CN108548870B - 一种带磨耗补偿的自动对中控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带磨耗补偿的自动对中控制方法，包括以下步骤：S10)获取钢轨的轨廓数据，以及探轮的实际位置；S20)根据钢轨的轨廓数据计算钢轨的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；S30)根据经过补偿的对中基准值，以及探轮的实际位置进行PID控制，并输出控制值；S40)根据输出的控制值生成用于控制探轮动作的驱动控制信号。本发明能够解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中系统控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的技术问题。

Description

一种带磨耗补偿的自动对中控制方法

技术领域

本发明涉及铁路工程领域，尤其是涉及一种应用于钢轨探伤车探轮自动对中控制的带磨耗补偿的自动对中控制方法。

背景技术

目前，国内在80km/h钢轨探伤车上正式使用的自动对中系统都进口自美国Sperry公司，造价昂贵，备品备件也价格高昂，其中对中控制算法是核心技术不进行转让，可供查询的针对国内线路钢轨状态的对中控制算法文献资料寥寥无几。超声波钢轨探伤是目前世界公认的早期发现钢轨内部伤损，降低断轨风险，提高列车运行安全性的最有效、最重要的手段之一。探轮自动对中控制是钢轨探伤车的关键核心技术，如何控制探轮位置使超声波有效入射钢轨将直接影响探伤检测质量和效果。探轮自动对中控制的目的就是确保探轮处于钢轨中心一定偏差范围内，使探轮与钢轨踏面的结合处利于各通道超声波入射，特别是底波反射，是衡量对中控制效果的主要指标。

根据研究表明，超声波探轮与钢轨中心偏差大于4mm时，底波的回波衰减超过50％，系统会判定处于对中不良状态。目前，常见的对中控制方法是根据探轮位置偏差，计算出伺服控制系统的控制量，再由执行机构驱动探轮在钢轨上横向移动，减小与中心位置的偏差。在高铁线上这个偏差可以控制到小于1mm，既有线上小于2.5mm。但经过长期试验，发现在轨头有磨耗的钢轨上，即使探轮与中心位置的偏差控制在合理范围内，仍然会出现底波丢失，且失波程度和磨耗的值呈正相关。在这种情况下，操作者只能通过手动操作来调整探轮位置减少失波，这样做虽然暂时解决问题，但同时也人为改变了对中控制的基准，降低了后续控制的精度。

如附图1所示，为超声波钢轨探伤原理示意图，(超声波)探轮1里布置有各种角度的超声(波)晶片2，负责从不同区域和不同角度对钢轨3的伤损进行扫查，只有使它们处于合适的位置，即探1轮处于钢轨3的踏面中心，才能保证探伤检测的有效性。如何判断探轮1是否处于钢轨3的中心，目前的主要判断依据是0°晶片21的超声波回波强度。

如附图2所示，当探轮1处于钢轨3的中心时，0°晶片21发射的超声波声束(如附图2中A所示)主要能量部分能通过钢轨3的轨腰到达轨底并形成强反射而再次被0°晶片21接收。经实践研究表明，当(超声波)探轮1与钢轨3的中心偏差大于4mm时，轨底的回波衰减会超过50％，系统会判定处于对中不良状态，此时需要通过自动对中系统来纠正偏差。

自动对中系统的基本原理框如附图3所示，自动对中系统包括：探轮1、PID控制单元4、对中控制单元5、电缸6和对中传感器7。对中传感器7将探轮1的实际位置输入至PID控制单元4，与设定的对中基准进行比较，通过对中控制算法生成控制量给对中控制单元5来驱动电缸6，带动探轮1移动，减小与对中基准的偏差。图中，n_k是探轮1的实际位置；n₀是设定的对中基准，e_k是探轮1的位置偏差，e_k＝n_k-n₀，E_k是依据对中控制算法输出的控制量，常见的控制算法有：

(1)直接控制，E_k＝e_k；

(2)PID控制，E_k＝Ae_k-Be_k-1+Ce_k-2，其中e_k为第k次位置偏差，e_k-1为第k-1次位置偏差，e_k-2为第k-2次位置偏差，A、B、C为PID参数，如附图3所示即采用此种控制方式。

通过以上方法，可以在轨型标准、轮轨关系正常的条件下控制探轮1与对中基准之间的偏差在合理范围内，而不出现底波丢失。

然而，在实际运行过程中常常发现，在一些路段，虽然对中控制的偏差符合要求，但仍然出现严重的底波丢失现象。这些路段往往符合以下特征：

(1)800m以下的小半径曲线；

(2)钢轨内侧的轨头存在较为严重的磨耗；

(3)轮轨关系发生变化导致探轮和踏面接触部分的超声入射区域减少。

如附图4所示，在小半径曲线上，由于轨底坡(如附图4中B所示)的存在，一定速度下车轮与钢轨内侧发生摩擦，从而导致严重的磨耗。在这种轮轨关系下，底波的入射与轨底不垂直，部分能量被内侧轨腰阻挡，再加上轨头部分缺失造成底波入有效入射减少，会导致底波回波严重衰减，达到系统对中不良的判断条件。

根据以上分析，在轨头存在严重磨耗的情况下，需要改变对中基准的位置，使探轮1向钢轨3的外侧移动，增加底波的入射能量，因此需要确定磨耗与对中基准之间的关系。

在现有技术中，主要有以下文献与本发明申请相关：

文献1为徐清霞、柴晓冬、郑树彬、刘新厂于2013年9月发表在《上海工程技术大学学报》第3期第27卷上的论文《一种钢轨磨耗测量的新方法》。

文献2为孙军华、王伟华、刘震、张广军于2010年9月发表在《北京航空航天大学学报》第9期第36卷上的论文《基于结构光视觉的钢轨磨耗测量方法》。

但是，以上两篇文章均是通过结构光视觉测量系统来测量钢轨轨头的磨耗，其理论依据是《铁道线路维修规则》的规定：钢轨的垂直磨耗Wv在钢轨顶面宽1/3处(距标准作用边)测量，侧面磨耗Wh在距轨顶下方16m处测量，总磨耗值W＝垂直磨耗

侧面磨耗。这种测量方式主要适用于被测钢轨与测量系统处于静止状态，结构光线能完整反映轮廓，才有可能得到所要求的测量点参数。简言之，以上两篇文章均是研究如何按照标准规定测量磨耗，但在车辆运动时，结构光的轨廓往往不完整，所要求的两个位置的数据很可能没有。因此，需要研究一种能根据磨耗值对控制基准进行自动补偿的方式来解决这一问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带磨耗补偿的自动对中控制方法，以解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中系统控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种带磨耗补偿的自动对中控制方法的技术实现方案，包括以下步骤：

S10)获取钢轨的轨廓数据，以及探轮的实际位置；

S20)根据所述钢轨的轨廓数据计算所述钢轨的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；

S30)根据经过补偿的对中基准值，以及所述探轮的实际位置进行PID控制，并输出控制值；

S40)根据输出的控制值生成用于控制所述探轮动作的驱动控制信号。

优选的，在所述步骤S30)中，当所述钢轨出现磨耗时，经过补偿的对中基准值n₁设定为n₀-m，其中，n₀为在无磨耗的钢轨上设定的对中基准值，m为磨耗补偿量。经过PID控制后输出的控制值为：

E_i＝Ae_i-Be_i-1+Ce_i-2，e_i＝n_i-n₁

其中，E_i为第i次控制值，e_i为第i次探轮的位置偏差，e_i-1为第i-1次探轮的位置偏差，e_i-2为第i-2次探轮的位置偏差，A、B、C为PID控制参数，n_i为第i次探轮实际位置的反馈值。

优选的，在所述步骤S20)中，通过计算轨头磨耗面积S来确定所述钢轨的轨头磨耗量；定义所述钢轨轨头端角以上的高度x，高度x位于实际轨廓线与标准轨廓线之间，计算位于该高度x内所述钢轨实际轨廓和标准轨廓之间包围的面积值，并将该面积值定义为磨耗面积S。

优选的，在所述步骤S20)中，根据以下公式计算所述磨耗补偿量m：

其中，a₁为第一轻度磨耗补偿阈值，b₁为第一中度磨耗补偿阈值，c₁为第一重度磨耗补偿阈值，m₁₁为第一轻度磨耗补偿量，m₁₂为第一中度磨耗补偿量，m₁₃为第一重度磨耗补偿量。

优选的，将第一轻度磨耗补偿阈值a₁的取值范围设置为

将第一中度磨耗补偿阈值b₁的取值范围设置为

将第一重度磨耗补偿阈值c₁的取值范围设置为

优选的，将第一轻度磨耗补偿量m₁₁的取值范围设置为

将第一中度磨耗补偿量m₁₂的取值范围设置为

将第一重度磨耗补偿量m₁₃的取值范围设置为

优选的，在所述步骤S20)中，通过计算所述钢轨的轨头内侧实际廓形线的斜率k来确定所述钢轨的轨头磨耗量。

优选的，在所述步骤S20)中，根据以下公式计算所述磨耗补偿量m：

其中，a₂为第二轻度磨耗补偿阈值，b₂为第二中度磨耗补偿阈值，c₂为第二重度磨耗补偿阈值，m₂₁为第二轻度磨耗补偿量，m₂₂为第二中度磨耗补偿量，m₂₃为第二重度磨耗补偿量。

优选的，将第二轻度磨耗补偿阈值a₂的取值范围设置为

将第二中度磨耗补偿阈值b₂的取值范围设置为

将第二重度磨耗补偿阈值c₂的取值范围设置为

优选的，将第二轻度磨耗补偿量m₂₁的取值范围设置为

将第二中度磨耗补偿量m₂₂的取值范围设置为

将第二重度磨耗补偿量m₂₃的取值范围设置为

通过实施上述本发明提供的带磨耗补偿的自动对中控制方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法通过轨头磨耗量来对对中控制量进行补偿，大大优化了钢轨探伤探轮自动对中系统的效果，可以解决在小半径曲线磨耗严重的钢轨上丢失底波的技术问题，从而大大提高探伤检测效果；

(2)本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法利用钢轨轨头侧部磨耗值对控制基准进行分段式补偿，以解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中系统控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的技术问题，通过采用四档进行补偿，磨耗补偿精度、速度、稳定和可靠性的综合效果最佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是现有技术中的超声波钢轨探伤原理示意图；

图2是现有技术中0°晶片的超声波声束探伤线路示意图；

图3是现有技术中钢轨探伤自动对中系统的控制原理框图；

图4是现有技术中钢轨磨耗的原理示意图；

图5是现有技术中钢轨磨耗的剖面结构示意图；

图6是本发明中对中传感器获取钢轨轨廓激光扫描数据的立体结构示意图；

图7是本发明中对中传感器获取钢轨轨廓激光扫描数据的剖面结构示意图；

图8是本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法一种具体实施例中的钢轨磨耗计算剖面示意图；

图9是本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法另一种具体实施例中的钢轨磨耗计算剖面示意图；

图10是基于本发明方法的带磨耗补偿的自动对中控制系统的控制原理框图；

图11是本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法一种具体实施例的程序流程图；

图12是应用本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法的补偿数据计算界面示意图；

图中：1-探轮，2-超声晶片，3-钢轨，4-PID控制单元，5-对中控制单元，6-电缸，7-对中传感器，8-车辆机械装置，9-磨耗补偿计算单元，10-自动对中控制系统，21-0°晶片。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PID：Proportion Integral Derivative，比例、积分、微分的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图6至附图12所示，给出了本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法及系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例的技术方案是通过对(超声波)探轮1和钢轨3的接触情况进行分析，研究轨头磨耗对超声波入射的影响，从而提出一种利用轨头磨耗值对对中控制基准进行自动补偿的控制方法，从而减少底波丢失，提高探伤检测效果。

如附图11所示，一种带磨耗补偿的自动对中控制方法的实施例，具体包括以下步骤：

S10)获取钢轨3内侧的轨廓数据，以及探轮1的实际位置；

S20)根据钢轨3内侧的轨廓数据计算钢轨3的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；

S30)根据经过补偿的对中基准值，以及探轮1的实际位置进行PID控制，并输出控制值；

S40)根据输出的控制值生成用于控制探轮1动作的驱动控制信号。

如附图5所示，为钢轨横断面的剖面结构示意图，其中，如E所示的阴影部分为垂直磨耗，如F所示为轨头侧部，如G所示为轨头端角。如附图6和7所示，在车辆机械装置8上安装对中传感器7，采集激光照射钢轨3内侧产生的实际轨廓数据(如附图6和附图7中C所示)，通过廓形重构和匹配算法获得如附图8中C1和C2所示的标准廓形图，从而进一步计算轨头的磨耗量。

轨头的磨耗按方向可以分解为侧磨量和垂磨量，以60kg/m型号的钢轨为例，钢轨3的磨耗以如附图5中阴影部分所示的垂直磨耗为主，垂直磨耗不会导致轮轨关系产生纵向夹角而影响底波入射，只有当轨头侧面产生磨耗时，才会显著引起底波丢失，因此本实施例中使用的磨耗值与常规的算法不同，主要反映轨头侧磨量的变化。

在步骤S30)中，当钢轨3出现磨耗时，经过补偿的对中基准值n₁设定为n₀-m，其中，n₀为在无磨耗的钢轨3上设定的对中基准值，m为磨耗补偿量。经过PID控制后输出的控制值为：

E_i＝Ae_i-Be_i-1+Ce_i-2，e_i＝n_i-n₁

其中，E_i为第i次控制值，e_i为第i次探轮1的位置偏差，e_i-1为第i-1次探轮1的位置偏差，e_i-2为第i-2次探轮1的位置偏差，A、B、C为PID控制参数，n_i为第i次探轮1实际位置的反馈值。

对中传感器7产生激光线照射钢轨3的内侧，形成附图8中粗实线C1和C2所示的实际轨廓图形，而细实线轮廓D是相应的标准轨廓图形。在步骤S20)中，磨耗补偿计算单元9进一步通过计算轨头磨耗面积S来确定钢轨3的轨头磨耗量，其结果与底波衰减具有明确的相关性。定义钢轨3轨头端角以上的高度x(单位：mm)，高度x位于实际轨廓线与标准轨廓线之间，计算位于该高度x内钢轨3实际轨廓和标准轨廓之间包围的面积值，并将该面积值定义为磨耗面积S(单位：mm²)，如附图8中的阴影区域所示。其中，x的值与钢轨3的轨型有关，主要是反映轨头的侧磨程度，其典型值如下：

表1 x值与钢轨轨型的对应关系表

轨型	x(mm)
		43	11.5～21.5
50	14.4～24.4
		60	23～33
75	25～35

若在无磨耗的钢轨3上设定的对中基准值为n₀(单位：mm)，m为磨耗补偿量，则当钢轨3出现磨耗时，磨耗补偿计算单元9输出至PID控制单元4的经过补偿的对中基准值n₁设定为n₀-m。其中，m(单位：mm)的取值根据S的范围来决定，为保持控制的稳定性，S的范围设定为三档及以上。

在步骤S20)中，当S的范围设定为三档时，根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₁为第一中度磨耗补偿阈值，b₁为第一重度磨耗补偿阈值，m₁₁为第一中度磨耗补偿量，m₁₂为第一重度磨耗补偿量。

将第一中度磨耗补偿阈值a₁设置为90mm²，a₁的取值范围可以设置为

将第一重度磨耗补偿阈值b₁设置为150mm²，b₁的取值范围可以设置为

将第一中度磨耗补偿量m₁₁设置为4mm，m₁₁的取值范围可以设置为

将第一重度磨耗补偿量m₁₂设置为7mm，m₁₂的取值范围可以设置为

根据以上算法，当钢轨3存在磨耗时，根据磨耗大小，对中控制系统会自动调整对中基准，减少底波的丢失。而在没有磨耗时，则仍然按原先设定的基准进行调节，避免人为临时改变基准而引起的系统控制失调。本实施例采用了一种通过面积法来表征磨耗程度的技术方案，并进一步通过磨耗来对控制量进行补偿，通过自动补偿减少了底波丢失。同时，本实施例首次从物理学的角度深入分析了轨头磨耗对超声波入射的影响，结合工程应用，通过现场反复试验，利用钢轨轨头侧部磨耗值对控制基准进行分段式补偿，以解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中系统控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的问题，大大优化了钢轨探伤探轮自动对中系统的效果，可以解决在小半径曲线磨耗严重的钢轨上丢失底波的问题，针对铁路行业的钢轨探伤具有很强的实用性和必要性。

实施例2

如实施例1所述，当S采用三档进行补偿时，就可以从一定程度上实现磨耗补偿从而实现本发明目的，在此情况下可在本实施例四档补偿的基础上取消轻度磨耗补偿，但这样会导致磨耗补偿机制介入时间延迟，可能会导致一些轻度的失波情况。而当S采用四档以上时，由于补偿阈值增多，又可能导致基准变化频繁，从而可能会对控制的稳定性产生一定程度的影响。因此在实际情况下，S采用四档时的补偿效果最佳，其综合了磨耗补偿高精度、高速度、高稳定和可靠性。

下面以补偿速度、精度和稳定性综合性能最佳的四档补偿为例对本实施例的技术方案进行介绍。

在实施例1的基础上，在步骤S20)中，当S的范围设定为四档时，根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₁为第一轻度磨耗补偿阈值，b₁为第一中度磨耗补偿阈值，c₁为第一重度磨耗补偿阈值，m₁₁为第一轻度磨耗补偿量，m₁₂为第一中度磨耗补偿量，m₁₃为第一重度磨耗补偿量。

将第一轻度磨耗补偿阈值a₁设置为70mm²，a₁的取值范围可以设置为

将第一中度磨耗补偿阈值b₁设置为100mm²，b₁的取值范围可以设置为

将第一重度磨耗补偿阈值c₁设置为150mm²，c₁的取值范围可以设置为

将第一轻度磨耗补偿量m₁₁设置为3mm，m₁₁的取值范围可以设置为

将第一中度磨耗补偿量m₁₂设置为5mm，m₁₂的取值范围可以设置为

将第一重度磨耗补偿量m₁₃设置为7mm，m₁₃的取值范围可以设置为

以附图12所示为例说明本实施例技术方案的实际应用效果，在半径为400的曲线上，钢轨3右侧的磨耗达到102.5mm²，属于中度磨耗，原基准为253mm(如图中H所示)，控制系统自动对基准补偿5.5mm，使电机到达新的位置247.5mm，从实际的探伤检测数据来看，完全没有出现底波消失报警，补偿功能完全达到设计要求。

实施例3

关于轨头磨耗的计算，实施例1和实施例2采用的是面积计算方法，这是适合图形化轨廓计算的一种方法。其它计算方法也可以实现，如本实施例采用计算轨头廓形线的斜率。

如附图9所示，在实施例1的基础上，在步骤S20)中，通过计算钢轨3的轨头内侧实际廓形线C1的斜率k来确定钢轨3的轨头磨耗量。按照轨头斜率法，若在无磨耗的钢轨3上设定的对中基准为n₀(单位：mm)，则在有磨耗时对中基准设定为n₀-m，其中m(单位：mm)的取值根据k的范围来决定，为保持控制的稳定性，k的范围设定为三档及以上。

在步骤S20)中，当k的范围设定为三档时，根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₂为第二中度磨耗补偿阈值，b₂为第二重度磨耗补偿阈值，m₂₁为第二中度磨耗补偿量，m₂₂为第二重度磨耗补偿量。

将第二中度磨耗补偿阈值a₂设置为1.7，a₂的取值范围可以设置为

将第二重度磨耗补偿阈值b₂设置为0.9，b₂的取值范围可以设置为

将第二中度磨耗补偿量m₂₁设置为4mm，m₂₁的取值范围可以设置为

将第二重度磨耗补偿量m₂₂设置为6mm，m₂₂的取值范围可以设置为

本实施例中的其余技术方案可以具体参照实施例1中的相关描述，在此不再赘述。

实施例4

实施例3以三档为例对本发明带磨耗补偿的自动对中控制方法的分段补偿技术方案进行了描述，本实施例以综合效果最佳的四档补偿为例进行介绍。

在步骤S20)中，当k的范围设定为四档时，根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₂为第二轻度磨耗补偿阈值，b₂为第二中度磨耗补偿阈值，c₂为第二重度磨耗补偿阈值，m₂₁为第二轻度磨耗补偿量，m₂₂为第二中度磨耗补偿量，m₂₃为第二重度磨耗补偿量。

将第二轻度磨耗补偿阈值a₂设置为5，a₂的取值范围可以设置为

将第二中度磨耗补偿阈值b₂设置为1.6，b₂的取值范围可以设置为

将第二重度磨耗补偿阈值c₂设置为0.9，c₂的取值范围可以设置为

将第二轻度磨耗补偿量m₂₁设置为3mm，m₂₁的取值范围可以设置为

将第二中度磨耗补偿量m₂₂设置为5mm，m₂₂的取值范围可以设置为

将第二重度磨耗补偿量m₂₃设置为7mm，m₂₃的取值范围可以设置为

本实施例中的其余技术方案可以具体参照实施例2中的相关描述，在此不再赘述。除以上面积法和斜率法以外，其它可以有效表征钢轨轨头磨耗程度的方法，依据其数值设置相应的补偿阈值和补偿值，也可作为本发明实施例中的控制参数使用。

实施例5

如附图10所示，一种基于实施例2所述方法的带磨耗补偿的自动对中控制系统10的实施例，具体包括：

对中传感器7，获取钢轨3内侧的轨廓数据，以及探轮1的实际位置；

磨耗补偿计算单元9，根据钢轨3内侧的轨廓数据计算钢轨3的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；

PID控制单元4，根据磨耗补偿计算单元9输出的经过补偿的对中基准值，以及探轮1的实际位置进行PID控制，并输出控制值；

对中控制单元5，根据PID控制单元4输出的控制值生成用于控制探轮1动作的驱动控制信号。

其中，PID控制单元4输出至对中控制单元5的控制值为：

E_i＝Ae_i-Be_i-1+Ce_i-2，e_i＝n_i-n₁

其中，E_i为第i次控制值，e_i为第i次探轮1的位置偏差，e_i-1为第i-1次探轮1的位置偏差，e_i-2为第i-2次探轮1的位置偏差，A、B、C为PID控制参数，n_i为第i次探轮1实际位置的反馈值。

磨耗补偿计算单元9通过计算轨头磨耗面积S来确定钢轨3的轨头磨耗量，其结果与底波衰减具有明确的相关性。定义钢轨3轨头端角以上的高度x(单位：mm)，计算位于该高度x内钢轨3实际轨廓和标准轨廓之间包围的面积值，并将该面积值定义为磨耗面积S(单位：mm²)，如附图8中的阴影区域所示。

若在无磨耗的钢轨3上设定的对中基准值为n₀(单位：mm)，m为磨耗补偿量，则当钢轨3出现磨耗时，磨耗补偿计算单元9输出至PID控制单元4的经过补偿的对中基准值n₁设定为n₀-m。其中，m(单位：mm)的取值根据S的范围来决定，为保持控制的稳定性，S的范围设定为三档及以上。

当S的范围设定为四档时，磨耗补偿计算单元9根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₁为第一轻度磨耗补偿阈值，b₁为第一中度磨耗补偿阈值，c₁为第一重度磨耗补偿阈值，m₁₁为第一轻度磨耗补偿量，m₁₂为第一中度磨耗补偿量，m₁₃为第一重度磨耗补偿量。

第一轻度磨耗补偿阈值a₁设置为70mm²，a₁的取值范围可以设置为

第一中度磨耗补偿阈值b₁设置为100mm²，b₁的取值范围可以设置为

第一重度磨耗补偿阈值c₁设置为150mm²，c₁的取值范围可以设置为

第一轻度磨耗补偿量m₁₁设置为3mm，m₁₁的取值范围可以设置为

第一中度磨耗补偿量m₁₂设置为5mm，m₁₂的取值范围可以设置为

第一重度磨耗补偿量m₁₃设置为7mm，m₁₃的取值范围可以设置为

基于实施例1所述方法带磨耗补偿的自动对中控制系统可以参照本实施例的技术方案实施。

实施例6

一种基于实施例4所述方法带磨耗补偿的自动对中控制系统的实施例，在实施例5的基础上，如附图9所示，磨耗补偿计算单元9通过计算钢轨3的轨头内侧实际廓形线的斜率k来确定钢轨3的轨头磨耗量。按照轨头斜率法，若在无磨耗的钢轨3上设定的对中基准为n₀(单位：mm)，则在有磨耗时对中基准设定为n₀-m，其中m(单位：mm)的取值根据k的范围来决定，为保持控制的稳定性，k的范围设定为三档及以上。

当k的范围设定为四档时，磨耗补偿计算单元9根据以下公式计算磨耗补偿量m：

其中，a₂为第二轻度磨耗补偿阈值，b₂为第二中度磨耗补偿阈值，c₂为第二重度磨耗补偿阈值，m₂₁为第二轻度磨耗补偿量，m₂₂为第二中度磨耗补偿量，m₂₃为第二重度磨耗补偿量。

第二轻度磨耗补偿阈值a₂设置为5，a₂的取值范围可以设置为

第二中度磨耗补偿阈值b₂设置为1.6，b₂的取值范围可以设置为

第二重度磨耗补偿阈值c₂设置为0.9，c₂的取值范围可以设置为

第二轻度磨耗补偿量m₂₁设置为3mm，m₂₁的取值范围可以设置为

第二中度磨耗补偿量m₂₂设置为5mm，m₂₂的取值范围可以设置为

第二重度磨耗补偿量m₂₃设置为7mm，m₂₃的取值范围可以设置为

基于实施例3所述方法带磨耗补偿的自动对中控制系统可以参照本实施例的技术方案实施。

通过实施本发明具体实施例描述的带磨耗补偿的自动对中控制方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的带磨耗补偿的自动对中控制方法通过轨头磨耗量来对对中控制量进行补偿，大大优化了钢轨探伤探轮自动对中系统的效果，可以解决在小半径曲线磨耗严重的钢轨上丢失底波的技术问题，从而大大提高探伤检测效果；

(2)本发明具体实施例描述的带磨耗补偿的自动对中控制方法利用钢轨轨头侧部磨耗值对控制基准进行分段式补偿，以解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中系统控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的技术问题，通过采用四档进行补偿，磨耗补偿精度、速度、稳定和可靠性的综合效果最佳。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10)获取钢轨(3)的轨廓数据，以及探轮(1)的实际位置；

S20)根据所述钢轨(3)的轨廓数据计算所述钢轨(3)的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；

S30)根据经过补偿的对中基准值，以及所述探轮(1)的实际位置进行PID控制，并输出控制值；

S40)根据输出的控制值生成用于控制所述探轮(1)动作的驱动控制信号；

在所述步骤S20)中，通过计算所述钢轨(3)的轨头磨耗面积S或轨头内侧实际廓形线的斜率k来确定所述钢轨(3)的轨头磨耗量；定义所述钢轨(3)轨头端角以上的高度x，计算位于该高度x内所述钢轨(3)实际轨廓和标准轨廓之间包围的面积值，并将该面积值定义为磨耗面积S。

2.根据权利要求1所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于：在所述步骤S30)中，当所述钢轨(3)出现磨耗时，经过补偿的对中基准值n₁设定为n₀-m，其中，n₀为在无磨耗的钢轨(3)上设定的对中基准值，m为磨耗补偿量；经过PID控制后输出的控制值为：

E_i＝Ae_i-Be_i-1+Ce_i-2，e_i＝n_i-n₁

其中，E_i为第i次控制值，e_i为第i次探轮(1)的位置偏差，e_i-1为第i-1次探轮(1)的位置偏差，e_i-2为第i-2次探轮(1)的位置偏差，A、B、C为PID控制参数，n_i为第i次探轮(1)实际位置的反馈值。

3.根据权利要求1或2所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于，在所述步骤S20)中，根据以下公式计算所述磨耗补偿量m：

其中，a₁为第一轻度磨耗补偿阈值，b₁为第一中度磨耗补偿阈值，c₁为第一重度磨耗补偿阈值，m₁₁为第一轻度磨耗补偿量，m₁₂为第一中度磨耗补偿量，m₁₃为第一重度磨耗补偿量。

4.根据权利要求3所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于：

将第一轻度磨耗补偿阈值a₁的取值范围设置为

将第一中度磨耗补偿阈值b₁的取值范围设置为

将第一重度磨耗补偿阈值c₁的取值范围设置为

5.根据权利要求4所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于：

将第一轻度磨耗补偿量m₁₁的取值范围设置为

将第一中度磨耗补偿量m₁₂的取值范围设置为

将第一重度磨耗补偿量m₁₃的取值范围设置为

6.根据权利要求1或2所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于，在所述步骤S20)中，根据以下公式计算所述磨耗补偿量m：

其中，a₂为第二轻度磨耗补偿阈值，b₂为第二中度磨耗补偿阈值，c₂为第二重度磨耗补偿阈值，m₂₁为第二轻度磨耗补偿量，m₂₂为第二中度磨耗补偿量，m₂₃为第二重度磨耗补偿量。

7.根据权利要求6所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于：

将第二轻度磨耗补偿阈值a₂的取值范围设置为

将第二中度磨耗补偿阈值b₂的取值范围设置为

将第二重度磨耗补偿阈值c₂的取值范围设置为

8.根据权利要求7所述带磨耗补偿的自动对中控制方法，其特征在于：

将第二轻度磨耗补偿量m₂₁的取值范围设置为

将第二中度磨耗补偿量m₂₂的取值范围设置为

将第二重度磨耗补偿量m₂₃的取值范围设置为

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