检测效率。

图1所示的是一种用于钢轨焊头平直度的检测装置，在动态拍摄钢轨轮廓线时，由于机械传动部分(永磁同步电机1、丝杆2与工作平台3)的振动会对拍摄的钢轨4图像产生噪声干扰，使得钢轨轮廓线的获取困难甚至会失真，因此在钢轨检测中抑制机械传动系统的振动至关重要。

传统的抑振方法主要有：增加机械结构的刚度或降低速度，而前者会增加成本，且系统惯性会变大；后者会降低检测效率，也不符合高速控制系统的需求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法，以有效抑制机械传动系统对钢轨焊头平直度的检测精度的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法，包括如下步骤：

S1、建立伺服电机数学模型，对伺服电机数学模型进行Laplace变换，并结合电流环，得到伺服电机的传递函数；

S2、根据工作平台位移与伺服电机输出位移之间的关系建立传动系统数学模型，对传动系统数学模型进行Laplace变换，得到工作平台的传递函数；

S3、输入指令经过S1和S2的输入整形，以及伺服电机控制环节的PID调节后控制传动系统运动。

一种实施方式，步骤S1包括：建立永磁同步电机的状态空间方程，采用i_d≡0的矢量控制方式，获得其解藕状态方程，对解藕状态方程进行Laplace变换。

一种实施方式，步骤S2包括：建立工作平台位移与电机输出位移之间的关系方程，对工作平台位移与电机输出位移之间的关系方程进行Laplace变换。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法通过采用输入整形算法，不仅明显地减少了检测数据中的噪声信号，降低了数据处理的难度，而且提高了检测效率以及检测结果的精度，无需改变原有检测设备的机械结构，适用范围广且设计简单，有较强的工业应用价值。

附图说明

图1是现有用于钢轨焊头平直度的检测装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法的控制及传动结构框图；

图3是本发明的伺服电机控制框图；

图4是本发明的传动系统的控制框图；

图5是整形前的脉冲示意图；

图6是整形后的脉冲示意图；

图7是本发明的仿真效果图；

图8是本发明抑振前检测设备采集到的数据图；

图9是本发明抑振后检测设备采集到的数据图；

图中标号示意如下：1-永磁同步电机；2-丝杆；3-工作平台；4-钢轨。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

如图2所示，本发明在现有钢轨焊头平直度检测系统的基础上，本发明增加了输入整形器，输入整形器是在分析伺服控制系统以及传动系统的数学模型后建立的基于有限时间Laplace变换的输入整形算法。输入指令经过输入整形和伺服控制环节的PID调节后控制传动系统的运动。

1.1、建立伺服电机数学模型

伺服电机在d，q轴上的状态方程可表示为：

其中：R为绕组等效电阻；L为d，q轴等效电感；p为磁对数；ω_m为转子角速度；为每对磁极磁通量；T_L为负载转矩；J为转动惯量；i_d，i_q为d，q轴上的电流。

由于伺服电机定子绕组一般为无中线Y型连接[6]，故i_d＝0，状态方程可以写为：

对伺服电机数学模型进行Laplace变换，加入电流环节的控制得到图3所示的控制框图。其中：k_t为扭矩系数；k_e为电势系数；k_i为电流反馈系数；k_pi为电流控制比例；R为电枢电阻；L为电枢电感；J为转动惯量。

伺服电机的传递函数可表示为：

其中：

1.2、检测及校正环节

控制器采用比例积分控制，即PID控制器5，包括位置控制器和速度控制器，其传递函数可表示为：

G(S)＝K(1+1/T_S) (2-4)

为使讨论问题的简便，假设位置调节器和速度调器都为比例调节，设：

位置调节器的传递函数G₁(s)＝k₁；

速度调节器的传递函数G₂(s)＝k₂；

通常测量转换作用可以看成一个比例环节，设：

速度检测环节的传递函数为Hv(s)

Hv(s)＝Kv

位置检测环节的传递函数为Hp(s)

Hp(s)＝Kp

1.3、建立传动系统数学模型

工作平台位移与电机输出位移之间存在如下关系的：

其中：J_L为丝杆转动惯量；f_L为阻尼系数；k_L为丝杠刚度；s₁为丝杆导程。

经过Laplace变换，工作平台的传递函数可表示为：

其中：

传动系统的控制框图如图4所示。

系统闭环传递函数如下：

2.1、输入整形

输入整形技术是通过设计系统的给定信号，达到预期的控制效果。其基本控制效果如图5、6所示。系统受到脉冲1激励时在零时刻产生实线所示脉冲响应，系统受到脉冲2激励时在t₀时刻产生虚线所示脉冲响应，如果脉冲2激励响应与脉冲1激励响应，在t₀时刻后的频率相同幅值相反，当脉冲1和2同时作用于系统时，在t₀时刻后两脉冲响应相互抵消，系统振荡消失。根据系统的运动目标设计出这样两组脉冲输入就可实现输入整形抑制振动的目的。

2.2、基于有限时间Laplace变换的输入整形

假设期望系统在T运动时间内的位移为L,在运动结束时，系统动能为零，则没有残余振动的存在。根据假设条件有以下方程：

其中：x为系统位移，为系统速度。

伺服控制系统可以等效为一个二阶模型：

其中：m，c，k为传递系数。

取

其中：

其状态方程可表示为：

将上式改写为

其中：

将其化为约旦标准型：

上式可简写为：

其中：p₁，p₂为矩阵A的特征值；T为矩阵A的特征向量

状态方程的解为：

假设系统初始条件为零，则有：

进一步有

可以发现，若将积分变量t看作s，上式括号内的部分与Laplace变换的定义极为相似，只是积分区间从[0,∞)变为了[0,T]，因此，可以将上式括号内的部分定义为有限时间Laplace变换：

其中U_f(s)是u(t)在[0,T]之间的有限Laplace变换，式(3-8)可以表示为：

e^-JTz(T)＝U_f(s)|_s＝J B (3-9)

等式左边为：

等式右边为：

其中：

除满足上式条件外，输入方程还需满：

u(0)＝0；u(T)＝0 (3-12)

2.3、输入函数选型

一般地,可以将运动系统的位移看成一个关于时间的函数,其方程的一般形式为:

s＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³

v＝c₁+2c₂t+3c₃t² (3-13)

a＝2c₂+6c₃t

j＝6c₃

系统加加速度j为常数,即运动系统在运动中为匀加加速或匀减减速过程。可以使加速度、速度在起始和终止位置均为零。这样的运动过程不仅可以保证加速度、速度在任何时候均不存在突变,同时加加速度在运动过程中也是有限值。虽然在启动、停止及反向时加加速度会存在突变,但由于运动系统的阻尼以及系统惯性等其它因素的影响使得由于系统运动带来的振动和冲击极大减小。

取输入函数为：

u(t)＝a₁+a₂t+a₃t²+a₄t³ (3-14)

结合式(3-11)(3-12)(3-14)即可得：

3、仿真

额定功率p_n＝750w；额定转速n_n＝3000rpm；额定相电压u_n＝220v；额定相电流I_n＝3.8A；转动惯量J＝1.4e-4Nms²；定子电阻R＝0.25Ω；电枢电感L＝0.3H；极对数n_p＝4；电势系数k_e＝0.69vs/rad；k_pi＝36.41；电流反馈系数k_i＝1.414；转矩系K_t＝1.7k_e＝1.19Nm/A；丝杠转动惯量J_L＝2.2e-3kg.m²；丝杆阻尼f_L＝0.641kgf.sec/mm；丝杠刚度k_L＝49kgf/um；kv＝2.221；k_p＝0.00169。

根据系统参数计算可得输入整形函数：

u(t)＝-8.1196×10^-2t-2.291×10²t²+4.9068×10⁴t³

仿真结果如图7所示，虚线和实线曲线分别为整形前后的输出结果。可以发现整形后系统的稳定时间只有几十毫秒，运动过程振动情况明显改善，最大超调量只有2.6％，与整形前的输出结果相比，稳定时间缩短了90％。

将此整形方法应用于实际检测系统得到的检测结果与未处理前检测结果的对比图如图 8和9所示。

图8是抑振前激光相机采集的数据，图9是抑振后激光相机采集的数据，对比两幅图可以发现，由于机械振动导致采集到的信息中噪声非常严重，尤其在起始端噪声达到0.1mm，几乎掩盖了钢轨表面的实际信息。采取了振动抑制之后，钢轨表面的信息清晰了很多。抑振后噪声在±0.03mm范围内，与未抑振时采集到的信号相比噪声减小了70％。

根据钢轨焊接表面质量检测要求：以焊缝为中心的1米范围内，任意200mm区段内，钢轨表面不平度不大于0.2mm[10]。采取了振动抑制之后，激光相机采集到的数据波动范围在±0.03mm内，可以满足检测要求。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钢轨焊头平直度检测系统的抑振方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的抑振方法，其特征在于，步骤S1包括：建立永磁同步电机的状态空间方程，采用i_d≡0的矢量控制方式，获得其解藕状态方程，对解藕状态方程进行Laplace变换。

3.根据权利要求1所述的抑振方法，其特征在于，步骤S2包括：建立工作平台位移与电机输出位移之间的关系方程，对工作平台位移与电机输出位移之间的关系方程进行Laplace变换。