一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法与流程

本发明属于轨道检测技术领域，具体涉及一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法。

背景技术：

传统的轨道检测，是通过定位轮和气缸等柔性机构与轨道接触的机械的方式，将轨道检测设备对准于轨道中心。然而，此方法需要从外部加气压源，而且只能在车辆行驶速度不超过20公里/小时进行轨道相关检测，否则将对检测系统造成不可逆的损害。

现在将轨道检测装置横向安装于轨道上方并与轨道脱离接触，通过安装在车体底面的伺服电机和丝杠(即运动平台)带动轨道检测装置沿轨道横向方向运动，在此过程中克服车体横向的位移晃动，保证轨道检测设备对中于轨道中心，从而进行轨道相关测量。然而，由于用于车体横向位移检测的激光位移传感器延迟较大、电机和丝杠等机械传动之间存在间隙、死区、车体沿轨道的上下位移和实际轨道中特殊情况产生的测量误差和错误，这些都造成系统的非线性和不连续性，影响了对中系统的对中效果，超出了轨道检测设备的测量范围。从而造成轨道的检测误差变大，甚至检测结果错误。为解决这一问题，急需一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法，采用pid((比例proportion、积分integration、微分differentiation控制)与状态扰动观测器控制的方式，将未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和进行估计补偿，并在此基础上对测量误差和测量错误进行纠正和预测，从而在允许的偏差范围内使轨道非接触式对中系统始终对准单侧轨道中心。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法，所述轨道非接触式对中系统包括：轨道检测装置、运动平台及激光位移传感器；轨道包括左右对称的两个单侧轨道，每个单侧轨道对应安装一个轨道检测装置，轨道检测装置通过运动平台安装在沿轨道运动的车体底面，轨道检测装置位于单侧轨道的正上方，且不与单侧轨道相接触，轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；激光位移传感器安装在运动平台上，运动平台用于带动轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，激光位移传感器用于测量其自身到单侧轨道侧面的水平距离y，即y为实际测量得的激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离，且激光位移传感器与运动平台的安装夹角为α；轨道检测装置到单侧轨道轨面的垂直距离为d；

该方法步骤如下：

第一步，建立轨道非接触式对中系统的控制模型，该控制模型的数学表达式如下：

其中，s1为激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离；和s2均为激光位移传感器相对于单侧轨道横向运动的速度；为激光位移传感器相对于单侧轨道横向运动的加速度；f为未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和；b0为控制量放大倍数；u为控制运动平台进行移动的控制量；

第二步，构建状态扰动观测模型i，即状态扰动观测器，该状态扰动观测模型i用来观测未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和及观测激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离的状态量，所述状态量包括：位移和速度；所述状态扰动观测模型i的数学表达式如下：

其中，k为离散时刻，z1为激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离的估计值，z2为激光位移传感器相对于单侧轨道横向运动的速度的估计值，z3为未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和的估计值，h为离散周期时间，β1、β2、β3为控制参数量，ω为状态扰动观测器的带宽；

第三步，构建轨道非接触式对中系统的控制律i，该控制律i的数学表达式如下：

其中，y为激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离的期望值，该距离通过初始安装的测量可得，为常数，ek为激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离的期望值与实际测量得的激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离之差，kp、kd、ki为控制变量参数，ε1、ε2为控制变量阻尼参数，取值为0～1；

根据控制律i能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使y值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对。

进一步的，考虑激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差的情况，对第三步的控制律i进行测量误差补偿后，得到的控制律ii的数学表达式如下：

其中，为对y进行测量误差补偿后的数值；

根据控制律ii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对。

进一步的，考虑激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误的情况，对y值进行判断；

(1)若y>ymax或y<ymin，其中，ymax为设定的最大测量可信值，ymin为设定的最小测量可信值，则认为y测量错误，构建的状态扰动观测模型ii的数学表达式如下：

根据状态扰动观测模型ii，构建的轨道非接触式对中系统的控制律iii的数学表达式如下：

根据控制律iii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使z1值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

(2)若ymin≤y≤ymax，则认为y测量没有发生错误，构建的状态扰动观测模型为第二步中状态扰动观测模型i的数学表达式(2)，构建的轨道非接触式对中系统的控制律为第三步中的控制律i的数学表达式(4)；

根据控制律i能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使y值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对。

进一步的，(1)综合考虑既产生激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差，又产生激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误(即y>ymax或y<ymin)时，

构建的状态扰动观测模型ii的数学表达式如下：

构建的轨道非接触式对中系统的控制律iv的数学表达式如下：

其中，为对z1进行测量误差补偿后的数值；

根据控制律iv能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

(2)综合考虑产生激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差，但未产生激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误(即ymin≤y≤ymax)时，

构建的状态扰动观测模型与第二步中的状态扰动观测模型i的数学表达式(2)相同，即

构建的轨道非接触式对中系统的控制律ii的数学表达式为：

根据控制律ii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对。

有益效果：本发明可以使轨道非接触式对中系统克服扰动，使轨道检测装置不随车体横向于轨道晃动，轨道检测装置始终对准单侧轨道的中心；同时在对中控制方法的基础上增加了测量误差补偿和测量错误的预测控制，提高了轨道检测装置与单侧轨道的对中控制效果和对中精度；经实物试验，在车体以80公里/小时运行时，对中精度达到了±1.5mm，满足了轨道检测的要求。

附图说明

图1为轨道非接触式对中系统的模型示意图；

图2为本发明的控制原理图；

图3为本发明考虑测量误差补偿的控制原理图；

图4为本发明考虑测量错误后的控制原理图；

图5为本发明考虑测量误差补偿和测量错误后的控制原理图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种轨道非接触式对中系统的伺服控制方法，参见附图1，所述轨道非接触式对中系统包括：铁路轨道、轨道检测装置、运动平台及激光位移传感器；所述铁路轨道包括左右对称的两个单侧轨道，每个单侧轨道对应安装一个轨道检测装置，本实施例中，以一个单侧轨道为例，轨道检测装置通过运动平台安装在沿轨道运动的车体底面，轨道检测装置位于单侧轨道的正上方，且不与单侧轨道相接触，轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对(即对中)，以对单侧轨道进行需要的测量；激光位移传感器安装在运动平台上，运动平台用于带动轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，激光位移传感器用于测量其自身到单侧轨道侧面的水平距离y(即y为实际测量得的激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离)，由于车体晃动会产生横向位移，因此y随时间变化，且激光位移传感器与运动平台的安装夹角为α；轨道检测装置到单侧轨道轨面的垂直距离为d；

所述伺服控制方法具体步骤如下：

第一步，建立轨道非接触式对中系统的控制模型，该控制模型的数学表达式如下：

其中，s1、s2、表示激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离的状态量(所述状态量包括位移、速度及加速度)，由于s1＝y，因此s1为激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离；为s1对时间的一阶导数，由于因此，和s2均为激光位移传感器相对于单侧轨道横向运动的速度；为s2对时间的一阶导数，为激光位移传感器相对于单侧轨道侧面横向运动的加速度；f为未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和；b0为控制量放大倍数；u为控制运动平台进行移动的控制量(本实施例中，运动平台通过电机驱动，控制量u即为控制电机转动的圈数)；

第二步，构建状态扰动观测模型i(即状态扰动观测器)，该状态扰动观测模型i用来观测未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和及观测激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离的状态量；所述状态扰动观测模型i的数学表达式如下：

其中，k为离散的时刻，z1、z2表示激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离估计值的状态量(z1为激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离的估计值，z2为激光位移传感器相对于单侧轨道横向运动的速度的估计值)，z3为未线性化建模的动态扰动和外部扰动总和的估计值，h为离散周期时间，β1、β2、β3为控制参数量，ω为状态扰动观测器的带宽；

第三步，构建轨道非接触式对中系统的控制律i，该控制律i的数学表达式如下：

其中，y为激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离的期望值，该距离通过初始安装的测量可得(初始安装时，轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对)，为常数，ek为激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离的期望值与实际测量得的激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离之差，kp、kd、ki为控制变量参数，ε1、ε2为控制变量阻尼参数，取值为0～1；

至此完成轨道非接触式对中系统的伺服控制方法的构建，控制方法的原理图参见附图2，其中，图2中的被控对象为连接为一体的轨道检测装置、运动平台及激光位移传感器；根据控制律i能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使y值与期望值y相等，(由于y值是初始安装时，轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对的标定值，横向运动时y值不断发生变化，根据第一步至第三步所构建的算法，可使得在扰动情况下，通过横向运动y值不断调整去尽可能接近y值，使得检测装置的中心与单侧轨道的中心相对准)以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

第四步，在第三步的基础上，进一步考虑因车体高低晃动而引起的激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差；根据轨道检测设备到单侧轨道轨面的垂直距离d，对第三步的控制律i进行测量误差补偿后，得到的控制律ii的数学表达式如下：

其中，为对y进行测量误差补偿后的数值；

因此，完成能够进行测量误差补偿的轨道非接触式对中系统的伺服控制方法的构建，控制方法的原理图参见附图3；根据控制律ii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

第五步，在第二步和第三步的基础上，进一步考虑因特殊情况(如检测时出现垃圾杂草在轨道边上、测量时轨道上存在大量积雪等)而引起的激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误，并对y值进行判断；

(1)若y>ymax或y<ymin，其中，ymax为设定的最大测量可信值，ymin为设定的最小测量可信值，则认为y测量错误，构建的状态扰动观测模型ii的数学表达式如下：

根据状态扰动观测模型ii，构建的轨道非接触式对中系统的控制律iii的数学表达式如下：

(2)若ymin≤y≤ymax，则认为y测量没有发生错误，构建的状态扰动观测模型为第二步中状态扰动观测模型i的数学表达式(2)，构建的轨道非接触式对中系统的控制律为第三步中的控制律i的数学表达式(4)；

因此，完成能够进行测量错误补偿的轨道非接触式对中系统的伺服控制方法的构建，控制方法的原理图参见附图4；

根据控制律iii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使z1值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

或根据控制律i能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使y值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

第六步，在第四步和第五步的基础上，

(1)综合考虑既产生激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差，又产生激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误(即y>ymax或y<ymin)时，

构建的状态扰动观测模型与第五步中的状态扰动观测模型ii的数学表达式(6)相同，即

构建的轨道非接触式对中系统的控制律iv的数学表达式如下：

其中，为对z1进行测量误差补偿后的数值；

(2)综合考虑产生激光位移传感器到单侧轨道侧面的水平距离y的测量误差，但未产生激光位移传感器到单侧轨道侧面水平距离y的测量错误(即ymin≤y≤ymax)时，

构建的状态扰动观测模型与第二步中的状态扰动观测模型i的数学表达式(2)相同，即

构建的轨道非接触式对中系统的控制律与第四步中的控制律ii的数学表达式(5)相同，即

因此，完成既能够进行测量错误补偿、又能够进行测量误差补偿的轨道非接触式对中系统的伺服控制方法的构建，控制方法的原理图参见附图5；

根据控制律iv能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对；

或根据控制律ii能够得到的控制量u的输出值，运动平台依据控制量u控制轨道检测装置和激光位移传感器沿单侧轨道的横向运动，使值与期望值y相等，以保证轨道检测装置的中心与单侧轨道的中心相对。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。