1、硕士大论文轨道清洁车清理执行机构控制系统研究 分类号： 密 级： U D C： 编 号： 轨道清洁车清理执行机构控制系统研究ORBITAL CLEAN CLEAN CAR CLEANING ACTUATOR CONTROL SYSTEM RESEARCH 学位授予单位及代码： 学科专业名称及代码：机械设计及理论 （080203）研 究 方 向：现代机械设计理论与方法 申请学位级别：硕 士 指 导 教 师： 研 究 生： 论文起止时间： 摘 要随着社会的发展，轨道交通得到了前所未有的发展，由于轨道缺乏清理，沾满了大量的污渍，油垢，会腐蚀线路的钢轨，扣件等，严重威胁列车的行车安全。人工清理费时费力
2、，因此研制出一款自动化程度的轨道清洁车是很有必要的。本论文在参照国内外轨道清洁车成功的经验，广泛查阅中外对智能车清理机构控制系统的研究，将本论文的控制系统分为了主控模块，温度检测模块，加热模块，测速模块，喷油模块，铲刀模块，清洁刷模块等，通过选用控制器PIC16F877单片机为核心控制器，对各个模块分别从硬件，软件方面进行了设计，实现对轨道清洁车各个功能的自动化控制。对液压系统进行了动态分析，引进了PID算法，并进行了抗干扰方面的设计，通过对各个程序进行仿真，不断修改调整设计，实现对轨道清洁车清理执行机构控制系统的设计。关键字：PIC单片机 轨道清洁车 抗干扰设计 仿真 ABSTRACTWit
3、h the development of society, rail transport has been an unprecedented development, due to the lack of clean-up track, covered a lot of dirt, grease, will corrode the rail line, fasteners, etc., a serious threat to traffic safety of trains. Manual cleaning time-consuming, and therefore developed an
4、automation track cleaning car is necessary.With the development of the society, the rail transit got unprecedented development, due to the lack of clear orbit with a lot of stains, oil dirties, corrode rail lines, fasteners and so on, a serious threat to the safety of the train. Manually from the la
5、borious, therefore developed a degree of automation of orbital clean car is necessary.This paper in reference to track clean car at home and abroad successful experience, broad access to domestic and foreign research of the control system of smart car cleaning mechanism, the control system of this p
6、aper is divided into the main control module, the temperature detection module, heating module, log module, fuel injection module, the shovel module, cleaning brush, etc., by choosing controller PIC16F877 single-chip microcomputer as the core controller, for each module respectively from the hardwar
7、e, designing software, and realize the function of automatic control. Has carried on the dynamic analysis of hydraulic system, introduced the PID algorithm, and has carried on the anti-jamming design, through the study of the simulation of each program, continually modify design, realize the rail cl
8、eaning cleaning actuator control system design.Key words：PIC micro controller Orbital clean car The anti-interference design Simulation 目 录摘 要 3ABSTRACT 4第一章 绪论 71.1选题的目的与意义 71.2轨道清洁车的发展现状 71.3轨道清洁车控制系统的方向 111.4本论文的主要研究内容 11第二章 轨道清洁维护车控制系统分析 132.1轨道清洁维护车控制系统需要实现的功能 132.2轨道清理维护车的结构 132.3控制系统的工作原理与分析
9、152.4控制方案的选择 172.5本章小结 17第三章 液压系统与设备选用 183.1 液压系统 183.2液压系统的数学模型 193.3气源设备的选用 213.4吸尘器的选用 22第四章 轨道清洁维护车控制系统的硬件设计 234.1控制系统整体结构 234.2 主控模块 234.3电源模块 254.4键盘模块 274.5温度检测模块 304.6加热系统模块 314.7测速模块 324.8喷油量模块 334.9显示模块设计 364.10本章小结 37第五章 轨道清洁维护车控制系统软件设计 385.1先进PID算法的引入 385.2程序初始化 395.3键盘软件设计 405.4温度模块的软件设
10、计 425.5 PWM波形程序设计 425.6显示部分流程 435.7本章小结 44第六章 系统的抗干扰设计调试与仿真 456.1 PCB板设计 456.2 PCB设计 466.3抗干扰措施 476.4调试方面 486.5系统仿真 516.6本章小结 53第七章 总结与展望 54致 谢 55参考文献 56第一章 绪论1.1选题的目的与意义随着社会的不断发展，城市交通变的越来越拥堵，为了缓解交通压力，方便人们出行，大力发展轨道交通成为人们解决此类突出矛盾的办法。轨道的表面与列车车轮之间长时间的发生摩擦，日积月累，轨道表面就会发生磨损，腐蚀铁轨表面，还要饱受风沙，雨淋，日晒等恶劣因素的影响，轨道表
11、面会附着着大量的泥土，尘埃，还会有很多油迹，污垢。严重腐蚀线路的钢轨、扣件等,设备的使用寿命也大幅缩短，容易造成锚栓失效, 严重威胁行车的安全，对轨道安全运行带来隐患。所以定期的对轨道表面的污垢，油迹进行清除，对轨道进行维护很有必要，不仅能够延长轨道的寿命，保证列车的安全运行，还能创造一个舒适的行车环境，减少废弃物对环境的污染。由于轨道的行车里程的不断扩大，人工清理劳动量大，效率低，对人体危害大,外运时极不安全,而且清扫费用也高，不能满足清理的要求。因此，设计出一款符合我国国情的，智能化程度较高的轨道清洁系统成了当务之急。本论文根据实现对轨道清理维护工作的自动控制的要求，设计了此型拥有较高自动
12、化程度的轨道清洁车，轨道清洁车操作方便，效率高，避免二次污染，完全满足轨道清洁的要求。该型车可以有效的满足对轨道表面污垢杂物的清理工作，实现对轨道表面采取维护保养工作，提高了轨道表面清洁维护的效率，大大节约了人工成本，具有很好的经济效益和发展前景。1.2轨道清洁车的发展现状本论文设计的轨道清洁维护车平时可以在公路上行驶1-2，在需要对铁轨进行清理维护的工作时，通过对机构的操作来实现从清洁车从陆地到铁轨上行驶的转换，然后对轨道进行清理维护工作。英国早在上世纪30年代率先在铁路上进行了此项试验，后来日本，德国，等国都做过此方面的研究，都没有达到实用性。由于受到当时科技发展水平，轨道转换设备的缺乏，
13、想要实现陆轨两用车在公路与铁路之间的快速的转换，费时费力，极大的限制了陆轨两用车的发展。随着轨道交通的飞速发展，行车里程的不断增加，轨道上沾满了大量的污渍，油垢，不但会腐蚀线路的钢轨，扣件等，而且容易造成锚栓失效，严重威胁列车的行车安全。对钢轨进行清理，维修是一项非常艰巨的任务，人工维护铁轨已经不在适应社会的发展需求。越来越多的国家研制出了能够实现机械化维护轨道的车辆，而且随着计算机技术，自动化技术的发展，轨道清洁车的越来越朝着智能化，自动化的方向发展，而且可以实现的功能越来越多，比如除尘，清扫，涂油维护等等，使得轨道清洁车的功能发展越来越完善。近年来轨道清洁车的又一发展特点就是对其各项功能易
14、于操作，简单方便，甚至只需一个人就可以在控制室内独立完成3-6。1.2.1控制系统的发展随着现代控制理论，计算机技术的发展，自动控制设备的普及，引起了自动化系统的革命，逐渐形成了以网络自动化系统为基础的智能控制系统。自动化控制系统其实是一个从简单到复杂，由低智能向高智能发展的演变过程。自动控制系统的发展大致经历了三个阶段：上世纪50年代以前可以作为自动控制发展的第一阶段，用传递函数进行数学描述的方法是它的理论基础，用来分析自动控制系统的基本方法有根轨迹法与频率法。Maxwell在自动控制领域具有导师的作用，他成功的用线性常微分方程的方法对蒸汽发动机的系统进行了描述，对自控控制理论的形成起了极大
15、的推动作用。又经过Bode,Nicldhs等科学家在控制领域的研究，逐渐形成了日趋成熟的经典反馈控制理论。60年代起，自动化发展进入了的第二阶段，主要特点是生产过程向连续化的方向发展，基础是空间分析方法，具有非线性等特点。出现了两种典型的控制：用最优设定值的方法对DDC回路进行监督控制。由计算机直接确定对调节器的数字控制。70年代，微处理器的面世，加快形成了第三代控制理论，它是把计算机，控制等科学技术运用在一起，将控制理论与其他科学广泛的融合，形成了一种新的集散系统。总体来看，自动化控制进入了计算机控制的时代，并向着智能化方向进行发展。随着信息社会的高速发展，控制系统向着集中管理，分散控制的方
16、向发展，比如现场总线技术的发展。随着计算机，通信等科学技术的发展，自动控制的发展朝着智能化，网络化，全集成自动化等方向不断的发展：（1）智能化。现在人们在工业生产中，对控制系统的精确性提出了越来越高的要求，智能化与自动化的集合发展可以满足人们对大型复杂精密机械的操作，所以越来越受到人们的重视。（2）网络化。现场总线的不断发展推动了自动控制网络化的发展。将控制系统与管理层的计算机进行联网，可以实现数据共享，提高管理效率。（3）全集成自动化。全集成自动化系统就相当于一个综合的系统，它一个系统就能实现以前很多系统组合起来才能实现的系统，这种系统的解决方案具有很大的优势，大大简化了控制系统的结构，利于
17、系统的稳定控制。1.2.2国外的研究现状智能型轨道清洁车是维护轨道的重要机械，目前在轨道交通发展的大环境下，其作用不言而喻。特别是一些发达国家如美国的起步较早，所以国外智能型轨道清洁车的发展日趋成熟，其技术应用一直处于世界领先地位，如HOFMANN公司，阿童木公司，KADCAM公司等。他们的产品机械化，智能化程度高，各种型号系列也比较完善7-9。国外的系统优势主要体现在：（1）底盘系统外国的轨道清洁维护车采用的底盘大多是装配的，采用奔驰底盘等，由底盘的发动机为车辆提供动力。很多清洁维护车的底盘功率达到了200KW，可以为整车提供足够的动力。（2）控制系统国外的轨道清洁维护车普遍采用微处理器控制
18、，与选取的芯片性能的高低有很大的关系。国外的智能清洁车的主控制器一般采用单片机或是PLC，利用主控制器实现自动化控制，使控制分散又方便管理，提高了轨道清洁车的作业质量和工作效率。 英国早在上世纪80年代就研制出轨道清洁车， 此型车可以完成对轨道上的粉尘，污渍进行清理。英国的这款轨道清洁车体积庞大，有多节列车链接而成，造价昂贵，它具有能用液压传动变速的性能，可以实现超低速的清洁作业。如图1.1 图1.1 英国轨道清洁维护车德国斯沃林设备公司开发的轨道清洁技术，具有很强的先进性，清洁装置采用高压水清洗和压缩空气两种模式。能够灵活的实现铁路与公路的切换使用，而且不需要准备时间，作业持续时间长，完成作
19、业质量高，适应劣质环境的能力强，工作效率高，维护方便的特点。清晰的人机界面，这一型轨道清洁车在当时引起了不小的轰动。法国在轨道清洁车领域也有着很强的实力，法国生产的名为VakTrack的轨道清洁车，车身长约50米，车辆行驶速度达35英里/小时，对于轨道两侧30英尺范围内的垃圾都能有效的清理，在当时性能非常先进。图1.2 德国隧道清洗车辆国外在轨道清洁维护车上的研究历史悠久，性能先进，可以实时对各个部分的元件的工作状态进行监测，直观的反映在驾驶室内的显示屏上，便于为驾驶员提供参考，能够实现各个部件的自动化控制，清洁车具有作业精度高的特点。1.2.3国内的发展现状国内研制轨道清洁车的时间较短，由于
20、受到国内科学技术发展，制造工艺，控制系统发展的制约，其产品没有实现广泛应用。有与国外清洁设备价格昂贵，我国开始研究轨道清洁车技术，通过从国外购买成熟的产品，研究消化国外的技术，发展自己产品。由于当时我国技术发展所限，计算机水平与自动化研究领域与外国有着巨大的差距，所以研究出的产品，功能单一，未达到广泛使用。目前，由于国内很多在设计上，施工工艺上的积累不全面，所以在智能化，自动化的程度不是很高，与国外比较，我国在轨道清理方面的劣势主要体现在自动控制系统，温度控制系统，涂油喷头等部分的自主研发上，很多无法实现自主的研发，处于需要引进国外技术的状态。经过我国不断地对智能清扫车，扫雪车，洒水车深入研究
21、，虽然一时在清扫车的技术参数，智能化，清扫维护效果等方面都达不到国外的先进程度，但是已经大大缩短了我国在智能维护清理领域与国外的差距10-13。国内在轨道清洁领域做得比较好的厂家如湖北襄阳金鹰公司生产的轨道清洁车，主要是对隧道的墙壁，铁轨进行清理，该行车安装了喷洒枪，喷嘴，高压水泵等装置，仅仅能做到对轨道的冲洗，对轨道内的废弃物的清理无能为力。如图1.2 图1.3 湖北金鹰生产的清洁车 对于铁路轨道的维护清理工作，以前我国采用的主要维护方式还是人工维护，这样不仅工作量大，耗费人工成本，而且工作效率低，不能不满轨道的维护工作。随着自动化技术的不断发展，清洁车朝越来越智能化的方向发展，特别是随着电
22、子科学技术，液压技术，自动控制技术等技术的引入与发展，设备结构越来越合理，设备的自动化，智能化已经达到了很高的水平。把清洁车的各个部分模块化，吸尘器模块，刷子模块，清洗模块等，在清洁车的控制室里实现自动化控制。以微处理器为核心控制各个分系统有序的工作，提高清洁的精度，拥有压力，温度，行驶速度等数字显示，各个系统越来越智能化。这样可以解决轨道清洁车的操作繁琐，不但节省了人资力源，而且可以实现各个系统的智能化控制，提高系统的精度，工作效率，主要功能如下：对工作状态进行实时监测，为工作人员提供必要的工作数据，更好的操作机械，及时发现故障。对清洁车行驶速度进行实时监测。本课题设计的轨道清洁车是在陆轨两
23、用车上设计清理维护装置14，实现各个功能的自动化控制，节约了人工成本，大大提高了工作效率。图1.4 隧道清洗车辆1.3轨道清洁车控制系统的方向（1）用控制器控制清洁刷工作。在清洁刷处安装传感器，传感器将测得距离，压力传递控制器，控制器通过调节液压缸来实现清洁刷的上升与下降，让清洁刷与铁轨之间保持合适的贴合，达到更好的清洁效果15。 （2）自动诊断技术。轨道清洁车在执行清洁工作时，对遇到的工作情况可自行判断，对传感器传回的数据进行分析，作出相应的解决措施，自动的调节清洁刷的转速，喷油泵的流量等。（3）采用CAN总线技术。设计人机交互系统，可以实现对轨道清洁车的工作参数直观的显示屏上显示出来，更好
24、的让驾驶员了解清洁车的工作状态。1.4本论文的主要研究内容本论文的主要研究内容是根据实际要求来进行设计，以轨道清洁车作为控制对象，在参考国外先进车型控制系统的基础上，设计出一套控制功能较为完善，技术较为先进，使用方便，人机交互方便的基于PIC单片机的控制系统，能够满足轨道清洁维护车各项功能的控制。对控制系统整体进行设计，着重研究了硬件系统设计，软件系统设计，并对控制系统进行了调试。本论文由七章组成，主要内容如下：第一章，绪论。首先介绍了进行轨道清洁车研究的背景，然后介绍了国内外陆轨两用车的研究现状，国外轨道车技术水平与应用情况，我国的技术底子薄弱，与国外先进技术的差距。通过对比国外轨道清洁车的
25、发展状况，阐述了本论文研究的意义，概述了本文的主要研究内容。第二章，轨道清洁维护车控制系统的整体设计。综合分析轨道清洁维护车的各项基本功能，作业质量，包括轨道清洁车维护车控制系统所要达到的要求进行设计，各个控制系统的设计。对控制系统的介绍，对不同类型的单片机功能对比介绍，实现对控制系统方案的选择。第三章，本章介绍了轨道清洁车液压系统的原理，对液压系统进行数学建模分析，液压设备的参数设计，电力设备的参数设计与选型，气动供应设备的参数设计与选型等。第四章，轨道清洁维护车控制系统硬件系统的设计。在设计中，采用温度传感器测量温度信号，用液压马达带动喷油泵的转速来计量喷油量，轨道清洁维护车的速度由速度传
26、感器在车传动轴采集。利用PIC单片机中的AD转换器接受反馈信号，并对信号进行分析，利用PIC的输出PWM信号对喷油泵的转速进行控制，使喷油泵的喷洒量达到精确控制。第五章，轨道清洁车控制系统软件系统的设计。软件系统的设计主要是对PIC单片机控制电路的程序设计，在MPLAB开发环境下利用C语言编写程序，对软件进行模块化处理，作出每个模块的程序流程图，这样可以方便的进行功能模块的扩展，为硬件调试提供了一个平台。第六章，系统的抗干扰设计调试与仿真。采取有效的抗干扰措施，对抗干扰保护措施进行设计，对MPLAB的开发环境进行了介绍，然后对控制系统进行调试，对系统的程序进行仿真，并完善设计方案。第七章，总结
27、与展望。第二章 轨道清洁维护车控制系统分析本章结合轨道清洁维护车的结构，工作原理，主要参数，对轨道清洁维护车需要实现的功能进行分析，对控制系统进行研究，结合相应的控制原理，然后提出了控制方案。2.1轨道清洁维护车控制系统需要实现的功能为了解决传统清洁车的操作繁琐，节约人力资源，实现各个功能自动有序的实现，所以我们设计的这个控制系统主要完成如下功能：（1）对各个系统，设备进行监测的功能，哪些功能正在作业，哪些功能没有工作可以清晰的显示出来，为驾驶员提供有用信息，方便驾驶员进行分析判断，完成功能操作，防止误操作。（2）能够实现自动加热与保温的功能，为了使喷涂的油处于最佳状态，能够根据检测来的喷涂油
28、的温度与设定温度比较出来的结果来决定是否加热或者保温，满足喷涂模块喷涂作业时对油料温度的要求。（3）自动喷涂功能，根据测得的行车速度通过单片机PID算法计算出来的喷涂量，利用核心控制器实现根据清洁车的行驶速度来自动调节油的供应量的目的，保证喷洒精度的要求。（4）实现对铲刀模块，清洁刷等各个模块的独立操作，对各个系统的自动控制，按着作业员的思想灵活采取工作模式。2.2轨道清理维护车的结构本论文已经把轨道清洁车维护机构的结构设计设计完成了，通过加装轨道轮的形式来对陆轨两用车进行改装，平时不作业时陆轨两用车可以汽车轮胎在公路上行驶，非常的方便。当需要上轨进行对轨道的清理维护工作时，需要通过转换装置把
29、汽车轮与轨道轮进行切换，可以通过液压装置把可伸缩的轨道论放到轨道上，与轨道贴合，此时将汽车的前轮升起，这样就完成了汽车轮轨道轮工作之间的切换。用汽车的后轮作为驱动轮，轨道轮作为导向轮，这样便实现了轨道上的使用16-17。此车具有很高的自动化程度，采用开关控制，操作简便，易于维护等优点。图2.1 轨道清洁车在公路上行驶 图2.2 轨道清洁车在铁路上作业驾驶室内设置了中央控制台，驾驶员可以不离开驾驶室完成对轨道清洁车各项功能的操作。驾驶员获取信息的来源主要是通过安装于设备各处的传感器，这些不同功能的传感器监测各个设备的运行情况，把搜集到的设备信息与系统参数反馈到控制台，各个系统的工作状态会在中央控
30、制台上显示，还有报警显示等。轨道清理维护车的控制系统为开关控制，很方便的实现对各个功能模块的自动化控制。轨道清洁车通过公路与铁路的转换以后，在清理维护工作开始之前，首先应该仔细检查各个系统的工作状态，观察各个模块的工作状态参数是否符合维护工作的要求，一切准备工作完成以后，就启动柴油发电机为吸尘器，空气压缩机等设备提供电力。本设计设计了不同的工作模式，可以选择是两条铁轨同时清理，还是单轨单独清理铁轨，根据对不同轨道实施不同功能维护的需要，可以独立的实现各个清理维护机构的功能，互不干扰，操作流程如图2.3所示：图2.3 操作流程图本实验室通过空间测量，合理布置了功能模块的结构，铲刀装置，涂油装置通
31、过液压系统的液压缸来实现位置的升降，可以调节清理执行机构的位置高低。2.3控制系统的工作原理与分析对轨道清洁车主要的功能进行分析，它控制的系统主要可以分为18：1）控制液压系统的控制阀来控制铲刀，清洁刷，擦干，涂油等装置的升降。2）通过单片机输出PWM波调节气动马达的来控制清洁刷的转速，方向，调节液压马达来控制喷油量的多少等。3）涂油系统控制较为复杂，涂油温度的控制，将温度传感器采集到油料的实时温度，与涂料的设定温度比较，来控制加热系统的启停。控制框图如图2.4; 图2.4加热系统框图喷油量的多少与轨道清洁车的速度密切相关，把传感器测出的轨道车的速度转换为电压信号来调节电液比例调速阀，调节阀的
32、流量，来实现喷油量多少的控制。如图2.5 图2.5喷油模块框图通过轨道清理维护车控制功能的分析，我们把控制系统分为许多模块：主控模块，温度检测模块，加热系统模块，速度检测模块，喷油模块，显示模块等。轨道清洁车实现上轨以后，对各个功能的参数设定完成后，启动柴油发电机来为空气压缩机等装置提供电力。在显示模块上可以对轨道车单轨还是双轨清理维护进行设定，对铲刀，清洁刷，擦干，涂油等功能进行选择，功能可以独立运行，也可使相互配合工作19-20。控制铲刀，清洁刷的放下，铲刀将附着在轨道上的污垢铲掉，利用吸尘器的负压将铲下的污垢吸走，空气压缩机为气动马达提供气源，气动马达带动清洁刷旋转，对轨道进行清扫，液压控制擦干装置的下降，对轨道的五个面进行擦干作业。驾驶员输入需要
