激光淬火工艺能够在钢轨表面形成淬硬层,从而提升表面材料的硬度、耐磨性,延长钢轨的使用寿命,进而防止铁路安全事故的发生。淬硬层形貌与材料的温度分布紧密相关。为保证淬火加工质量,本文以钢轨激光淬火过程中材料的温度为研究对象,借助经典控制理论和有限元方法,利用MATLAB和ANSYS软件,深入展开了激光淬火温度控制技术研究,开发了温度控制系统。本文主要研究内容和成果如下:1)设计了温度控制的总体方案。设计了一种根据加工区域材料温度反馈来进行激光功率调节的温度控制方案;对比分析了不同的红外测温方法,确定了基于比色测温的温度测量方案;对温度测量模块和控制模块进行了硬件选型,满足了温度反馈以及功率调节的各项要求。2)为了研究钢轨温度分布对淬火质量的影响,使用有限元软件对二者关系进行了研究。通过三维建模、网格化模型、边界条件确立、循环施加载荷等操作,求解得到了激光淬火过程钢轨材料的温度分布;根据有限元模型的温度分布分析出了淬硬层形貌,得出了与实际淬火相符合的结果,验证了有限元分析的有效性;研究了淬硬层厚度与激光扫描速度、材料表面温度之间的关系,为实际操作过程中工艺参数的选择提供指导。3)为实现激光淬火过程中高性能的温度控制,设计了将内模控制与干扰观测器相结合的温度控制算法。以激光功率为输入,光斑作用区域的材料温度为输出建立了温度系统,根据有限元分析得到的温度响应曲线推导出系统传递函数,以此为基础设计了内模控制器与干扰观测器;内模控制器的使用令控制系统具有较好的动态响应以及鲁棒性,干扰观测器的引入提高了控制系统的抗干扰能力;使用MATLAB/SIMULINK和ANSYS软件进行了仿真分析,对所提出的控制策略的有效性进行了仿真验证。4)为了验证本文控制方案实际可行且高效,搭建了温度控制系统并进行实验。首先,完成了控制系统的硬件集成以及软件开发。然后进行了钢轨淬火温度控制实验,验证了温度控制算法的实用性和高效性。最后,对比研究了钢轨在恒温模式下和恒功率模式下加工的淬火质量,发现了在恒温模式下所得到淬硬层的厚度更为均匀。实验结果表明,本文所开发的温度控制系统能够有效的控制淬火过程中的材料温度。相较于恒定功率的加工模式,恒温模式能够使得钢轨材料温度在淬火过程中更加稳定,加工得到的淬硬层厚度也更加均匀。证明了温控系统的引入能够保证钢轨激光淬火质量。