[发明专利]一种基于状态估计的高速铁路受电弓多目标鲁棒控制方法

说明书

本发明公开了一种基于状态估计的高速铁路受电弓多目标鲁棒控制方法，首先构建非线性受电弓‑接触网模型，再根据非线性受电弓‑接触网模型，构建面向控制的弓网系统模型，得到弓网模型下的状态空间方程；然后确定受电弓主动控制目标，将控制目标方程化；根据弓网模型下的状态空间方程，加入过程噪声和测量噪声，得到面向估计的离散状态方程；最后利用控制目标的空间方程，设计多目标控制器，并结合估计结果，得到最优主动控制力。本发明通过非线性弓网模型，详细研究了控制策略的有效性和鲁棒性；且控制策略在不同的工况下控制性能依旧良好。

技术领域

本发明涉及受电弓主动控制技术领域，具体为一种基于状态估计的高速铁路受电弓多目 标鲁棒控制方法。

背景技术

近年来，高速铁路技术一直备受关注。高速铁路安全可靠运行的一个重要条件是接触网 与受电弓稳定的滑动接触，接触网和受电弓的动态性能对机车的当前集流质量产生很大影响， 这直接反映在受电弓-接触网接触力的波动上。实际上，除了环境扰动的影响之外，接触力的 波动主要受列车速度的影响。增加高铁的运行速度，弓网接触力波动变得更加严重，严重影 响车辆牵引设备的供电。为了减小接触力的波动，提高高铁的运行速度，一些学者提出采用 有源受电弓技术来提高受电弓-接触网的集电质量，这是一种减少接触力波动的有效方法，对 不同类型的接触网具有普遍的适应性。一些学者提出了使用接触网等效刚度的一般近似来实 现输出反馈控制，该方案基于反步技术并且受益于高增益观测器的指数收敛性。Song等将PD 控制器用于受电弓多体模型，并分析了不同PD参数、不同时滞、不同步长和不同外界扰动 (环境风)下的控制性能。Pisano等提出了二阶滑模控制器，通过使用上下受电弓框架的测 量位移来得到反馈信息(接触力)，避免直接测量接触力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通过受电弓主动控制来减少接触力的波 动，且仅利用了受电弓的状态信息进行控制的基于状态估计的高速铁路受电弓多目标鲁棒控 制方法。技术方案如下：

一种基于状态估计的高速铁路受电弓多目标鲁棒控制方法，包括以下步骤：

步骤A：构建非线性受电弓-接触网模型；

步骤B：根据所述非线性受电弓-接触网模型，构建面向控制的弓网系统模型，得到弓网 模型下的状态空间方程；

步骤C：确定受电弓主动控制目标，将控制目标方程化；

步骤D：在步骤B的状态空间方程的基础上，加入过程噪声和测量噪声，得到面向估计 的离散状态方程；

步骤E：根据步骤C的状态空间方程，设计多目标控制器；结合估计结果，得到最优主 动控制力。

进一步的，步骤A具体为：

根据受电弓的动力学方程：

式中：x₁、x₂和x₃分别表示弓头、上框架以及下框架的位移；m₁、m₂和m₃分别表示弓头、上框架以及下框架的等效质量；k₁、k₂和k₃分别表示弓头、上框架以及下框架的等效刚度；c₁、c₂和c₃分别表示弓头、上框架以及下框架的阻尼；F_pc表示接触力；F_l表示静态 抬升力；u表示主动控制力；

得到受电弓-接触网模型：