[发明专利]一种弓网接触力优化设计方法

说明书

本发明公开了一种弓网接触力优化设计方法，包括如下步骤：建立受电弓和接触网系统模型；获得接触力计算模型；根据频谱特性，采用Navellinna‑Pick插值法求得符合最优值的传递函数，从而求得最优控制器；进行性能评估，若满足性能指标要求，则确认最优设计；否则通过核查各已知参数准确值，迭代最优控制器的最优性能。通过本发明，能够使所优化的弓网系统在减小接触力波动的同时，减轻电弓与机车的应力，降低结构疲劳损伤的概率，提高整体弓网系统可靠性。

技术领域

本发明属于受电弓-接触网系统领域，特别涉及了一种弓-网接触力的优化设计方法。

背景技术

高性能的动车组必须有稳定可靠的动力供应，而列车获取电能的唯一途径是通过车顶上的受电弓，由它把接触网上的高压交流电引入列车。然而对于在高速铁路上行驶的列车来说，由于列车速度非常快，列车通过受电弓取电会变得更加不稳定和不可靠。解决受电弓与接触网之间的弓网关系，是一个关键性的技术难题。

目前广泛受关注的两个解决途径是：1)采用更先进的电工滑板材料；2)采用主动控制技术。当列车时速为400公里时，弓网的相对滑动速度会达到每秒钟111米，这在滑板表面产生的热量迅速增加，其瞬间离线拉弧在接触点处甚至能产生3000℃以上高温，这将导致滑板表面质量下降，因而加剧了磨损。所以在高速列车安全控制的发展过程中，世界各国都对电弓滑板材料的研究投入了巨大的精力。近年来，另一个备受关注的解决弓网接触的方法是采用主动控制技术以便在受到来自机车的干扰时仍然能够获得合适甚至是最优的接触力。

弓网主动控制利用控制理论和控制工程领域的进展，具有很大的应用前景。常用的主动控制方式有开环、闭环和最优控制三种，尽管各有优缺点，但都可以获得远优于无控状态下的系统性能，这对闭环控制来说尤其如此。例如Connor等提出的LQR控制，Levant等提出的高阶滑膜控制，Lin等提出的多目标优化，以及Guo等提出的非线性微分几何控制等，都展现出闭环主动控制所能获得的卓越性能。然而，现有文献中主动控制的目标主要是维持恰当的接触力，而忽略了来自外界的干扰，如来自机车的激扰，来自接触网的参变扰动，来自传感器的噪声等等。这使得传统的设计只能维持恰当的接触力，但可能在电弓与机车的连接处造成结构疲劳，甚至严重损坏。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种弓网接触力优化设计方法，可以在减小接触力波动的同时，减轻电弓与机车的应力，从而降低结构疲劳损伤的概率，提高整体弓网系统可靠性。

技术方案：一种弓网接触力优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立受电弓和接触网系统模型；

步骤2：获得接触力计算模型；

步骤3：根据频谱特性，采用Navellinna-Pick插值法求得符合最优值的传递函数，从而求得最优控制器；

步骤4：进行性能评估，若满足性能指标要求，则确认最优设计；否则返回步骤1和步骤3，通过核查各已知参数准确值，迭代最优控制器的最优性能。

进一步的，在步骤1中，所述受电弓和接触网系统建立模型如下：

其中：m₁和m₂为弓网系统模型的等效质量；Z₁，Z₂和Z_r分别为两等效质量块的位移和弓网系统基座位移，和是相应的速度，而则是相应的加速度；k(t)是接触网刚度；F₀、f_k和f_c分别为静提升力、弹性力和阻尼力，并定义为f_k＝a(Z₁-Z₂)和a和b是相应的系数，由实验获得；u是反馈作用力；c₂是等效阻尼系数。