[发明专利]一种基于状态估计的高速铁路受电弓鲁棒预测控制方法

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鲁棒预测控制方法，具体为：建立非线性受电弓‑接触网系统模型；构建面向控制的受电弓‑接触网系统模型，得到受电弓‑接触网系统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；确定受电弓主动控制目标，在受电弓‑接触网系统模型状态空间方程的基础上，将接触力跟踪误差的积分增广至弓网系统状态空间方程中，得到增广后的受电弓‑接触网系统模型下的状态空间方程；再设计鲁棒预测控制器；结合估计结果，得到主动控制力。本发明通过非线性受电弓‑接触网系统模型，研究了鲁棒预测控制方法的有效性；且控制方法在不同的工况下控制性能依旧良好。

技术领域

本发明属于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鲁棒预测控制方法。

背景技术

目前，高速列车普遍采用电力牵引方式。受电弓是安装在高速列车上的一种从接触网上集取电流的专用设备，因此受电弓和接触网之间平稳的接触状态是保证列车受流质量优良的关键。在高速列车受流质量的评价体系中，接触力是其非常重要的指标。随着高速列车速度的提升，受电弓与接触网之间的复杂耦合振动会更加剧烈，体现在接触力的波动变大，受流质量急剧变差，脆弱的弓网系统已经成为高速列车舒适性和可靠性提升的严重障碍。当接触力波动幅度过大时，弓网系统容易出现离线、燃弧等现象，使得受流质量变差，受电弓也容易出现故障损坏。接触力过大时，既加重了受电弓滑板的磨损，同时也增加了弓网运营维修成本。针对弓网接触力波动的问题，学者们提出受电弓主动控制方法以减小弓网接触力的波动，提高高速列车弓网受流质量。相较于LQR最优控制策略，对期望弓网接触压力均值的有更好的跟踪效果。

发明内容

为了在受电弓主动控制中，减少弓网接触力的波动，且利用弓网接触力差值的积分和受电弓的状态信息进行控制，本发明提供了一种基于状态估计的高速铁路受电弓鲁棒预测控制方法。

一种基于状态估计的高速铁路受电弓鲁棒预测控制方法，具体步骤为：

步骤A：建立非线性受电弓-接触网系统模型；

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

步骤C：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D：确定受电弓主动控制目标，在步骤B的受电弓-接触网系统模型状态空间方程的基础上，将接触力跟踪误差的积分增广至弓网系统状态空间方程中，得到增广后的受电弓-接触网系统模型下的状态空间方程；

步骤E：根据步骤D的状态空间方程，设计鲁棒预测控制器；结合估计结果，得到主动控制力。

进一步的，步骤A具体如下：

受电弓的动力学方程为：

式中：m₁、m₂和m₃分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的质量，k₁、k₂和k₃分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的刚度，c₁、c₂和c₃分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的阻尼。x₁、x₂和x₃分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的位移，和分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的速度，和分别表示受电弓弓头、上框架、下框架的加速度，F_pc表示弓网之间的动态接触力，F_l表示静态抬升力，u表示主动控制力。

接触网的动力学方程为：